Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСЧЕТ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА ВНУТРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Развитие химической промышленности сопровождается увеличением масштабов производства, мощности установок и аппаратов и усложнением технологических процессов и режимов управления производством. Вследствие усложнения и увеличения производства, происходящие аварии имеют все более тяжкие последствия. Особую опасность представляют химические, взрывоопасные производства, атомные электростанции, склады взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ, боеприпасов, а также сосуды и резервуары, предназначенные для хранения и транспортировки нефтепродуктов и сжиженных газов.

В настоящее время в мире все больше внимания уделяется вопросам обеспечения на высоком уровне защиты окружающей среды, безопасности жизнедеятельности и охране труда. Одним из возможных путей снижения риска возникновения чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах является анализ произошедших аварий. На их основе разрабатываются мероприятия по предупреждению возникновения аварий и предотвращению опасных последствий.

Одним из видов аварий на промышленных объектах являются взрывы технологического оборудования. Взрыв оборудования несет потенциальную опасность поражения людей и обладает разрушительной способностью.

Взрыв (взрывчатое превращение) - это процесс быстрого физического или химического преобразования вещества, сопровождающийся переходом потенциальной энергии этого вещества в механическую энергию движения или разрушения [1]. В зависимости от вида энергоносителя и условий энерговыделения при взрыве различают химические и физические источники энергии.

Физический взрыв может быть вызван внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью, смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жидкостями и т. д.

Источником химического взрыва являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений.

Физические взрывы в оборудовании

Физические взрывы, как правило, связывают с взрывами сосудов от давления газов или паров [2].

В химической технологии часто приходится преднамеренно сжимать как инертные, так и горючие газы, затрачивая при этом электрическую, тепловую или другие виды энергии. При этом сжатый газ (пар) находится в герметичных аппаратах различных геометрических форм и объемов. Однако в ряде случаев сжатие газов (паров) в технологических системах происходит случайно вследствие превышения регламентированной скорости нагрева жидкости внешним теплоносителем [3].

При взрывах сосудов под давлением могут возникать сильные ударные волны, образуется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям и травмам. При этом общая энергия взрыва переходит в основном в энергию ударной волны и кинетическую энергию осколков.

Многие жидкости хранятся или используются в условиях, когда давление их паров значительно превышает атмосферное. Энергия перегрева жидкости может быть источником чисто физических взрывов, например, при интенсивном перемешивании жидкостей с различными температурами, при контакте жидкости с расплавами металла и нагретыми твердыми телами. При этом не происходит химических превращений, а энергия перегрева расходуется на парообразование, которое может протекать с такой скоростью, что возникает ударная волна. Масса образующихся паров и скорость парообразования при этом определяются по материальным и тепловым балансам двух возможных моделей аварийных ситуаций: 1) тепловыделение с парообразованием происходит при постоянном объеме; 2) за тепловыделением при сохранении объема следует расширение с сохранением теплового равновесия.

При смешивании двух жидкостей с существенно разными температурами возможны явления физической детонации с образованием облака жидких капель одного из компонентов.

На промышленных предприятиях нейтральные (негорючие) сжатые газы - азот, диоксид углерода, фреоны, воздух -- в больших объемах находятся главным образом в сферических газгольдерах высокого давления.

9 июля 1988 г [3] произошел взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом 600 м3 (радиус сферы 5,25 м), изготовленного из стали толщиной стенки 16 мм и рассчитанного для работы под давлением 0,8 МПа. Взрыву газгольдера (происшедшему при давлении 2,3 МПа) предшествовало медленное повышение давления до предела текучести стали, из которой он был изготовлен.

Шаровой газгольдер входил в состав технологического агрегата производства карбамида, введенного в эксплуатацию в апреле 1988 г. Воздух в газгольдер поступал из общей заводской технологической линии через обратный клапан и арматуру. Газгольдер не был оборудован средствами сброса давления, так как максимально возможное давление воздуха (0,8 МПа) в нем обеспечивалось его стабилизацией в технологической системе и характеристиками воздушных компрессоров типа ВП-50-8. Контроль давления осуществлялся показывающим по месту и регистрирующим манометрами на пульте управления.

