Детонационный режим горения

ОБСТАНОВКА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ АВАРИЯХ СО ВЗРЫВОМ

Общие положения

В результате разрушения резервуаров, трубопроводов и технологического оборудования с горючими веществами возможен их выброс внутрь здания или на открытую площадку с образованием газопаровоздушной смеси (ГПВС). Серьезную опасность для персонала, зданий, сооружений и технологического оборудования представляет взрыв образовавшейся ГПВС.

Особенно велика вероятность взрыва ГПВС на объектах нефтехимической и химической промышленности, где хранятся и используются значительные объемы горючих газов (ГГ) и легковоспламеняющихся жидкостей. В России доля таких аварий невероятно велика (почти 96%).

Суммарная протяженность магистральных продуктопроводов и газопроводов в России составляет более 130 тыс. километров. При аварийной разгерметизации отдельных их участков последствия могут быть очень трагичными.

В ночь с 3 на 4 июня 1989 г. на перегоне между станциями Казаяк и Улу-Теляк, на 1710 километре Куйбышевской железной дороги оказались два поезда с 1284 пассажирами, которые пострадали от взрыва газовоздушной смеси, образовавшейся при аварийной разгерметизации магистрального продуктопровода. На месте аварии было найдено 258 погибших.

В связи с высокой вероятностью аварий со взрывом ГПВС преследуется цель объяснить механизм взрывного горения и изложить методику прогнозирования параметров взрывного горения ГПВС.

Прежде чем приступить к изложению основного материала и методик, целесообразно уточнить основные понятия и определения.

Процесс горения со стремительным высвобождением энергии и образованием при этом избыточного давления (более 5 кПа) называется взрывным горением.

Различают два принципиально разных режима взрывного горения: дефлаграционный и детонационный.

При дефлаграционном горении распространение пламени происходит в слабо возмущенной среде со скоростями значительно ниже скорости звука, давление при этом возрастает незначительно.

При детонационном горении (детонации) распространение пламени происходит со скоростью, близкой к скорости звука или превышающей ее.

Инициирование (зажигание) газовоздушной смеси с образованием очага горения возможно при следующих условиях:

концентрация горючего газа в газовоздушной смеси должна быть в диапазоне между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени;

энергия зажигания от искры, горячей поверхности должна быть не ниже минимальной. Для большинства взрывчатых смесей энергия зажигания не превышает 30 Дж.

Нижний концентрационный предел (С_нкп) распространения пламени – это такая концентрация горючего газа в смеси с окислительной средой, ниже которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

Верхний концентрационный предел (С_вкп) распространения пламени – это такая концентрация горючего в смеси с окислительной средой, выше которой смесь становится неспособной к распространению пламени.

Минимальная энергия инициирования (зажигания) (Э_и) – наименьшее значение энергии электрического разряда, способное воспламенить смесь стехиометрического состава.

Концентрация газа стехиометрического состава (С_сх) – концентрация горючего газа в смеси с окислительной средой, при которой обеспечивается полное без остатка химическое взаимодействие горючего и окислителя смеси.

При сгорании газовоздушной смеси стехиометрического состава образуются только конечные продукты реакции горения и выделившаяся теплота их сгорания не расходуется на нагревание несгоревших окислителя или горючего – последних не образуется. По этой причине продукты сгорания нагреваются до максимальной температуры.

В случае дефлаграционного горения такой смеси в замкнутом герметичном и теплоизолированном объеме образуются максимальные температура и давление. Величина максимального давления является характеристикой соответствующей газовоздушной смеси.

Режим дефлаграционного горения может переходить в режим детонационного горения (при быстром росте скорости распространения пламени). Такому переходу способствует турбулизация процесса горения при встрече фронта пламени с препятствиями. При этом поверхность фронта пламени становится неровной, а толщина пламени увеличивается – все это вызывает рост скорости распространения пламени.

В режиме детонационного горения нагрузки значительно возрастают. Поэтому режим детонационного горения принят за расчетный случай для прогнозирования инженерной обстановки при авариях со взрывом.

К основным факторам, влияющим на параметры взрыва, относят: массу и тип взрывоопасного вещества, его параметры и условия хранения или использования в технологическом процессе, место возникновения взрыва, объемно-планировочные решения сооружений в месте взрыва.

Взрывы на промышленных предприятиях и базах хранения можно разделить на две группы - в открытом пространстве и производственных помещениях.

