Оценка последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей на предприятиях АПК

N

ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 622.817.001.2

ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНЫХ ВЗРЫВОВ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АПК

© 2016 г. И.В. Егорова, H.H. Петренко, Н.Б. Рудепко, H.H. Грачева

В статье рассмотрены основные причины взрывов топливно-воздушных смсссй и поражающие факторы. такие как: воздушная ударная волна, струи газов, осколки, высокая температура пламени, световое излучение и резкий звук. Взрывы осуществляются при помощи самых различных источников энергии. Масштабы последствий взрывов зависят от детонационной мощности и их среды, в которой они происходят. Радиусы зон поражения могут доходить до нескольких километров. Основными параметрами, характеризующими взрывчатые вещества, являются максимальное давление и импульс. По мерс удаления от места взрыва максимальное давление и импульс уменьшаются, а время действия растет. Приведена методика для расчета последствий аварийных выбросов, которая предназначена для количественной оценки параметров воздушных ударных волн при взрывах топливно-воздушных смесей, образующихся в атмосфере при промышленных авариях. Перечислены основные структурные элементы алгоритма расчетов. Предполагаются частичная разгерметизация или полное разрушение оборудования, содержащего горючее вещество в газообразной или жидкой фазе, выброс этого вещества в окружающую среду, образование облака топливно-воздушных смесей, инициирование (зажигание) топливно-воздушных смесей и взрывное превращение (дс-флаграция или детонация) в облаке топливно-воздушных смесей. Методика позволяет произвести приближенную оценку различных параметров воздушных ударных волн и определить вероятные степени поражения людей и повреждения зданий при авариях с взрывами облаков топливно-воздушных смесей. Данная методика реализована на языке С+ в интегрированной среде разработки программного обеспечения Microsoft VisualStudio 2010. Приведен фрагмент программы, в которой описан расчет безразмерного давления и импульса. Разработанный программный продукт может быть использован в учебном процессе при изучении дисциплин «Теория горения и взрыва». «Производственная безопасность» «Защита в чрезвычайных ситуациях», а также быть рекомендовано практическим работникам сферы безопасности труда, прогнозирования и оценки последствий техногенных аварий и катастроф, прсподавателям дисциплин данного профиля.

Ключевые слова: безопасность, горение, взрыв, топливно-воздушныс смеси, авария, ударная волна, ущерб, масштаб, защита, поражающие факторы.

The articlc considers the main reason of the fuel-air mixtures explosion and such affecting factors as air blast, gas jets, debris, high flame temperature, thermal radiation and harsh sound. Explosions arc performed using various sourccs of energy. The scale of the explosion consequences depends on their detonation capacity and the environment in which they occur. The radii of the affcctcd areas can be up to several kilometers. The main parameters that characterize the explosives are the maximum pressure and impulse. Further away from the explosion maximum pressure and impulse decreases, and the cffect duration increases. The methodology for calculating the consequences of accident releases, which is intended to quantify the parameters of air shock waves at fuel-air mixture explosions that form in the atmosphere at industrial accidents. There arc listed the main structural elements of the calculation algorithm. There arc supposed partial depressurization. or complete destruction of equipment containing combustible material in gaseous or liquid phase, release of this substance into the env ironment, formation of fuel-air mixtures cloud, initiation (ignition) of fuel-air mixtures and explosive transformation (deflagration or detonation) in the cloud of fuel -air mixtures. The method allows to make an approximate estimation of the various parameters of air shock w aves and to determine probable degree of people affection and damage to buildings in case of accidents with explosions of fuel-air mixture clouds. This technique is implemented in С + in the IDE Microsoft

VisualStiidio 2010 software. There is presented fragment of the program, which describes the calculation of the dimensionless pressure and impulse. Designed software can be used in the educational process in the studying such subjects as «Theory of burning and explosion», «Production safety», «Protection in emergency situations», as well as being recommended by practitioners in occupational safety sphere, prediction and assessment of the consequences of man-made accidents and catastrophes, teachers of disciplines of this profile.

Keywords: safety, combustion, explosion, fuel-air mixture, accident, shock wave, detriment, scale, protection, affecting factors

Введение. В настоящее время решение проблем по обеспечению пожаровзры-вобезопасности предприятий агропромышленного комплекса с увеличением числа аварийных ситуаций и других явлений является весьма актуальным.

