Виявлення та оцінка інженерної обстановки при зруйнуванні пожежа та вибухонебезпечних об'єктів

Пожежа та вибухонебезпечними є об'єкти, на яких виробляються, зберігаються, транспортуються вибухонебезпечні матеріали та речовини, що за певних умов здатні до спалаху або вибуху.

За ступенем вибухової, вибухо-пожежної і пожежної небезпеки всі об'єкти поділяють на шість категорій: А, Б, В, Г, Д і Е. Особливо небезпечними вважаються такі, яким присвоєні категорії А, Б і В.

До категорії А належать нафтопереробні заводи, хімічні підприємства, трубопроводи та склади нафтопродуктів.

Категорія Б обіймає цехи виробництва і засоби транспортування вугільного пилу, пилу деревини, цукрової пудри, борошна.

Пожежа і вибухонебезпечні об'єкти категорії В − це деревообробні, столярні та лісопильні виробництва.

Виникнення пожеж залежить від ступеня вогнестійкості будівель і споруд, яка поділяється на п'ять груп.

Ступінь вогнестійкості будівель і споруд визначається мінімальними межами вогнестійкості будівельних конструкцій і займистістю матеріалів, з яких вони виготовлені, а також часом незаймистості.

Всі будівельні матеріали, а отже, і конструкції з них діляться на три групи: такі, що не згоряють, важко спалимі і такі, що згоряють.

Такі, що не згоряють − це матеріали, які під впливом вогню або високої температури не спалахують, не тліють і не обвуглюються.

 

Таблиця 3.2.11

Ступінь вогнестійкості будівель і споруд, години

Ступінь вогнестійкості	Частини будівель і споруд
Несучі сходових кліток	Сходові майданчики і марші	Несучі конструкції перекриттів	Елементи перекриттів
I	З год, не згоряє	1 год, не згоряє	1 год, не згоряє	0,5 год, не згоряє
II	2,5 год, не згоряє	1 год, не згоряє	0,25 год, не згоряє	0,25 год, не згоряє
III	2 год, не згоряє	1 год, не згоряє	0,25 год, не згоряє	згоряє
IV	0,5 год, важко спалимі	0,25 год., важко спалимі	0,25 год, важко спалимі	згоряє
V	Такі, що згоряють

Важко спалимі − матеріали, що під впливом вогню або високої температури важко спалахують, тліють або обвуглюються і продовжують горіти за наявності джерела вогню.

Такі, що згоряють − це матеріали, які під впливом вогню або високої температури спалахують або тліють і продовжують горіти і тліти після видалення джерела вогню.

Пожежі на великих промислових підприємствах і в населених пунктах поділяються на окремі, масові та вогняний шторм. Окремі пожежі мають місце при горінні поодинокої будівлі або споруди. Масові пожежі − це сукупність окремих пожеж, що охопили більше 25% будинків або споруд. Масові пожежі за певних умов можуть перейти у вогняний шторм, коли під впливом потужного вітру або за інших причин вогонь швидко передається від об’єкту до об’єкту.

Пожежа і вибухонебезпечні явища характеризуються такими чинниками:

· повітряною ударною хвилею, що виникає при різного роду вибухах газоповітряних сумішей, ємностей з перегрітою рідиною і резервуарів під тиском;

· тепловим випромінюванням полум’я і уламками конструкцій, що розлітаються;

· дією токсичних речовин, які застосовувалися в технологічному процесі або утворилися в ході горіння або інших аварійних ситуацій.

Плануючі заходи щодо боротьби з аваріями, треба враховувати, що в своєму розвитку вони проходять п'ять характерних фаз:

перша − накопичення відхилень від нормального процесу;

друга − ініціація аварії;

третя − розвиток аварії, під час якої проявляється негативна дія шкідливих, небезпечних та уражаючих факторів на людей, природне середовище і об'єкти народного господарства;

четверта − проведення рятувальних і інших невідкладних робіт, локалізація і ліквідація аварії;

п'ята − відновлення життєдіяльності після ліквідації аварії.

 

В різних галузях промисловості України експлуатуються більше 1200 пожежа і вибухонебезпечних об'єктів. За даними МНС України найбільша кількість людей страждає унаслідок пожеж і вибухів в шахтах, в будівлях і будинках житлового та соціально-побутового призначення.

Вибух – це процес звільнення великої кількості енергії в обмеженому обсязі за короткий проміжок часу. За видом вибухової речовини (ВР) розрізняють вибухи конденсованої ВР (тротилу, гексогену, гептилу, пороху і т. п.), вибухи газоповітряних сумішей і вибухи аерозолів − пило-порохоповітряних сумішей.

На вибухонебезпечному об’єкті можливі такі види вибухів:

· неконтрольоване різке вивільнення енергії за короткий проміжок часу і в обмеженому просторі (вибухові процеси);

· утворення хмар паливо-повітряних сумішей або інших хімічних газоподібних і порохоподібних речовин, їх швидкі вибухові перетворення (об'ємний вибух);

· вибухи трубопроводів, ємностей, що знаходяться під великим тиском або з перегрітою рідиною, перш за все резервуарів із краплинним вуглеводневим газом.

В результаті вибуху утворюються такі фактори ураження: детонаційна та повітряна ударні хвилі, потік продуктів вибуху, осколкові поля, що утворюються в наслідок руйнування об'єктів. Основними параметрами факторів ураження вибуху є: для детонаційної та повітряної ударної хвиль – надмірний тиск у їх фронті (ΔР_ф), швидкісний натиск повітря (ΔР_шнп) і час їх дії; осколкового поля – кількість осколків на одиницю площі, їх кінетична енергія і радіус розльоту. За одиницю вимірювання ΔР_ф в системі SІ прийнятий Паскаль (Па), позасистемна одиниця – кгс/см²: 1 Па = 1 Н/м² = 0,102 кгс/см²; 1 кгс/см²= 98,1 кПа ≈ 100 кПа.

Досвід ліквідації наслідків аварій в нашій країні і за кордоном, пов’язаних з вибухом, свідчить про те, що найскладніша обстановка утворюється в зонах вибуху газо- і порохоповітряних сумішей, парових хмар нафтопродуктів, мастил і інших небезпечних речовин. При виникненні таких аварій можливі два варіанти розвитку події: детонаційний вибух і дефлаграційне (або вибухове) горіння.

В зоні детонаційного вибуху швидкість поширення полум'я значно перевищує швидкість звуку. При цьому ΔР_ф в детонаційній хвилі досягає 1000−2000 кПа, а температура продуктів вибуху становить 1500−3000 ⁰C. В таких умовах можливе повне зруйнування будівель і споруд, загибель людей, виникнення суцільних пожеж. Повітряна ударна хвиля, що формується в зоні детонації, може поширюватися на десятки, сотні і навіть тисячі метрів від центру вибуху.

При дефлаграційному (або вибуховому) горінні швидкість розповсюдження полум'я не перевищує 100−200 м/с, а тиск – 20−100 кПа. При такому горінні утворюється небезпечна пожежна обстановка.

З метою отримання даних щодо розмірів зони надзвичайної ситуації, перед проведенням інженерної розвідки здійснюється її прогнозування з використанням методик, розроблених для таких умов:

вибуху конденсованих вибухових речовин (тротилу, гексогену, димного пороху, піроксиліну і ін.);

вибуху газо- і пароповітряних сумішей вуглеводних речовин;

вибуху порохоповітряних сумішей і аерозолів.

Оскільки для вибухонебезпечних об’єктів найбільш характерні викиди газо- і пароповітряних сумішей вуглеводних речовин з утворенням умов детонаційних вибухів, то й розглянемо методики виявлення та оцінки параметрів зон зруйнувань саме для цих випадків.

Більшість з відомих на даний час методик визначають параметри факторів ураження, що утворюються при вибуховому перетворенні газо і пароповітряної суміші вуглеводних речовин, спираючись на принципи подібності Хопкинсона і підпорядкованість закону “кубічного кореня”.

В практиці широко застосовуються дві з них.

Перша − передбачає поділ осередку ураження (вибуху) надві зони: зону детонації і зону поширення (дії) ударної хвилі.

Радіус зони детонації (дії детонаційної хвилі) R₁ визначають за допомогою емпіричної формули:

, 3.2.1

де k – коефіцієнт, що характеризує обсяг газу або пари речовини, переведений у вибухонебезпечну суміш. Його значення коливається від 0,4 до 0,6;

Q– кількість речовини, що викинута у довкілля, т;

18,5 – емпіричний коефіцієнт, який дозволяє врахувати різні умови виникнення вибуху (характеристики газо і пароповітряної суміші вуглеводних речовин, стан атмосфери, геометрію хмари, потужність джерела запалювання, місце його ініціювання і ін.).

За межами зони детонації надмірний тиск ударної хвилі (ΔР_ф) швидко знижується до атмосферного і тоді вибух сприймається як потужний звуковий імпульс. Для розрахунків ΔР_ф використовуються узагальнені дані зміни надмірного тиску, виходячи з відстані, вираженої в частках від радіусу зони детонації (R₂/R₁) і максимального тиску (P_max) в ній (табл. 2.2.12, 2.2.13).

Зону поширення (дії) ударної хвилі розбивають на п’ять (n) складових з радіусами смертельних уражень та суцільних зруйнувань (R ₁₀₀) і надмірним тиском на зовнішній межі ΔР_ф1 = 100 кПа; сильних зруйнувань (R ₅₀) відповідно з ΔР_ф2 = 50 кПа; середніх зруйнувань з ΔР_ф3 = 20 кПа (R ₂₀), слабких зруйнувань з ΔР_ф4 = 10 кПа і безпечну зону з ΔР_ф5 = 6−7 кПа (R ₆₋₇). За міжнародними нормами безпечна для людини ударна хвиля є така, що має ΔР_ф = 7 кПа.

 

Таблиця 2.2.12

 

Фізико-хімічні і вибухонебезпечні властивості деяких речовин

 

Речовина	ρ, кг/м3	КМВ з повітрям, %	Ρс, кг/м3	Qг, МДж/кг
Метан	0,716	5,0-16,0	1,232	2,76
Пропан	2,01	2,1-9,5	1,315	2,80
Бутан	2,67	1,8-9,1	1,328	2,78
Ацетилен	1,18	2,5-81	1,278	3,39
Оксид вуглецю	1,25	12,5-74,0	1,280	2,93
Аміак	0,77	15,0-28,0	1,180	2,37
Водень	0,09	4,0-75,0	0,933	3,42
Етилен	1,26	3,0-32,0	1,285	3,01

 

Потім, визначивши P_max (табл. 2.2.12) для даної вибухонебезпечної суміші, у табл. 2.2.13 для прийнятих зон з ΔР_{ф 1} = 100 кПа, ΔР_{ф 2} = 50 кПа, ΔР_{ф 3} = 20 кПа, ΔР_ф5 = 7 кПа, знаходять числове значення відношення R_n/R₁ і, отже, радіуси (R_n):

, (2.2.2.)

де n=1, 2, 3, 4, 5 – показник зони ураження;

– визначається за допомогою табл. 2.2.13.

 

При аварійному зруйнуванні газопроводів і ємностей з вуглеводним паливом, перезбагачена паливом суміш не детонує, а інтенсивно горить із зовнішньої поверхні, витягується і утворює вогнянну кулю, яка, підіймаючись, приймає грибоподібну форму. Уражаюча дія вогненної кулі характеризується її розмірами і часом теплової дії на об'єкти і людей. Їх величина залежить від загальної маси рідини в ємностях у момент вибуху.

 

Таким чином, алгоритм визначення розмірів небезпечних зон в районах вибуху газо- і пароповітряних сумішей у відкритій атмосфері можна представити так:

1. Знаходять величину максимального тиску в зоні детонації при вибуху заданої паливо повітряної суміші (P_max, кПа) в повітряному просторі, використовуючи дані табл. 2.2.12.

2. Визначають радіус зони детонації R₁ за допомогою формули (2.2.1).

3. Знаходять відношення R_n/R₁ у табл. 2.2.13 для ΔР_ф1 = 100 кПа, ΔР_ф2 = 50 кПа, ΔР_ф3 = 20 кПа, ΔР_ф4 = 10 кПа та ΔР_ф5 = 7 кПа.

4. Розраховують радіуси зон R₁₀₀, R₅₀, R₂₀, R₁₀,, R₇ за допомогою формули (2.2.2).

Приклад. В результаті розгерметизації ємності де зберігався краплинний пропан в кількості Q = 10 т, відбувся вибух пропано-повітряної суміші. Визначити радіуси зон зруйнувань для ΔР_{ф 1} = 100 кПа, ΔР_{ф 2} = 50 кПа, ΔР_{ф 3} = 20 кПа, R₄ = 7 кПа, прийнявши К = 0,6.

