Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обеспечение взрывоустойчивости городских и промышленных зданий в условиях плотной застройки

Специальность: 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

На правах рукописи

Бажина Елена Витальевна

Москва - 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Комаров Александр Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Фролов Юрий Васильевич

кандидат технических наук, доцент Попов Сергей Евгеньевич

Ведущая организация: Академия ГПС МЧС России

Защита диссертации состоится «____»___________2011 г. в ______ на заседании диссертационного совета Д212.138.09 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д.26, МГСУ, Зал заседаний Ученого Совета факультета ГСХ ауд. 601 г.

С диссертаций можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «______» ____________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ляпин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы заключается в том, что в диссертации разработана методика оценки состояния взрывоопасности городских территорий, основанная на приближенном решении газодинамической задачи, описывающей состояние воздушной среды вне области взрыва. Это позволяет не только более достоверно определять безопасные зоны в плотной городской застройке, но и оценивать эффективность тех или иных защитных мероприятий: усиление прочности оконных стёкол, устройство ограждений, экранов и т.д. Последнее обстоятельство наиболее актуально для крупных промышленных объектов, на которых располагаются энергоемкие установки. При строительстве или модернизации взрывоопасных промышленных предприятий возникает вопрос о возможности использования территорий и зданий, прилегающих к взрывоопасным установкам, для общезаводских целей: столовых, складских помещений и др. Использование разработанной в диссертации методологии позволяет определять не только уровень их взрывоопасности, но и эффективность средств взрывозащиты. Данная проблема достаточно актуальна для строящихся, реконструируемых или модернизируемых промышленных предприятий со взрывоопасными технологиями.

Научной гипотезой исследований является наличия существенного влияния на поле взрывных нагрузок, реализующихся при аварийных взрывах на энергоемких объектах, пространственной структуры зданий и сооружений, прилегающих к взрывоопасному объекту. Данное обстоятельство приводит к значительному искажению сферической взрывной волны и перераспределению волновой энергии ударных волн или волн сжатия, сопровождающих аварийные взрывы и являющиеся основными поражающими факторами взрывов.

Целью исследования является расчет на основе существующих численных методов поля взрывного давления, реализующегося при аварийном взрыве. Разработка методики определения зон взрывобезопасности для городских территорий, прилегающих к энергоемким объектам и методики оценки состояния взрывобезопасности объектов энергоемких промышленных предприятий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

· Проведен анализ существующих способов оценки состояния взрывобезопасности объектов, прилегающих к энергоемким производствам.

· Проанализированы существующие методы расчета полей давлений аварийных взрывов.

· Разработана методология определения влияния расположения зданий и сооружений на поле взрывной нагрузки.

· Разработана методика расчета динамических характеристик остекления (наименее прочного элемента зданий) при воздействии на него взрывной нагрузки.

· Проведено экспериментальное исследование поведения остекления при воздействии на него взрывных нагрузок.

· Выполнен расчет полей взрывных нагрузок применительно к конкретным промышленным и городским объектам.

Объектами исследования являются территории и объекты, прилегающие к взрывоопасным производствам.

Предметом исследования являются волновые потоки, сопровождающие аварийные взрывы, и строительные конструкции, подвергающиеся воздействию взрывных нагрузок.

Теоретической и методологической основой исследования являются:

· Нестационарные уравнения газовой динамики.

· Численные методы решения краевых газодинамических задач.

· Динамические задачи строительной механики.

Достоверность исследования подтверждается соответствием математической модели реальным физическим процессам, сопровождающим аварийные взрывы; принятием ряда допущений, которые не искажают общую физическую картину аварийных взрывов, но позволяют задаться для конкретного взрывоопасного объекта начальными и граничными условиями для решения корректной газодинамической задачи; сравнением расчетных и экспериментальных динамических параметров остекления, подвергающегося воздействию взрывной нагрузки.

