3.3. Инерционное разрушение элементов оборудования

Для некоторых видов оборудования, измерительных приборов и аппаратуры, имеющих чувствительные элементы, опасными будут большие ускорения, приобретаемые этими элементами при действии ударной волны. Обладая определённой массой и упругостью (при установке их на амортизаторах), элементы прибора приобретают инерционные силы, которые могут привести к внутренним повреждениям схемы (отрыву припаянных элементов, разрыву соединительных проводов, разрушению хрупких элементов). Инерционные разрушения могут приравниваться к сильной степени разрушения.

Чтобы определить предельное значение избыточного давления ударной волны ∆Р_{ф lim(инерц)}, при котором оборудование ещё не получит инерционного разрушения, используют график зависимости избыточного давления лобового сопротивления ∆Р_лоб от избыточного давления ударной волны ∆Р_ф (рис. 5).

Д

Рис. 5. Зависимость избыточного

лобового давления ∆Р_лоб от

избыточного давления ударной

волны ∆Р_ф.

ля оценки устойчивости прибора к инерционным разрушениям при ∆Р_ф и ∆Р_ск определяется лобовая сила:

∆Р_лоб = (∆Р_ф + ∆Р_ск) ∙ S,

где S – площадь миделя, S = b ∙ h.

Сила инерции равна сумме сил и реакций связи (для незакрепленного предмета – это сила трения F_тр):

m ∙ a = Р_лоб – F_тр,

где m – масса предмета, кг;

a – ударное ускорение, м/с² .

Учитывая небольшие значения силы трения и пренебрегая ими, получим:

Р_лоб = m ∙ a. (13)

Если задаться допустимым ускорением при ударе a_доп или предельной ударной перегрузкой n_доп = a_доп /q, не приводящим к инерционным разрушениям, можно определить, какому избыточному лобовому сопротивлению ∆Р_лоб это будет соответствовать:

Р_лоб = . (14)

Допустимые перегрузки для каждого конкретного изделия обычно приводятся в технической документации на его изготовление. В прил. 5 даны перегрузки для радиоэлектронной аппаратуры. Они зависят от условий эксплуатации и вида техники, на которой оно установлено.

Пример 4.

Определить предельное избыточное давление ∆Р_{фlim(инерц)} при котором прибор ещё не получит инерционных разрушений.

Длина прибора L= 400 мм, ширина b = 420 мм, высота h = 720 мм, масса m = 60 кг, допустимое ускорение при ударе a_доп = 100 м/с².

Решение

1. Определяют лобовую силу, не приводящую к ударной перегрузке, по формуле (13):

Р_лоб = m ∙ a = 60 ∙ 100 = 6000 Н.

2. Находят избыточное лобовое давление по формуле (14), которое может выдержать прибор:

Р_лоб = = = 20000 Па = 20 кПа.

По графику (рис. 5), зная, что ∆Р_лоб = 20 кПа, находим ∆Р_{фlim(инерц)} = 18 кПа.

Вывод: При ∆Р_ф > 18 кПа прибор получит сильные повреждения от инерционных перегрузок, вызванных действием ударной волны.

4. Оценка устойчивости объектов и их элементов к воздействию ударной волны, возникающей при взрывах газовоздушных смесей

При авариях на предприятиях со взрывоопасной и пожароопасной технологией, на складах и хранилищах, где хранятся, и на транспорте, на котором перевозятся взрывоопасные и пожароопасные вещества, вследствие истечения газообразных или сжиженных углеводородных продуктов и перемешивании их с воздухом образуются взрывоопасные и пожароопасные газовоздушные смеси. Смеси горючих газов (метана, пропана, бутана и др.) с воздухом взрывоопасны при любой температуре окружающей среды. Смеси паров легковоспламеняющихся жидкостей с воздухом относятся к взрывоопасным, если температура вспышки их ниже или равна 45°С. Взрыв или возгорание этих газовоздушных смесей происходит при определенном содержании газа в воздухе (от нижнего концентрационного порога воспламенения до верхнего концентрационного порога воспламенения). Взрывоопасны также смеси горючих пылей с воздухом с нижним концентрационным порогом воспламенения (НКПВ) ниже 15 г/м³ и менее взрывоопасны – с НКПВ =15 – 65 г/м³.

При взрыве газовоздушной смеси образуется очаг взрыва с ударной волной, вызывающей разрушения зданий, сооружений и оборудования аналогично тому, как это происходит от ударной волны ядерного взрыва.

В очаге взрыва газовоздушной смеси принято выделять три круговые зоны (рис. 6):

1

Рис. 6. Зона очага взрыва

газовоздушной смеси

– зона детонационной волны;

2 – зона действия про­дуктов взрыва;

3 – зона воздушной ударной волны.

3она детонационной волны находится в пределах облака взрыва. Радиус этой зоны r_i, м, приближенно может быть рассчитан по формуле

r₁ = 17,5 , (15)

где Q – количество сжиженного углеводорода, т.

В пределах зоны 1 действует избыточное давление, которое может приниматься постоянным, ΔP₁ =1700 кПа.

Зона действия продуктов взрыва охватывает всю площадь разлёта продуктов взрыва газовоздушной смеси в результате её детонации. Радиус этой зоны

r₂ = 1,7 r₁.

Избыточное давление в пределах этой зоны ΔP₂ изменяется от 1350 до 300 кПа и может быть определено по формуле

ΔP₂ = 1300 + 50, (16)

где r – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки, м.

В зоне действия воздушной ударной волны формируется фронт ударной волны, распространяющийся по поверхности земли.

Избыточное давление в этой зоне в за­висимости от расстояния до центра взрыва r₃ может быть рассчитано. Для этого предварительно определяется относительная величина K:

K = 0,24 , (17)

где r₃ – радиус зоны 3 или расстояние до точки, в которой требуется определить избыточное давление ударной волны ΔP₃, кПа; r₁ – радиус зоны 1.

При K 2: ΔP₃ = ; (18)

при K > 2 ΔP₃ = . (19)

Для определения избыточного давления на определенном расстоянии от места взрыва необходимо знать количество взрывоопасного вещества, хранящегося в ёмкости или ушедшего из трубопровода и смешавшегося с воздухом.

Пример 5.

При аварии на железной дороге вылилось, испарилось и смешалось с воздухом 150 т взрывоопасных углеводородов. Рассчитать ΔP_фmax, ожидаемое от взрыва этой газовоздушной смеси на территории механического цеха, расположенного в 500 м от места аварии.

Решение.

1. Рассчитают радиус детонационной зоны (зона 1, рис. 6):

r₁ = 17,5 = 17,5 = 93 м.

2. Вычисляют радиус зоны действия продуктов взрыва (зона 2):

r₂ =17 r₁= 1,7 ∙ 93 = 150 м,

Следовательно, цех находится в зоне действия воздушной ударной волны (зона 3).

3. Находят избыточное давление ΔP₃ на расстоянии 500 м от цент­ра взрыва по формулы (18) или (19), принимая r₃ = 500 м.

Для этого определяют относительную величину K.

К = 0,24 = 0,24 ∙ = 1,29.

Так как K < 2, то

ΔP₃ = = = 29 кПа.

Это значение и есть ΔP_фmax, относительно которого нужно оценить устой­чивость каждого элемента механического цеха (здания, оборудования, энергоснабжения и т. п.) в отдельности и всего цеха в целом по методи­ке, предложенной в разделе 1 (стр. 3) с исполь­зованием прил. 2.