Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Расследование пожаров / Cheshko - Analiz versiy vozniknoveniya pozhara. Kniga 2 2012

.pdf
Скачиваний:
323
Добавлен:
31.03.2021
Размер:
16.22 Mб
Скачать

Глава 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

Взрывы пылей происходят в основном по дефлаграционному механизму (взрывное горение). Переход к детонации возможен в длинных штольнях шахт, на конвейерных линиях зернохранилищ большой протяженности за счет турбулизации пыли. Возникновение облаков аэрозолей из осевшей ранее пыли (аэрогеля), их воспламенение и взрыв могут быть инициированы слабым взрывом какой-либо газовоздушной смеси, например, взрывом метана в шахтах [4].

Подробнее об этом – см. ниже, раздел 13.11.

Взрывы продуктов неполного сгорания веществ и материалов

Взрывы продуктов неполного сгорания и распространение горения по продуктам неполного сгорания – достаточно распространенное для пожаров явление. Термическое разложение веществ и материалов в условиях недостатка воздуха, горение в помещениях в условиях ограниченной вентиляции приводит к образованию газообразных продуктов неполного сгорания (оксид углерода, альдегиды и др.). Такая фаза (включая мелкодисперсные твердые частицы дыма) способна распространять горение («пробежка пламени»), а также взрываться («обратная тяга», она же «эффект сауны»).

Подробнее об этом – см. ниже, раздел 13.12.

Прочие виды взрывов

Ядерные взрывы. При ядерных взрывах высокое давление создается огромным количеством тепла, выделяющимся в результате деления или синтеза ядер атома.

В данном издании они не рассматриваются.

Электрические взрывы. Мощные электрические дуги могут выделять достаточно тепла для взрыва. Быстрое нагревание окружающих газов может привести к физическому (механическому) взрыву, который, в свою очередь, может привести к пожару. Результатом электрического взрыва является, в частности, звук грома, сопровождающий молнию.

Электрические взрывы достаточно редки, возможны на трансформаторных подстанциях и подобных высоковольтных установках.

13.2.Действие взрыва

Фугасное действие

Бризантное действие

Осколочное действие

Тепловое действие

Сейсмический эффект

Понятия «очаговых» и «неочаговых» взрывов

Фугасное действие

Фугасноедействиевзрываобуславливаетсядействиемвоздушнойударнойволны. Действиеударной волны характеризуется избыточным давлением на фронте волны и импульсом фазы сжатия, под которым понимается произведение давления на время его действия (точнее – интеграл от избыточногодавленияповремени) [3]. Фугасноедействиевоздушнойволныможетпроявлятьсявоткрытых(не ограниченных) изамкнутых(ограниченных) объёмах. Результатомеедействияявляютсяразрушения различных сооружений и конструкций, находящихся на определённом расстоянии от его источника.

При взрывах конденсированных ВВ на образование ударной волны расходуется практически вся энергия взрыва (более 90 %). При взрывах газо-паро-воздушных смесей отношение энергии

11

И.Д. Чешко, В.Г. Плотников. Анализ экспертных версий возникновения пожара

воздушной ударной волны к теплоте сгорания смеси составляет около 40%. Остальная часть энергии остается в нагретых продуктах взрыва и частично разогретом ударной волной воздухе.

Доля энергии, перешедшей в ударную волну при дефлаграции, меньше, чем при детонации. Так, длявидимойскоростигоренияпаровогооблакапорядка200 м/сонасоставляетоколо30% [3, 5].

Поврежденияпривзрыве,обусловленныеизбыточнымдавлениемударнойволны,характеризуются данными, приведёнными в таблице 13.3.