Из газгольдера воздух поступал по системе трубопроводов на технологические нужды, в том числе в отделение очистки СО2 от горючих примесей. В это отделение воздух из газгольдера отводился по трубопроводу диаметром 150 мм в нагнетательную линию турбокомпрессора СО2 типа «Бабета», работающую под давлением 2,3 МПа и являющуюся одновременно приемной линией дожимного до 10,0 МПа поршневого компрессора (4ДВК-210-10); подводимый воздух предназначался для продувки системы компремирования и через нее технологической линии от СО2 перед ремонтом.

По окончании ремонта технологической установки был включен турбокомпрессор СО2 и через 10 мин при движении давления в линии нагнетания 2,3 МПа был включен поршневой компрессор с регулировкой на режимное давление 10,0 МПа. После пуска центробежного компрессора СО2 давление в воздушном газгольдере стало возрастать; при этом манометр со шкалой 0,8 МПа на пульте управления «зашкалило». Диоксид через неплотно закрытый вентиль из нагнетательного трубопровода, работающего центробежного компрессора по воздушной линии поступал в воздушный газгольдер. Давление газа в газгольдере возрастало в течение 4 ч, что привело к разрушению газгольдера от превышения давления.

Поступление СО2 в воздушный газгольдер подтверждается снижением температуры воздуха до 0°С за счет дросселирования СО2 с давлением нагнетания центробежного компрессора до давления в газгольдере.

В областях низких давлений ударной волны разрушено до 100% остекления в шести производственных зданиях, находящихся на расстоянии 1000-1500 м от места установки взорвавшегося газгольдера; незначительные повреждений остекления (до 10%) отмечались в домах жилых кварталов, расположенных в 2500 м от места взрыва.

Большую опасность представляли разлетающиеся осколки оболочки газгольдера.

Химические взрывы в оборудовании

Экзотермические химические реакции проводят в технологических системах (реакторах), сбалансированных по тепловому режиму. Выделяемое при реакции тепло отводится внешним хладагентом через стенки теплообменных элементов с нагретыми продуктами реакции или с избыточным сырьем за счет его испарения и т.д. Устойчивое протекание реакционного процесса обеспечивается равенством скоростей тепловыделения и теплоотвода. Скорость реакции и соответственно притока тепла возрастает по степенному закону с ростом концентрации реагентов и быстро увеличивается при повышении температуры.

При выходе химической реакции из-под контроля возможны следующие механизмы взрывов [3].

1. Если реакционная масса представляет собой конденсированные ВВ, при достижении критической температуры возможна детонация продукта; при этом взрыв будет происходить по механизму взрыва точечного заряда ВВ в оболочке. Энергия взрыва будет определяться тротиловым эквивалентам всей массы ВВ в системе.

2. В условиях газофазных процессов возможно термическое разложение газов или взрывное горение газовой смеси; их следует рассматривать как взрывы газов в замкнутых объемах с учетом реальных энергетических потенциалов и тротиловых эквивалентов.

3. В жидкофазных процессах возможен вариант аварийного взрывного энерговыделения: перегрев жидкости и повышение давления пара над ней до критического значения.

Общая энергия взрыва облака будет равна сумме эквивалентов теплот сгорания паров, имеющихся в системе и дополнительно образующихся при испарении жидкости.

Причинами выхода из-под контроля экзотермической химической реакции часто являются снижение теплопритока в жидкофазных периодических процессах с большими массам и реагирующих веществ и ограниченные возможности теплоотвода обычными методами. К таким процессам относится, в частности, полимеризация в массе мономера, при которой скорость реакции регулируется обычными методами, а также дозировкой инициирующих веществ. На случай выхода процесса из-под контроля дополнительно предусматривают ввод в реакционную массу веществ, снижающих скорость или подавляющих экзотермическую реакцию.

Некоторые вещества могут полимеризоваться более или менее самопроизвольно, и обычные реакции полимеризации будут экзотермическими. Если мономер - летучий, как это часто бывает, достигается стадия, при которой может произойти опасное повышение давления. Иногда полимеризация может протекать только при повышенных температурах, но для некоторых веществ, таких, как этиленоксид, полимеризация может начаться при комнатной температуре, особенно когда исходные соединения загрязняются веществами, ускоряющими полимеризацию.

