Методика установления причинно-следственной связи утечки горючего газа в помещении и аварийного дефлаграционного взрыва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика установления причинно-следственной связи утечки горючего газа в помещении и аварийного дефлаграционного взрыва

А.А. Комаров,

начальник Научно-технического центра "Взрывоустойчивость" Национального исследовательского Московского государственного строительного университета, доктор технических наук, профессор;

Р.А. Загуменников,

старший научный сотрудник сектора 3.5.1 Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны МЧС России, кандидат технических наук;

М.А. Грохотов,

преподаватель кафедры экологической безопасности Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, кандидат технических наук

Аннотация

Инженерно-техническая экспертиза по происшествиям, вызванным аварийными взрывами, является нетривиальной задачей и требует от эксперта высокой квалификации, совершенного владения методиками, умения находить нестандартное ее решение, которое обычно производится путем моделирования. Чтобы определить возможность аварийного взрыва при тех или иных источниках утечки и зажигания, необходимо рассчитать распределение концентрации горючего газа в объеме помещения при параметрах утечки и концентрацию газа в месте расположения источника зажигания. Существует критерий расхода утечки, при котором создаются условия для формирования локальных взрывоопасных объемов газовоздушных смесей, а при относительно малых утечках возможно рассматривать формирование взрывоопасной смеси интегрально по объему помещения. газ экспертиза аварийный

Определено значение коэффициента турбулентной диффузии для оценки параметров локального взрывоопасного объема метана при утечках в помещении. Обоснована необходимость использования численных методов решения уравнения конвекции-диффузии для помещений со сложной геометрией.

Ключевые слова: аварийный взрыв, дефлаграционный взрыв, локальный взрывоопасный объем, взрывоопасная газовоздушная смесь.

METHOD FOR ESTABLISHING A CAUSED-INVESTIGATIVE COMMUNICATION OF A FUEL GAS LEAK IN A PREMISEAND AN EMERGENCY DEFLAGRATION EXPLOSION

A. A. Komarov,

Chief of Science and Technology Center "Explosion proof" of the Moscow State (National Research) University of Civil Engineering, Doctor of Science (Engineering), Professor;

R. A. Zagumennikov,

Researcher of Department 3.5. of the All-Russian Research Institute for Fire Protection of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters,

Candidate of Science (Engineering);

M. A. Grokhotov,

Lecturer of Department "Ecological safety" of the State Fire Academy of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters, Candidate of Science (Engineering)

Technical examination on the incidents caused by accidents explosions is task uncommon and demands from the expert of high qualification, perfect possession of techniques, ability to find its non-standard solution. The solution of such tasks is usually made by modeling. To define possibility of accident explosion at these or those sources of leak and ignition, it is necessary to calculate distribution of concentration of combustible gas in volume of the room at parameters of leak and concentration of gas in the location of ignition source. There is criterion for leak expense at which conditions for forming of local explosive volumes of gas-air mixtures are created, and at rather small leaks it is possible to consider forming of explosive mixture integrally on room volume.

The value of coefficient of turbulent diffusion for assessment of parameters of local explosive volume of methane at leaks is defined indoors. Need of use of numerical methods of the solution of the equation of convection diffusion for premises with difficult geometry is proved.

Key words: accident explosion, deflagration explosion, local explosive volume, explosive gas-air mixture.

Судебные инженерно-технические экспертизы производятся в основном в целях установления причины и механизма события, т. е. решаются в основном диагностические задачи: простые и сложные, прямые, обратные и ситуационные. Под организационно-технической причиной аварийного дефлаграционного взрыва принято понимать комплекс действий или бездействий, в результате которых образовалась совокупность горючего, окислителя и источника зажигания. Для установления организационно-технической причины взрыва необходимо, в первую очередь, определить механизм его протекания (техническую причину), для чего следует установить, что послужило горючим, окислителем и источником зажигания ("треугольник горения"). Решение таких задач обычно производится путем моделирования. При этом должны соблюдаться так называемые граничные условия применения модели, т. е. те условия, при которых ее использование допустимо, а полученные результаты отвечают критериям достоверности, надежности, точности и обоснованности. Данные критерии могут быть нарушены при экспертизе вследствие гносеологических ошибок экспертов. Сама по себе инженерно-техническая экспертиза по происшествиям, вызванным аварийными взрывами, требует от эксперта высокой квалификации, совершенного владения методиками, умения находить нестандартное ее решение [1].