Современные сельскохозяйственные предприятия являются крупнейшими источниками опасности, связанной с необходимостью хранения и использования горючих, пожар о- и взрывоопасных веществ. Причиной взрывов и пожаров часто является образование топливно-воздушных смесей.

Подобные взрывы возникают вследствие разрушения коммуникаций, агрегатов, ёмкостей с газом, трубопроводов или технологических линий.

Вследствие разрушения коммуникаций и агрегатов происходит истечение углеводородных продуктов или газов, это приводит к образованию взрыво- или пожароопасной смеси. При определённой концентрации газа в воздухе происходит взрыв такой смеси.

Методика исследований. Умение оценить результаты возможных воздействий на объекты агропромышленного комплекса и принять меры по предотвращению опасных последствий является важной инженерной задачей. В связи с этим в случае аварии встаёт вопрос оценки возможных последствий взрыва TBC.

К классу химических взрывов относится взрыв TBC и представляет опасность для персонала предприятия и населения. Взрывы TBC на предприятиях АПК чаще всего происходят при хранении, транспортировке; утечках TBC в помещениях.

Для их возникновения требуется определенное воздействие на TBC с значениями необходимыми для образования начального импульса:

— взрывом взрывчатого вещества;

- тепловым, механическим, химическим и электрическим воздействием.

Вследствие не частого возникновения причин возможно возникновение взрыва неограниченного облака TBC.

Требуется массовый выброс горючего либо у поверхности земли, либо в атмосферу. В организации при транспортировании горючих веществ и возникновении аварии на газопроводах, возможно такое событие.

После того, как произойдет выброс горючего вещества в окружающую среду, развитие течение рассматриваемого процесса может пойти по нескольким направлениям [4]:

- горючее возгорается во время выброса, в результате чего горение переходит в пожар без взрыва;

- горючее рассеивается на значительной площади без смешивания с воздухом, далее облако воспламеняется и возникает массовый пожар;

- вещество рассеивается без воспламенения;

- в результате смешивания с воздухом горючего вещества, образуется взрывная волна.

Чрезвычайно опасными могут быть взрывы неограниченных паровых облаков. Быстротечность - особенность взрыва. Время взрыва определяется тысячными долями секунды.

Ударная воздушная волна, температура пламени, осколки, струи газов, световое излучение, резкий звук являются основными поражающими факторами взрыва.

Для человека поражающими факторами взрыва TBC являются: импульс фазы сжатия, осколочное действие; избыточное давление; термическое воздействие.

При прямом и косвенном воздействии ударной волны происходит поражение людей.

Причиной травмирования людей является давление воздуха. Вследствие этого явления у человека возможны повреждения внутренних органов, разрыв барабанных перепонок, кровеносных сосудов, различные переломы, сотрясение мозга и т.д.

Тяжесть поражения человека зависят от ударной волны, степени его защищенности и положения человека в момент взрыва.

При воздействии ударной волны поражения подразделяются на легкие, средние, тяжелые и смертельные.

Косвенные поражения проявляются в поражение обломками, деревьями, камнями, битым стеклом и другими предметами.

Оценка последствий взрывов TBC осуществляется по методике:

1. «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» -РД 03-409-01 [1];

2. «Общие правила взрывобезопасно-сти для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» и другими - ПБ 09-540-03 [7, 9];

3. «Пожарная безопасность технологических процессов» - ГОСТ 12.3.047-98 [8].

Проблемой промышленной безопасности является анализ и оценка возможных аварийных ситуаций на пожароопасных предприятиях АПК.

Результаты и их обсуждения. Для расчета задач последствий аварийных выбросов TBC существует множество методик. В настоящее время гауссовские методики реализованы, интегральные методы -в ГОСТе, а методы, для решения уравнений в частных производных, в программных продуктах CFD.

Степень поражения людей, повреждения при авариях с взрывами облаков TBC, позволяет определить методика, описанная ниже [6].

Предлагаемую методику рекомендуется применять:

1. При разработке и экспертизе деклараций безопасности опасных производственных объектов;

2. При определении масштабов последствий аварийных взрывов ТВС.

Разработанную методику предлагается использовать для оценки параметров воздушных ударных волн при взрывах ТВС, образующихся в окружающей среде при авариях. При решении данного варианта, предполагается полное разрушение оборудования или частичная разгерметизация, содержащего горючее вещество. Выброс вещества происходит в окружающую среду с образованием облака ТВС, зажигание ТВС.

