Очаги поражения при пожаре и взрыве

Очаг поражения при пожаре

 

Под пожарной обстановкой понимается совокупность последствий сти­хийных бедствий, аварий и катастроф, в результате которых возникают пожа­ры, взрывы, оказывающие влияние на устойчивость работы объектов народного хозяйства и жизнедеятельность населения.

Оценка пожарной обстановки включает: определение масштаба и характера (вида) пожара, скорости и направления пожара; площади зон задымления, теплового воздействия и времени задымления; анализ их влияния на устойчивость ра­боты отдельных элементов и объекта в целом, а также на жизнедеятельность насе­ления; рекомендации по повышению устойчивости объекта к пожару.

Исходными данными для прогнозирования пожарной обстановки являют­ся данные о пожаро- и взрывоопасности объекта и его элементов, окружающей среды (лесов и населённых пунктов); метеоусловия (влажность воздуха, под­стилки, скорость и направление ветра); рельеф местности, характер застройки, наличие водоисточников.

При пожарах образуется три зоны: зона горения, зона теплового воздейст­вия и зона задымления. Зона горения – это часть пространства, в котором обра­зуется пламя или огненный шар из продуктов горения. Зона теплового воздей­ствия - часть пространства, примыкающего к зоне горения, в котором проис­ходит воспламенение или изменение состояния материала и поражающее дей­ствие на незащищенных людей. Зона задымления – часть пространства, примы­кающая к зоне горения и заполненная токсичными дымовыми газами в концен­трациях, создающих угрозу жизни и здоровью людей.

Размеры зоны горения определяются визуально по размерам пламени и горящих материалов. Температура в зоне горения достигает следующих значе­ний: внутри зданий 800-900°; при горении газов и ЛВЖ на воздухе 1200-1600°; при горении твердых веществ 1000-1200°.

Оценка пожарной обстановки проводится в следующей последовательности. Определяют расстояние между зданиями R (м). Измеряют относительную влажность воздуха j (%). Определяют скорость и направление ветра υ (м/с). Скорость распространения пожара в населенных пунктах при скорости ветра υ_в= 3...4 м/с составляет υ_п = 150...300 м /ч (с деревянной застройкой); υ_n = 60... 120 м /ч (с каменными зданиями). Устанавливают степень огнестойкости зданий и сооружений (табл. 12.2). Определяют категорию пожарной опасности (табл. 12.3). Определяется плотность застройки по формуле (12.1). Определяют вероятность возникновения и распространения пожара (табл. 12.4).

Рассчитывают продолжительность пожара [24]:

- при горении твердых веществ по формуле

 

Т = М /(S_об υ_выг), (12.3)

 

где М – масса горючего вещества, кг;

S_об – площадь объекта (пожара), м²

υ_выг – скорость выгорания веществ, кг/м² с (табл. 12.5);

 

- при горении газовоздушных смесей (ГВС) и топливовоздушных смесей

(ТВС) по формуле

(12.4)

где М – масса вещества (метан, пропан, бутан, этан и пр.), кг (принимается равной 50% вместимости резервуара при одиночном хранении и 90 % вмести­мости при групповом).

 

Таблица 12.5 – Теплотехнические характеристики веществ и материалов

 

Вещества и материалы	Скорость выгорания, υвыг, кг/м с	Теплота сгорания, Qv кДж/кг	Теплота пожара, Qо кДж/м^2-с
Ацетон	0,047	28,4 ∙ 10^3
Бензол	0,08	30,5∙ 10^3
Бензин	0,05	44∙ 10^3	1780-2200
Керосин	0,05	43∙ 10^3
Метиловый спирт	0,04	20,9∙ 10^3
Смесь метана, пропана, бутана	0,65	40∙50∙ 10^3
Нефть	0,02	43,7∙ 10^3
Этиловый спирт	0,03	33,8∙ 10^3	8200-10000
Фурфурол	0,04	23∙ 10^3
Древесина	0,015	19∙ 10^3
Каучук натур.	0,013	42∙ 10^3
Пиломатериалы	0,017	14∙ 10^3
Полистирол	0,007	42∙ 10^3
Оргстекло	0,016	15∙ 10^3
Мазут	0,013	40-10'