В открытом пространстве на промышленных предприятиях и базах хранения возможны взрывы газовоздушных смесей (ГВС), образующихся при разрушении резервуаров со сжатыми и сжиженными под давлением или охлаждением (в изотермических резервуарах) газами, а также при аварийном разливе легковоспламеняющихся жидкостей.

В производственных помещениях, наряду со взрывом ГВС, возможны также взрывы пылевоздушных смесей (ПВС), образующихся при работе технологических установок.

6.1. Взрыв газовоздушных смесей в открытом пространстве

Детонационный режим горения

С целью проведения расчетов с гарантированным запасом по объему инженерно-спасательных работ, при обосновании исходных данных принимают такой случай разрушения резервуара, чтобы образовавшийся при этом взрыв газовоздушной смеси произвел максимальное поражающее воздействие. Этот случай соответствует разрушению того резервуара, в котором хранится максимальное количество горючего вещества на рассматриваемом объекте.

Кратко рассмотрим модели воздействия, определяющие поля поражающих факторов (давлений) при прогнозировании последствий взрывов газовоздушных смесей.

При взрыве газовоздушных смесей различают две зоны действия: детонационной волны – в пределах облака ГВС и воздушной ударной волны - за пределами облака ГВС. В зоне облака действует детонационная волна, избыточное давление во фронте которой принимается постоянным в пределах облака ГВС и приблизительно равным DР = 17 кгс/см² (1,7 МПа).

В расчетах принимают, что зона действия детонационной волны ограничена радиусом r₀, который определяется из допущения, что ГВС после разрушения емкости образует в открытом пространстве полусферическое облако.

Объем полусферического облака может быть определен по формуле

м³,

где = 3,14.

Учитывая, что киломоль идеального газа при нормальных условиях занимает 22,4 м³, объем образовавшейся ГВС при аварийной ситуации составит

м³,

где - коэффициент, учитывающий долю активного газа (долю продукта,

участвующего во взрыве);

- количество сжиженных углеводородных газов в хранилище до взрыва, кг;

- стихиометрическая концентрация газа в % по объему (табл. 6.2);

- молярная масса газа, кг/кмоль.

Из условия равенства полусферы и объема образовавшейся смеси, получим

м. (6.1)

При подстановке значений для метана = 16 и С = 9.45 (см. табл. 6.2), получим формулу

, м, (6.2)

где - количество метана до взрыва в тоннах.

Эта формула получила широкое распространение при проведении расчетов по определению последствий взрывов для углеводородных газов.

Значение коэффициента k принимают в зависимости от способа хранения продукта:

k = 1 - для резервуаров с газообразным веществом;

k = 0,6 - для газов, сжиженных под давлением;

k = 0,1 - для газов, сжиженных охлаждением (хранящихся в изотермических емкостях);

k = 0,05 - при аварийном разливе легковоспламеняющихся жидкостей.

Зона действия воздушной ударной волны (ВУВ) начинается сразу за внешней границей облака ГВС. Давление во фронте ударной волны DР_ф зависит от расстояния до центра взрыва и определяется по рис.6.1 или таблице 6.1, исходя из соотношения

DР_ф = f (r / r₀),(6.3)

где r - расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки.

Таблица 6.1

Таблица 6.1 и рис.6.1 аппроксимируют известные формулы, характеризующие зависимость давления от расстояния до центра взрыва.

в зависимости от массы сжиженного газа Q (кг) и расстояния r (м)

Пример:

1. Определить r₀ и значения ∆Р_фв на расстоянии 100 м при разлитии и взрыве ГВС Q=1000 кг. На пересечении вертикальной линии r =100 м с горизонтальной Q=1000 кг получим точку А₁, соответствующую ∆Р_фв = 0,25 кгс/см²; r₀ =15,6 м.

2. Определить значение Q, при котором объект, выдерживающий нагрузку ∆Р_ф = 0,3 кгс/см², и удаленный на 60 м не будет разрушен. На пересечении вертикальной линии r = 60 м с наклонной ∆Р_ф = 0,3 кгс/см² получим точку А₂, соответствующую Q = 320 кг

Пример расчета

Взрыв облака ГВС, образованного при разрушении резервуара с 10⁶ кг сжиженного пропана.

Исходные данные: Q=10⁶ кг; К=0,6; m_k=44; С=4,03%.

Определить давление ударной волны на расстоянии r=200 м от центра взрыва.

Расчет: 1. м.

2. .

3. При по табл. 6.1 DP_ф=350 кПа (3,5 кгс/см²).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: