2.3 Методика расчета

Задание 1

2.3.1 Определение радиусов зон и величин избыточных давлений при взрыве газовоздушной смеси (гвс)

При взрыве газовоздушной смеси (ГВС) образуется очаг поражения с ударной волной. В очаге взрыва ГВС можно выделить три сферические зоны.

R₁, R₂, R₃, - радиусы внешних границ соответствующих зон

Рисунок 1 - Зоны в очаге поражения при взрыве ГВС

Зона I - зона детонационной волны. Находится в пределах облака взрыва.

Зона II - зона действия продуктов взрыва, которая охватывает всю площадь разлета продуктов взрыва ГВС в результате ее детонации. Радиус зоны II в 1,7 раза больше радиуса зоны I, то есть r₂= 1,7*r₁, а избыточное давление по мере удаления уменьшается до 300 кПа.

Зона III - зона действия УВВ. Здесь формируется фронт УВВ.

1. Зону действия детонационной волны, ограниченную радиусом r₁, определяем по формуле 1.

r1=	10*	3	√	Q * K		, м	(1)
				mk * C

где r₁ – радиус зоны детонационной волны, м;

Q – количество взрывоопасного вещества, т;

К – коэффициент перехода жидкого продукта в газовоздушную смесь;

m_k - молярная масса взрывоопасного вещества, кг/моль;

C – концентрация газа стехиометрического состава, % к объему.

Значение коэффициента К принимают в зависимости от способа хранения газов:

К=1 – для резервуаров с газообразным веществом;

К=0,6 – для газов, сжиженных под давлением;

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

К=0,05 – при аварийном разливе легковоспламеняющихся жидкостей.

Таблица 1 – Характеристики газовоздушных смесей

Вещество	Формула	Характеристики смесей
		mk, кг/моль	ρстх, кг/м3	Qстх, мДж/кг	Сстх, % к объему
Аммиак	NH3	15	1,180	2,370	19,72
Ацетилен	C2H2	26	1,278	3,387	7,75
Бутан	C4H10	58	1,328	2,776	3,13
Водород	H2	2	0,993	3,425	29,59
Метан	CH4	16	1,232	2,763	9,45
Оксид углерода	CO	28	1,280	2,930	29,59
Пропан	C3H8	44	1,315	2,801	4,03
Этан	C2H6	30	1,250	2,797	5,66
Этилен	C2H4	28	1,285	1,285	6,54

2. В пределах зоны I избыточное давление можно считать постоянным и равным ∆Р₁=1700 кПа.

3. Во второй зоне действия продуктов взрыва происходит разлет продуктов взрыва. Радиус данной зоны (r₂) охватывает всю площадь разлета продуктов газовоздушной смеси в результате ее детонации.

Радиус r₂, определяем по формуле 2.

r₂= 1,7*r₁ , м (2)

4. Величина избыточного давления в пределах радиуса зоны действия продуктов взрыва определяется по формуле 3.

∆Р₂ = 1300 * (r₁ / r)³ + 50, кПа (3)

где r – расстояние от центра взрыва до цеха, м.

5. Сравнить расстояние от центра взрыва до цеха с радиусами зоны 1 и зоны 2. Сделать вывод о том в какой зоне находится цех.

6. В зоне 3 (r₃) формируется фронт воздушной ударной волны, распространяющийся по поверхности земли.

Если r > r₂, то принимаем r₃ = r.

Если r < r₂, то принимаем r₃ = r₂ + 0,15 * r₂.

7. Ударная волна - наиболее сильный поражающий фактор взрыва, распространяется со сверхзвуковой скоростью во все стороны от места взрыва. Она представляет собой область резкого сжатия воздуха и область разрежения. Область сжатия движется впереди, а область разряжения - позади неё. Поражающее действие ударной волны продолжается несколько минут и обуславливается:

• максимальным избыточным давлением во фронте волны;

• скоростным напором воздуха;

• временем действия.

Зона действия воздушной ударной волны (ВУВ) начинается сразу за внешней границей облака газовоздушной смеси. Давление во фронте этой волны ∆Р₃ зависит от расстояния до центра взрыва (r) и определяется по таблице 2, исходя из соотношения r / r₁:

∆Р₃ = f (r / r₁) (4)

Таблица 2 – Зависимость ∆Р₃ от соотношения r / r₁

r / r1	1	1,01	1,04	1,08	1,2	1,4	1,8	2,7	3	4	5	6	8	12	20	30
∆Р3	1700	1232	814	568	400	300	200	100	80	50	40	30	20	10	5	3

8. Избыточное давление в зоне действия воздушной ударной волны (∆Р₃) также определяем расчетным путем в зависимости от безразмерного радиуса ударной волны (ψ).

ψ = 0,24 * r / r₁ (5)

при ψ <(=) 2

∆Р3 =	700				, кПа	(6)
	3 *
		(√	1 +29,8 * ψ3	- 1)

при ψ > 2

∆Р3 =	22,7				, кПа	(7)
	3 *
		(√	lg ψ + 0,158

9. Величину избыточного давления также определить по графику. Сравнить результаты, полученные при определении по таблице, расчетным путем и по графику.

