Общая характеристика взрывов

 

 

Введение

   При взрыве технологической установки, резервуара, парогазо-воздушного облака образуется ударная волна, характеризуемая избыточным давлением  D Рф, кПА, и импульсом фазы сжигания Г, кПа × с, негативно воздействующая на человека, здания, сооружения и т.д.

    При оценке барического воздействия на здания и сооружения    принимают четыре степени разрушений:

- слабые разрушения -  повреждения крыш, оконных и дверных проемов. Ущерб –10 –15 % от стоимости зданий;

- средние разрушения – разрушения крыш, окон, перегородок, верхних этажей. Ущерб –30 – 40 %;

- сильные разрушения – разрушение несущих конструкций и перекрытий. Ущерб  -50%.Ремонт нецелесообразен;

- полное разрушение – обрушение зданий, сооружений.

1 Общая характеристика взрывов

    Согласно ГОСТ Р 22.0.05 – 94: взрыв – быстро протекающий процесс физических и химических превращений веществ, сопровождающийся высвобождением значительного количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная привести или приводящая к возникновению техногенной ЧС.

    По мере прохождения ударной волны давление в фиксированной точке изменяется. Период t+  повышенного избыточного давления D Рф = Р - Ро >0 называется фазой сжатия, а период  t- пониженного давления – фазой разряжения.

    По мере распространения ударной волны ее интенсивность убывает, скорость продвижения фронта волны уменьшается, и на определенном расстоянии от эпицентра взрыва ударная волна переходит в звуковую.

    Согласно закону Хопкинса – Кранца при  взрыве дух зарядов взрывчатого вещества одной формы, но разного размера (массы) в одинаковой атмосфере подобные взрывные волны будут наблюдаться на одинаковом расстоянии

 R*=R(Pо/m) ,                                                 

     где   R – расстояние от эпицентра взрыва, м;

             Pо – давление начальное в фиксированной точке, кПа;

             M – масса взрывчатого вещества, кг.

     Данная формула  дает возможность оценивать различные взрывы, сопоставляя их со взрывом эталонного вещества, в качестве которого обычно принимают тротил. Под тротиловым эквивалентом m тнт, кг, понимают массу такого тротилового заряда, при взрыве которого выделяется столько же энергии, сколько и при взрыве данного заряда массой  m, кг, т.е.

                      m тнт = m Qv / Qv тнт,                                             

        где Qv , Qv тнт – энергия взрыва данного вещества и тротила, кДж/кг.

       Общая энергия взрыва, к Дж, определяется как

                  Е= [(Р1 – Р0 )/(kt -1)]V1   ,                                                             

         где Р1 – начальное давление газа в сосуде, к Па;

               kr -  показатель адиабаты газа (kr=Ср/ Cv);

                V1- объем сосуда, кубич. м.

 

 

    Дано:

    С =0,077

    k - константа, равная 43;

    q =4,64·107

    = 7

   М = 2700 кг

    С = 0,14

    R=650м

    V1=3 куб.м

   Задание 1 Определение скорости распространения фронта пламени

   Скорость распространения  фронта племени определяется  по формуле:

 

                                        V = k ·М ,                                          

 

                             где:  k - константа, равная 43;

                         М -масса топлива, содержащегося в облаке.

    Решение:

                              V = k ·М = 43 ∙ 2700 = 160,5 м/с

   Задание 2 Расчет эффективного энергетического запаса топливовоздушной смеси

   Эффективный энергозапас топливовоздушной смеси рассчитываются по формуле:

                                               Е = 2М ·q ·С /С .

Решение:

Е = 2 ∙ 2700 ∙ 4,64 ∙ 107 ∙ 0,077 / 0,14 = 1,378 ∙ 1011 (Дж).              

 

   Задание 3 Расчет расстояния при  взрыве

   Безразмерное  расстояние при взрыве рассчитывается  по формуле:

                                                  R = R/(E/P ) .   