 

Рассчитывают безопасный радиус теплового воздействия при горении твердых веществ по формуле

(12.5)

 

где R – приведенный размер очага горения, м; R= – для горящих зда­ний (S=L^.H); R= – для штабелей пиленого леса (h_ш – высота шта­беля); R = D_рез для горящих резервуаров с ЛВЖ; R = 0,8 D_рез – для ГЖ; R =d– для различных горючих жидкостей (d – диаметр разлития жидкости);

J_пр – предельные критические значения теплового излучения для человека и материалов, кДж/м^2.с (табл. 12.6);

Q_o – теплота пожара, кДж/м²·с (табл. 12.5);

 

Q_o=Q_V^. υ_{выг ,}

а – коэффициент, характеризующий геометрию очага (а= 0,02 для плоско­го очага; а = 0,08 для объёмного очага).

 

Радиус теплового воздействия R огненного шара при горении ГВС, ТВС определяется по формуле

R = (12.6)

 

где М – масса вещества (метан, пропан, бутан, этан и пр.), кг; принимается равной 50% вместимости резервуара при одиночном хранении и 90 % вмести­мости при групповом;

J_пр – предельное значение теплового излучения для человека и материалов, кДж/м^2.с (табл. 12.6).

 

Таблица 12.6 – Предельные значения теплового излучения для человека и материалов

 

Объект	Предельное значение теплового излучения. J, кДж/м^2·с	Время выдержки, с
Человек (начинаются болевые ощущения)
10,5
4,2	15...20
2,5
1,5	60...120
1,26	безопасно
Древесина при j = 15% (начинается возгорание)	15,5
Ацетон, бензол, спирт
Мазут, торф, масло

Пример 12.1. Определить безопасный радиус теплового воздействия для человека и деревянных зданий при горении деревянного строения размером 30x20 м. Удельная теплота пожара 260 кДж/м²·с.

Решение. Расчет ведем по формуле (12.5), принимая предельное безопасное значение теплового воздействия для человека (табл. 12.6) 1.26 кДж/м²·с, для древесины 14

Вывод. При горении деревянного строения размером 13x20 для человека безопасным будет расстояние 100м, для деревянных домов 30 м.

Пример 12.2. При аварии из емкости вылилось 50000кг бутана. Определить радиус зо­ны теплового воздействия для человека и время пожара при возгорании ГВС.

Решение. Рассчитываем время пожара по формуле (12.4)

 

Радиус зоны теплового воздействия для человека рассчитаем по формуле (12:6), вы­брав предельное значение теплового излучения для человека J_пр = 4,2 кДж/м²·с

Вывод. На расстоянии 160м болевые ощущения начнутся через 15...20 с.

 

Зона задымления является опасной для человека при содержании окиси углерода (СО) более 0,2 %, двуокиси углерода (СO₂) – более 6 %, кислорода (O₂) – менее 17 %. При наличии в зоне горения химических веществ (пластмасс, фанеры, линолеума и др.) в воздух выделяются токсичные продукты, такие как фенол, формальдегид, хлористый водород, окисла азота, сероводород, фосген.

Скорость дымообразования υ_д может быть рассчитана по формуле [24]

 

υ_д = υ_выг · d_m· D (12.7)

 

где υ_выг –скорость выгорания, кг/м²∙с (табл. 12.5);

d_т – коэффициент дымообразования;

D –показатель токсичности дыма, токсодоза, мг∙мин/л (табл. 12.7).

 

Коэффициент дымообразования рассчитывается по формуле

 

(12.8)

 

где V_n – объем пространства горения, м³;

l –длина светового луча в дыму, м;

М –масса сгоревшего материала, кг;

ln – логарифм натуральный;

Е₀, Е_тiп – освещенность участка горения без задымления и в дыму, лк.

Пример 12.3. Определить скорость дымообразования при пожаре на скласком помеще­нии объемом 20x30x5 м³. Известно, что горит штабель древесины массой 1000кг.