Практическая значимость работы состоит в возможности на базе диссертационного материала оценки зон взрывобезопасности городских территорий, прилегающих к энергоемким объектам, с учетом реального расположения на данной территории зданий и сооружений. Результаты исследований позволяют также определять предполагаемые взрывные нагрузки на территории взрывоопасного производства и оценивать эффективность средств взрывозащиты.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методики определения влияния городской застройки на поле взрывных нагрузок и в использовании газодинамической задачи для расчета предполагаемых взрывных нагрузок для расчета поведения остекления (наименее прочный элемент здания) с целью оценки эффективности различных противовзрывных мероприятий.

Личный вклад соискателя. Исследования, изложенные в диссертационной работе, выполнены автором либо при его непосредственном участии.

На защиту выносятся:

Методика определения зон взрывобезопасности для городских территорий с плотной застройкой, прилегающих к взрывоопасным городским объектам.

Методика оценки состояния взрывобезопасности объектов энергоемких промышленных производств.

Апробация и внедрение результатов исследования.

Результаты исследований использовались при реконструкции и проектировании реальных взрывоопасных производств. Проведен расчет параметров взрывных нагрузок и разработаны рекомендации по защите помещения управления (операторной) производства пропилена на территории ЗАО «Нефтехимия» (г.Новокуйбышевск). Проведен расчет вероятных взрывных нагрузок, действующих на здания комплекса по производству аммиака, метанола и карбамида ОАО «Аммоний» и разработаны мероприятия по обеспечению их взрывобезопасности. Разработаны рекомендации по снижению давления на фронте ударной волны на конструкции зданий завода полиолефинов на ОАО «Нижнекамскнефтехим».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в пяти статьях (см. п. IV)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 141 страницах, содержит 71 иллюстрации и 19 таблиц. Библиография включает 126 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненных исследований. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Определены способы решения поставленной задачи и основные положения, выносимые на защиту. Приведены данные о структуре и объеме выполненной диссертационной работы.

В первой главе приведены общие сведения из газодинамики и теории взрыва. Дана общая характеристика взрывных опасностей и приведены уравнения, описывающие распространение волн сжатия и ударных волн, формирующихся при взрывных явлениях. Дана характеристика поражающих факторов при аварийных взрывах в атмосфере. Описаны особенности развития внешних детонационных и дефлаграционных взрывов. Показано, что взрывные нагрузки, сопровождающие дефлаграционные взрывы, имеют существенное отличие от нагрузок, возникающих при детонационных взрывах.

При детонационных взрывах газопаровоздушных смесей (ГПВС) формируется ударная воздушная волна (ВУВ), а при дефлаграционном взрыве в окружающем пространстве формируется волна сжатия (ВС). Типичные профили взрывных нагрузок, которые реализуются при различных видах взрывного превращения, приведены на рис.1.

аварийный взрыв волновой поток

Рис. 1. Типичные профили взрывных нагрузок:

а) при дефлаграции ГПВС - волна сжатия и волна разрежения;

б) при детонации ГПВС - ударная волна и волна разрежения

Основными поражающими факторами детонационного взрыва является ударная волна, характеризуемая избыточным давлением и импульсом волны сжатия, и огненный шар раскаленных продуктов взрыва. Значения избыточного давления на фронте ВУВ детонационного вычисляется по следующему соотношению:

, кПа (1)

где (м/кДж1/3) - приведенное расстояние до центра наземного взрыва; - энергия взрыва, затраченная на образование воздушной ударной волны (); Е - полная энергия, высвобождающаяся при детонационном взрыве ГПВС; - коэффициент перехода энергии взрыва в ВУВ (). Из (1) следует, что параметры ВУВ при детонационном взрыве ГПВС в основном зависят от энергии детонировавшего облака.

Основными поражающими факторами дефлаграционного взрыва являются: волна сжатия, характеризуемая максимальным избыточным давлением, скоростной напор и огненный шар раскаленных продуктов взрыва. Максимальное избыточное давление, реализуемое на фронте пламени, зависит только от скорости распространения пламени при аварийном взрыве (рис.2).

