Взрыв газовоздушных смесей в открытом пространстве детонационный режим горения

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА ЭКОНОМИКИ ПРИ АВАРИИ СО ВЗРЫВОМ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Процесс горения со стремительным высвобождением энергии и образованием при этом избыточного давления (более 5 кПа) называется взрывным горением.

Различают два принципиально разных режима взрывного го­рения: дефлаграционный и детонационный.

При дефлаграционном горении распространение пламени проис­ходит в слабо возмущенной среде со скоростями значительно ниже скорости звука.

При детонационном горении (детонации) распространение пла­мени происходит со скоростью, близкой к скорости звука или пре­вышающей ее.

Инициирование (зажигание) газовоздушной смеси с образова­нием очага горения возможно, если будут выполнены следую­щие условия:

концентрация горючего газа в газовоздушной смеси должна быть в диапазоне между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени;

энергия зажигания от искры (горячей поверхности) должна быть не ниже минимальной. Для большинства взрывчатых сме­сей энергия зажигания не превышает 30 Дж.

Нижний концентрационный предел (Снкп) распространения пла­мени - это такая концентрация горючего газа в смеси с окисли­тельной средой, ниже которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

Верхний концентрационный предел (Свкп) распространения пламени - это такая концентрация горючего в смеси с окисли­тельной средой, выше которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

Минимальная энергия инициирования (зажигания) (Эи) - наи­меньшее значение энергии электрического разряда, способное вос­пламенить смесь стехиометрического состава.

Концентрация газа стехиометрического состава (Ссх) - кон­центрация горючего газа в смеси с окислительной средой, при которой обеспечивается полное без остатка химическое взаимо­действие горючего и окислителя смеси.

При сгорании газовоздушной смеси стехиометрического со­става образуются только конечные продукты реакции горения и выделившаяся теплота их сгорания не расходуется на нагрева­ние несгоревших окислителя или горючего т.к. последние не об­разуется. По этой причине продукты сгорания нагреваются до максимальной температуры.

В случае дефлаграционного горения такой смеси, в замкну­том герметичном и теплоизолированном объеме образуются мак­симальные температура и давление. Величина максимального давления является характеристикой соответствующей газовоз­душной смеси.

Режим дефлаграционного горения может переходить в режим детонационного горения (при быстром росте скорости распрост­ранения пламени). Такому переходу способствует турбулизация процесса горения при встрече фронта пламени с препятствиями. При этом поверхность фронта пламени становится неровной, а толщина пламени увеличивается - все это вызывает рост скоро­сти распространения пламени.

В режиме детонационного горения нагрузки значительно воз­растают. Поэтому режим детонационного горения принят за рас-четньлй случай для прогнозирования обстановки при авариях со взрывом.

К основным факторам, влияющим на параметры взрыва, от­носят: массу и тип взрывоопасного вещества, его параметры и условия хранения или использования в технологическом процес­се, место возникновения взрыва, объемно-планировочные реше­ния сооружений в месте взрыва.

Взрывы на промышленных предприятиях и базах хранения мож­но разделить на две группы - в открытом пространстве и произ­водственных помещениях.

В открытом пространстве на промышленных предприятиях и базах хранения возможны взрывы газовоздушных смесей (ГВС), образующихся при разрушении резервуаров со сжатыми и сжи­женными под давлением или охлаждением (в изотермических ре­зервуарах) газами, а также при аварийном разливе легковоспла­меняющихся жидкостей.

В производственных помещениях, наряду со взрывом ГВС, воз­можны также взрывы пылевоздушных смесей (ПВС), образую­щихся при работе технологических установок.

 

 

ВЗРЫВ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДЕТОНАЦИОННЫЙ РЕЖИМ ГОРЕНИЯ

С целью проведения расчетов с гарантированным запасом по объему инженерно-спасательных работ, при обосновании исход­ных данных принимают такой случай разрушения резервуара, чтобы образовавшийся при этом взрыв газовоздущной смеси про­извел максимальное поражающее воздействие. Этот случай со­ответствует.разрушению того резервуара, в котором хранится максимальное количество горючего вещества на рассматривае­мом объекте.