Последствия аварийных дефлаграционных взрывов могут быть просто катастрофическими. Вследствие этого обстановка не месте взрыва искажается до такой степени, что воссоздание начальной геометрии разрушенных объектов возможно только по чертежам и описаниям. Информация, получаемая из материалов дела, обычно скудна и противоречива, поэтому требуется "миниреконструкция", когда отдельные фрагменты следовой картины позволяют воссоздать какой-либо отдельный элемент обстановки на месте события [1]. В настоящее время отсутствует единый подход к методологии расследования подобных аварий. Для проведения таких работ нужны специальные знания, которые возможно получить на практике обследования взрывоопасных объектов и в процессе лабораторных опытов. Физические явления, сопровождающие аварийные взрывы, достаточно сложны и разнообразны.

Для обеспечения правильной организации экспертной деятельности необходимо пользоваться однозначными определениями, понятиями и терминами, причем наиболее подходящие при экспертизе аварийных взрывов - основные термины и определения, приведенные в [2]. Производство осмотра места происшествия при аварийном взрыве имеет наибольшее сходство с методологией осмотра места пожара, ведь опасные факторы взрыва и пожара практически одинаковые. Основные подходы и особенности осмотра места пожара достаточно подробно рассмотрены в специализированной литературе [3-7]. При проведении осмотра места взрыва надлежит максимально полно зафиксировать и описать обстановку на месте, объекты, которые могли служить причиной утечки взрывоопасных веществ, а также состояние, положение и термические повреждения конструкций и предметов вещной обстановки. В дальнейшем это поможет ограничить перечень отрабатываемых версий произошедшего. Часто случается так, что предметы вещной обстановки помещений, расположенных у наружных стен зданий, могут быть смещены в сторону окон и дверей или вовсе выброшены наружу (рис. 1а); в сохранивших целостность проемах формируется мощный газодинамический поток из раскаленных продуктов сгорания (рис. 1 б); сосуды под давлением и баллоны с газом разорваны и отброшены на несколько метров от места взрыва (рис. 1в); места интенсивной утечки горючего газа или жидкости зачастую закопчены последующим горением факела пламени (рис. 1 г).

Рис. 1. Характерные особенности аварийных взрывов

Из показаний очевидцев практически невозможно получить достаточное количество фактов для описания процесса взрыва. Уровень восприятия человеческого зрения и слуха позволяет охарактеризовать аварийный взрыв как мгновенное явление, без разделения дефлаграционных и детонационных процессов. Визуально это может представляться в виде короткой вспышки с последующим разлетом предметов и осколков, на слух - от низкочастотного шипения или завывания ветра до резких хлопков и грохота падающих конструкций и предметов.

Аварийный взрыв не может произойти сразу при возникновении утечки, только если это не физический взрыв вследствие разрыва сосуда под давлением. От момента возникновения утечки до появления во взрывоопасной области источника зажигания должно пройти определенное время, необходимое для формирования взрывоопасной смеси горючего с воздухом. Чтобы определить возможность аварийного взрыва при тех или иных источниках утечки и зажигания, необходимо рассчитать распределение концентрации горючего газа в объеме помещения при параметрах утечки и концентрацию газа в месте расположения источника зажигания. Для этого прежде всего необходимо восстановить сценарий развития аварии. Стоит выделить три характерные последовательности событий при авариях, вызванных аварийными взрывами (рис. 2).

Рис. 2. Наиболее вероятные сценарии развития аварийных взрывов

Наибольшие сложности вызывает расследование аварий, произошедших по первому сценарию, когда источник утечки не очевиден сразу, при этом процесс формирования взрывоопасной смеси занимает некоторое время. Известны случаи, когда взрыв происходил спустя несколько часов (обычно в течение ночи) после возникновения утечки газа. Появление источника зажигания носит случайный характер во времени и пространстве. Он может изначально отсутствовать, а потом возникнуть внутри взрывоопасной области и привести к ее воспламенению, а может постоянно действовать за пределами взрывоопасной области, но по мере распространения горючего газа и достижения концентрации, соответствующей нижнему концентрационному пределу распространения пламени в месте его расположения, происходит воспламенение горючей смеси. В связи с этим важно определить изменение распределения концентраций в объеме помещений с течением времени, после чего становится возможным установить пространственно-временную связь между возникновением утечки газа и появлением источника зажигания во взрывоопасной области.