Подобные аварии происходили при полимеризации винилхлорида и других мономеров, в хранилищах хлоропрена и в железнодорожных цистернах с жидким хлором, углеводородами и другими активными соединениями, когда в них ошибочно закачивали вещества, взаимодействующие с содержащимися в них продуктами [3]. При значительном превышении тепловыделения по сравнению с теплоотводом при таких авариях происходит полное раскрытие технологической системы, при котором резко уменьшается давление, снижается скорость химической реакции или она совсем прекращается. В этом случае общий энергетический потенциал составляет сумму эквивалентов энергий сгорания паров (газов), находящихся над жидкостью и образующихся в результате испарения под действием тепла перегрева жидкости до температуры, соответствующей критическим условиям разрушения системы.

Так же самый простой случай взрыва - это процесс разложения, который дает газообразные продукты [4]. Один из примеров - пероксид водорода, который разлагается со значительной теплотой реакции, давая водяной пар и кислород:

2Н2О2 -->2Н2О + О2 - 23,44 ккал/моль

Как бытовой продукт пероксид водорода продается в виде 3%-ного водного раствора и представляет незначительную опасность. Иначе дело обстоит с пероксидом водорода «высокой пробы», концентрация которого составляет 90% или более. Разложение такой Н2О2 ускоряется рядом веществ, что используется в качестве реактивного топлива или в газовой турбине для накачки топлива к главным двигателям.

Одним из примеров может служить окислительно-восстановительные реакции и конденсации [4]:

1). Окислительно-восстановительные реакции, в которых воздух или кислород реагирует с восстановителем, весьма обычны и составляют основу всех реакций горения. В тех случаях, когда восстановитель является недиспергированным твердым веществом или жидкостью, реакции горения протекают недостаточно быстро, чтобы стать взрывными. Если твердое вещество мелко раздроблено или жидкость находится в виде капелек, то возможен быстрый рост давления. Это может привести в условиях замкнутого объема к росту избыточного давления вплоть до 0,8 МПа.

2). Реакции конденсации весьма распространены. Они особенно широко применяются в производстве красок, лаков и смол, где служат основой процессов в реакторах непрерывного действия со змеевиками для нагрева или охлаждения. Зарегистрировано много примеров неконтролируемых реакций, обусловленных тем, что скорость переноса тепла в таких сосудах является линейной функцией разности температур между реакционной массой и охладителем, тогда как скорость реакции - это экспоненциальная функция температуры реагента. Однако благодаря тому, что скорость выделения тепла, будучи функцией концентрации реагентов, во время протекания реакции уменьшается, нежелательный эффект до некоторой степени компенсируется.

Таким образом, энергия взрыва, вызванного выходом из-под контроля экзотермической химической реакции, зависит от характера технологического процесса и его энергетического потенциала. Такие процессы, как правило, оснащаются соответствующими средствами управлений и противоаварийной защиты, что снижает возможность развития аварии. Однако химические реакции часто являются источником неуправляемого высвобождения энергии в аппаратуре, в которой не предусмотрен организованный теплоотвод. В этих условиях начавшиеся самоускоряющиеся химические реакции неизбежно приводят к разрушению технологических систем.

Статистика аварий

В таблице 1 представлены данные об авариях, связанных с взрывами внутри технологического оборудования.

Таблица 1 - Перечень произошедших аварий

Дата и место аварии	Вид аварии	Описание аварии и основные причины	Масштабы развития аварии, максимальные зоны действия поражающих факторов	Число пострадавших	Источник информации
08.07.1988 г. Ионава	Взрыв резервуара-хранилища	В результате полимеризации винилацетата выделилось тепло, достаточного для создания разрушительного давления.	Разрушение резервуара.		[3]
23.08.1990 г. Уфа	Разрушение аппарата окисления	При выходе из-под контроля экзотермической реакции окисления изопропилбензола воздухом произошло разрушение аппарата от резкого подъема давления.	Разрушение аппарата.		[3]
13.09.1988 склад Сумгаитского ПО	Взрыв сферического резервуара	Вследствие начавшегося процесса полимеризации бутадиена произошло разрушение резервуара.	Врыв резервуара повлек за собой взрыв цистерны. Осколками повреждены соседние резервуары и здание.		[3]
9.07.1988	Взрыв газгольдера	Взрыву газгольдера предшествовало медленное повышение давления до предела текучести стали.	На расстоянии 1000-1500 м от газгольдера 100% разрушено остекление, 2500 м - 10%.		[3]
02.1990 Новокуйбышевское НПЗ	Взрыв сосуда	Сосуд разрушился в результате превышения давления паров пропан-бутановой фракции в сепараторе.	Разрушение емкости по сплошному металлу обечайки.		[3]
19.10.1988	Взрыв реактора	В результате экзотермической химической реакции разложения нитромассы и превышения давления произошел взрыв реактора.	Разрушено здание, в котором находился реактор.		[3]
07.1978 Сан-Карлос	Разрыв оболочки автоцистерны	Из-за превышения гидравлического давления разрушилась цистерна.	Осколки разлетелись на расстояние 250 м, 300 м, 50 м. Тягач оказался на расстоянии 100м.		[3]
07.1943 Людвигсгафене,	Взрыв цистерны	Из-за превышения гидравлического давления	Разрушение оболочки.		[3,4]
Германия		разрушилась цистерна, содержащая бутан-бутиленовой смеси.
07.1948 Людвигсгафене, Германия	Взрыв цистерны диметилового эфира	Из-за превышения гидравлического давления разрушилась цистерна.	Разрушение оболочки.		[3,4]
10.02.1973 Нью-Йорк, США	Взрыв в резервуаре	При ремонте резервуара взорвались пары природного газа от искры.	Разрушение резервуара.	40 человек погибло, 2 пострадали.	[4]
24.10.1973 Шеффилд, Англия	Взрыв подземного резервуара	Взрыв остатков вещества от оборудования для резки материалов пламенем.	Радиус разрушений составил около полукилометра.	3 человека погибло, 29 получили ранения	[4]
19.12.1982 г. Каракас, Венесуэла	Взрыв резервуара	На складе нефтехранилища взорвался резервуар с 40 тыс. т топлива	Горящая нефть хлынула в город и в море. Загорелся танкер в бухте и взорвался еще один резервуар на берегу.	140 человек погибло, пострадало более 500.	[5]
20.06.2001 Каталония, Испания	Взрыв резервуара	Взрыв резервуара с техническим спиртом произошел на химическом предприятии.		2 человека погибло	[5]

Методика расчета

При взрывах оборудования основным поражающим фактором является ударная воздушная волна [6].

При оценке параметров аварийного взрыва емкости с инертным газом (смесью газов) допускается, что оболочка имеет сферическую форму. Тогда напряжение в стенке сферической оболочки определяется по формуле:

у = ДP · r/(2d), (1)

где у - напряжение в стенке сферической оболочки, Па;

ДP - перепад давлений, Па;

r - радиус стенки оболочки, м;

d - толщина стенки оболочки, м.

Преобразование формулы (1) позволяет рассчитать разрушающее давление (условие разрушения - у ? ув):

ДP = 2d · ув/ r, (2)

где ув - временное сопротивление разрушению материала, Па.

Давление парогазовой смеси в емкости:

Р = ДP + Р0, (3)

где Р0 - атмосферное давление, 0,1·106 Па.

Уравнение изэнтропы:

Р/Р0 = (с/с0)г, (4)

где г - показатель адиабаты газа;

с0 - плотность газа при атмосферном давлении, кг/м3,

с - плотность газа при давлении в емкости, кг/м3.

Плотность газа при давлении в емкости определяется после преобразования уравнения изэнтропы (4):

с = с0 · (Р/Р0)1/г, (5)

Полная масса газа:

С = с · V, (6)

где V - объем парогазовой смеси, м3.

При взрыве емкости под внутренним давлением Р инертного газа (смеси газов) удельная энергия Q газа:

Q= ДP/[с · ( г - 1)] (7)

В случае сжатого взрывоопасного газа:

Q = Qв + ДP/[ с· ( г - 1)], (8)

где Qв - удельная энергия взрыва газовой смеси, Дж/кг.

Тротиловый эквивалент взрыва емкости с газом составит:

qтнт = Q · С/ Qтнт, (9)

где Qтнт - удельная энергия взрыва тротила, равная 4,24·106 Дж/кг.

Эквивалент по ударной волне оценивается с коэффициентом 0,6:

qу.в. = 0,6 · qтнт (10)

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · qу.в. (11)

Избыточное давление на фронте ударной волны (ДРфр, МПа) на расстоянии R определяется по формуле М.А.Садовского для сферической УВВ в свободном пространстве [7]:

, (12)

взрыв сосуд аварийный оборудование

где , R - расстояние от эпицентра взрыва до реципиента, м.