Решение. Рассчитаем коэффициент дымообразования по формуле (12.8), приняв длину све­тового луча в дыму 1м, освещенность в помещениибеззадымления 50 лк, с задымлением 20 лк

 

Рассчитаем скорость дымообразования по формуле (12.7), определив предварительно по таблице 12.5 скорость выгорания древесины υ_выг = 0,015 кг/м² с и по табл. 12 7 токсиче­скую смертельную дозу для окиси углерода D = 60мг ∙мин/л

 

υ_д = υ_выг · d_m· D =0,15·2,75 ·60 =2,47 кг/м²

Вывод. Скорость дымообразования 2,47 кг/м² с.

 

Глубина опасной по токсичному действию части зоны задымления опре­деляется из соотношения

 

(12.9)

 

где М – масса токсичных продуктов горения, кг;

D –токсическая доза, мг · мин/л (табл. 12.7);

_п – скорость переноса облака дыма, _п = (1,5... 2) ;

К₁ – коэффициент шероховатости поверхности (К₁ = 1 открытая поверх­ность; К₁ = 2 –поля, степь К₁ = 2,5 –кустарники, отдельные деревья; К₁ = 3,3 – городская застройка, лесной массив);

К₂ –коэффициент степени вертикальной устойчивости атмосферы

(К₂= 1 – инверсия; К₂= 1,5 –изотермия; К₂= 2 –конвекция);

а и b – коэффициенты, учитывающие доли массы токсических продуктов в первичном и вторичном облаке (табл. 12.7); при пожаре а= 1, b= 0.

 

Таблица 12.7 – Значения токсических доз

 

Химическое вещество	Токсическая доза, D, мг·мин/л	Коэффициенты
смертельная	пороговая	а	b
Аммиак			0,2	0,15
Двуокись углерода	0,6	0,06	0,07	0,15
Окись углерода			1,0
Окислы азота		1,5		0,03
Сернистый ангидрид		1,8	0,2	0,15
Синильная кислота		0,2		0,03
Фосген		6,2	0,07	0,15
Формалин, формальдегид	22,5	1,5		0,03
Хлор		0,6	0,2	0,15

Пример 12.4. Определить глубину зоны токсического задымления при пожаре на стан­ции водоочистки, где произошло разрушение емкости с хлором. Масса хлора 300кг, город­ская застройка. Состояние атмосферы – инверсия, скорость ветра 1 м/с.

Решение. Для определения глубины зоны токсического задымления используем фор­мулу (12.9), выбрав по табл. 12.7 значения токсической смертельной дозы для хлора D = 6 мг∙мин/л, приняв для условий пожара коэффициент а = I. коэффициент b=0; коэффициент К₁ = 3,3; К₂ = 1

Вывод. Глубина зоны токсического задымления равна 110 м.

 

Очаг поражения при взрыве

На производственных площадях химических и нефтеперерабатывающих предприятий, цехах ремонтных предприятий сосредоточены большие запасы взрывоопасных и токсичных продуктов. При разработке технологий и создании производств, при организации хранения этих веществ не всегда получают раз­витие закономерности физико-химических процессов, виды перехода и высво­бождения энергии.

В настоящее время существует большое число технологических процессов с недостаточно изученными физико-химическими, взрывчатыми и токсически­ми свойствами сырьевых материалов, побочных и конечных продуктов.

Разрушение и повреждение зданий, сооружений, технологических установок, ёмкостей и трубопроводов на предприятиях со взрыво- и пожароопасной техноло­гией может привести к истечению газообразных или сжиженных углеводородных продуктов. При перемешивании их с воздухом образуются взрыво- или пожаро­опасные смеси. Наиболее взрыво- и пожароопасны смеси с воздухом метана, про­пана, бутана, этилена, пропилена, бутилена и других углеводородных газов. Взрыв или возгорание этих газов наступает при определенном содержании газа в возду­хе. Например, взрыв пропана возможен при содержании в 1м³ воздуха 21 л газа, а возгорание – при содержании в 1м³ воздуха 95 л газа [9].

Взрыв – это освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за коротки промежуток времени с образованием ударной волны и избы­точным давлением более 5 КПа (табл. 12.8).

При взрыве образуется очаг взрыва с ударной волной, вызывающей раз­рушение зданий, сооружение и оборудования.