В преобладающем большинстве аварий распределение концентрации горючего в пространстве неоднородно и зависит от предыстории развития аварии, поэтому весь объем горючего, поступившего при утечке, никогда не принимает участия во взрыве как таковом. Существует два принципиально отличающихся режима горения. Первый - кинетический, когда распространение происходит вследствие цепного механизма химических реакций по заранее перемешанной газовоздушной смеси. При этом скорость распространения горения в большей степени зависит от механизма химической реакции. Второй - диффузионный, при котором горение происходит на поверхности контакта двух сред - горючего и окислителя, а скорость химической реакции практически не влияет на скорость распространения пламени, интенсивность горения зависит от поступления в зону горения горючего и окислителя. Такое горение чаще всего используется человеком в быту, например в газовых плитах и горелках. Горение в скоротечном кинетическом режиме может происходить только в узком диапазоне концентрации - в концентрационных пределах распространения пламени, которые зависят от параметров горючего и окислителя.

Важным отличием диффузионного горения является то, что при данном режиме не происходит увеличение избыточного давления внутри ограниченного объема, а большую опасность приобретает тепловое излучение пламени горящего облака. Установлено, что для типичных углеводородных горючих веществ изменяется цвет свечения фронта пламени на верхнем пределе его распространения. Если внутри концентрационных пределов распространения пламени свечение углеводородных перемешанных смесей имеет ярко-голубой оттенок (рис. 3а), то в области с обогащенной горючим околопредельной смесью цвет пламени приобретает бирюзовый оттенок (рис. 3б).

Сопоставление проб цвета из кадров видеозаписей показало, что для метана, пропан-бутана и паров бензина оттенок свечения фронта пламени достаточно близок. Причиной данного явления служит механизм химической кинетики цепных реакций в богатых углеводородных смесях.

При наличии в материалах дела видеозаписей процесса аварийного дефлаграционного взрыва по оттенку свечения фронта пламени возможно определить область концентрации, ограниченную верхним пределом распространения пламени. Это может косвенно указывать на зоны смешения горючего с воздухом и места расположения возможного источника зажигания.

Возможность развития последующего пожара после взрыва / вспышки определяется продолжительностью и интенсивностью теплового воздействия пламени на горючие материалы. Сильный взрыв возможен при значительном объеме взрывоопасной смеси горючего с воздухом. При этом чаще всего невозможно возникновение горения твердых горючих материалов, так как время экспозиции пламени невелико, а появившиеся мелкие очаги сразу же засыпаются строительной пылью и мусором и затухают. Пожар может возникнуть в некоторых отдельных случаях, например при воспламенении горючего газа сразу после выброса до его смешения с воздухом и образования взрывоопасного объема.

Возможным источником пожара может быть также факел горящего газа, формирующийся после взрыва в месте утечки. Наличие факела пламени однозначно не указывает на место утечки горючего, послужившего причиной аварийного взрыва. Горение может происходить из поврежденных трубопроводов системы газоснабжения или других источников, возникших уже после разрушения конструкций зданий.

Зачастую возможно образование локальных взрывоопасных облаков, ограниченных нижним концентрационным пределом распространения пламени. Вследствие расширения продуктов сгорания объем разогретых газов при взрыве увеличивается до 8 раз, важным следствием чего является тот факт, что достаточно заполнения некоторой части помещения, обратно пропорциональной степени расширения продуктов сгорания, для того чтобы создать взрывные нагрузки, эквивалентные случаю полного заполнения помещения взрывоопасной смесью.

Рис. 3. Оттенок свечения фронта пламени околопредельных взрывоопасных смесей: а - фронт пламени стехиометрической смеси; б - фронт пламени околопредельных смесей углеводородов с воздухом

На рис. 4 представлена схема изменения концентрации в точке помещения с одним открытым проемом, которая характеризует типичное распределение концентрации горючего газа в любой точке помещения с течением времени при наличии в нем утечки. Видно, что по мере поступления горючего газа и выхода газовоздушной смеси через проемы происходит повышение концентрации до определенного уровня, зависящего от соотношения между расходом горючего газа и выходом смеси его с воздухом через проем. При прекращении подачи газа концентрация в точке измерения резко снижается вплоть до полного выхода горючего газа за пределы помещения.

