Методики определения нагрузок, воспринимаемых строительными конструкциями в промышленных помещениях

УДК 614.83

Л. Р. Насртдинов, С. А. Вилохин

МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК, ВОСПРИНИМАЕМЫХ СТРОИТЕЛЬНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Ключевые слова: взрыв, воздушная ударная волна, топливно-воздушная смесь. Представлен анализ двух методик по определению параметров воздушной ударной волны.

Keywords: explosion, air shock wave, fuel-air mixture. The analysis of the two methods for determining the parameters of the air shock wave.

На сегодняшний день сформированы представления об основных закономерностях процессов удара и взрыва, накоплен большой объем экспериментальных данных, разработаны математические модели, отражающие многие закономерности этих процессов. [3]

В настоящей статье представлен анализ двух документов. Первый - это РБ Г-05-039-96 «Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия». В данном руководстве представлена методика для определения параметров воздушной ударной волны (ВУВ) при взрыве топливно-воздушной смеси (ТВС). Второй - ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля». В этом ГОСТе описывается метод расчета избыточного давления, развиваемого при сгорании газо-воздушной смеси в помещении.

Взрыв облака горючей смеси может происходить в одном из двух качественно отличающихся режимах - дефлаграционном и детонационном. В процессе развития взрыва возможен переход горения из первого режима во второй. [2]

В случае детонационного взрыва параметры ВУВ определяются энергией, выделившейся при взрыве облака ТВС. При дефлаграционном взрыве облака горючей смеси параметры ВУВ зависят от скорости распространения пламени, геометрии и размеров облака.

Облака газо- или топливно-воздушных смесей образуются при разливе и/или испарении газов и топлив. При авариях различного рода емкостей происходит их разгерметизация и перемешивание взрывоопасных веществ с воздухом. В результате создается облако ТВС или газо-воздушной смеси (ГВС), в котором при определенных условиях может развиться детонационный или дефлаграционный взрыв, генерирующий ВУВ.

При использовании методики для определения параметров воздушной ударной волны при взрыве облака топливно-воздушной смеси (РБ Г-05-039-96) принимаются следующие допущения:

1. Концентрация горючего компонента в ТВС (ГВС) соответствует стехиометрической смеси, т. е. максимально возможному количеству сгораемо-

го горючего (и, следовательно, максимальному энерговыделению).

2. Во взрывном процессе участвует вся масса горючего, выделившегося в облако.

Поскольку тип взрывного процесса в облаке ТВС (или ГВС) заранее неизвестен, то для получения консервативных оценок в каждом конкретном случае оцениваются параметры ВУВ в функции от расстояния как при детонационном, так и при де-флаграционном взрывах. В зависимости от принятого критерия устойчивости здания или сооружения (в терминах проходящей ВУВ критериями могут быть избыточное давление, импульс или их комбинация) в качестве консервативного принимается вариант, соответствующий максимальным значениям указанных параметров.

Аварийный взрыв облака ТВС (или ГВС) рассматривается как наземный. Принимается, что облако имеет форму полусферы объемом У1вс и радиусом г0, равными:

2240 х МтТ

V =

у ТВС

цС

, м

T

cmx 0

Г0 =

0,78yV

ТВС , м

где Мт - масса исходного топлива, кг; х - доля массы исходного топлива, переходящего в облако ТВС; Т -температура окружающей среды, °К; Т0 = 273 °К, ц -молекулярная масса горючего, Сстх - концентрация горючего в стехиометрической смеси.

В пределах облака ТВС давление на фронте детонационной волны:

Рдет = 2,586(п -1)Ят,кПа

где п - показатель адиабаты исходной смеси, qm -удельная массовая энергия взрыва, кДж/кг.

Избыточное давление на фронте детонационной волны:

АР = Р Р

дет дет о '

где Р0 - атмосферное давление.

В результате детонации ТВС за пределами облака распространяется ВУВ, АРф (амплитуда избыточного давления на фронте ВУВ) и т+ (длительность фазы сжатия) являются функциями расстояния Я (расстояние от центра возможного места

взрыва до объекта) (R > r0) и энергий взрыва Еув, перешедшей в ВУВ:

E ув = 2ПП v VTBC ,

где п = 1 - ^P/P^ )(jl-1)/Yl - доля полной энергии

взрыва, перешедшей в ВУВ.

В зависимости от интервала значений приведенных расстояний:

R = R(E ув)-1/3,м/кДж.

Величины ДРф и т+ рассчитываются по формулам:

при 0,05 < R < 0,068:

APф = 1,227 х 10-6/R4,68 + 0,49, кПа; при 0,068 < R < 0,31:

AP^, = 4,156/R1,7 , кПа;

при R > 0,31:

AP, = 4,96/R + 0,974/R2 + 0,146/R3, кПа;

при 0,052 < R < 0,434 :

т + = 0,323л/1^, мс; при R > 0,434 :

т + = 0,0209/R3/E^ (6,634 - R)1,5 ,мс.

Под действием ветра облако ТВС или ГВС переносится от центра его образования на расстояние AL, м, причем при консервативных оценках принято считать, что снос облака происходит в направлении объекта.

Величина AL рассчитывается по формуле:

AL = (0,44r0/ a)1k,

где a и k - значения коэффициентов.

С учетом сноса облака эффективное расстояние r, м, от потенциального источника ВУВ до рассматриваемой точки на объекте:

R - AL, если R > AL

где APmax = 2,1P0(wa0)2

- максимальное избы-

r = ,

[0 , если R < AL В отличие от детонационного взрыва ТВС дефлаграционный взрыв генерирует ВУВ, существенно меньшую по амплитуде, но большую по длительности. Нагрузки от ВУВ дефлаграционного взрыва воспринимаются строительными конструкциями как квазистатические, поэтому для оценки воздействия такой ВУВ достаточен расчет только ее максимального давления как функции расстояния ARm(R) за пределами облака. Зависимость ARm(R) для наземного дефлаграционного взрыва полусферического облака ТВС рассчитывается по формуле:

APT (R) =

APm

1 + G(R/Rпг - 1)H

1 + w/a0

точное давление ВУВ в пределах облака, кПа; w -скорость фронта пламени, м/с; ao = 340 м/с - скорость звука в воздухе при нормальных условиях; R пг = Vo - радиус облака после окончания горения, м; с= 4 + - степень расширения

продуктов взрыва; G и Н - константы.

При аварийных дефлаграционных взрывах величина скорости w, полученная в результате оценок последствий аварий, соответствует интервалу 100-200 м/с. Конкретная величина этого параметра принимается на основе дополнительной информации, либо равной 200 м/с.

При дефлаграционном взрыве ТВС в резервуаре, не являющимся специальным сосудом высокого давления, разрушение такого резервуара происходит при относительно небольшом внутреннем давлении. Поэтому к моменту разрушения прореагирует только небольшая (5-10 %) часть ТВС, и фактически в этот момент резервуар содержит ненагретый сжатый газ. Расширение этого газа при разрушении резервуара приводит к образованию ВУВ.

При распространении ВУВ давление на ее фронте описывается зависимостью акустического приближения:

APф = APф ^ кПа.

где r0 - определяется по ранее приведенной формуле, в которой вместо величины У^ необходимо брать Vp - объем резервуара.

При расчете значений критериев пожарной опасности при сгорании газопаровоздушных смесей (ГОСТ Р 12.3.047-2012) в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант развития пожара (в период пуска, остановки, загрузки, выгрузки, складирования, ремонта, нормальной работы, аварии аппаратов или технологического процесса), при котором в помещение поступает (или постоянно находится) максимальное количество наиболее опасных в отношении последствий сгорания газопаровоздушных смесей и пожара веществ и материалов. [1]

1. Избыточное давление Ap, кПа, для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, Н, О, N, Cl, Br, I, F, рассчитывают по формуле:

ч mZ 100 1 Ap = (pmax - P0) ~--

УСВРг,п C ст K

где pmax - максимальное давление, развиваемое при сгорании стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме. При отсутствии данных допускается принимать равным 900 кПа;

Ро - начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);

m - масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), кг;

Ъ - коэффициент участия горючего при сгорании газопаровоздушной смеси; VСВ - свободный объем помещения, м3 ; рг,п - плотность газа или пара при расчетной температуре 1:р , кг/м3, вычисляемая по формуле:

Рг,п =

М

У0(1 + 0,003670

где М - молярная масса, кг/кмоль;

У0 - мольный объем, равный 22,413 м3/кмоль;

1:р - расчетная температура, °С.

В качестве расчетной температуры следует принимать максимально возможную температуру воздуха в данном помещении в соответствующей климатической зоне или максимально возможную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значения расчетной температуры по каким-либо причинам определить не удается, допускается принимать ее равной 61°С;

ССТ - стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ, % (об.), вычисляемая по формуле:

С =

СТ

100

1 + 4,480

где р = пс +-

4

---— - стехиометрический

2

коэффициент кислорода в реакции сгорания;

пС, пн, п0, пх - число атомов С, Н, О и галоидов в

молекуле горючего;

Кн - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения. Допускается принимать равным трем.

2. Расчет Ар, кПа, для индивидуальных веществ, кроме упомянутых в 1, а также для смесей может быть выполнен по формуле:

Ар =

тНТр0Ъ 1

УсврвСрТ0 кн

где Нт - теплота сгорания, Дж/кг;

рВ - плотность воздуха при начальной температуре ,

Ср- теплоемкость воздуха, [допускается принимать равной 1,01-103 Дж/(кг-К)]; Т0 - начальная температура воздуха, К.

3. Приведенные в пунктах 1 и 2 расчетные формулы применяются для случая

100т/(рг,пусй) < 0,5Снкпр , [Снкпр - нижний концентрационный предел распространения пламени горючего газа или пара, % (об.)] и помещений в форме прямоугольного параллелепипеда с отношением длины к ширине не более пяти.

Коэффициент участия Ъ горючих газов и паров ненагретых выше температуры окружающей среды легковоспламеняющихся жидкостей при сгорании газопаровоздушной смеси для заданного

уровня значимости Q(C > С) (уровень значимости - вероятность того, что значение концентрации С превысит значение математического ожидания этой

случайной величины С ) рассчитывают по формулам:

при Xнкпр ^ 0,51 и Ункпр ^ 0,5Ь :

Ъ =

5-10"

т

• Рг,п -I С0 +

С

нкпр

пРи Xнкпр > 0,51 и

^нкпр

Ъ =

5 -10 ^

т

5

> 0,5Ь : С н

х нкпр ^нкпр ъ нкпр

• Рг,п С0 +

5

РЪ н

где т - масса газа или паров ЛВЖ, поступающих в помещение, кг;

б- допустимые отклонения концентраций при задаваемом уровне значимости Q(C > С); X НКпр , YHKПР , Ъ НКпр - расстояния по осям X, У, Ъ от источника поступления газа или пара, ограниченные нижним концентрационным пределом распространения пламени, соответственно, м; 1, Ь - длина и ширина помещения, соответственно, м; Р - площадь пола помещения, ; С0 - предэкспоненциальный множитель, % (об.), равный:

при отсутствии подвижности воздушной среды для горючих газов:

С 0 = 3,77-103

т

Рг Ус

при подвижности воздушной среды для горючих газов:

С0 = 3-102

т

Рг Усв и

где и - подвижность воздушной среды, м/с;

при отсутствии подвижности воздушной среды для

паров легковоспламеняющихся жидкостей:

(

С = С

т100

Л1

С нРп У,

п СВ У

где Сн - концентрация насыщенных паров при расчетной температуре 1:р, °С, воздуха в помещении, % (об.). Концентрация Сн может быть найдена по формуле:

100рн

Сн =

Рс

где рн - давление насыщенных паров при расчетной температуре (находится по справочной литературе), кПа;

Р0 - атмосферное давление, равное 101 кПа, рп - плотность паров, кг/м3;

3

при подвижности воздушной среды для паров легковоспламеняющихся жидкостей:

/ л ^0,46

С = с

т100

СыРп^СВ у Уровень значимости выбирают исходя из особенностей технологического процесса. Допускается принимать Р(С > С) , равным 0,05.

4. Коэффициент Ъ участия паров ненагретых легковоспламеняющихся жидкостей при сгорании паровоздушной смеси может быть определен по номограмме, приведенной на рис. 1.

Рис. 1 — Зависимость коэффициента Z от X

X рассчитывают по формуле: С

X =

* , если С ы < С

С

1, если С ы > С

где С = р  С СТ ;

ф - эффективный коэффициент избытка горючего, принимаемый равным 1,9.

5. В случае обращения в помещении горючих газов, легковоспламеняющихся или горючих жидкостей при определении массы т, допускается учитывать работу аварийной вентиляции если она обеспечена резервными вентиляторами, автоматическим пуском при превышении предельно допустимой взрывобезопасной концентрации и электроснабжением по первой категории надежности, при условии расположения устройств для удаления воздуха из помещения в непосредственной близости от места возможной аварии.