Рис.2. Максимальное давление в волне сжатия в зависимости от скорости пламени при дефлаграционном взрыве в атмосфере

Значение максимального давления на расстоянии R от центра взрыва определяется по эмпирической формуле (2):

(2)

где - приведенное расстояние; В=0.49-57 и С=1.055-1.166 - коэффициент и показатель степени, зависящие от скорости распространения пламени ; RГ - радиус огненного шара (радиус облака продуктов взрыва в конце взрывного горения).

Зависимость взрывной нагрузки от вида взрывного превращения имеет существенное значение при оценке зон безопасностей для плотной городской застройки, прилегающей к взрывоопасным городским объектам (АЗС, ГРП, ГРС и т.д.), а так же для определения состояния взрывобезопасности компактных промышленных энергоемких производств. Приведены соотношения, описывающие интегральные характеристики взрывных нагрузок, которые реализуются при различных типах взрывных явлений.

Во второй главе приведен анализ нормативной базы и методик, определяющих последствия взрывных аварий на энергоемких объектах. Проведено исследование и дан анализ критериев и показателей безопасности при внешних взрывах. Проанализированы руководящие документы по определению предполагаемых взрывных нагрузок и зон поражения при аварийных взрывах. Определены основные недостатки руководящих документов по определению предполагаемых взрывных нагрузок и зон поражения при аварийных взрывах применительно к плотной городской застройке и к компактным энергоемким промышленным объектам. К основным недостаткам существующих методологий по определению послеаварийной обстановки на территориях, прилегающих к взрывоопасным объектам, следует отнести:

- Определение безразмерного расстояния от центра взрывоопасного облака через тротиловый эквивалент смеси, участвующей в аварийном взрыве, и использование его при дальнейших расчетах в качестве параметра подобия, что неоднократно критиковалось и подвергалось сомнению.

- Расчет динамических характеристик волн сжатия, которые возникают при дефлаграционном горении, по формулам, разработанным для ударных волн от детонационного взрыва.

- Предположение, как это сделано в проанализированных методиках, о том, что зависимости избыточного давления от времени при дефлаграционном и детонационном взрывах одинаковы, приводят к значительным погрешностям при оценке устойчивости и степени разрушения зданий при воздействии на них воздушной ударной волны (ВУВ). Сравнение динамических характеристик ВУВ при детонационном взрыве с соответствующей динамической характеристикой волны сжатия дефлаграционного взрыва показывает, что в реальности при дефлаграционном взрыве, присутствует фаза нарастания давления во времени, а ВУВ при детонации имеет пилообразную форму. Это особенно важно при расчете коэффициента динамичности, т.е. при оценке устойчивости и степени разрушения элементов зданий при воздействии на них поражающих факторов взрыва и при определении степени поражения людей.

Дан анализ существующих методик расчета нагрузок на здания и объекты при взрывном горении смесей в атмосфере.

В третьей главе приведены методики определения последствий аварийных взрывов на энергоемких объектах, основанные на решении газодинамической задачи, описывающей газодинамические потоки, которые возникают при взрывных явлениях, что наиболее корректно описывает процесс формирования взрывных нагрузок и их воздействие на здания и сооружения. Приведены эмпирические и численные методики определения параметров волн сжатия при дефлаграционных взрывах в атмосфере.

Численные расчетные схемы базируются на интегрировании общих законов сохранения механики сплошной среды. Данные методы позволяют определять нестационарное поле давления вне области взрыва. При этом расчетная область разбивается на определенное количество ячеек, которые характеризуются определенными начальными значениями плотности и скорости потока. Тогда расчет плотности и скорости среды в ячейке в момент времени производится через значения плотности и скорости для предыдущего момента времени по явной разностной схеме:

(3)

Явные формулы для вычисления величин , приближенно описывают состояние среды в момент времени .

Кроме этого, приводится методика, использующая линеаризованные уравнения движения (акустическое приближение), которая позволяет определять динамические характеристики потока в произвольной точке пространства применительно к дефлаграционным взрывам.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению воздействия взрывных нагрузок на ограждающие конструкции зданий. Описана методика проведения экспериментальных исследований. В качестве ограждающей конструкции использовалось остекление (рис.3), являющееся наименее прочным элементом и при разрушении представляющем достаточную опасность для людей, т.к. разлетающиеся при взрыве осколки являются вторичными поражающими факторами.



кадр 5 - начало разрушения остекления

кадр 7 - разлет осколков разрушенного стекла

Рис.3. Фотографии процесса разрушения остекления под воздействием взрывной нагрузки (видеосъемка)

Испытывалось противоосколочное стекло - стекло, покрытое пленочным покрытием (рис.4). Данное мероприятие является наиболее распространенным способом усиления стекла.



кадр 4 - начало смещения противоосколочного стекла

кадр 6 - смещение противоосколочного стекла.

Рис.4. Фотографии процесса смещения противоосколочного стекла под воздействием взрывной нагрузки (видеосъемка)

Экспериментальные исследования по определению воздействия взрывных нагрузок на ограждающие конструкции зданий показали, что оконные стекла, при воздействии на них взрывных нагрузок, с длительностью, которая реализуется в большинстве случаев аварийных взрывов (более 100мс), разрушаются на достаточно мелкие фрагменты и имеют значительный разлет (рис.3). Это не подтверждает существующее мнение о зависимости степени разрушения остекления от соотношения между максимальным давлением взрыва и давлением начала разрушения остекления.

При усилении оконного полотна, например, пленочным покрытием, что сохраняет его целостность при взрыве, импульса силы от взрывной нагрузки не хватает для значительного отброса стекла (рис.4). Времени воздействия взрывной нагрузки не достаточно для его существенного смещения.

Поэтому при реализации взрывной аварии по схеме, изображенной на рис.5.А, разлет осколков внутрь помещения будет незначительный.

При реализации взрывной аварии по схеме, изображенной на рис.5.Б, будет наблюдаться значительный разлет осколков по помещению. При установке противовзрывного или противоосколочного пленочного покрытия, что сохраняет целостность стекла, отлета его полотна (например, из слабо укрепленной рамы) при любой схеме развития аварии не будет. Импульса силы у взрывной нагрузки не хватит для значительного смещения стекла.

Рис.5. Схематизация сценариев воздействия взрывной нагрузки на окна зданий, попадающих в зону воздействия взрыва

В четвертой главе приведена методика определения состояния взрывобезопасности промышленных объектов и приведен пример ее использования. На примере завода полиолефинов определяется состояние взрывоопасности административно-бытового корпуса (АБК), прилегающего к энергоемкой и взрывоопасной установке (Блок 1). Определяется возможность использования здания для постоянного и массового пребывания людей. Разрабатываются рекомендации по защите людей от последствий возможной взрывной аварии.

Предварительно были определены параметры воздушной ударной волны (ВУВ), возникающей при детонационном взрыве газопаровоздушной смеси на Блоке 1 (рис.6). При аварийном дефлаграционном взрыве формируется не ударная волна, а волна сжатия (ВС), расчетные параметры которой приведены на рис.7.

Рис.6. Динамические параметры ВУВ при детонационном взрыве ГПВС

Рис.7. Взрывные нагрузки при дефлаграционном типе взрывного превращения

При подобных взрывных нагрузках вероятность средних повреждений зданий и вероятность гибели людей равны нулю. Уязвимыми являются только оконные стекла, которые при разрушении создают вторичные поражающие факторы (осколки). Из сказанного следует вывод о необходимости усиления остекления или изменения характера остекления.