В таблице 2 представлены значения предельно допустимого избыточного давления ударной волны при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещении или открытом пространстве [7], для которых подбираются расстояния для определения зон поражения.

Таблица 2 - Предельно допустимые избыточные давления при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещении или открытом пространстве

Степень поражения	Избыточное давление, кПа
Полное разрушение зданий (смертельное поражение человека)	100
50 %-ное разрушение зданий	53
Средние повреждения зданий	28
Умеренные повреждения зданий (повреждения внутренних перегородок, рам, дверей и т.п.)	12
Нижний порог повреждения человека волной давления	5
Малые повреждения (разбита часть остекления)	3

Импульс волны давления, кПа·с:

I = 0,4 (13)

Формулы (12,13) справедливы при условии ?0,25.

Условная вероятность поражения избыточным давлением, развиваемым при взрыве парогазовоздушных смесей, человека, находящегося на определенном расстоянии от эпицентра аварии, определяется с помощью «пробит-функции» Pr, которая рассчитывается по формуле [8]:

Pr = 5 - 0,26·ln(V) , (14)

где

Связь функции Рr с вероятностью Р той или иной степени поражения находится по таблице 3 [8].

Таблица 3 - Связь вероятности поражения с функцией «пробит»

Р,%	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0		2,67	2,95	3,12	3,25	3,38	3,45	3,52	3,59	3,66
10	3,72	3,77	3,82	3,86	3,92	3,96	4,01	4,05	4,08	4,12
20	4,16	4,19	4,23	4,26	4,29	4.33	4,36	4,39	4,42	4,45
30	4,48	4,50	4,53	4,56	4,59	4,61	4,64	4.67	4,69	4,72
40	4,75	4,77	4,80	4,82	4,85	4,87	4,90	4,92	4,95	4,97
50	5,00	5,03	5,05	5,08	5,10	5,13	5,15	5,18	5,20	5,23
60	5,25	5,28	5,31	5,33	5,36	5,39	5,41	5,44	5,47	5,50
70	5,52	5,55	5,58	5,61	5,64	5,67	5,71	5,74	5,77	5,81
80	5,84	5,88	5,92	5,95	5,99	6,04	6,08	6,13	6,18	6,23
90	6,28	6,34	6,41	6,48	6,55	6,64	6,75	6,88	7,05	7,33
99	7,33	7,37	7,41	7,46	7,51	7,58	7,65	7,75	7,88	8.09

Основной целью расчетов по данной методике является определение радиусов зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека и определение вероятности поражения людей, находящихся на определенном расстоянии от эпицентра взрыва.

Примеры расчетов. Физические взрывы

Пример №1

Взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом V = 600 м3 произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Взрыв произошел при давлении Р = 2,3 МПа. Плотность газа при нормальном давлении с = 1,22 кг/м3, показатель адиабаты г = 1,4. Оценить последствия взрыва сжатого воздуха в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 50 м.

Решение:

Определяется перепад давлений, преобразовав формулу (3):

ДР = 2,3 - 0,1 = 2,2 МПа

Рассчитывается плотность газа по уравнению (5):

с = 1,22 · (2,3/0,1)1/1,4 = 11,46 кг/м3

Полная масса газа:

С = 11,46 · 600 = 6873 кг

По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 2,2 / [11,1 · (1,4 - 1)] = 0,48 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва составит:

qтнт = 0,48 · 6873 / 4,24 = 778 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу.в. = 0,6 · 778 = 467 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 467 = 934 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.

Результаты расчета приведены ниже (таблица 4).

Таблица 4 - Радиусы зон воздействия УВВ

ДРфр, кПа	100	53	28	12	5	3
R, м	26,8	37,5	55	96	194	300

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 50 м:

= 50/(9341/3) = 5,12

ДРфр = 0,084/5,12 + 0,27/5,122 + 0,7/5,123 = 31,9 кПа.

I = 0,4 · 9342/3/50 = 0,76 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 50 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(31,9·103))8,4 + (290/(0,79·103))9,3 = 0,0065

Pr = 5 - 0,26 · ln(0,0065) = 6,31

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 50 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 91%.

