10.2. Сжатые газы

В промышленности часто приходится сжимать как инертные (азот, диоксид углерода, фреоны, воздух), так и горючие газы. При этом сжатый газ (пар) находится в герметичных сосудах различных геометрических форм и объемов. Однако в ряде случаев сжатие газов (паров) в технологических системах происходит случайно вследствие превышения регламентированной скорости нагрева жидкости внешним теплоносителем или в результате неуправляемой экзотермической химической реакции в жидкой фазе, а также других химических превращений с газообразованием без взрывных химических процессов.

При взрывах сосудов от превышения давления могут возникать сильные ударные волны, образуется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям и травмам. При этом общая энергия взрыва переходит в основном в энергию ударной волны и кинетическую

энергию осколков. Составляющие общей энергии взрыва Е – это энергия волны Е_р и кинетическая энергия Е_к, которые могут быть определены по формулам, приведенным выше (см. п. 8.2). Общая энергия взрыва Е определяется по формуле:

Е = [(Р₂ – Р₁)/(k -1)]V₁

или рассчитывается как работа адиабатического расширения сжатого газа А по формуле:

Е = А Р₁V₁ (1 – Р_о/Р₁) ,

где k – показатель адиабаты;

Р₁ – начальное авление в сосуде;

V₁ – начальный удельный объем газов;

Р_о – атмосферное давление.

Для технологических объектов с высокими значениями параметров сжатых газов и энергетических потенциалов Е уровень опасности можно оценивать по энергетическим балансам как ударных волн (Е_р = 0,6 – 0,4 Е), так и разлета осколков (Е = 0,4 – 0,6 Е).

При оценке разрушающей способности сосудов со сжатыми газами пренебрегают влиянием осколков на взрывную волну, а учитывают лишь уменьшение энергии взрыва на величину кинетической энергии осколков. Кроме того, принимают, что отрицательный удельный импульс близок по абсолютному значению к положительному. Заметим, что при взрывах высокоэнергетических взрывчатых веществ отрицательный импульс пренебрежимо мал по сравнению с положительным.

При разрушении сосудов со сжатыми горючими газами (парами) высвобождение энергии может сопровождаться образованием парового облака и последующим его взрывом. При мгновенном ( практически одновременном) воспламенении выбрасываемых газов (паров) при разрушении сосудов масштабы разрушения можно прогнозировать по сумме энерговыделения расширяющихся газов и сгорания их в атмосфере.

10.3. Взрывоопасные парогазовые смеси

В парогазовой среде взрывоопасными могут быть как индивидуальные нестабильные соединения, так и смеси горючих веществ с окислителями. Склонность к взрывному термическому разложению индивидуальных веществ и взаимодействию веществ в смесях определяется химическим строением вещества и количеством тепла, выделяемого при химической реакции.

Типичными нестабильными индивидуальными соединениями, способными взрываться без участия окислителей в условиях технологических процессов, можно считать некоторые непредельные углеводороды алифатического ряда, например ацетилен. При его взрывном разложении в отсутствие кислорода или других окислителей выделяется 8,7 МДж/кг энергии, которой достаточно, чтобы разогреть продукты реакции до 2800^оС.

Основными показателями разрушающей способности взрывных процессов термического разложения неустойчивых соединений в газовой фазе, так же как и в случае конденсированных взрывчатых веществ, могут быть энергетические потенциалы, тротиловый эквивалент, плотность и скорость энерговыделения, избыточное давление взрыва и другие параметры взрывной волны.

На объектах экономики наибольшую опасность представляют взрывы парогазовых смесей горючих веществ с окислителями как в замкнутых объемах (сосудах), так и вне их. Стехиометрическому соотношению компонентов горючей смеси соответствуют наиболее высокие параметры взрывоопасности. Значения температуры пламени, скорости горения и других параметров взрыва тем больше, чем ближе соотношение компонентов к стехиометрическому. Такие смеси характеризуются минимальными температурами самовоспламенения, то есть достигаются условия для перехода дефлаграционного горения в детонационный режим.

Важной особенностью парогазовых смесей является наличие концентрационных пределов воспламенения, то есть интервалов составов горючей смеси от нижнего – НКПВ («бедного») до верхнего – ВКПВ («богатого») предела содержания горючего вещества, при котором возможно самостоятельное распространение пламени.

В производственных условиях технологические процессы в большинстве случаев протекают вне области концентрационных пределов воспламенения. Однако при различных неполадках и аварийных ситуациях возникают условия для образования горючих паровоздушных смесей как в замкнутых объемах, так и в неорганизованных паровых облаках больших масс.

Показатели разрушающей способности взрывов парогазовых сред с учетом их плотности взрывоопасной среды оказываются сопоставимыми с теми же параметрами конденсированных взрывчатых веществ. В таблице 10.1 приведены взрывоопасные характеристики конденсированных взрывчатых веществ и парогазовых сред.

Таблица 10.1

Параметры	Конденсированное ВВ	Парогазовая смесь
Плотность вещества, , кг/м3	1,5∙103-2,0∙103	1,2 -2,2
Плотность энерговы- деления, qv? МДж/м3	0,4∙104-1,1∙104	1,0-1,5
Масса заряда тротила (тротиловый эквива- лент), W, кг	0,3–1,9	0,3 -2,6
Давление взрыва, Рмакс, МПа	0,5∙104-4,0∙104	0,7-1,0

Как видно из таблицы 10.1 уровень разрушающей способности ударных волн существенно зависит от плотности взрывоопасной среды. Если плотность парогазовых смесей на три порядка меньше плотности конденсированных взрывчатых веществ, то примерно на четыре порядка оказываются меньше давление взрыва, удельная плотность энерговыделения и другие параметры, характеризующие разрушающую способность ударных волн при одинаковых значениях тротилового эквивалента.

Аварии, связанные со взрывом парогазовоздушных смесей в большинстве случаев сопровождаются выбросами из сосудов (технологических аппаратов) значительного количества взрывоопасных веществ, разрушениями оборудования или конструкций, пожарами. Авариям, как правило, предшествуют аварийные ситуации, то есть отклонения параметров оборудования и технологического режима от нормальных.