Таблица 13.3

 

Повреждения ударной волной при взрыве [3, 5, 12]

 

 

 

Избыточное давление

Характер повреждения

ударной волны, кПа

 

 

1

2

3

1

0,1

Раздражающий звук (137 децибел) с низкой частотой

2

0,2

Случающаясяиногдаполомкабольшихстёколвокнахврезультатедеформации

3

0,3

Громкий звук (143 децибела); повреждение стёкол; 5%-ное разрушение

0,5

остекления

 

4

1,1

Типичное давление, вызывающее повреждение стёкол

 

 

«Безопасная дистанция» (более низкое давление не вызывает серьёзных

5

2,1

повреждений). Некоторые повреждения обшивки домов;

 

 

Разрушение до 10% оконных стёкол

6

2,8

Незначительные повреждения конструкций

7

4,0

90%-ное разрушение остекления, иногда повреждение оконных рам

8

5,0

Незначительные повреждения конструкций домов

 

 

 

9

7,2

Частичное повреждение домов до состояния, при котором проживание

в них становится невозможным

 

 

 

 

Разрушение асбоцементного шифера. Гофрированные стальные

10

8,5

и алюминиевые панели ослабевают в креплении и подвергаются изгибу.

 

 

Деревянные панели не только ослабевают в креплении, но и разлетаются

11

9,2

Стальные конструкции здания слегка искривляются

 

 

 

12

14,2

Частичное разрушение стен и кровли домов

13

14,2-21,4

Разрушаются не укреплённые стены из бетона и шлаковых блоков

 

 

 

14

16,4

Нижний предел серьёзных повреждений конструкций

15

17,8

50%-ное разрушение кирпичной кладки здания

16

21,4

Тяжёлые машины (до 1,35 т) в промышленных зданиях подвергаются

 

 

небольшим повреждениям. Стальные конструкции зданий изгибаются

 

 

и выдёргиваются их основания

17

21,4-28,5

Разрушение бескаркасных сооружений, склёпанных из стальных панелей.

 

 

Разрушение танков – масляных хранилищ

18

28,5

Отрыв покрытий лёгких промышленных зданий

 

 

 

19

35,6

Растрескивание деревянных столбов (телеграфных и др.). Слегка

 

 

повреждаются высокие гидравлические прессы (весом 1,8 т)

20

35,6–49,9

Почти полное разрушение домов

21

49,9

Перевёртывание тяжело гружёных ж/д. вагонов

22

49,9–57,0

Кирпичные стены (200-300 мм), не укреплённые, теряют прочность

 

 

в результате сдвига или изгиба

23

64,1

Тяжёлые грузовые ж/д. вагоны полностью разрушаются

 

 

 

24

70,0

Разрушение более 75% внутренней кирпичной кладки зданий

 

 

 

25

71,2

Возможно общее разрушение зданий. Тяжёлые (более 3 т) машины и станки

 

 

передвигаются и очень сильно повреждаются. Очень тяжёлые (более 5 т)

 

 

машины и станки сохраняются

 

 

 

12

Глава 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

В качестве комментария к данной таблице заметим, что приведенные в ней цифры весьма относительны, и могут использоваться в экспертных исследованиях только как сугубо ориентировочные. Так, например, возможность разрушения оконного остекления и окон в целом существенно зависит от их конструкции, размеров, толщины стекла, качества изготовления. В [8] отмечается, что плохо застекленные окна разрушаются при давлении 7,1 кПа, тогда как хорошо застекленные не разрушаются даже при достижении давления в 14 кПа.

Современные стеклопакеты выдерживают гораздо большие нагрузки, чем обычные окна. Были пожары, сопровождавшиеся вспышками в помещении, при которых стеклопакеты вместе с рамами вырывало из стенки дома и выбрасывало наружу; при этом стекла оставались целыми.

Влияние природы горючего вещества на величину давления взрыва

В одинаковых условиях взрывы различных по природе горючих паров и газов обеспечивают различное термобарическое воздействие и, соответственно, различные повреждения ударной волной.

Известно, что наибольший уровень давления взрыва обеспечивают смеси на основе водорода. Менее опасны в данном случае смеси на основе этана, пропана, бутана. Наименьшее давление взрыва(припрочихравныхусловиях) обеспечивают, какотмечаетсяв[65], смесиметанасвоздухом

Хлористый винил по уровню опасности сравним с этиленом.

Некоторые вещества, лишь условно относимые к горючим, могут приводить к опасным взрывам. В частности, аммиак, широко используемый в промышленных холодильных установках, горит очень медленно, но в условиях замкнутого пространства взрывоопасен [14,65].

Классификация прочих горючих паров и газов по подгруппам взрывоопасности приведена ниже, в разделе 13.3 (табл. 13.4).

На степень повреждений влияют конструктивные особенности зданий и рельефа местности. Следует также учитывать, что при отражении ударной волны, взаимодействии её с преградами или другой волной ударное действие существенно увеличивается (см. ниже). Большие повреждения наблюдаются в наиболее прочных и герметичных зданиях, на конструкциях, находящихся на пути распространения ударной волны.

Отличаются друг от друга по последствиям взрывы в замкнутых объёмах и на открытом пространстве.

Взрывы в замкнутых объёмах

Существуют два отчётливо выраженных предельных случая для взрывов горючих газов, паров

ипылей в замкнутых объёмах [5].

1)Если отношение длины к диаметру данного объёма (L/D) ~1 и если пространство не слишком загромождено оборудованием, перегородками и т.п., то после загорания газов и паров происходит просто дефлаграционное горение. Скорость повышения давления в этом случае невелика и в первую очередь будут разрушаться наименее прочные детали (окна, двери, и др.) В случае однородной по прочности конструкции здания подъём крыши и разрушение всех стен здания произойдут одновременно. В остальных помещениях, подобных трюму корабля или котлу, оболочка будет стремиться принять сферическую форму до тех пор, пока разрыв не даст выход продуктам сгорания.

Врассматриваемомслучаевзрывнаяволнаявляетсяслабой. Наблюдаемое, темнеменееразрушение зданий, сооружений, котлов и т.д. объясняется тем, что они не являются очень прочными сооружениями и разрушаются или повреждаются при низком избыточном давлении (от 7 до 70 кПа).

2)ЕслизамкнутыйобъемимеетбольшоеотношениеL/D иливнёмсодержитсярядпрепятствий (например, крупное оборудование, внутренние перегородки) то возникающие взрывы отвечают другому предельному случаю. При загорании расширяющиеся продукты сгорания вызывают движение газа перед фронтом пламени и тем самым генерируют турбулентность и крупномасштабные

13

И.Д. Чешко, В.Г. Плотников. Анализ экспертных версий возникновения пожара

вихри в местах контакта потока с препятствиями. Это в свою очередь способствует быстрому увеличению эффективной поверхности пламени, росту давления и усилению взаимодействия пламени с образующимися вихрями. Процесс может привести к детонации газовой фазы в некоторых частях объёма. В областях детонации внутренне давление может достигнуть ~ 1,5 МПа за промежуток времени менее 1 мс и вызвать сильные локальные разрушения. Следует отметить, что макси-

мальные разрушения наблюдаются не в точке загорания, а на наиболее удалённом от неё участке ограничивающего объёма.

В рассматриваемомслучае происходящие взрывы создают сильные взрывные волны, сообщают высокую скорость осколкам и вызывают более серьёзные повреждения окружающих объектов, чем простые взрывы за счёт избыточного давления [5, 13].

Взрывы на открытых пространствах

Взрывыоблаковгорючихпаровигазовявляютсярезультатомвыходаватмосферугаза, параили выброса мелкодисперсной жидкости (аэрозоля) с образованием облака в пределах взрывоопасных концентраций и последующего его зажигания.

В литературе это явление также называется «взрывом неограниченного облака паров» [2].

Взрывы облаков паров вне помещений обычно происходят на обогатительных фабриках, в местаххранениягорючихжидкостейилигорючихгазовиливтранспортныхсредствахбольшогоразмера (например, железнодорожные цистерны). Классическим примером такого взрыва является взрыв циклогексана в 1974 году во Фликсборо, Англия [2, 5].

В России подобный по механизму и тяжести последствий инцидент произошел в 80-х годах прошлого века под Уфой, когда взрывоопасное облако образовалось в результате разрыва магистрального газопровода. Взрыв произошел во время прохождения через зону образовавшегося облака скорого поезда и привел к массовым человеческим жертвам.

Другой случай имел место в начале 90-х годов под Белгородом, когда 2 пассажирских состава сгорели в результате воспламенения облака паров изопентана, выливавшегося из разрушенной железнодорожной цистерны (см. далее).

Для взрыва в условиях частичного ограничения пространства требуется наличие критической массы порядка нескольких тонн углеводородов, тогда как для взрыва в неограниченном пространстве – порядка нескольких сотен тонн углеводородов [4].

Считается, что масштабы возможных разрушений при взрывах парогазовых сред в помещениях в 3–5 раз превышают тяжесть последствий на открытых установках [5].

Эффект воздействия фронта ударной волны взрыва

Газы, выделяющиеся при взрыве, и воздух, приводимый в движение газами, образуют фронт давления, который, передвигаясь, в первую очередь и вызывает разрушения.

Фронт давления взрыва состоит из двух разных фаз волн. Это фазы положительного (позитивного) давления и отрицательного (негативного) давления [2] или, как их еще называют ударной волны и волны разряжения [65].

Типичная схема давления при идеальном случае детонации показана на рис. 13.2 и состоит из позитивнойинегативнойфазы. Зонаподкривойдавления-времениназывается«импульсом» взрыва[1].

Фаза позитивного давления (ударная волна). Фаза позитивного (положительного) дав-

ления – это та часть фронта давления взрыва, в которой расширяющиеся газы движутся от точки взрыва. Позитивная фаза, как правило, более мощная и причиняет большую часть разрушений.

Фаза негативного давления (волны разряжения). Очень быстрое передвижение взрывной от места взрыва смещает, сжимает и нагревает воздух. В эпицентре создается низкое давление (разряжение) воздуха и когда фаза позитивного давления заканчивается, воздух возвращается обратно в зону эпицентра, чтобы уравнять давление, создавая, таким образом, фазу негативного давления.

14

Глава 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

Рис. 13.2. Взрывной волновой пакет при взрыве в открытом пространстве [65]

Фаза негативного давления обычно гораздо меньшей силы, чем фаза положительного давления, но время ее воздействия может быть существенно более длительным. Этого может быть достаточно для того, чтобы причинить дополнительные разрушения или привести к полному разрушению строения, которое уже было ослаблено при фазе позитивного давления. Мешает фаза отрицательного давления и экспертному исследованию места взрыва, поскольку искажает первоначальную картину взрыва, передвигая обломки конструкций, предметы.

Последствия воздействия фазы отрицательного давления особенно выражены при вспышках (взрывах) ГПВС. Такие последствия часто рассматриваются как один из квалификационных признаков этих взрывов (см. далее, раздел 13.12).

В военной сфере подобные эффекты проявляются при взрывах объемно-детонирующих систем (так называемых «вакуумных» бомб).

Форма и направление движения фронта ударной волны. При идеальных условиях (теорети-

чески) форма фронта взрыва должна быть сферической. Он должен распространяться одинаково во всехнаправленияхотэпицентра. Вреальныхусловияхнаправлениевзрывнойволныможетменяться в зависимости от ряда факторов.

Так, например, отверстия в емкости или оконные, дверные проемы в строении могут способствовать выходу взрывной волны наружу и разрушениям за пределами емкости или строения.

Ударная волна может также отражаться от твердых препятствий и менять направление, увеличивая или уменьшая давление в зависимости от характеристик препятствия. После того, как топливо будет израсходовано, сила фронта давления расширяющегося взрыва будет уменьшаться с увеличением расстояния от эпицентра взрыва [3].

Для обеспечения локального направленного действия взрывной волны существуют кумулятивные заряды, применяемые, например. при проведении горных работ.

Скорость нарастания давления при взрыве

Разрушения, возникающиеподдействиемударнойволны, зависятнетолькоотполногоколичества энергии, выделяющейся при взрыве и максимального давления взрыва, но и, в значительной степени, от скорости нарастания давления при взрыве. Не случайно этот параметр входит в перечень показателей, характеризующих пожаро- и взрывоопасность газов, жидкостей и пылей [14].

15

И.Д. Чешко, В.Г. Плотников. Анализ экспертных версий возникновения пожара

Относительно медленный подъем давления создает «эффект толкания», наблюдаемый при разрушениях малой силы. Более слабые части ограждающих конструкций, такие, как окна и швы, будут повреждены в первую очередь. За счет их разрушения происходит сброс давления взрыва и уменьшается его разрушительное действие.

При взрывах, при которых давление повышается очень быстро, может оказаться недостаточно времени, чтобы успел проявиться эффект сброса давления за счет отверстий, проёмов и т.д. Разрушения ограничивающей емкости или ограждающих конструкция здания (помещения), будут в этом случае гораздо больше. Обломки конструкций и предметов будут отброшены на большие расстояния.

Бризантное действие взрыва

Бризантное (дробящее) действие проявляется только у конденсированных ВВ на расстоянии 3-4 радиуса заряда. В результате бризантного действия образуются сколы, воронки, локальные пробои на стенах за счет непосредственного действия продуктов взрыва. Для ГПВС такое действие не характерно вообще [15-17].

Материалов, выдерживающих бризантное действие взрыва, в природе не существует, поэтому следыбризантногодействияконденсированныхВВ, какправило, проявляютсяимогутбытьзафиксированы в процессе осмотра места пожара (взрыва).

Осколочное действие

Осколочное действие взрывов иногда называют «эффектом шрапнели». Когда контейнеры, резервуары или иные объекты, содержащие или ограничивающие фронт движения взрывной волны, разрушаются, они часто образуют куски (фрагменты), которые могут разлетаться на очень большие расстояния. Этикускииназываются«шрапнелью». Осколкимогутпричинитьбольшиеразрушения ителесныеповреждениянаоченьбольшомрасстоянииотместавзрыва. Ктомужешрапнельможет повредить линии электропередач, газопроводы и другие пожароопасные объекты, тем самым, приводя к пожарам или дополнительным взрывам.

Разлёт осколков при взрыве часто дополняется метанием плохо закреплённых объектов.

Если источником взрыва является заряд мощного конденсированного ВВ, то при разрушении контейнера или оболочки образуется множество мелких осколков, разлетающихся со скоростями до нескольких километров в секунду [13]. При взрывах же сосудов под давлением, ёмкостей с го- рючимигазамиижидкостямиможетобразоватьсявсего1-2 первичныхосколка. Осколкиэтоготипа являются телами плохообтекаемой формы, они ускоряются при взрыве лишь до скорости порядка сотен метров в секунду. Таким образом, взрывы конденсированных ВВ обладают гораздо более выраженным осколочным действием и гораздо более опасны с точки зрения образования осколков (фрагментации), чем взрыв парового облака.

Дистанция, на которую разлетаются осколки, сильно зависит от их первоначального направления. Другими факторами являются вес и аэродинамические характеристики. Реальные расстояния, которые могут пролететь эти шрапнели, сильно зависят от аэродинамических условий и рикошета.

Тепловое действие

На всех химических взрывах выделяется большое количество тепла, которое нагревает газообразные продукты сгорания и окружающий воздух до высокой температуры. Тепловое воздействие взрыва может привести к загоранию находящиеся поблизости горючих веществ и материалов или вызвать ожоги у людей и животных.