Для усиления остекления возможно оклеивание внутренней поверхности стекла пленочным покрытием, что повысит прочностные характеристики стекла. Возможен второй вариант - уменьшение размеров единичной ячейки стекла в 1.5-2.0 раза. Например, членение полотна стекла 1.2х0.6м на две ячейки - 0.6х0.6м приведет к тому, что будем иметь почти двукратный запас прочности стекла при воздействии на него ВУВ детонационного взрыва. Динамические характеристики центральной точки стекла приведены на рис.8. Расчеты показали, что кроме значительного запаса прочности будут снижены и скоростные характеристики стекла при воздействии на него ударной нагрузки.

Рис.8. Параметры взрывной нагрузки и динамические характеристики центральной точки на полотне стекла при изменении характера остекления

В результате можно сделать вывод о полной защищенности людей внутри и вблизи здания АБК при условии изменения характера остекления (усилении стекла пленочным покрытием или уменьшении членения основного полотна стекла в два раза).

В четвертой главе разработан и обоснован метод определения зон взрывобезопасности для городских территорий, прилегающих к энергоемким объектам. Расчеты показывают, что пространственная структура поля давлений вблизи взрывоопасного объекта определяется взаимным расположением зданий, окружающих его. Поэтому для конкретной городской планировки достаточно построить уровни равного давления для фазы сжатия и фазы разрежения.

На рис.10 приведена структура максимальных взрывных нагрузок, а на рис.11 - структура минимальных уровней взрывного давления для конкретной городской застройки (рис.9).

Рис.9. Схема расположения зданий и взрывоопасного объекта

Данные графики получены следующим образом: в каждой точке пространства за все время процесса распространения взрывной волны выбирается максимальное давление (для рис.10) и минимальное давление (для рис.11), а потом по этим максимальным и минимальным значениям строятся оба графика.

Рис.10. Пространственное распределение максимальных уровней взрывного давления при взаимодействии волны сжатия со зданиями



Рис.11. Пространственное распределение минимальных уровней взрывного давления при взаимодействии волны сжатия со зданиями

На рис.12 приведены уровни равного давления в волне сжатия, реализуемые для данного расположения места взрыва в конкретном массиве города, а на рис.13 приведены уровни равного давления в волне разрежения. Рис.12 представляет собой набор горизонтальных сечений рис.10 на уровнях - 5%, 10%, 25%, 50% и 75% от максимального давления, а рис.13 является набором горизонтальных сечений рис.11 на уровнях - 5%, 10%, 25%, 50% и 75% от минимального давления. Данное представление структуры поля взрывного давления наиболее наглядно для определения перспектив планирования градостроительной застройки вблизи взрывоопасного объекта.

На рис.14 приведены динамические характеристики взрывных нагрузок в двух точках пространства (расположение точек см. рис.12, рис.13).



Рис.12. Уровни равного давления в волне сжатия при ее взаимодействии со зданиями

Рис.13. Уровни равного давления в волне разрежения при ее взаимодействии со зданиями

Таким образом, разработана методика, которая позволяет определять необходимые параметры взрывной нагрузки как во временной, так и в пространственной области.



Рис.14. Динамические характеристики волны сжатия в двух точках пространства при дефлаграционном взрыве в городской застройке

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Приведены общие сведения из нестационарной газовой динамики, которая описывает внешнее поле давления и поле скоростей вне области взрыва. Даны общие сведения из теории взрыва применительно к задаче прогнозирования последствий взрывных аварий.

2. Проведен анализ критериев и показателей безопасности при внешних аварийных взрывах. Проанализированы руководящие документы по определению последствий взрывных аварий на энергоемких объектах.

3. Определены основные недостатки существующих методик по определению послеаварийной обстановки на территориях, прилегающих к взрывоопасным объектам, к которым следует отнести:

· Определение безразмерного расстояния от центра облака через тротиловый эквивалент смеси, участвующей в аварийном взрыве.

· Расчет динамических характеристик волн сжатия, возникающих при дефлаграционных взрывах, по формулам, разработанным для воздушных ударных волн (ВУВ) от детонационного взрыва.

