Глава 23 защита зданий взрывоопасных производств

В помещениях зданий с взрывоопасными производствами (категорий А и Б) в аварийных ситуациях возможно образование и взрыв газо-, паро- или пылевоздушных смесей (ГПВС). С целью снижения степени разрушения зданий от взрыва в соответствии со СНиП 2.09.02—85 в них предусматривается устройство предохранительных конструкций. Принцип действия и эффективность предохранительных ограждающих конструкций (их называют также «легко сбрасываемыми») могут быть объяснены на основе физических процессов горения и взрыва ГПВС.

23.1. Особенности взрыва газо- или паровоздушных смесей

В наиболее общем виде физическое представление о взрыве газо- или паровоздушной смеси внутри помещения или другого замкнутого объема можно представить следующим образом. При воспламенении в объеме перемешанной газо- или паровоздушной смеси с концентрацией в диапазоне взрываемости каким-либо источником зажигания (например, искрой) от места инициирования будет распространяться с дозвуковой скоростью самоподдерживающаяся «волна горения» (пламя), представляющая собой зону химической реакции, толщина которой в газовых смесях составляет доли миллиметра. Если смесь однородна, то фронт пламени будет иметь форму сферы, а скорость его распространения по несгоревшей смеси (скорость роста радиуса сферы) для большинства газо-воздушных смесей составит несколько метров в секунду. Так как распространение пламени происходит со сравнительно низкой дозвуковой скоростью, в волне горения не происходит повышения давления (имеет место расширение продуктов горения за счет их нагревания в зоне пламени, а давление успевает выровняться по всему объему). Однако взрывное горение в замкнутом объеме сопровождается увеличением давления на стенки за счет нагрева и расширения продуктов горения. При этом повышение давления является пространственно однородным и равномерным. На рис. 23.1 кривая 1 представляет собой изменение давления во времени на стенки сосуда при взрыве смеси в замкнутом объеме.

Рис. 23.1. Изменение давления во времени на стенки, ограничивающие объем помещения при взрыве газо-воздушных смесей: 1— при взрыве в замкнутом объеме; 2— при взрыве в полузамкнутом объеме, т. е. при наличии не огражденных проемов; 3— при взрыве в объеме с отверстием, закрытым малоинерционным легко срабатываемым устройством, 4—то же, закрытым легко сбрасываемым устройством, характеризующимся некоторой инерционностью; р_о — атмосферное давление, Па; t_о — начало взрыва (момент воспламенения)

Наиболее важными параметрами, характеризующими процесс взрыва и взрывные нагрузки, являются температура и скорость распространения пламени по несгоравшей смеси (табл. 23.1).

Таблица 23.1. Параметры пламени в типичных топливно-воздушных смесях

Топливо	Максимальные значения
	температуры пламени, К	нормальной скорости пламени, м/с
Водород	2400	2,70
Метан	2230	0,34
Ацетилен	2610	1,40
Этилен	2395	0,63
Этан	2170	0,44
Пропан	2285	0,39
н-Бутан	2170	0,35

Степень расширения продуктов взрыва

ε= п_гТ_г/(п₀Т₀),

где п_г — количество газообразных продуктов взрыва, моль; n₀ — количество газообразной исходной смеси, моль; Т_г — температура продуктов взрыва, К; Г₀ — температура исходной смеси, К. Отношение п_г/п₀ обычно близко к 1, поэтому можно принимать

Давление при взрыве ГПВС в замкнутом объеме зависит от температуры горения и приблизительно равно

где у = С_р/С_v — отношение удельных теплоемкостей газа: при постоянном давлении с_р и постоянном объеме с_v. Скорость роста радиуса сферы .(в начальной стадии горения примерно до 1/3 радиуса сосуда) может приниматься равной

,

где U_н — нормальная скорость пламени, м/с, численно равная скорости выгорания смеси на единице площади пламени м³/(м²-с) .

Так как температура горения для газо-воздушных смесей примерно равна 1900. ..2400 К, то давление на стенки сосуда при взрыве ГПВС в замкнутом объеме может достигать 700. ..1000 кПа.

Время взрыва зависит от объема сосуда (помещения), в котором происходит взрыв, величины нормальной скорости пламени и степени расширения продуктов взрыва и примерно равно

где V — объем сосуда.

Время взрыва и соответственно продолжительность действия взрывной нагрузки необходимо знать для оценки степени динамичности такого типа взрывной нагрузки и соответствующего выбора метода расчета конструкций.