Пример №2

Взрыв шарового газгольдера диоксида углерода объемом V = 500 м3 (радиус сферы 4,95 м) произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат изготовлен из стали 09Г2С толщиной стенки 16 мм и рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Временное сопротивление разрушения материала ув = 470 МПа. Плотность газа при нормальном давлении с = 1,98 кг/м3, показатель адиабаты г = 1,3. Оценить последствия взрыва сжатого диоксида углерода в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 120 м.

Решение:

Разрушающее давление определяется по формуле (2):

ДP = 2 · 0,016 · 470/4,95 = 3 МПа

Определяется давление парогазовой смеси в емкости по формуле (3):

Р = 3 + 0,1 = 3,1 МПа

Рассчитывается плотность газа по уравнению (5) при давлении Р:

с = 1,98 · (3,1/0,1)1/1,3 = 28,05кг/м3

Полная масса газа:

С = 28,05 · 550 = 14026 кг

По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 3 / [23,18 · ( 1,3 - 1)] = 0,36 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва газа составит:

qтнт = 0,36 · 14026 / 4,24 = 1194 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу.в. = 0,6 · 1194 = 717 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 717 = 1433 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.

Результаты расчета приведены ниже (таблица 5).

Таблица 5 - Радиусы зон воздействия УВВ

ДРфр, кПа	100	53	28	12	5	3
R, м	30	43	62,5	111	224	350

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 120 м:

= 120/(14333) = 10,64

ДРфр = 0,084/10,64 + 0,27/10,642 + 0,7/10,643 = 10,9 кПа.

I = 0,4 · 14332/3/120 = 0,42 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 120 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(10,9*103))8,4 + (290/(0,42*103))9,3 = 0,029

Pr = 5 - 0,26 * ln(0,029) = 5,92

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 120 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 82%.

Химические взрывы

Пример №1

Из хранилища объемом V = 1000 м3 был слит толуол для проведения ремонта. В начале сварки произошел взрыв паров толуола. Плотность паров по воздуху при нормальном давлении с = 3,2, показатель адиабаты г = 1,4, ВКПВ - 7,8 % об., теплота взрыва газа 41 МДж/кг. Оценить последствия взрыва (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 100 м.

Решение:

В хранилище атмосферное давление Р = 0,1 МПа.

Плотность паров:

с = 3,2 · 1,29 = 4,13 кг/м3

Объем пара находится через ВКПВ (считается, что весь объем заполнен смесью с концентрацией паров толуола, соответствующей ВКПВ):

V = 1000 · 7,8/100 = 78 м3

Полная масса газа:

С = 4,13 · 78 = 322 кг

По формуле (8) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 41 + 1/[4,13 · ( 1,4 - 1)] = 41,06 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва составит:

qтнт = 41,06 · 322 / 4,24 = 3118 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу.в. = 0,6 · 3118 = 1871 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 1871 = 3742 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2. Результаты подсчета давлений и импульсов приведены ниже (таблица 6).

Таблица 6 - Радиусы зон воздействия УВВ

ДРфр, кПа	100	53	28	12	5	3
R, м	42,5	59	86	153	309	482

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 100 м:

= 100/(37421/3) = 6,44

ДРфр = 0,084/6,44 + 0,27/6,442 + 0,7/6,443 = 22,2 кПа.

I = 0,4 · 37422/3/100 = 0,96 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 100 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(22,2·103))8,4 + (290/(0,96·103))9,3 = 0,14

Pr = 5 - 0,26 · ln(0,14) = 5,51

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 100 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 69%.

Пример №2

Взрыв железнодорожной цистерны объемом V = 60 м3, заполненной на 80 % толуолом, произошел в результате удара молнии. Плотность газа при нормальном давлении с = 4,13 кг/м3, показатель адиабаты г = 1,4, ВКПВ - 7,8 % об., теплота взрыва газа 41 МДж/кг. Давление в цистерне Р = 0,1 МПа. Оценить последствия взрыва (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 30 м.