· Прогнозирование, как это сделано в ряде руководящих документах, послеаварийной обстановки по тротиловому эквиваленту.

4. Описаны и проанализированы методики, которые взял автор за основу при определении оптимального планирования городских объектов, прилегающих к взрывоопасным предприятиям, в условиях плотной городской застройки и при определении состояния взрывозащищенности зданий, расположенных на территории взрывоопасных производств.

5. Разработана методика проведения опытных исследований на моделях и полноразмерном остеклении, на которое воздействует взрывная нагрузка. Результаты опытов, полученных при внутренних взрывах, переносятся на задачи, относящиеся к внешнему взрыву.

6. Проведены экспериментальные исследования по определению воздействия взрывных нагрузок на ограждающие конструкции зданий, которые показали, что разрушение оконных стекол, при воздействии на них взрывных нагрузок, происходит на достаточно мелкие фрагменты, которые имеют значительный разлет. Это не подтверждает распространенное мнение о зависимости степени разрушения остекления от соотношения между максимальным давлением взрыва и давлением начала разрушения остекления.

7. Разработана методика оценки состояния взрывобезопасности промышленных объектов. Приведен пример оценки состояния взрывобезопасности зданий конкретного промышленного объекта со взрывоопасной установкой. Выполненные расчеты позволили рекомендовать и обосновать эффективность взрывозащитных мероприятий.

8. Разработана методика определения зон взрывобезопасности для городских территорий, прилегающих к взрывоопасным объектам.

9. Проведенный расчет полей давлений, которые реализуются при аварийных взрывах на энергоемких объектах в условиях плотной городской застройки, показал, что:

· поле давлений значительно искажается при наличии зданий и сооружений вблизи места взрыва;

· именно структура плотной застройки определяет параметры поля взрывных нагрузок, хотя максимальные значения поля давления определяются источником возмущения, т.е. параметрами взрыва;

· структура поля давлений зависит в первую очередь от взаимного расположения зданий и сооружений вблизи источника взрывной опасности;

· существенное влияние на взрывные нагрузки (волновой поток) оказывают только препятствия, имеющие размеры, сопоставимые или значительно превышающие длину волны возмущения.

10. Анализ результатов расчета позволяет сделать вывод о том, что последствия взрыва на в3зрывоопасном объекте определяются пространственной структурой максимальных давлений в волне сжатия и пространственной структурой минимальных давлений в волне разрежения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ СОДЕРЖАТСЯ В РАБОТАХ

1. А.А.Комаров, Е.В.Бажина. Особенности взрывных явлений в пешеходных переходах. //Научно-технический журнал, Вестник МГСУ. 2009 № 3 с. 107-109.

2. Е.В.Бажина. Обеспечение взрывобезопасности людей и зданий на территории энергоемких взрывоопасных объектов. //Научно-технический журнал, Вестник МГСУ. 2010 № 4 с. 40-46.

3. А.В.Мишуев, В.В.Казеннов, Е.В.Бажина, Н.В.Громов. Инновационные разработки в области обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости промышленных и гражданских объектов. X Московский международный салон инноваций и инвестиций, сентябрь 2010. //Инновации и инвестиции для модернизации и технологического перевооружения экономики России//. Сборник материалов - ФГУ НИИ РИНКЦЭ, НП «Инноватика», 2010.

4. А.В.Мишуев, В.В.Казеннов, Е.В.Бажина, Н.В.Громов. Проектирование остекления зданий с учетом требований по взрывоустойчивости и взрывобезопасности. //Научно-технический журнал, Вестник МГСУ. 2010 № 4 с. 51-55.

5. Е.В.Бажина. Безопасность зданий городской застройки вблизи взрывоопасных объектов. //Научно-технический журнал, Жилищное строительство. 2011 № 4 c. 38-40.

Размещено на Allbest.ru

...