Решение:

R = R/(E/P ) = 650/(1,378∙ 1011 /101300)1/3= 5,866                                       

  

  Задание 4 Расчет давления при взрыве

   Безразмерное давление при взрыве рассчитывается по формуле:

                            ,

где скорость звука в воздухе С0 = 340 м/с         

 

            P = (160,5/340) ((7- 1)/7)(0,83/5,866 - 0,14/5,866 ) = 0,0261

 

   Находим избыточное  давление ∆P (Па) на расстоянии  от центра дефлаграции находим по формуле:

, кПа

где Р0 – атмосферное давление, равное 101,3 кПа

 

                                   ∆P = 101324 · 0,0261 = 2644, 6 (Па)

   Аналогично данному  расчету определяем значения  избыточного давления для указанных  расстояний и определяем зоны  опасности. Результаты расчетов  в таблице 1.

R= 55 м

R = 55/(1,378∙ 1011 /101300)1/3= 0,496       

P = (160,5/340) ((7- 1)/7)(0,83/0,496- 0,14/0,496 ) = 0,211

∆P = 101324 · 0,211 = 21379,4 (Па)

R= 165 м

R = 165/(1,378∙ 1011 /101300)1/3= 1,489       

P = (160,5/340) ((7- 1)/7)(0,83/1,489 - 0,14/1,489 ) = 0,0944

∆P = 101324 · 0,0944 = 9564,99 (Па)

R= 1140 м

R = 1140/(1,378∙ 1011 /101300)1/3= 10,289       

P = (160,5/340) ((7- 1)/7)(0,83/10,289 - 0,14/10,289 ) = 0,0151

 ∆P = 101324 · 0,0151 = 1529,99 (Па)

Таблица 1 - Воздействие на объект избыточного давления ∆P при взрыве топливовоздушной смеси

Воздействие на объект	Избыточное   давление, Па	Радиус   воздействия, м
Средние повреждение зданий; возможна гибель человека от осколков, развалин, разрыв барабанных перепонок, кровотечения в легкие.	21400	55
Умеренные повреждения зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т.п.); возможна потеря слуха, травмы, летальный исход маловероятен.	9565	165
100 % расстекление зданий	2650	650
50 % расстекление зданий	1500	1140

 

    Задание 5 Расчет аварии, связанный  с образованием «огненного шара»

   Поражающее действие  «огненного шара» на человека  определяется величиной тепловой  энергии (импульсом теплового излучения) и временем существования «огненного  шара», а на остальные объекты  – интенсивностью его теплового  излучения.

   Дано:

количество разлившегося при аварии топлива 10,6 м3;

плотность жидкой фазы пропана, rГ = 530 кг/м3;

температура «огненного шара»,  q = 1350 К.

    Необходимо определить время существования «огненного шара» и расстояние, при котором импульс теплового излучения соответствует различным степеням ожога человека.

    Порядок оценки последствий  аварии по ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов».

    Импульс теплового излучения  Q, кДж, рассчитывают по формуле:

                                             Q = ts · q ,                                             

где ts - время существования огненного шара, с;

q - интенсивность теплового излучения, кВт/м2.

   Расчет интенсивности теплового  излучения «огненного шара», проводят  по формуле:

                                              q = Ef · Fq · t ,                                     

где Ef - среднеповерхностная плотность теплового излучения, кВт/м2;

Fq - угловой коэффициент облученности;

t  - коэффициент пропускания атмосферы.

    Ef определяют на основе имеющихся экспериментальных данных, допускается принимать Ef  равным 450 кВт/м2.

   Угловой коэффициент облученности рассчитывают по формуле

                                   ,              

где Н- высота центра «огненного шара», м;

Ds - эффективный диаметр «огненного шара», м;

r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром «огненного шара», м.

    Эффективный диаметр  «огненного шара» Ds рассчитывают по формуле

                                                Ds =5,33 m 0,327,                                 

где m - масса горючего вещества, кг.

    H - определяют в ходе специальных исследований. Допускается принимать H равной Ds/2.

    Время существования  «огненного шара» ts, с, рассчитывают по формуле            

                                                  ts = 0,92 m 0,303 .                         

    Коэффициент пропускания  атмосферы т рассчитывают по  формуле

                                    t = ехр [-7,0 · 10-4 ( - Ds / 2)].