 

Таблица 12.8 – Виды и энергия взрывов

 

Вид взрыва	Энергия взрыва
Взрыв взрывчатых веществ	Освобождение химической энергии
Ядерный взрыв	Освобождение внутриядерной энергии
Искровой разряд. Лазерная искра	Освобождение электромагнитной энергии
Взрыв сосудов под давлением	Освобождение энергии сжатых газов (баллоны, компрессорные установки, автоклавы)
Взрыв топливовоздушных смесей (ТВС) и газовоздущных смесей (ГВС)	Объемный взрыв Смесь с воздухом углеводородных газов (метан, этан, пропан, бутан)
Взрыв пылевоздушных смесей (ПВС) при концентрации пыли менее 65 г/м^5	Объемный взрыв. Смесь с воздухом взрывопожароопасной пыли (пыль древесная, мучная, угольная, торфяная, зерновая, сахарной пудры, льна, пеньки, джута, табака)

 

В очаге поражения при взрыве газовоздушной смеси образуются три зоны: зона детонационной волны; зона действия продуктов взрыва; зона действия воз­душной ударной волны.

Радиус зоны детонационной волны (зоны бризантного действия) R₁ рас­считывают по формуле (м)

 

(12.10)

 

где Q –количество сжиженного углеводородного газа, кг,

а – тротиловый эквивалент (табл. 3.2).

Тротиловый эквивалент – это коэффициент, равный отношению теплоты сгорания данного вещества Q_V к теплоте сгорания тринитротолуола (ТНТ) Q_ТНТ

а=Q_V /Q_ТНТ (12.11)

 

где Q_ТНТ –теплота сгорания ТНТ, кДж/кг (Q_ТНТ = 4,52∙10³ кДж/кг).

Избыточное давление в пределах этой зоны может достигать 1700 кПа.

Избыточное давление Р_ф, (кПа) можно рассчитать по формуле М.В. Са­довского

(12.12)

 

где R – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки, м;

Q' –количество углеводородного газа в тротиловом эквиваленте, кг;

 

Q = β · Q'·α

 

где β – доля прореагировавшего при взрыве газа, β = 0,1;

α – тротиловый эквивалент (табл. 12.9).

 

Таблица 12.9 – Физико-химические свойства углеводородных газов

 

Вещество	Тротиловый эквивалент α	Максимальное давление взрыва Рmax,МПа	Удельная теплота сгорания Qv МДж/кг
Метан	0,716	0,72
Эчан	0,533	-	47,3
пропан	0,535	0,86	46,40
Бутан	0,486	0,86	45,8
Бензол	0,521	0.90	38,5
Толуол	0,546	-	41,06
Ксилол	0,563	-	42,86
Аммиак	0,512	0,6	18,6
Сероводород	0,425	-	14,0

 

Радиус зоны действия продуктов взрыва (зоны огненного шара) опреде­ляют по формуле (м)

 

R₂ = 1,7 ∙ R₁ (12.13)

 

Избыточное давление в зоне действия продуктов взрыва меняется в преде­лах от 300 до 1350 кПа. Его можно рассчитать по формуле (кПа)

 

(12.14)

 

где R – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки, м.

Радиус зоны действия воздушной ударной волны находят по формуле (м)

R₃=12,3 ∙ R₁ (12.15)

 

Избыточное давление в зоне действия воздушной ударной волны рассчи­тывают по формулам (кПа);

 

- при К ≤ 2 (12.16)

 

- при К > 2 (12.17)

 

где К – относительная величина;

 

К = 0,24 (R/R₁) (12.18)

 

где R – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки, м;

R₁ – радиус зоны детонационной волны, м.

Избыточное давление в третьей зоне можно также рассчитать по формуле (кПа)

 

(12.19)

 

Безвозвратные потери людей от воздействия ударной волны можно опре­делить из выражения

 

N_cм = 3∙Р∙Q^0,666 (12.20)

 

где Q – количество сжиженного углеводородного газа, т;

Р –плотность населения, тыс.чел/км.

Характер разрушений объектов ударной волной определяется по табл. 12.10 или 12.11.