 

Розв’язання завдання:

1. Визначають радіус зони детонації: м.

2. У табл. 2.2.12 для пропану знаходять P_max= 860 кПа ≈ 900 кПа.

3. У табл. 2.2.13 для P_max і ΔР_ф знаходять значення відношень R_n/R₁: ΔР_ф1 = 100 кПа, R₂/R₁= 1,8 (R₁₀₀/R₁ = 1,8), ΔР_ф2 = 50 кПа, R₃/R₁ = 2,9 (R₅₀/R₁ = 2,9), ΔР_ф3 = 20 кПа, R₄/R₁ = 5 (R₂₀/R₁ = 5) та ΔР_ф4 = 7 кПа, R₅/R₁ = 10 (R₇/R₁ = 10).

4. Застосовуючи формулу 2.2.2, розраховують радіуси зон зруйнувань:

R₁₀₀= 1,8 R₁= 1,8·33=60 (м); R₅₀= 2,9 R₁= 2,9·33=95 (м);

R₂₀= 5 R₁= 5·33=165 (м); R₇= 10 R₁= 10·33=330 (м).

 

Примітка. Радіуси зони сильних (R_c) і слабих зруйнувань (R_сл) та R₁ визначаються за допомогою табл. 2.2.14 при Q = 10т і P_max = 900 кПа: R = R₅₀ = 95м, R_сл= R₂₀= 165 м _і R₁ =33 м.

Друга методика розрахунку параметрів зонивибуху паливо-повітряної суміші передбачає поділ осередку ураження на 3 зони: зону детонації; зону дії продуктів вибуху та зону повітряної ударної хвилі.

Зона дії детонаційної хвилі (зона I) знаходиться в межах хмари паливо-повітряної суміші. Радіус цієї зони R₁ визначається за допомогою формули:

,

де Q − маса вибухонебезпечної речовини, що зберігається в ємності, т.

В межах зони I діє детонаційна хвиля з надмірним тиском (ΔР_ф1 ), який приймається постійним: ΔР_ф1 = 1700 кПа.

Зона дії продуктів вибуху (зона II) – охоплює всю площу розльоту продуктів детонації. Радіус цієї зони становитиме 1,7 R₁, тобто .

Надмірний тиск в межах зони II змінюється від 1350 до 300 кПа згідно закону:

,

де R – відстань від центру вибуху до об’єкту, м.

В зоні дії повітряної ударної хвилі (зона III) – формується фронт ударної хвилі, що поширюється над поверхнею землі. Радіус зони ІІІ R₃ − це відстань від центру вибуху до об’єкту, в якому визначається надмірний тиск повітряної ударної хвилі (ΔР_ф3). В залежності від відстані до центру вибуху він може бути оцінений за допомогою співвідношень:

ΔΡ_ф =700 / [3(1+29,8· х ³)^0,5−1] при (х =0,24 R/R₁)≤ 2:

ΔΡ_ф =22 / [ х (lg x +0,158)^0,5] при (х =0,24 R/R₁)≥ 2.

 

Приклад. Визначити надмірний тиск в районі механічного цеху при вибуху суміші пропану в кількості Q = 100 т з повітрям, якщо відстань від ємності до цеху − 300м.

Розв’язання завдання:

1. Визначають радіус зони детонації (зони I):

м.

2. Обчислюють радіус зони дії продуктів вибуху (зони II):

R₂ = 1,7R₁ = 1,7·80 = 136 (м).

3. Знаходять радіус зони дії повітряної ударної хвилі (зони III) R₃ = 300 (м).

4. Порівнюючи відстані від механічного цеху до центру вибуху (R₃ = 300 м) із знайденими радіусами зони I (R₁ = 80 м) і зони II (R₂ = 136 м), можна стверджувати, що цех знаходиться в межах дії повітряної ударної хвилі (в зоні III).

5. Визначають відносну величину:

x = 0,24 R₃/R₁= 0,24·300/80=0,9.

Тобто x <2.

6. Надмірний тиск повітряної ударної хвилі у механічному цеху буде:

ΔΡ= 700 / [3(1+29,8· x ³ ) 0,5–1] = 60 кПа.

Висновок. Механічний цех знаходитиметься в зоні повних зруйнувань (ΔР_ф> 50 кПа ).

