Определение границ зоны сохранения устойчивости инженерно-технического комплекса объекта и мест возможного размещения взрывоопасного источника чрезвычайной ситуации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение границ зоны сохранения устойчивости инженерно-технического комплекса объекта и мест возможного размещения взрывоопасного источника чрезвычайной ситуации

Введение

В непосредственной близости от объектов железнодорожной инфраструктуры могут проходить коммуникации, а так же находиться продукты, перевозимые подвижным составом, которые в случаях детонации могут привести к разрушениям элементов ИТК. По своему составу перевозимый груз весьма разнообразен, в его состав входят продукты нефтеперерабатывающей области, машиностроения, товары общего потребления, сельскохозяйственные товары. Через станцию проходят токсичные, пожаро- и взрывоопасные грузы. Из этого вытекает необходимость разработки мероприятий, направленных на повышение устойчивости и надежности как ИТК в целом, так и отдельных его элементов. В предполагаемых условиях эксплуатации проектируемой железнодорожной линии риски возникновения отказов элементов, конструкций и устройств весьма велики. В связи с этим не только обеспечение безопасного и бесперебойного движения поездов с установленной скоростью и осевой нагрузкой, но и вопросы, связанные с определением возможных разрушений и повреждений инженерных и прочих систем (например, при аварийном взрыве) являются вопросами первостепенной важности.

1. Характеристика параметров воздушной ударной волны аварийного взрыва

В двухстах метрах от депо произошёл взрыв углеводородного газа массой 50 тонн.

Взрыв - это чрезвычайно быстрое изменение в составе вещества, сопровождаемое таким же быстрым превращением потенциальной энергии в кинетическую за счет расширения паров или газов, которые существовали до взрыва или образовались в момент взрыва.

Виды взрывов:

· Физического порядка (взрыв паровых котлов, емкостей со сжатым газом, смешение разно температурных жидкостей).

· Внутриядерного порядка (атомные или термоядерные).

· Химического порядка (основаны на реакции окисления углерода и водорода).

При любых взрывах выделяют 3 круговые зоны:

1) зона детонации;

2) зона действия продуктов взрыва;

3) зона действия воздушной ударной волны.

Рис. 1. Зоны очага взрыва: I- зона детонационной волны; II- зона действия продуктов взрыва; III - зона действия воздушной ударной волны

Зона детонационной волны (зона I) находится в пределах облака взрыва. Радиус этой зоны r1, м, зависит от массы Q т, продукта взрыва и приближенно может быть определен по формуле:

,

где k - коэффициент пропорциональности;

Для горючевоздушных смесей (ГВС) и углеводородных газов (УВГ) коэффициент к может быть принят равным 17,5.

.

r = 3,68 м.

В пределах зоны I действует постоянное избыточное давление(для ГВС и УВГ1700 кПа).

Зона действия продуктов взрыва (зона II) охватывает всю площадь разлета продуктов взрыва, где избыточное давление постоянно падает и на внешней границе зоны составляет примерно 300 кПа. Радиус этой зоны:

r = 1,7 * 3,68 = 6,256 м.

В зонах I и II все здания и наземные сооружения разрушаются практически полностью.

В зоне действия воздушной ударной волны (зона III) формируется фронт ударной волны, распространяющийся по поверхности земли. Значения параметров воздушной ударной волны в этой зоне при одной и той же массе взрывоопасных веществ на одинаковом удалении от центра взрыва зависят от вида взрывоопасных веществ.

В зоне действия воздушной ударной волны зависимость давления ?Рф, Мпа от расстояния R, м, и массы заряда Q, кг, имеет вид:

,

где - приведенный радиус, м;

.

Ударная волна является основным поражающим фактором. Она представляет собой зону сильно сжатого воздуха, распространяющегося во все стороны со сверхзвуковой скоростью.

Основные параметры ударной волны, определяющие ее поражающее действие:

· избыточное давление ? Pф,

· давление скоростного напора ?Рск.

Избыточное давление во фронте ударной волны ?Pф - это избыточное давление, обладающее разрушительным действием для массивных, трудно обтекаемых ударной волной сооружений и устройств.

Избыточное давление ?Pф обладает разрушительным действием, выводя из строя устойчивые, крупногабаритные массивные сооружения, жесткие конструкции с фундаментами.

Скоростной напор действует на сооружение в виде динамической нагрузки ?Рск, смещает, опрокидывает или отбрасывает малогабаритные, быстро обтекаемые и малоустойчивые сооружения.

