§ 5.6. Взрыв емкости, содержащей газ под давлением

Взрыв емкости, находящейся под внутренним давлением газа, относится к группе физических взрывов, обусловленных различными физическими процессами.

В емкостях могут находиться инертные газы под давлением, сжатые или сжиженные углеводородные газы, перегретый водяной пар и др.

Процессы, сопровождающие такие взрывы, относятся к адиабатичес-ким. Как известно, адиабатическим изменением состояния системы назы-вается такое изменение, которое протекает без обмена теплом между сис-темой и окружающей средой. Для оценки параметров рассматриваемого взрыва используется энергетический подход.

При взрыве металлической емкости, содержащей газ под давлением, об-разуются осколки, поражающее действие которых зачастую бывает опре-деляющим, а также формируется воздушная ударная волна и имеет место тепловое излучение. При этом, как и в случае взрыва ГВС, ПВС в поме-щении, имеет место соотношение , где E – энергия взрыва, - энергия, расходуемая на формирование ударной вол-ны, - кинетическая энергия осколков, - энергия, идущая на тепловое излучение.

При взрыве емкости под внутренним давлением Р инертного газа энер-гия взрыва представляется через работу адиабатического расширения газа в виде

, (5.44)

где Е, – энергия взрыва, Дж;

_Pr – давление газа в емкости, Па;

р₀ – атмосферное давление, Па;

V – объем емкости, м³;

– показатель адиабаты газа.

Значения показателя адиабаты для некоторых газов приведены в табл.34.

Таблица 34

Величина показателя адиабаты газов

Газ	γ
Воздух Аргон Гелий Насыщенный пар	1.4 1.67 1.67 1.135

При таком взрыве значения коэффициентов , , [33].

Расчет давления во фронте воздушной ударной волны при разрушении емкости проводится по формулам (5.1), (5.43), в последней из которых величина замещается на E , значение коэффициента β₁ = 0.3.

Серьезную опасность представляет разлет осколков, образующихся при разрушении емкости. Движение осколка с известной начальной скоростью можно описать системой уравнений вида

, (5.45)

где m – масса осколка, кг;

с₁, с₂ – коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы осколка соответственно;

s₁, s₂ - площадь лобовой и боковой поверхностей осколка, м²;

ρ₀ – плотность воздуха, кг/м³;

α – угол вылета осколка;

x, y – координатные оси.

Схема движения осколка показана на рис.48.

Рис.48. Схема движения и система сил, действующих на осколок в полете

F₁ – сила инерции, F₂ – сила лобового сопротивления,

F₃ – подъемная сила, F₄ – сила тяжести

Система уравнений (5.45) решается при следующих начальных условиях:

при t=0 при t=0 (5.46)

Для определения скорости используется соотношение

, (5.47)

где - суммарная масса осколков, равная массе оболочки, кг, а величины Е, имеют прежний смысл.

Решение этой системы уравнений приведено на рис. 49 [10].

1 0

10⁰

1 0^-1

10^-2

10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³

Рис.49. Система графиков для оценки дальности полета осколков

При пользовании данными рис.49 следует иметь в виду, что большинству осколков, образующихся при взрыве, присуща неправильная форма. Коэффициент подъемной силы таких осколков С₂=С_у=0 (С_у 0 для плоских осколков). Значения коэффициента С₁=С_Х для некоторых тел в зависимости от отношения ₀/а₀, где а₀ – скорость звука в атмосфере, представлены на рис.50.

/a₀

Рис.50. Значения коэффициента С_Х

1 – куб, 2 – цилиндр, 3 – шар

В приближенных расчетах для оценки дальности разлета осколков допускается использовать соотношение

, (5.48)

где - максимальная дальность разлета осколков, м;

₀ – начальная скорость полета осколков, м/с²;

= 9.81 м/с² – ускорение свободного падения.

Соотношение (5.48) получено для случая полета осколков в безвоздушном пространстве. При больших величинах ₀ оно дает завышенные значения . Дальность , определенную таким образом, следует ограничить сверху величиной

, (5.49)

где Е – энергия рассматриваемого взрыва, Дж;

– теплота взрыва тротила, Дж/кг (табл.5).

Значения получены при взрыве тротиловых зарядов в металлической оболочке (бомб, снарядов).

При взрыве емкости со сжатым горючим газом энергия Е, Дж, находится по соотношению

, (5.50)

где - масса газа, участвующего во взрыве, кг;

- теплота взрыва горючего газа, Дж/кг;

- коэффициенты, определяемые согласно (5.34), (5.43).

Масса газа в емкости до взрыва , где величины имеют то же значение, что и в формуле (5.44), а величина – плотность газа при атмосферном давлении.

Как отмечалось в § 5.4, показатель адиабаты продуктов взрыва ГВС . Более точные значения показателя адиабаты некоторых газов, используемые для расчета последствий взрыва, приведены в табл.35.

Таблица 35

Величина показателя адиабаты газовых смесей

Горючий компонент		Горючий компонент
Аммиак Ацетон Бутан Бензол Водород	1.248 1.259 1.270 1.261 1.248	Метан Пропан Этан Этилен	1.256 1.257 1.257 1.254

В рассматриваемом случае также имеет место соотношение , где - энергия взрыва, - энергия, расходу-емая на формирование воздушной ударной волны, - кинети-ческая энергия осколков, - энергия, расходуемая на тепловое излучение. Согласно данным [33] здесь коэффициенты , , .

Расчет давления во фронте воздушной ударной волны и дальности разлета осколков при известных значениях энергии взрыва Е и коэффициентов проводится по аналогии с рассмотренным случаем взрыва ёмкости с инертным газом.

Необходимо отметить различие событий, происходящих при разгерме-тизации сосудов, содержащих газ под давлением, и сосудов, содержащих сжиженные газы. Если в первом случае основным поражающим фактором являются осколки оболочки, то во втором – осколки могут не образовы-ваться, так как при нарушении герметизации баллонов с сжиженными газа-ми их внутреннее давление практически одновременно с разгерметизацией становится равным внешнему и далее вступают в действие процессы истечения сжиженного газа из разрушенного баллона в окружающую среду и его испарения. При этом в случае взрыва основными поражающими факторами являются ударная волна и тепловое излучение.

Пример. В стальном газгольдере (резервуаре) со сжатым воздухом отказало устройство стравливания избыточного давления, что привело к его взрыву. Требуется оценить дальность разлета осколков. Исходные данные: радиус газгольдера r=4м, толщина стенки =1.5 см, давление в газгольдере в момент его разрушения Р = 2.3 МПа.

Решение. 1. Определяем внутренний объем газгольдера

м³.

2. Вычисляем массу оболочки

.

3. По формуле (5.44) находим энергию взрыва

Дж.

4. По соотношению (5.47) вычисляем начальную скорость полета осколков, принимая значения коэффициента

м²/с²

Отсюда V₀ ≈ 230 м/с.

5. По соотношению (5.48) вычисляем максимальную дальность разлета осколков

м.

6. По соотношению (5.49) находим величину

м.

Так как значение не должно превышать значение , максимальная дальность разлета осколков оценивается величиной 1390 м.