 

Таблиця 2.2.13

Значення ΔР_ф в зоні детонації як функції R_n/R₁ і ΔР_max

 

Максимальний тиск в зоні детонації (Рmax), кПа	Значення ΔРф, кПа на відстанях від центру вибуху в частках від R (Rn/R1)
	1,05	1,1	1,2	1,4	1,8	2,0	3,0	4,0	6,0	8,0
														2,5	1,5	1,0
														4,5	2,7	1,8
																3,7

 

Таблиця 2.2.14

Радіуси зон сильних і слабких зруйнувань

 

Рmax, кПа

R50/R1

R20/R1

Радіуси зон сильних (Rc) і слабких (Rсл) зруйнувань, (м), навколо ємності з пара повітряною сумішшю Q, т

1т

10т

100т

1000т

10000т

R

Rc

Rсл

R

Rc

Rсл

R

Rc

Rсл

R

Rc

Rсл

R

Rc

Rсл

1,9

3,5

15,6

2,9

5,0

-“-

-“-

-“-

-“-

-“-

5,3

-“-

-“-

-“-

-“-

-“-

7,6

-“-

-“-

-“-

-“-

-“-

 

Вибухи газо і пароповітряної суміші в замкнутих приміщеннях (в технологічній апаратурі, в приміщеннях промислових і житлових будівель) починаються пошаровим окисленням суміші з дозвуковою швидкістю поширення полум'я (дефлаграційне горіння). З підвищенням тиску і температури у приміщенні швидкість процесу збільшується й досягає значень в 1,5 − 2 рази більших, ніж при аналогічних вибухах у відкритому просторі.

Надмірний тиск ударної хвилі в приміщеннях можна визначити за формулою:

ΔР_ф = (М_г Q_г P₀ Z)/(V_в ρ_п С_п Т₀ К₁), (2.2.3)

де М_г – маса горючого газу, що потрапив у приміщення в результаті аварії, кг;

Q_г – питома теплота згоряння газу, Дж/кг, (табл. 2.2.12);

P₀ – початковий тиск в приміщенні (P₀ = 101 кПа);

Z – частка горючого газу, що приймає участь у вибуху (при виконанні розрахунків Z = 0,5) (табл. 2.2.12);

V_в – вільний обсяг приміщення − 80% від повного (V_п) обсягу приміщення, м³ .

ρ_п – густина повітря до вибуху, кг/м³. При температурі повітря до вибуху − Т₀, в розрахунках пропонується приймати ρ_п – 1,225 кг/м³ (табл. 2.2.12);

С_п − питома теплоємність повітря, Дж/(кг·⁰К); приймають, що С_п = 1,01·10³ Дж/(кг·⁰К) (табл. 2.2.12);

К₁ – коефіцієнт, що враховує негерметичність приміщення та неадіабатичність процесу горіння, К ₁ = 2 або 3;

Т₀ – початкова температура повітря в приміщенні, ⁰К.

 

Приклад. В результаті витоку побутового газу пропану в кухні з площею 10 м² і заввишки 2,5 м при температурі 20⁰С утворилася рівноважна пропано-повітряна суміш. Розрахувати надмірний тиск вибуху такої суміші при К₁ = 2 і К₁ = 3.

 

Виконання завдання:

ΔР_ф = (М_г Q_г P₀ Z)/(V_в ρ_п С_В Т₀ К₁)

1. М_г = ρ_п V_в;

2. V_в = 0,8 V_п = 0,8·10·2,5 = 20 (м³);

3. М_г = V_в · ρ_п /К₁ = (20 ·1,225)/2 = 12,2 (кг).

4. За допомогою табл. 2.2.12 для пропано-повітряної суміші при Т₀ = 293 ⁰К визначають Q_г, яка дорівнює 2,8·10⁶ Дж/кг.

5. В розрахунках приймаються значення параметрів: Р₀ = 101 кПа; Z = 0,5; ρ_п = 1,225 кг/м³; С_п = 1,01·103 Дж/(кг·⁰К).

6. Підставивши ці значення параметрів у формулу (2.2.3), отримують

ΔР_ф1 = 119 кПа при К₁ = 2; та ΔРф₁ = 80 кПа при К₁ = 3.

 

Висновок: в першому випадку приміщення опиняється в зоні суцільних зруйнувань, у другому – в зоні сильних зруйнувань.