 

Таблица 12.10 – Уровни разрушения здания от ударной волны взрыва

 

Характеристика повреждения здания	Избыточное давление, кПа
Полное разрушение здания
Тяжелое повреждение здания, здание подлежит сносу
Среднее повреждение, возможно восстановление
Разбито 90% остекления
Разбито 50% остекления	0,2
Разбито 5% остекления	0,0,5

 

Таблица 12.11 – Степень разрушения объектов

 

Объекты	Степени разрушения
сильная	средняя	слабая
Избыточное давление, Рф кПа
Цех с легким металлическим каркасом	50-30	30-20	20-10
Кирпичные здания	30-20	20-12	12-8
Цистерны ж/д	90-60	60-40	40-20
Грузовая машина		50-40	40-20
Линия электропередач	120-80	70-50	40-20
Трубопроводы наземные
Трубопроводы на эстакадах	50-40	40-30	30-20
Резервуар ТСМ наземный	100-50	50-30	30-10
Резервуар ТСМ подземный	200-100	100-50	50-30
Теплоэлектроцентраль	25-20	20-15	15-10
Водонапорные башни	60-40	40-20	20-10
Деревянные дома	30-20	20-10

Пример 12.5. Требуется определить избыточное давление, ожидаемое в районе меха­нического цеха, расположенного в кирпичном здании, при взрыве емкости, в которой нахо­дится 100 т сжиженного пропана. Расстояние от емкости до цеха 300 м.

Решение. Определяем радиус зоны детонационной волны по формуле подстав­ляя Q в кг и выбрав тротиловый эквивалент для пропана по таблице (а = 0,535)

 

Вычисляем радиус зоны действия продуктов взрыва по формуле

 

 

Определяем радиус зоны действия воздушной ударной волны по формуле

 

Цех находится в зоне воздушной ударной волны, т.к. расстояние от центра взрыва до цеха 300 м.

Так как цех находятся в третьей зоне, вычисляем избыточное давление только для этой зоны. Находим избыточное давление на расстоянии 300 м, определив предварительно коэф­фициент К:

К = 0,24 R/R₁ = 0,24·(300/65.7) = 1 ,9 < 2

 

Так как К< 2, выбираем формулу для расчета избыточного давления (13.7): 700

 

Характер разрушений определим по таблице. При 60 кПа кирпичное здание, получит полное разрушение.

Вывод. При взрыве 100т сжиженного пропана цех окажется под воздействием ударной волны с избыточным давлением около 60 кПа. Здание получит полное разрушение.

13. Очаг ядерного поражения

13.1. Общие сведения

 

Ядерным называется оружие, поражающее действие которого обусловлено энергией, выделяющейся при ядерных реакциях.

Ядерные взрывы бывают надводные, наземные, подводные, подземные, воздушные, высотные (рис. 13.1).

 

Рис. 13.1. Виды ядерных взрывов

 

Поражающее действие зависит от мощности боеприпаса и вида взрыва. Мак­симальное радиационное воздействие наблюдается при наземных взрывах.

Мощность взрыва характеризуется тротиловым эквивалентом, т.е. массой тротила (взрывчатого вещества), энергия взрыва которого эквивалентна энергии взрыва данного боеприпаса.

Первичными поражающими факторами ядерного взрыва являются: воздуш­ная ударная волна; световое излучение; проникающая радиация; радиоактивное заражение местности; электромагнитный импульс.

Кроме первичных поражающих факторов на объекты оказывают действие вторичные поражающие факторы, последствия от которых могут быть более значительными, чем от первичных (рис. 13.2).

Размеры очага ядерного поражения зависят от мощности и вида ядерного взрыва, рельефа местности и метеоусловий, характера застройки. Граница очага ядерного поражения на равнинной местности условно ограничена радиусом с из­быточным давлением во фронте ударной волны 10 кПа.

На разрушающее действие ударной волны ядерного взрыва оказывает суще­ственное влияние рельеф местности и метеоусловия. Рельеф местности может усилить или ослабить действие ударной волны. На обращенных в сторону взрыва склонах и в лощинах давление выше, чем на равнинной местности. В лесных мас­сивах избыточное давление на 10-15% больше, чем на открытой местности. Летом и жаркую погоду характерно ослабление волны по всем направлениям, а зимой – усиление, особенно в направлении ветра.