Характер и глубина термических повреждений зависят от природы горючего вещества, участвующего во взрыве так же, как и от длительности воздействия максимальной температуры. Детонирующие взрывы обеспечивают воздействие очень высоких температур в весьма ограниченное время, в то время как дефлаграционные взрывы дают более низкие температуры, но на гораздо большие периоды времени [2].

16

Глава 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

Тепловое действие взрыва наиболее выражено при взрывах паро- газо-воздушних смесей и в значительно меньшей степени – при взрывах конденсированных ВВ.

Тепловое воздействие взрыва могут дополнять «огненные шары» и различные твердые горящие фрагменты. Огненные шары могут возникать на мгновение во время или после взрыва ПГВС и сопровождаются тепловым излучением высокой интенсивности. Они, а также горящие фрагменты материалов, конструкций, отдельных изделий, разлетающиеся от места взрыва, могут служить причиной возникновения пожаров на значительном расстоянии от собственно центра взрыва.

Сейсмический эффект

Когда движется взрывная ударная волна и части разрушенных строений падают на землю, по почве могут распространяться значительные сейсмические или земляные колебания. Эти сейсмические эффекты, которыми можно пренебречь при взрывах малой мощности, при сильных взрывах могут приводить к дополнительным разрушениям зданий и подземных сооружений, трубопроводов, цистерн и кабелей [2].

Понятия «очаговых» и «неочаговых» взрывов

Выше, в разделе 13.1, взрывы по природе своей были разделены на физические, химические, ядерные и др.

Существует, однако, иихделениевсоответствиисхарактером возникающих разрушений – по этому принципу взрывы делят на очаговые и неочаговые [2, 12]. С точки зрения применения при исследовании и экспертизе пожаров, усвоение этих понятий, безусловно полезно, т.к. позволяет по наличию или отсутствию разрушений в центре взрыва и характеру этих разрушений, очертить круг возможных причин взрыва.

«Очаговые взрывы»

«Очаговыми» называют взрывы, при которых на окружающих конструкциях и предметах чётко формируется так называемый «очаг взрыва». Это может быть кратер или иная зона экстремально больших повреждений, расположенная в точке возникновения (центре) взрыва.

«Очаги» могут быть любого размера в зависимости от материалов, участвующих во взрыве. Обычно они находятся в пределах от нескольких сантиметров до нескольких метров в диаметре и представляют собой ясно различимый кратер в измельченной почве, материале или конструкции, вокруг него – менее поврежденные зоны. Выброшенный из кратера материал может быть и большими камнями, кусками материала, и мелкой пылью.

Толькоопределенныевиды«горючего» специфическоготипаиликонфигурациимогутпроизводить «очаговые» взрывы. В основном это конденсированные взрывчатые вещества (ВВ), а, кроме того, паровые котлы; горючие газы или пары горючей жидкости, находящиеся в прочной емкости; BLEVE, происходящие в относительно малых емкостях, таких как консервные банки и т.п. [2, 12].

Взрыв котла и иных емкостей под давлением часто формирует признаки «очагового» взрыва из-за своей высокой энергии, высокой скорости высвобождения давления и ограниченного района возникновения.

Горючие газы или воспламеняемые пары жидкости, будучи заключенными в ограничивающие емкости (бочки или небольшие цистерны) небольшого размера, также могут производить «очаговые» взрывы.

Взрыв расширяющихся паров кипящей жидкости производит «очаговый» взрыв, если ограничивающая емкость (бочка ил небольшая цистерна) имеет малые размеры, и скорость высвобождения энергии при разрыве емкости достаточно велика [2].

«Неочаговые» взрывы

Неочаговые взрывы происходят чаще всего, когда топливо (горючее вещество) рассеяно во время взрыва в воздухе. Взрыв в этом случае обычно имеет характер дефлаграционного горения.