Локальные взрывоопасные объемы могут образовываться в том случае, если происходят залповые выбросы или расход утечки существенно превышает возможность рассеивания горючего (релаксации концентрации) (1) в объеме помещения (рис. 5а):

q > > L ¦ D >

где L - характерный размер помещения (наименьший линейный размер), м; D - коэффициент турбулентной диффузии, характеризующий среднеобъемную возмущенность среды внутри помещения, м 2/с.

Для незначительных утечек при q " L ¦ D (рис. 5б) допустимо производить расчет концентрации интегрально по пространству и рассматривать только зависимость от времени в соответствии с формулой (2):

Рис. 4. Иллюстрация процесса формирования взрывоопасной смеси при утечке горючего газа в помещении

Локальные взрывоопасные объемы могут образовываться в том случае, если происходят залповые выбросы или расход утечки существенно превышает возможность рассеивания горючего (релаксации концентрации) (1) в объеме помещения (рис. 5а):

где L - характерный размер помещения (наименьший линейный размер), м; D - коэффициент турбулентной диффузии, характеризующий среднеобъемную возмущенность среды внутри помещения, м 2 /с. Для незначительных утечек при q L D " Ч (рис. 5б) допустимо производить расчет концентрации интегрально по пространству и рассматривать только зависимость от времени в соответствии с формулой (2):

где ф - время от момента начала утечки, с; q - расход утечки, м 3 /с; V - объем помещения, м

Рис. 5. Распределение концентрации при утечках: а) интенсивной (q " б) незначительной (q " L * D)

Для проведения расчетов по распределению концентрации необходимо определить значение коэффициента турбулентной диффузии для конкретного помещения. Экспериментальные работы показали, что для помещений при отсутствии подвижности атмосферы, в том случае, когда не работает вентиляция, закрыты проемы и внутри не осуществляется движение различных объектов (грузов, оборудования, людей и др.), значение коэффициента турбулентной диффузии в вертикальном направлении вверх для метана может составлять 0,005-0,01 м 2/с [8; 9]. Для расчетов при наличии подвижности воздуха внутри помещений допускается принимать большие значения коэффициента турбулентной диффузии.

Наиболее подходящим способом является численное решение нестационарного уравнения конвекции-диффузии. В некоторых простых постановках можно использовать точные выражения для расчета, а для более сложных необходимо пользоваться приближенными расчетами с помощью сеточных методов решения уравнений в частных производных.

На основе изложенного можно заключить, что расследование аварийных дефлаграционных взрывов необходимо начинать с восстановления сценария формирования взрывоопасной смеси, образовавшейся при утечке горючего в помещении. Развитие последующего пожара вследствие аварийного дефлаграционного взрыва газовоздушной смеси возможно только в некоторых ситуациях, когда воздействие пламени происходит на протяжении относительно длительного периода, что характерно для диффузионного горения на границе раздела горючего и окислителя. Существует критерий расхода утечки, при котором создаются условия для формирования локальных взрывоопасных объемов газовоздушных смесей. При относительно малых утечках возможно рассматривать формирование взрывоопасной смеси интегрально по объему помещения [10]. В случае оценки параметров локального взрывоопасного объема необходимо определить значение коэффициента турбулентной диффузии. Для помещений со сложной геометрией целесообразно использовать численные методы решения уравнения конвекции-диффузии, которые дополнительно учитывают плотность газа, температуру, параметры истечения газа, процессы распространения газовоздушной смеси через проемы в смежные помещения и наружу и ряд других параметров. Разработка экспертных методов оценки параметров формирования взрывоопасных смесей различных газов в помещениях представляет практический интерес для дальнейших исследований.

Как неоднократно упоминалось в [11], целью расчетов является понимание, а не числа. Данный факт полностью отвечает задачам экспертизы аварийных газовых взрывов, потому что в случае расследования важнее установить качественную картину произошедшего и оценить порядок величин опасных факторов, а не с высокой точностью рассчитать значения каких-либо параметров. При этом первостепенное значение имеет опыт эксперта в данной области.

Список библиографических ссылок