Взрывоопасность облаков газовоздушных смесей после техногенных аварий

ВЗРЫВООПАСНОСТЬ ОБЛАКОВ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ПОСЛЕ ТЕХНОГЕННЫХ АВАРИЙ

Пантелеев И. Н., Пантелеев А. И.

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж

Наиболее распространенными и эффективными источниками энергии являются сжиженные газы, и в первую очередь пропано-бутановые смеси. Вместе с тем широкое использование сжиженных газов объясняет высокую частоту аварий, многие из которых заканчиваются трагически, а аварийные ситуации перерастают в чрезвычайные.

Мировой объем годового потребления сжиженного газа в настоящее время составляет примерно 500 млн. тонн. Сжиженные и нефтяные газы нашли широкое применение не только в промышленности, на транспорте, но и в быту. Столь широкое распространение при недостаточном внимании к безопасности использования газов приводит к частым аварийным ситуациям, моделирование которых [1,2] отличается существенной индивидуальностью.

Можно показать, что потенциальная энергия, запасенная в сосуде, содержащем газ под давлением, складывается из тепловой энергии газа (для горючих газов) и энергии адиабатического расширения сосуда. При этом следует различать (по пожаровзрывоопасности) аварийные ситуации с сосудами под давлением, содержащие горючие газы и инертные газы.

В общем случае потенциальная энергия Е2 емкости с газом может быть представлена суммой:

ЕТ+ Еа ,

где ЕГ — энергия межмолекулярных связей газа, реализуемая при его воспламенении; ЕА — энергия адиабатического расширения сосуда, находящегося под избыточным давлением.

При аварии с наземным взрывом емкости, содержащей газ, энергия Ее распределяется по следующим основным составляющим в предположении, что энергией разрушения сосуда можно пренебречь, считая, что она почти полностью переходит в кинетическую энергию осколков:

ЕЕ= Ет + Ев + Ес + Ек,

где Ет — тепловая энергия взрыва газовоздушной смеси, Дж; Ев — энергия воздушной ударной волны, Дж; Ес — энергия сейсмических колебаний грунта, Дж; Ек — кинетическая энергия осколков разрушенного сосуда, Дж.

В дальнейшем, исходя из масштабов наносимого ущерба, энергией сейсмических колебаний грунта будем пренебрегать, тогда с достаточной для инженерных оценок точностью распределение энергии представляется в виде:

Е2= Ет + Ев + Ек .

Заметим, что если в аварии участвует негорючий газ, например, сжатый азот, тепловая составляющая Ет = 0.

Разделим компоненты уравнения (3) на Ее , т. е. перейдем к относительным

величинам распределения энергии взрыва:

кт + кв + кК = 1,

где кт — доля энергии, расходуемой на формирование теплового поля; кв — доля энергии, расходуемой на формирование воздушной ударной волны; кк — доля энергии, расходуемой на кинетическую энергию осколков.

Аварийное вскрытие емкостей с горючими газами, разлитие сжиженных газов на различные поверхности приводят к испарению жидких фракций и формированию облаков газовоздушных смесей (ГВС), их возгоранию и при определенных условиях - к взрыву.

Условия формирования взрывоопасного облака, а также задержка воспламенения от начала выброса паров или газов в атмосферу являются определяющими факторами развития аварийной ситуации. Если воспламенение происходит немедленно, то формируется так называемая «горящая лужа». В случае задержки воспламенения успевает сформироваться облако ГВС и может произойти его взрывное сгорание с образованием ударных волн значительной амплитуды.

При взрыве облака ГВС существенные эффекты поражающих факторов возникают только в случаях, когда энергия высвобождается за короткий промежуток времени, что адекватно высокой скорости распространения пламени. Существуют две модели распространения фронта горения: детонационная и дефлаграционная.

Для дефлаграции характерен перенос тепла и активных радикалов из зоны реакции в свежую смесь за фронтом пламени. Быстрая дефлаграция наблюдается вследствие турбулизации газа перед фронтом пламени. Скорость распространения фронта горения составляет 10...300 м/с, избыточное давление во фронте воздушной ударной волны может достигать десятки и даже сотни кПа.

Переходу к детонации облака смеси газа с воздухом (кислородом) или иным окислителем способствуют различные препятствия (строения, пересеченная местность, оборудование) на пути распространения пламени, вызывающие турбулизацию.

При детонации фронт пламени ГВС распространяется совместно с ударной волной со скоростями 1.8.2.5 км/с, а максимальное избыточное давление во фронте воздушной ударной волны может достигать нескольких МПа.

Дрейф облака ГВС (расстояние от места аварии до точки взрыва) по результатам обобщения статистических данных наблюдаемых аварийных случаев, представлен на рис. 1. При взрыве ГВС сферическая детонационная волна может возникнуть непосредственно в облаке от слабого стороннего источника энергии, например, от искры, если размер облака превышает некоторое критическое значение и газ находится в пределах концентраций, указанных в табл. 1.

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Расстояние дрейфа не более, м

Рис. 1. График функции распределения дрейфа облака ГВС

Таблица 1. Минимальная энергия Ещ^ инициирования взрыва, минимальный диаметр dm^n облака и концентрация Соб горючей компоненты в облаке газовоздушных смесей

Горючий компонент Соб, % Ещт, Дж Йтт, М

Ацетилен С2Н2 12.5 1.3-102 3.12

Водород Н2 29.6 4.2-106 109.6

Пропан С3Н8 5.7 2.5-106 85.8

Пропилен С3Н6 6.6 7.6-105 58.5

Этан С2Н6 5.7 5.1-106 109.6

Этилен С2Н4 9.5 1.2-105 31.2

Метан СН4 12.3 2.3-108 398.0

Детонационную волну в газах представляют как ударную волну, сопровождаемую волной горения. Учитывая высокую скорость детонации (тысячи метров в секунду), сформировавшееся при быстром испарении облако ГВС в расчетах считают неизменным за весь период распространения фронта волны от места поджига до внешней границы облака, аппроксимируемого полусферой радиуса г0 с центром на поверхности грунта. Параметры детонационной волны в процессе ее распространения в пределах облака существенно не меняются. При выходе за пределы облака расширяющиеся продукты детонации (ПД) возбуждают воздушную ударную волну.

Начальный радиус г0 , м полусферического облака ГВС в зависимости от

"5

его объема У0, м определяется по формуле:

: з

3

3-К

1п

Для расчета избыточного давления ДРФ во фронте воздушной ударной

волны при наземном взрыве ГВС (

ДР( Я) = Р0

ормула имеет вид

5 - X3 + 3 - X2 +

0,8 - X ],

г

0

где х ^ ™ ; Я - расстояние от центра взрыва до объекта наблюдения; тТуВ -к

тротиловый эквивалент ударной волны:

к в ' Qв ' 2 ;

Щгв 0,9. е0 ;

Q0 = 4.52-106 - удельная энергия взрыва тротила, Дж/кг; Qв - удельная теплота сгорания единицы массы ГВС, Дж/кг; P0 - атмосферное давление, Па; z - коэффициент доли участия газа во взрыве, z « 0,1.

Избыточное давление во фронте воздушной ударной волны зачастую является основным поражающим фактором конкретного объекта. Например, при ДРф > 35 кПа возможно разрушение (образование трещин) в резервуарах хранения нефтепродуктов и сжиженных углеводородных газов, с их последующим истечением и образованием нового облака ГВС.

Библиографический список

1. Пантелеев И. Н., Пантелеев А. И. Моделирование распространения облаков тяжелых газов при техногенных авариях. Сб. ст. VIII междунар. науч.-техн. конф. «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем». — Пенза, Изд-во ПГУ / 2013. С.184-188.

2. Пантелеев И. Н., Пантелеев А. И. Анализ возгорания газовых облаков при аварийных выбросах дисперсных веществ в атмосферу. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции. Воронеж: ВИ ГПС МЧС России, 2012. С.125-128.