Рисунок 1 - Зависимость радиуса внешней границы зоны действия избыточного давления от количества взрывоопасной газовоздушной смеси

10. При непосредственном контакте ударной волны с преградой, расположенной перпендикулярно ее распространению (стена), на преграду действует давление отраженной волны (∆Р_отр), определяемое по формуле 8.

∆Ротр = 2 * ∆Р3 +	6 * ∆Р32	, кПа	(8)
	∆Р3 + 7 * Р0

где Р₀ – атмосферное давление, при нормальных условиях принимаем 101,3 кПа.

То есть ∆Р_отр может быть от 2∆Р₃ до 8∆Р₃.

11. Разрушение объектов с малой площадью (высоких колонн, башен, опор линий электропередач и т.д.) происходит под действием давления скоростного напора (∆Р_ск). Это объясняется тем, что ударная волна быстро обтекает данные объекты и избыточное давление воздействует на них практически одновременно со всех сторон.

Зависимость ∆Р_ск и ∆Р₃ выражается формулой 9.

∆Рск =	2,5 * ∆Р32	, кПа	(9)
	∆Р3 + 7,2 * Р0

12. В зависимости от ∆Р₃ определить, в какой зоне окажется цех при взрыве газа. Изобразить графически в масштабе на миллиметровой бумаге (пример на рисунке 1, дополнительно изобразить цех с учетом расстояния до емкости с газом).

Сделать оценку степени разрушений в соответствии с таблицей 3.

Таблица 3 - Степень разрушения объектов при различном избыточном давлении

Избыточное давления, Р3, кПа	Степень разрушения зданий и сооружений	Аварийно-спасательные и другие необходимые работы	Ущерб основных производственных фондов, %
10 – 20	слабая	Малый и средний ремонт, локализация и тушение пожаров, разбор завалов.	10-30
20 – 30	средняя	Капитальный ремонт. Спасение людей, локализация и тушение пожаров, разбор завалов.	30-60
30 – 50	сильная	Локализация и тушение пожаров, разбор завалов, поиск людей.	50-90
>50	полная	Очистка территории, разбор завалов, поиск людей.	90-100

Полные разрушения от ударной волны характеризуются обрушением стен и перекрытий, каркаса и других несущих конструкций сооружений, что возможно при избыточном: давлении >50 кПа.

Сильные повреждения вызывают обрушение значительной части несущих стен и перекрытий при сохранении подвальных помещений и части каркаса. Такие повреждения возможны при избыточном давлении 30-50 кПа.

Слабые и средние повреждения зданий возникают при избыточном давлении 10-30 кПа в зависимости от конструкции сооружения.

Считается, что зона пожаров и разрушений доходит до границ, где избыточное давление от воздушной волны достигает 10 кПа.

13. Основным фактором, определяющим вероятность поражения персонала является степень поражения зданий. При этом принимается, что в полностью разрушенных зданиях поражение получают 100 % находящихся в них людей (N_{пол. р.}), в сильно разрушенных (N_{сил. р.}) – 60 %, в среднеразрушенных (N_{ср. р.}) – (10-15) %. Таким образом максимальное количество людей, получивших поражение в зданиях (N_{об. зд}), определяют по формуле 10.

N_{об. зд} = N_{пол. р} + N_{сил. р} + N_{ср. р} (10)

Величина безопасного давления на открытой местности для людей составляет до 0,1 кг/см² (примерно 9,8 кПа). Соответственно, давления, превышающие эту величину, вызывают разной степени повреждения, что представлено в таблице 4.

Таблица 4 - Воздействие избыточного давления на человека

Величина избыточного давления, Р3 (кПа)	Степени поражения
20-40	Легкие поражения: повреждение слуха, ушибы, вывихи конечностей.
40-60	Средние повреждения: повреждение слуха, кровотечения, вывихи, переломы конечностей.
60-100	Тяжелые повреждения: контузия, повреждение внутренних органов.
Более 100	Крайне тяжёлые повреждения: смертельный исход

Окопы, траншеи, убежища и особенности рельефа местности резко снижают воздействие ударной волны, что необходимо использовать для защиты людей и техники.

14. Объем завала (V) зависит от степени разрушения здания. Для полностью разрушенного здания объем завала определяют по формуле 11.

V =	γ * А * В * Н	, м3	(11)
	100

где А, В, Н – длина, ширина, высота здания (соответственно), м

γ – объем завала на 100 м³ строительного объема здания. Принимаем: для промышленных зданий равным 20 м³, для жилых зданий равным 10 м³.

Объем завала здания, получмвшего сильную степень разрушения, принимают равным половине от завала полностью разрушенного здания.

15. Высота завала (h) вычисляют по формуле 12.

h =	γ * Н	, м	(11)
	100 + 5*Н

16. Все полученные данные свести в таблицу и сделать общий вывод, отражающий последствия взрыва на ЗАО «Азот», а также ущерб, причиненный зданиям и людям. Способы предотвращения данной ЧС и способы ликвидации последствий взрыва.

Задание 2