Допускается учитывать постоянно работающую общеобменную вентиляцию, обеспечивающую концентрацию горючих газов и паров в помещении, не превышающую предельно допустимую взрывобезопасную концентрацию, рассчитанную для аварийной вентиляции. Указанная общеобменная вентиляция должна быть оборудована резервными вентиляторами, включающимися автоматически при остановке основных. Электроснабжение указанной вентиляции должно осуществляться не ниже чем по первой категории надежности.

При этом массу т горючих газов или паров легковоспламеняющихся или горючих жидкостей, нагретых до температуры вспышки и выше, поступивших в объем помещения, следует разделить на коэффициент К, определяемый по формуле:

К = АТ +1

где А - кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, с-1 ;

Т - продолжительность поступления горючих газов и паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в объем помещения, с.

6. Масса т, кг, поступившего в помещение при расчетной аварии газа, определяется по формуле

т = (V. + Ут)Р т

где V. - объем газа, вышедшего из аппарата, м3;

V - объем газа, вышедшего из трубопроводов, м3.

При этом

V. = 0,01  Р^

где Р1 - давление в аппарате, кПа;

V - объем аппарата, м3;

V = + ^Т где У^ - объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м3;

- объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м3;

= ЯТ

где я - расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температу-

3 -1

ры газовой среды и т.д., м -с ; Т - время, с;

^Т = 0,01  ПР2(Г12Ь1 + Г22Ь2 +... + гп2Ьп) где Р2 - максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа;

г1,2.....п - внутренний радиус трубопроводов, м;

Ь1,2.....п - длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

7. Масса паров жидкости т, поступивших в помещение при наличии нескольких источников испарения (поверхность разлитой жидкости, поверхность со свеженанесенным составом, открытые емкости и т.п.), определяется из выражения:

т = тр + т емк + т СВ.ОКР где тр - масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг;

т емк - масса жидкости, испарившейся с поверхностей открытых емкостей, кг;

т СВ ОКр - масса жидкости, испарившейся с поверхностей, на которые нанесен применяемый состав, кг.

При этом каждое из слагаемых в предыдущей формуле определяется по формуле: т = WFИ Т

где W - интенсивность испарения, ; FИ - площадь испарения, м2.

8. Интенсивность испарения кг-с- -м- , определяется по справочным и экспериментальным данным. Для ненагретых выше расчетной температуры окружающей среды ЛВЖ при отсутствии данных допускается рассчитывать " по формуле:

" = 10 6 • Пл/М • Рн

где п - коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения;

Рн - давление насыщенного пара при расчетной

температуре ^ определяемое по справочным данным, кПа;

М - молярная масса, кг-кмоль.

9. Масса паров т, кг, при испарении жидкости, нагретой выше расчетной температуры, но не выше температуры кипения жидкости, определяется по соотношению:

m = 0,02 Vm • PH

c

ж • m П

L

ИСП

где с ж - удельная теплоемкость жидкости при начальной температуре испарения, Дж-кг-1-К-1;

L И

- удельная теплота испарения жидкости при

начальной температуре испарения, определяемая по справочным данным, Дж-кг-1.

При отсутствии справочных данных допускается рассчитывать тСП по формуле

LT

19,173•ÎO3 • BT2

(Та + Са + 273,2)2 • М где В, Са - константы уравнения Антуана, определяемые по справочным данным для давления насыщенных паров, измеряемого в кПа; Та - начальная температура нагретой жидкости, К; М - молярная масса, кг-кмоль.

Целью работы является совместное использование методик для определения нагрузок, воспринимаемых строительными конструкциями в промышленных помещениях объемом более 1000 м3.

Литература

1. ГОСТ Р 12.3.047-2012. Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.

2. РБ Г-05-039-96. Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия.

3. Гусельщикова Ю.О., Вилохин С.А., Поникаров С.И. Исследование воздушной ударной волны. Вестник казанского технологического университета, 2013, №21, с.229-231.

4. Гусельщикова Ю.О., Вилохин С.А., Поникаров С.И. Исследование эффективных параметров воздушной ударной волны. Вестник казанского технологического университета, 2014, №9, с.81-83.

© Л. Р. Насртдинов - магистрант каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, lenar_rafaelevich@yahoo.com; С. А. Вилохин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, vsa73@mail.ru.

© L. R. Nasrtdinov - postgraduate department machines and devices of chemical productions KNRTU, lenar_rafaelevich@yahoo.com; S. A. Vilohin - candidate. tehn. sciences, assoc. the same department, vsa73@mail.ru.