2. Характеристика взрывоопасного материала

Источником чрезвычайной ситуации (ЧС) являются углеводородные газы (метан, пропан, бутан, этилен и др.). С кислородом воздуха они образуют взрыво- и пожароопасные газо-воздушные смеси (УВГ). Наибольшие степени взрывоопасности наблюдаются при так называемом стехиометрическом смешении компонентов, когда кислорода воздуха достаточно для окисления всего углерода и водорода углеводородного газа. Такие смеси характеризуются минимальными температурами воспламенения, а также создаются лучшие условия для перехода дефлаграционного горения в детонационный режим. взрывоопасный устойчивость ударная волна

Количество газа по объему составляет от 2 до 9 %, т.е. на кубический метр воздуха для обеспечения взрыва в форме детонации должно быть от 20 до 90 литров газа. При большем содержании газа имеет место взрывное горение, что существенно уменьшает разрушающее действие УВГ.

Взрыв газовой смеси представляет собой процесс быстрого расширения продуктов сгорания, порождающий в окружающем пространстве ударную волну. В зоне детонации за несколько десятков микросекунд развивается температура более 2000 градусов.

Рис. 2. График изменения давления во фронте воздушной ударной волны: 1 - фронт ударной волны; 2 - кривая изменения давления

В зоне действия продуктов взрыва (II) давление газов по мере их удаления от центра взрыва уменьшается, оттесняя и сжимая окружающий место взрыва воздух. Считается, что внешней границей зоны действия продуктов взрыва является давление газов в 300 кПа и дальше разрушительное действие на окружающую среду оказывает воздушная ударная волна (зона III).

Здания, опоры мостов получают большие разрушения, так как они противостоят смещению под силой ударной волны, воздействие происходит на переднюю стенку сооружения.

Изменение значений избыточного давления во фронте воздушной ударной волны ?Pф на различном удалении R от источника ЧС характеризуется графиком зависимости:

?Рф =f(Q,R).

Значение Rф для углеводородных газов (УВГ) определяется по графику.

Рис. 3. График изменения избыточных давлений в зависимости от расстояния до центра взрыва (R) для различной массы взрывоопасной газовоздушной смеси, Q

Для любого вида взрыва изменение избыточного давления воздушной ударной волны ?Pф в зависимости от расстояния R от центра взрыва и массы взрывоопасного материала Q подчиняется закону подобия взрывов:

,

где Rm - табличное значение расстояния от центра взрыва для массы Qm;

Rфак - фактическое значение расстояния от центра взрыва для массы Qm.

Далее строится график зависимости ?Рф =f(Q,R). Для этого необходимо задаться значениями избыточного давления ?Рф во фронте воздушной ударной волны.

Таблица 1 - Зависимость ?Pф от расстояния до центра взрыва R при Qугв. =50 т

.

Строим график зависимости ?Рф=f(Q,R).

С помощью построенного графика можно определить величину избыточного давления ?Рф в районе элементов инженерно-технического комплекса и определить степень разрушения сооружений и устройств.

3. Определение устойчивости элементов инженерно-технического комплекса объекта в зоне ЧС

При воздействии одних и тех же параметров ударной волны взрыва на различные элементы инженерно-технического комплекса (ИТК) степень их разрушения будет неодинакова в связи с различной физической устойчивостью.

Физическая устойчивость - это способность сооружения противостоять воздействию внешних нагрузок в чрезвычайных ситуациях, зависящая от его размеров, конструктивных параметров (жесткость конструкции, наличие фундамента, закрепление элементов, материал, масса, положение центра тяжести, размеры элементов и их конфигурация, площадь опоры). Сравнительная оценка устойчивости элементов ИТК при взрывах производится с помощью единого количественного показателя - величины избыточного давления во фронте ударной волны ?Рф.

Рис. 4. Характер зависимости степени разрушения от величины избыточного давления во фронте ударной волны: I - зона слабых разрушений; II - зона средних разрушений; III - зона сильных разрушений; IV - зона полных разрушений; - предел устойчивости сооружения

Радиус функционирования - удаление от центра взрыва, на котором численно равно пределу устойчивости.

Предел устойчивости - предельное значение избыточного давления во фронте воздушной ударной волны, при превышении которого функционирование сооружений и устройств невозможно. За предел устойчивости элемента ИТК принимается нижняя граница ?Рф средних разрушений.

Таблица 2 - Граничные значения ?Рф для слабых, средних и сильных разрушений

Для каждого выбранного элемента ИТК определяем в зависимости от предела устойчивости радиус функционирования R_ф

По данным таблицы можно сделать вывод, что предел устойчивости в целом равен 30 кПа. Локомотивное депо является одним из наименее прочных объектов. Избыточному давлению ?Рф =30 кПа соответствует значение радиуса 400 м. Здание депо расположено на расстоянии 200 метров от эпицентра взрыва, чему соответствует величина избыточного давления 100 кПа, что в соответствии с таблицей № 2 говорит о том, что здание будет разрушено полностью ввиду превышения верхней границы предела устойчивости.

В результате проведенных расчетов и графических построений определена степень воздействия взрывной волны на здание депо, которое, находясь на расстоянии 200 метров при массе углеводородного газа массой 50 тонн, будет разрушено полностью ввиду превышения верхней границы предела устойчивости.

Размещено на Allbest.ru