Решение:

Объем газа определяется через коэффициент заполнения и ВКПВ (считается, что весь объем заполнен смесью с концентрацией паров толуола, соответствующей ВКПВ):

V = 60 · 0,2 · 0,078 = 0,936 м3

Полная масса газа:

С = 4,13 · 0,936 = 3,9 кг

По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 41 + 0,9/[4,13 · ( 1,4 - 1)] = 41,1 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва составит:

qтнт = 41,1 · 3,9 / 4,24 = 37,4 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу.в. = 0,6 · 37,4 = 22,4 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2· 22,4 = 44,8 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.

Результаты подсчета давлений и импульсов приведены ниже (таблица 7).

Таблица 7 - Радиусы зон воздействия УВВ

ДРфр, кПа	100	53	28	12	5	3
R, м	9,5	13,5	20	35	70	110

Для определения вероятности поражения человека на расстоянии R по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 30 м:

= 30/(44,81/3) = 8,4

ДРфр = 0,084/8,4 + 0,27/8,42 + 0,7/8,43 = 14,9 кПа.

I = 0,4 · 44,82/3/30 = 0,17 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 70 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(14,9·103))8,4 + (290/(0,17·103))9,3 = 161

Pr = 5 - 0,26·ln(161) = 3,7

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 30 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 10%.

Список использованной литературы

1. Челышев В.П. Основы теории взрыва и горения. Учебное пособие - М.: Министерство обороны СССР, 1981. - 212 с.

2. Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х книгах. Книга 1. Пер. с англ./ Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. - М.: Мир, 1986. - 319 с.

3. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение - М.: Химия, 1991. - 432 с.

4. Маршалл В. Основные опасности химических производств - М.: Мир, 1989. - 672с.

5. http://www.Пресс-Центр.ru

6. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Учебное пособие. Книга 2. В.А. Котляревский и др. - М.: Изд. АСВ, 1996. - 384с.

7. ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.

8. РД 03-409-01 Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей.

9. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения/А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. - М.: Химия, 1990. - 496 с.

10. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости. Справочник/под ред. Н.А. Тарасова-Агалакова - М.: Изд-во мин. коммунального хоз-ва, 1956. - 112 с.

11. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

12. Бережковский М.И. Хранение и транспортирование химических продуктов. - Л.: Химия, 1982. - 253 с.

13. Смирнов Г.Г., Толчинский А.Р., Кондратьева Т.Ф. Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение, 1988. - 303 с.

14. Справочник металлиста. В 5-ти т. Т. 2. Под ред. А.Г. Рахштадта, В.А. Брострема - М.: Машиностроение, 1976. - 720 с.

Приложения

Приложение А

Таблица А1 - Свойства газов и некоторых жидкостей [9,10,11]

Название	Плотность вещества, кг/м3 (при 20 оС)	Плотность по воздуху газа (пара)*	Коэффициент адиабаты
Азот	1,2506	0,967	1,4
Аммиак	-	0,597	1,29
Ацетилен	-	0,9107	1,24
Бензол	873,68	2,77	1,1
Бутан	-	2,0665	1,08
Воздух	1,22	-	1,4
Водород	-	0,0695	1,407
Диоксид азота	1,49	-	1,31
Диоксид углерода	1,98	-	1,3
Кислород	-	1,105	1,4
Метан	0,7168	-	1,31
Пентан	621,4	2,48	1,09
Пропан	-	1,56	1,13
Пропилен	-	1,45	1,17
Этан	548,2	1,0488	1,2
Этилен	-	0,974	1,2

Примечание: Для определения плотности паров используется плотность воздуха при 0 оС.

Приложение Б

Таблица Б1 - Конструкционные материалы

Материал	Предел прочности, ув МПа	Назначение
Ст3пс, Ст3сп (гр. А)	380 - 490	Для деталей машин, станков, резервуаров.
10Х17Н13М2Т	520	Для хранения разбавленной азотной и серной кислоты, раствора аммиачной селитры и аналогичных веществ с плотностью 1400 кг/м3.
12Х18Н10Т	550	Для хранения агрессивных химических продуктов плотностью 1540 кг/м3.
16ГС	490	При изготовлении трубопроводов и аппаратов. Резервуары для хранения сжиженных газов, железнодорожные цистерны.
09Г2С	480
16Г2АФ	600
10Г2С	490	Трубопроводы, давление до 100 кгс/см2.
18Х2Н4ВА	1300	Северного исполнения для деталей машин.
15ХМ	800

Размещено на Allbest.ru

...