Предлагаемая методика решения задач определяет процент поражения людей и повреждений зданий от взрывной нагрузки.

Также предполагается, что в образовании облака ТВС участвует одно горючее вещество.

Данные для расчета:

1. Состояние ТВС: газовая или гетерогенная;

2. Концентрация вещества ( т;

3. Теплота сгорания вещества Ог;

4. Масса вещества, ту [6];

5. Стехиометрическая концентрация газа в воздухе Сстх;

6. Характеристики горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС;

7. Данные об окружающей среде.

Элементы алгоритма расчетов представлены на рисунке 1.

Предлагаемую методику для расчета поражающего воздействия взрывов ТВС реализовали на языке С+ разработки программного обеспечения Microsoft Visual Studio 2010 в интегрированной среде [4, 5]. Фрагмент программы представлен ниже, в которой описан расчет безразмерного импульса 1х и безразмерного давления Рх.

Рисунок 1 - Алгоритм расчета задач

При выполнении задания на экране монитора появляется окно для ввода исходных данных. В текстовые поля вводятся исходные значения (рисунок 2).

После ввода исходных данных в таблицу, показанную на рисунке 2, необходимо нажать на кнопку «вычислить», далее на экране появится форма с результатами расчета (рисунок 3).

Оценка доли общих потерь в рассматриваемом варианте равна доле пострадавших, т.е. Лт<Ищ = Ыссш = 2%, оценка доли санитарных потерь равна доли пострадавших, т.е. Мса11 = 2%, а оценка доли безвозвратных потерь равна доли погибших, т.е. М&х = 0%.

Исходные данные

Название горючего вещества:

Масса горючего вещества в облаке TBC:

Средняя концентрация горючего вещества в облаке TBC:

Тип облака TBC:

Класс окружающего пространства:

Расстояние от эпицентра взрыва:

Стехиометрический коэффициент перед горючим веществом:

Молярная масса горючего вещества:

бутан

15000

95

гетерогенная

230

1,04

58!

ВЫЧИСЛИТЬ

Рисунок 2 - Форма данных

Результаты расчета

Тип ущерба Полные и сильные разрушения Средние разрушения Слабые разрушения Гибель людей от баротравмы Разрыв барабанных перепонок

Доля ущерба, °/о

т

87

100

Рисунок 3 - Результаты решения

На пожароопасных объектах, рассматриваемый программный продукт, рекомендуется использовать для оценки последствий аварийных взрывов TBC

Выводы. Разработанный программный продукт может быть использован в учебном процессе при изучении дисциплин «Теория горения и взрыва», «Производственная безопасность» «Защита в чрезвычайных ситуациях», а также быть рекомендовано практическим работникам сферы

безопасности труда, прогнозирования и оценки последствий техногенных аварий и катастроф, преподавателям дисциплин данного профиля.

Литература

1. Компьютерная модель оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей / И.В. Орищенко, H.H. Грачева, Н.Б. Руденко, В Н. Литвинов,

H.В. Петренко // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2015. - № 02(106). - IDA [article ID]: 1061501019. - Режим доступа: http://ej. kubagro.ru/2016/02/pdf/13.

2. Свидетельство на программу для ЭВМ № 2015610932 «Оценка последствий аварийных взрывов тепловоздушных смесей» / ИВ. Орищенко, Н.Н. Грачева, Н.Б. Руденко, В Н. Литвинов, Н.В. Петренко, И.Э. Липкович. - 2015.

3. Информационные системы и процессы в реализации задач оценки последствий аварийных взрывов топ л ивовоз душных смесей / И В. Орищенко, Н.Н. Грачева, Н.Б. Руденко, В Н. Литвинов, Н.В. Петренко // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2016. -№02(116). -IDA [article ГО]: 1161602013,-Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2016/02/ pdf/13.

4. Свидетельство на программу для ЭВМ № 2016611811. Определение основных параметров взрыва топливо-воздушных смесей в зависимости от удаления его эпицентра / Н.И. Шабанов, ИВ. Орищенко, Н.В. Петренко, В.Н. Литвинов, Н.Н. Грачева, Н.Б. Руденко; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО Донской государственный аграрный ун-т. -№ 2015662393; заявл. 15.12.2015; опубл. 20.03.2016.