 

 

 

Рис. 13.2. Вторичные поражающие факторы ядерного взрыва

 

При дожде избыточное давление взрыва уменьшается на 15%, при ливне - на 30%. При снегопаде снижение давления весьма незначительно и его можно не учитывать.

По характеру разрушений промышленных и жилых зданий, сооружений, ве­личине избыточного давления во фронте ударной волны ΔР_ф очаг ядерного пора­жения делится на зоны: полных, сильных, средних и слабых разрушений.

Зона полных разрушений r₁ имеет на границе избыточное давление во фронте ударной волны 50 кПа и характеризуется массовыми безвозвратными потерями среди незащищенного населения; полным разрушением зданий и сооружений, разрушением энергетических сетей и части убежищ, образованием сплошных за­валов в населенных пунктах.

Радиусы зон полных разрушений r₁ определяется по формулам (км)

 

- для воздушного взрыва

 

(13.1)

 

- для наземного взрыва

(17.2)

 

где q – мощность боезаряда, кт.

Площадь зоны составляет 15% от площади всего очага.

Зона сильных разрушений r₂ с избыточным давлением во фронте ударной волны от 50 до 30 кПа характеризуется безвозвратными потерями (90%) среди на­селения, полным и сильным разрушением зданий и сооружений. Радиус зоны сильных разрушений r₂ определяется по формулам

 

- для воздушного взрыва

 

(13.3)

 

- для наземного взрыва

 

(13.4)

 

Площадь зоны составляет 10% от площади очага.

Зона средних разрушений r₃ с избыточным давлением во фронте ударной волны от 30 до 20 кПа характеризуется безвозвратными потерями среди населения до 20%, средними и сильными разрушениями зданий и сооружений.

Радиус зоны средних разрушений r₃ определяется по формулам

 

- для воздушного взрыва

(13.5)

 

- для наземного взрыва

(13.6)

Площадь зоны составляет 15% от площади очага.

Зона слабых разрушений r₄ с избыточным давлением во фронте ударной вол­ны от 20 до 10 кПа характеризуется слабыми и средними разрушениями зданий и сооружений.

Радиус зоны слабых разрушений r₄ определяется по формулам

 

- для воздушного взрыва

 

(13.7)

 

- для наземного взрыва

(13.8)

 

Площадь зоны составляет 60% от площади очага.

Площадь очага для равнинной местности можно принять за площадь круга и вычислять по формуле

 

S=π·r², (13.9)

 

где r – радиус зоны с избыточным давлением 10 кПа (r₄), км.

Ударная волна характеризуется избыточным давлением ΔР_ф (кПа). Избыточное давление – это разница между максимальным давлением воздуха но фронте ударной волны Р_ф и атмосферным давлением Р₀.

Избыточное давление взрыва можно рассчитать по формуле

 

ΔР_ф = Р_ф – Р_о, (13.10)

 

где Р_ф – максимальное давление воздуха во фронте ударной волны, кПа;

Р₀ – атмосферное давление, кПа.

Избыточное давление в данной точке зависит от расстояния до центра взрыва r и мощности ядерного боеприпаса q, измеряемой тротиловым эквивалентом (кг). Избыточное давление для ядерных взрывов можно определить по формуле

 

, (13.11)

 

где r – расстояние до центра взрыва, м;

С – тротиловый эквивалент; для свободно распространяющейся ударной вол­ны воздушного взрыва С = 0,5·q; для наземного и подземного взрыва

С = 2·0,5 ·q (q – мощность боеприпаса, кт).

Избыточное давление ΔР_ф можно также определить по табличным данным. Для этого необходимо знать вид взрыва; мощность боеприпаса; расстояние от эпицентра взрыва до рассматриваемой точки. Результат воздействия избыточного давления ΔР_ф на объекты определяют по табл. 13.1.

 

Таблица 13.1 – Степени разрушения элементов объекта при различных избыточных давлениях ударной волны, кПа