Кратко рассмотрим модели воздействия, определяющие поля поражающих факторов (давлений) при прогнозировании послед­ствий взрывов газовоздушных смесей.

При взрыве газовоздушных смесей различают две зоны дей­ствия: детонационной волны - в пределах облака ГВС и воздуш­ной ударной волны - за пределами облака ГВС. В зоне облака действует детонационная волна, избыточное давление во фрон­те которой принимается постоянным в пределах облака ГВС и приблизительно равным АРД = 17 кгс/см² (1,7 МПа).

В расчетах принимают, что зона действия детонационной вол­ны ограничена радиусом r0, который определяется из допущения, что ГВС после разрушения емкости образует в открытом про­странстве полусферическое облако.

Объем полусферического облака может быть определен по формуле:

где: p: = 3,14.

Учитывая, что киломоль идеального газа при нормальных усло­виях занимает 22,4 м³, объем образовавшейся ГВС при аварийной ситуации составит:

где: k - коэффициент, учитывающий долю активного газа (долю продукта, участвующего во взрыве);

Q - количество сжиженных углеводородных газов в храни­лище до взрыва, кг;

С - стихиометрическая концентрация газа в % по объему (табл. 2.19);

m_k - молярная масса газа, кг/кмоль.

Из условия равенства полусферы и объема образовавшейся смеси, получим:

При подстановке значений для метана m_k=16 и С=9,45 (табл. 2.19), получим формулу:

где:   Q - количество метана до взрыва, кг.

 

Эта формула получила широкое распространение при прове­дении расчетов по определению последствий взрывов для угле­водородных газов.

Значение коэффициента k принимают в зависимости от спо­соба хранения продукта:

k = 1 - для резервуаров с газообразным веществом;

k - 0,6 - для газов, сжиженных под давлением;

k = 0,1 - для газов, сжиженных охлаждением (хранящихся в изотермических емкостях);

k = 0,05 - при аварийном разливе легковоспламеняющихся жид­костей.

Зона действия воздушной ударной волны (ВУВ) начинается сразу за внешней границей облака ГВС. Давление во фронте удар­ной волны ДРф зависит от расстояния до центра взрыва и опреде­ляется по рис. 2.10 или табл. 2.18, исходя из соотношения:

      (2.70)

где: r - расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки.

 

	Таблица 2.18
Г/Го	0-1	1,01	1,04	1,08	1,2	1,4	1,8	2;7
ДРф. кПа	1700	1232	814	568	400	300	200	100

 

Г/Го	3	4	5	6	8	12	50
ЛР.|, кПа	80	50	40	30	20	10	5

Таблица 2.18 и рис.2.10 составлены путем аппроксимации значений, полученных с помощью формул, характеризующих за­висимость давления от расстояния до центра взрыва.

 

 

Рис. 2.10. Изменение значений ДР (кгс/см2) при взрыве пропанобутановых ГВС в зависимости от массы сжиженного газа Q (т) и

расстояния r (м)

Пример 1 (работа с рис. 2.10):

Определить r0 и значения DРф на расстоянии 100 м при разли­тии и взрыве ГВС Q=1000 кг. На пересечении вертикальной ли­нии r =100 м с горизонтальной Q=1000 кг получим точку А₁ соответствующую DРф = 0,25 кгс/см²; г0 =15,6 м.

Пример 2 (работа с рис. 2.10):

Определить значение Q, при котором объект, выдерживающий на­грузку DРф = 0,3 кгс/см² и удаленный на 60 м, не будет разрушен. На пересечении вертикальной линии r = 60 м c наклонной DРф =0,3 кгс/см² получим точку А2, соответствующую Q = 320 кг.

Пример 3 (расчеты по формулам):

Взрыв облака ГВС, образованного при, разрушении резервуара с 10 кг сжиженного пропана.

Исходные данные: Q=106 кг; К=0,6; mk=44; С=4,03%.

Определить давление ударной волны на расстоянии r=200 м от цен­тра взрыва.

Расчёт: