Техногенные чрезвычайные ситуации

Источник техногенной чрезвычайной ситуации - аварийный взрыв в промышленной зоне

Вопрос Что следует понимать под аварийным взрывом?

Ответ Аварийный взрыв, происходящий в воздушной среде, есть практически мгновенное преобразование энергии, связанное с изменением физико-химического состояния веществ, сопровождающееся образованием воздушной ударной волны с избыточным давлением на фронте волны, выше порогового значения. При давлениях, ниже порогового значения, воздушные волны не являются взрывными, а относятся к звуковым.

Все аварийные взрывы по характеру изменения состояния вещества можно разделить на взрывы физические и химические. Физический взрыв вызывается изменением физического состояния вещества, характеризующегося высокими, относительно окружающей среды, значениями температуры или давления. Химические взрывы связаны с химическими превращениями веществ.

К физическим взрывам относятся взрывы сосудов под давлением и паровые взрывы. Взрыв сосуда под давлением происходит вследствие снижения прочности стенок ёмкости; заполнения ёмкости веществом сверх установленного предела, приводящего к возникновению внутреннего давления, которое превышает предельно допустимые значения; нагрева герметизируемого в сосуде вещества до температур, превышающих предельно допустимые значения; химических превращений веществ, находящихся в ёмкости, которые приводят к росту внутреннего давления до значений, превышающих предельно допустимые.

Паровой взрыв возникает при смешении двух жидких веществ с разными температурами при условии, что температура одного из них значительно превышает температуру кипения другого.

Химические взрывы вызываются быстрыми химическими превращениями веществ. Химические превращения происходят в результате реакций взрывчатого разложения вещества; окислительных реакций; реакций полимеризации, изомеризации и конденсации сложных химических соединений; реакций в сложных смесях.

По характеру развития взрывного процесса в пространстве все химические взрывы подразделяются на сосредоточенные (точечные) или объёмные. Сосредоточенный взрыв есть взрыв твёрдого или жидкого вещества, занимающего малый, относительно зоны воздействия, объём. Объёмный взрыв есть дефлаграционный или детонационный взрыв газовоздушного, паровоздушного или пылевоздушного облака, занимающего значительный, относительно зоны воздействия, объём. Под облаком понимают рассеяние в атмосфере какого-либо вещества в твёрдом жидком или газообразном состоянии.

Химические взрывы классифицируют также по плотности взрывчатого вещества. Различают взрывы конденсированного и неконденсированного вещества. Взрывы конденсированных веществ вызываются твёрдыми и жидкими веществами, такими как тринитротолуол C₆H₂CH₃(NO₂)₃ и нитроглицерин C₃H₅ (ОNO₃)₃. Взрывы неконденсированных веществ наблюдаются в смесях воздуха с горючими газами, парами или пылью.

Вопрос Какие поражающие факторы могут возникнуть в результате аварийных взрывов и каково их поражающее воздействие?

Ответ В процессе аварийного взрыва энергия взрывной системы переходит в энергию взрывного процесса, а именно в энергию ударной волны; энергию разлетающихся осколков, образующихся при разрушении оболочки, которая ограничивает взрывающееся вещество; энергию переносимых предметов и тел, вовлечённых во взрывной процесс динамическим напором воздушного потока; энергию теплового излучения раскаленных продуктов взрыва; остаточную энергию взрывной системы.

В зависимости от того, как распределится энергия во взрывном процессе, поражающими факторами взрыва могут стать параметры: воздушной ударной волны; движущихся осколков, обломков, предметов и тел; раскалённых продуктов взрыва и теплового излучения центральной зоны взрыва.

Действие взрыва на людей можно подразделить на прямое и побочное. Прямое действие связано с существенным увеличением давления воздуха окружающей среды в результате прихода фронта ударной волны. Человек как приёмник этой волны наиболее восприимчив к скорости повышения давления, к величине избыточного давления на фронте волны и к длительности воздействия. Части организма, отличающиеся существенной разницей в плотностях соседних тканей, наиболее поражаемы.

Лёгкие человека содержат множество альвеол, поэтому обладают меньшей плотностью, чем окружающие ткани, и, следовательно, очень чувствительны к действию взрывной волны. Повреждения лёгких являются прямой или косвенной причиной многих патофизиологических эффектов, среди которых лёгочные кровотечения и отёк, разрыв лёгких, закупорка кровеносных сосудов воздухом, потеря дыхательного запаса, образование мелких рубцов на лёгких.

Слуховой анализатор человека также проявляет очень высокую чувствительность к изменению давления. Ухо может откликаться на очень низкие величины потока акустической энергии, которые вызывают отклонение барабанной перепонки на расстояние, меньшее диаметра молекулы водорода. Однако ухо не способно верно реагировать на импульсы, период которых меньше 0,3 мс. При большой величине потока акустической энергии такие импульсы вызывают отклонение барабанной перепонки большой амплитуды. Именно такая реакция может стать причиной разрыва барабанной перепонки, повреждений среднего уха и т.п. Границей временной потери слуха [10.1] при нормально падающей волне для импульса фазы сжатия i_S > 4 Па? с является уровень звукового давления в 160 дБ, 50 %-я вероятность разрыва барабанной перепонки наблюдается для i_S > 80 Па? с при 195 дБ. К другим последствиям прямого действия взрыва относятся повреждения гортани, трахеи, брюшной полости, нервных окончаний спинного мозга и т.д.

Побочное действие взрыва связано с образованием осколков и обломков, переносом предметов и тел, с нагревом продуктов взрыва и тепловым излучением. Осколки образуются при разрыве твёрдой оболочки взрывной системы. Их характеристиками, определяющими степень поражения, являются: масса, форма, плотность, площадь миделева сечения, скорость и угол падения при ударе. К патофизиологическим последствиям действия осколков относятся рваные раны кожи, проникающие ранения внутренних органов, грубые травмы, переломы черепа и проломы костей.

К побочным эффектам взрыва относится перенос тела и последующий тормозящий удар. В этом случае под действием давления фронта волны и динамического напора воздушного потока, создаваемого этой волной, тело может быть оторвано от твердой опоры и перенесено на некоторое расстояние. Повреждения могут возникнуть либо на стадии ускорения, либо во время тормозящего удара о твёрдую преграду. При подобных ударах наиболее уязвимой оказывается голова человека, кроме того, возможны травмы жизненно важных органов и переломы костей. К побочному действию взрывной волны относятся также поражения горячими продуктами взрыва и тепловым излучением. При взрывах пыли, паров или газов это может стать основной причиной гибели людей.

Вопрос Какими параметрами характеризуется воздушная ударная волна?

Ответ После инициирования взрыва расширяющиеся продукты взрывной системы образуют зону сжатого воздуха, которая в виде ударной волны перемещается в атмосфере. Ударная волна представляет собой область сжатия – разрежения воздуха со скачкообразным изменением давления на фронте волны. К параметрам, описывающим её характеристики, относятся: избыточное давление на фронте ударной волны; максимальное давление разрежения; продолжительность фазы сжатия; продолжительность фазы разрежения. Интегральная характеристика ударной волны, объединяющая в себе изменяющееся во времени давление и продолжительность фазы сжатия, называется импульсом фазы сжатия. Перемещающаяся зона сжатия ударной волны вовлекает в движение частицы воздуха. Они движутся с определённой скоростью и создают динамическое давление на любую преграду.

Давление на фронте волны по мере удаления от центра взрывной системы снижается. Фронт волны последовательно проходит центральную зону, т.е. зону разлёта продуктов взрыва; ближнюю зону взрыва; дальнюю зону взрыва; зону вырождения ударной волны в звуковую.

Основными параметрами, характеризующими поражающую способность воздушной ударной волны, являются избыточное давление на фронте ударной волны и импульс фазы сжатия.

Взрыв резервуара высокого давления с химически инертным газом

При взрыве резервуаров высокого давления с химически инертными газами могут образовываться ударные волны, способные привести к серьёзным разрушениям и травмам. Энергию взрыва сосуда под давлением можно оценить по величине работы адиабатического расширения сжатого газа:

где Р₁ – абсолютное давление газа в резервуаре до взрыва, Па; Р₀ – атмосферное давление, Па; k_r – показатель адиабаты газа, находящегося в резервуаре; V_r – объём резервуара, м³.

Предполагаем, что математическое описание газодинамики взрывного процесса исходит из теории точечного взрыва [10.4]. Математическая модель ударной волны будет основываться на приближенных аналитических выражениях с использованием безразмерных величин. Безразмерное расстояние от центра взрыва до фронта ударной волны можно получить из выражения:

динамический параметр

где R_пр – расстояние от центра взрыва до приёмника ударной волны, м; k_у.в. – коэффициент перехода энергии взрывного процесса в энергию ударной волны (в первом приближении k_у.в. = 0,5).

Давление на фронте ударной волны можно определить по следующим уравнениям

где k – показатель адиабаты для газообразной среды, в которой образуется ударная волна; a – энергетический параметр.

Для вычисления энергетического параметра взрыва можно использовать формулы вида

Значения коэффициентов а₁, а₂, а₃ приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1