5. Стиллмен, Э. Изучаем С# / Э. Стил-лмен, Дж. Грин. - Санкт-Петербург: Питер, 2012.

6. Shemrian, M.P., Berman, M. Nuclear technology.-2013.-Vol. 81.-P. 63-77.

7. Постановление Правительства РФ от 25.04.2012 № 390 (ред. от 10.11.2015) "О противопожарном режиме".

8. Poinsot, Т., Veynante, D. Theoretical and Numerical Combustion. - Third edition by the authors, 2012.

9. Kuo, K.K., Acharya, R. Fundamentals of Turbulent and Multi-Phase Combustion. -John Wiley & Sons., 2012.

References

1. Ori shhenko I V , Gracheva N. N., Rudenko N.B., Litvinov V.N., Petrenko N.V. Komp'juternaja model' ocenki posledstvij avarij nyh vzry vov topli vno-vozdushnyh smesej [The computer model for evaluating the consequences of accident explosions of fuel-air mixtures], Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudctrst vennogo agramogo uni ver si (eta (Nauchnyj zhurnal KubGAUKrasnodar, KubGAU, 2015, No.02(106), IDA [article ID]: 1061501019, available at: http://ej. kubagro.ru/2016/02/pdf/13.

2. Orishhenko IV, Gracheva N.N, Rudenko N.B., Litvinov V.N., Petrenko N.V., Lipkovich I. Je. Ocenka posledstvij avarij nyh vzryvov teplovozdushnyh smesej [Assessment of the consequences of accident explosions of hot-air mixtures], Svidetel'stvo na programmu dlja JeVM No. 2015610932, 2015.

3. Orishhenko IV, Petrenko N.V., Litvinov V.N., Gracheva N.N., Rudenko N.B. Tnformacionnye sistemy i processy v realizacii zadach ocenki posledstvij avarij nyh vzryvov toplivovozdushnyh smesej [Information systems and processes in the implementation of tasks of assessing consequences of accident explosions of fuel-air mixtures], Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarst-vennogo agramogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU), Krasnodar, KubGAU, 2016, No.02(l 16), IDA [article ID]: 1161602013, available at: http://ej.kubagro.ru /2016/02/pdf/13.

4. Shabanov N.I., Orishhenko I.V., Petrenko N.V., Litvinov V.N., Gracheva N.N., Rudenko N.B. Opredelenie osnovnyh parametrov vzry va topli vo-vozdushnyh smesej v zavisimosti ot udalenija ego jepicentra [Determination of the basic parameters of the fuel-air mixtures explosion depending on the distance of its epicenter]; zajavitel' i pravoobladatel', Svidetel'stvo na programmu dlja JeVM No.201661 181 1, FGBOU VO Donskoj gos. agrar. un-t, No.2015662393, zajavl. 15.12.2015, opubl. 20.03.2016.

5. Stillmen Je., Grin Dzh. Izuchaem C+ [Learning C+], Saint Petersburg, Piter, 2012.

6. Sherman M.P., Berman M. Nuclear technology, 2013, Vol. 81, pp. 63-77.

7. O protivopozharnom rezhime [The firefighting mode], Postanovlenie Pravitel'stva RF ot 25.04.2012 No. 390 (red. ot 10.11.2015).

8. Poinsot T., Veynante D.Theoretical and Numerical Combustion, Third edition by the authors, 2012.

9. Kuo K. K., Acharya R. Fundamentals of Turbulent and Multi-Phase Combustion, John Wiley & Sons, 2012.

Сведения об авторах

Егорова Ирина Викторовна - кандидат технических наук, ассистент кафедры «Техносферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный институт -филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). E-mail: Orishenkolrina@mail.ru.

Петренко Надежда Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный институт -филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия).

Руденко Нелли Борисовна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика и информационно-управляющие системы», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(86359)36-02-3.

Грачева Наталья Николаевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика и информационно-управляющие системы», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(86359)36-02-3.

Information about authors

Egorova Irina Victorovna - Candidate of Technical Sciences, assistant of the Techno-sphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBET HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). E-mail: Orishenkolrina@mail.ru.

Petrenko Nadezhda Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technosphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute -branch ofFSBEIHE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia).

Rudenko Nellie Borisovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of Thermal engineering and information and control systems department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBE1 HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(86359)36-02-3.

Gracheva Natalya Nikolayevna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of Thermal engineering and information and control systems department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBET HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(86359)36-02-3.