    Находим массу горючего  m в «огненном шаре»

                                     m = 10.6· 530 = 5618 (кг)

   Определяем эффективный  диаметр «огненного шара» 

                               Ds =5,33· 5618 0,327 = 90 (м)

    Принимая H = Ds /2 = 45 м, находим  угловой коэффициент облученности, для расстояния r.

    Расстояние равно  175 м.

 

   Находим коэффициент пропускания  атмосферы 

                     t = ехр [-7,0 · 10-4 ( - 90/2)] = 0,909.

 

   Принимая Ef = 450 кВт/м2, находим интенсивность теплового излучения

                                   q = 450 · 0,024 · 0,909 = 9,8 (кВт/м2 ).

    Находим время существования «огненного шара»

                                         ts = 0,92 · 5618 0,303 = 12,6 (с)      

   Импульс интенсивности теплового излучения:

                                Q = 12,6 · 9,8 = 123,5 (кДж/м2).

     Полученный результат свидетельствует о том, что на расстоянии 175 метров, люди находящиеся на открытом пространстве в момент происшествия аварии по данному сценарию, получат ожоги первой степени.

     Аналогично данному расчету определяем значения импульса интенсивности теплового излучения для других расстояний.

Расстояние равно 50 м.

 

                     t = ехр [-7,0 · 10-4 ( - 90/2)] = 0,988

                         q = 450 · 0,024 · 0,988 = 73,8 (кВт/м2 )

                      ts = 0,92 · 5618 0,303 = 12,6 (с)      

                                 Q = 12,6 · 9,8 = 943 (кДж/м2).

Расстояние равно 75 м.

 

                     t = ехр [-7,0 · 10-4 ( - 90/2)] = 0,970                                                           

                         q = 450 · 0,024 · 0,970 = 49,3 (кВт/м2 )

                      ts = 0,92 · 5618 0,303 = 12,6 (с)      

                                 Q = 12,6 · 9,8 = 620,6 (кДж/м2).

Расстояние равно 80 м.

 

                     t = ехр [-7,0 · 10-4 ( - 90/2)] = 0,967                                                            

                         q = 450 · 0,024 · 0,967= 45,3 (кВт/м2 )

                      ts = 0,92 · 5618 0,303 = 12,6 (с)      

                                 Q = 12,6 · 9,8 = 570 (кДж/м2).

Расстояние равно 98 м.

 

                     t = ехр [-7,0 · 10-4 ( - 90/2)] = 0,955                                                           

                         q = 450 · 0,024 · 0,955 = 33,1 (кВт/м2 )

                      ts = 0,92 · 5618 0,303 = 12,6 (с)      

                                 Q = 12,6 · 9,8 = 417 (кДж/м2).

Расстояние равно 120 м.

 

                     t = ехр [-7,0 · 10-4 ( - 90/2)] = 0,938                                                           

                         q = 450 · 0,024 · 0,938 = 22,8 (кВт/м2 )

                      ts = 0,92 · 5618 0,303 = 12,6 (с)      

                                 Q = 12,6 · 9,8 = 287 (кДж/м2).

Расстояние равно 135 м.

 

                     t = ехр [-7,0 · 10-4 ( - 90/2)] = 0,920                                                          

                         q = 450 · 0,024 · 0,920 = 17,8 (кВт/м2 )

                      ts = 0,92 · 5618 0,303 = 12,6 (с)      

                                 Q = 12,6 · 9,8 = 222 (кДж/м2).

 

Таблица 2 - Интенсивность и импульс теплового излучения при горении «огненного шара»

Воздействие на объект	Интенсивность теплового излучения, кВт/м2	Импульс теплового излучения, кДж/м2	Расстояние от цистерны, м
Ожог 4-ой степени	73,8	943	50
Ожог 4-ой степени	49,3	620,6	75
Ожог 4-ой степени	45,3	570	80
Ожог 3-ей степени	33,1	417	98
Ожог 3-ей степени	22,8	287	120
Ожог 2-ой степени	17,8	222	135
Ожог 1-ой степени	9,8	122	175