Оценка энергии ударной волны взрыва топливно-воздушной смеси

УДК 614.839.3

Р. Е. Васьков, В. В. Богач, Н. М. Кочетов

ОЦЕНКА ЭНЕРГИИ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ВЗРЫВА ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Ключевые слова: взрыв, топливно-воздушная смесь, горючее вещество, энергия.

Проанализированы существующие методики определения эффективного энергозапаса топливно-воздушной смеси. Рассмотрены основные исходные данные для оценки последствий взрывов: доля участия вещества во взрыве, коэффициент расхода энергии взрыва на формирование ударной волны, атмосферные условия и земная поверхность. Приведена формула определения массы вещества, способного участвовать во взрыве путем интегрирования концентрации выброшенного при аварии горючего вещества по пространству.

Key works: explosion, the fuel-air mixture, combustible, energy.

Аnalyzed the existing methods for determining the effective energy storage of the fuel-air mixture. Authors have considered the basic input data for evaluating the effects of explosions: share of the substance in the explosion, the flow coefficient of the explosion energy on the formation of a shock wave, atmospheric conditions, and the earth's surface. Represented a formula is represents for determining the mass of a substance capable ofparticipating in the bombing by integrating the concentration of ejected during an accident combustible matter in space

Для неорганизованных облаков топливно-воздушных смесей (ТВС) в незамкнутом пространстве обычно происходит их смешение с воздухом в широком интервале концентраций в соответствии с законом распределения Гаусса [1]. При этом существует интервал состава ТВС от некоторого нижнего до некоторого верхнего предела содержания горючего, в пределах которого возможно воспламенение смеси (рис.1).

Рис. 1 - Зависимость температуры воспламенения Твосп от концентрации горючего вещества С; где Снкпв, Свкпв - нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения; Сст - стехиометрическая концентрация горючего вещества

Вне данного интервала пламя не может распространяться в самоподдерживающем режиме. Следовательно, концентрационные интервалы определяют долю вещества, участвующего во взрыве.

На сегодня доля участия горючего вещества во взрыве принимается равной 2=0,1. В обоснованных случаях доля может снижаться до 0,02.

В замкнутых объемах емкостного оборудования, когда создаются условия образования стехиометрической концентрации ТВС, доля участия может достигать 2=1, в помещениях 2=0,5 для горячих газов и 2=0,3 - для паров легковоспламеняющихся жидкостей [2].

Тогда потенциальная энергия взрыва ТВС или энергозапас облака составит:

Е =МГ  Z  qr

где Мг - масса горючего вещества в облаке, 2 - доля участия вещества во взрыве, qг - удельная энергия сгорания горючего вещества.

Однако методики [3, 4] эффективный энергозапас ТВС оценивают без учета доли участия горючего вещества во взрыве, т.е. наличия концентрационных пределов распространения пламени. Так, при доле участия 2=0,1 эффективный энергозапас в этих методиках завышается на порядок.

Согласно теории, экспериментальных данных и анализа последствий промышленных аварий [2, 5] при сферической детонации ТВС около 40% энергии взрыва переходит в ударную волну, примерно 60% энергии содержится в продуктах реакции горения. При этом динамическое давление волны будет определять параметры возможного ущерба.

Реальные атмосферные условия и земная поверхность могут заметно влиять на взрывную волну. Так, при взрыве на абсолютно гладкой твердой поверхности происходит обращение и удвоение энергии ударной волны, а не эффективного энергозапаса облака, как это утверждают методики [3, 4]. Здесь энергия взрыва нижней полусферы складывается с ударной волной верхней полусферы. Таким образом, наземные взрывы ТВС можно считать направленными взрывами в одну полусферу, которые в идеале могут быть в два раза мощнее взрывов в свободном пространстве. Кроме того, при определении избыточного давления взрыва следует учитывать скорость распространения фронта пламени [6].

Для воздушных промышленных взрывов коэффициент перехода энергии взрыва в ударную волну следует принимать равным ц=0,4, а для взрывов на поверхности земли - ц=0,8. В данном случае уравнение должно учитывать долю горючего вещества, участвующего во взрыве Ъ и коэффициент расхода энергии взрыва на формирование ударной волны ц. Тогда уравнение эффективного энергозапаса облака должно иметь следующий вид:

Е =МГ  1  ЦГ ц

где, д - коэффициент расхода энергии взрыва на формирование ударной волны.

Наиболее точно массу вещества, способного участвовать во взрыве, можно определить путем интегрирования концентрации выброшенного при аварии горючего вещества по пространству, ограниченному поверхностями Евкпв и Енкпв по формуле, представленной в [3]:

т =МГ  1 = Шс

^ НКПВ-VНКПВ

где, х, у, ъ - пространственные переменные, Евкпв и Енкпв - поверхности в пространстве достижения соответственно верхнего и нижнего концентрационных пределов, с(х,у,ъД0) -распределение концентрации в момент времени ^ кг/м ; 10 - момент времени воспламенения или момент времени, когда во взрывоопасных пределах находится максимальное количество топлива, с.

Однако неопределенность момента времени ^ воспламенения облака [7] и выбора самой модели рассеивания топливно-воздушного облака создает определенные проблемы при расчете по формуле (3) и существенно влияет на результаты расчетов. Кроме того, методика [8] указывает, что если в результате расчета по этой формуле масса окажется больше 10% всей массы топлива, находящегося в облаке, то в дальнейших расчетах следует учитывать только 10% от всей массы топлива.

Расчет по формуле (2) дает простой и логически обоснованный подход к экспресс-оценке массы горючего вещества, принимающего участия в формировании энергии ударного воздействия. Для повышения точности расчетов по (2) можно учесть

индивидуальную долю Z горючего вещества, участвующего во взрыве, которая будет зависеть от характеристик ТВС. Так, для разных видов топлива доля участия горючего вещества во взрыве Z может принимать значения от 0,062 до 0,097 (табл. 1, [9]).

В связи с вышеизложенным, определение эффективного энергозапаса ТВС наиболее рационально проводить по формуле (2), учитывающей коэффициент перехода энергии взрыва в ударную волну, а также долю горючего вещества, участвующего во взрыве.

Литература

1. Методика оценки последствий химических аварий. (Методика «Токси», Редакция 2.2), Москва, НТЦ «Промышленная безопасность», 1999 г, - 205с.

2. Приказ Ростехнадзора от 11.03.2013 №96 «Об утверждение Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности и взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств». (Зарегистрировано в Минюсте России 16.04.2013, №28138).

3. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (с изменениями и дополнениями, утверждена и введена в действие постановлением Госгортехнадзора России от26.06.01г. №25).

4. Руководство по оценке пожарного риска для промышленных предприятий. М.: ВНИИПО, 2006г.

5. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М .: Химия, 1991,- 432 с.

6. О необходимости учета скорости распространения фронта пламени при определении избыточного давления взрыва / В.В. Богач, В.С. Гасилов, К.М. Кузнецов, Э.Э. Кузнецова // Вестник Казанского технологического унта. - 2012. - №12. - С. 60 - 61.

7. Купцов А.И., Исламхузин Д.Я., Гимранов Ф.М. Экспериментальная установка для имитации процессов распространения облаков газов / А. И. Купцов, Д. Я. Исламхузин, Ф. М. Гимранов // Вестник Казанского технологического ун-та.- 2013. - №4. - С. 229-231.

8. РД 03-26-2007. Методические указания по оценке последствий аварийных выбросов опасных веществ (утверждены приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 14.12. 2007 г. № 859).

9. Н.М. Кочетов. Оценка поражающего воздействия взрыва при проектировании опасного технологического объекта. Проблемы анализа риска, т.7, 2010, №3.

© Р. Е. Васьков - эксперт, ЗАО «Центр аварийно-спасательных формирований», r_vaskov@mail.ru.; В. В. Богач - канд. хим. наук, доцент каф. промышленной безопасности КНИТУ, vbogatch@mail.ru; Н. М. Кочетов - канд. техн. наук, доцент, каф. «Техника, технология и промышленная безопасность» ФГОУ ДПО «Новомосковский институт повышения квалификации», г. Новомосковск, zao.casf@live.ru.

© R. E. Vas'kov- expert, Closed Joint-Stock Company "Center rescue units", r_vaskov@mail.ru; V. V. Bogach- candidate of chemical sciences, associate professor department of industrial safety KNRTU, vbogatch@mail.ru; N. M. Kochetov - Ph.D., associate professor of "Technology, technology and industrial safety" Federal Gosudarstvennoe educational institutions of additional professional education "Novomoskovskiy Institute for Advanced Studies", Novomoskovsk, zao.casf@live.ru.