17

И.Д. Чешко, В.Г. Плотников. Анализ экспертных версий возникновения пожара

Отмечается, правда, что при определенных условиях неочаговые взрывы могут возникать и при детонации [2].

Обычно же неочаговые взрывы обеспечивают: а) горючие газы;

б) разлитые легковоспламеняющиеся и горючие жидкости; в) пыли; г) газообразные продукты неполного сгорания.

13.3. Особенности разрушений при взрывах газов и паров

Некоторые особенности разрушений при таких взрывах уже описаны выше. В частности, то, что они проявляют себя как неочаговые взрывы, имеющие выраженную фазу отрицательного давления, не обладающие бризантным и осколочным действием, но, наоборот, имеющие выраженное тепловое действие.

Нужно отметить, что взрывы ПГВС внутри помещений часто формируют мощные воздушные потоки в межквартирных и межкомнатных коридорах, проходах. Именно эти потоки, а не ударные волны, приводят, как отмечается в [6], к выбросу фрагментов строительных конструкций и предметов из здания. Хотя само первоначальное разрушение конструкций происходит под действием избыточного давления.

Возникают при этом и характерные разрушения, деформации. На рис. 13.3 показан остаточный прогиб оконной решетки после взрыва газа в квартире. Такое повреждение конструкции, по мнению [6], мог нанести только скоростной напор струи, истекающей из квартиры.

Рис. 13.3. Деформация оконной решетки

Рис. 13.4. Характерное разрушение

после газового взрыва в квартире [6]

оконного стекла при взрыве [82]

Оконные стекла при взрыве также имеют разрушения, отличные от тех, которые возникают при механическом ударе, а также при нагреве в ходе пожара или резком охлаждении при его тушении. Характерное разрушение стекла под действием давления взрыва показано на рис. 13.4.

Разрушения конструкций зданий могут быть локальными (ограничиваться объёмом одного помещения, квартиры и т. д.) или более обширными, охватывающими несколько этажей и подъездов здания или здание в целом.

18

Глава 13. Дефлаграционное горение и взрывы пыле-паро-газо-воздушных смесей

Процесс разрушения может проходить в несколько этапов. Характерным примером такого рода является взрыв газа в девятиэтажном жилом доме в г. Астрахани 27 февраля 2012 года. В результате взрыва сначала обрушились 3 нижних этажа здания, а через 5 минут рухнули конструкции вышерасположенных шести этажей (рис. 13.5).

а)

б)

Рис. 13.5 Этапы (а) и последствия (б) разрушения подъезда жилого здания

(27.02.2012, г. Астрахань)

Характер и степень разрушения строений (малых и больших) при взрыве ПГВС зависит от разныхфакторов. Внихвходятхимическаяприродапаровигазов, соотношениевовзрывающейсясмеси топлива и воздуха, плотность паров топлива, наличие или отсутствие эффекта турбулентности и его степень, объем занимаемого пространства, расположение и величина источника зажигания, наличие отверстий и прочность строения. Рассмотрим их более подробно.

1) Химическая природа паров и газов

Режим и последствия взрывов газовых и парогазовых смесей зависят, как уже отмечалось выше, отхимическойприродыгорючеговещества. Внастоящеевремявещества, поихсклонностиквозбуждению разрушительных взрывных процессов разделяют на 4 подгруппы, указанные в таблице 13.4.

19

И.Д. Чешко, В.Г. Плотников. Анализ экспертных версий возникновения пожара

Таблица 13.4

Подгруппы взрывоопасных паров и газов [65 по данным 70-73]

Подгруппа

Вещества

 

 

1. Особо чувствительные вещества

Ацетилен, винилацетилен, водород, гидразин, изопропилнитрат,

метилацетилен, нитрометан, оксид этилена, оксид пропилена

 

 

 

2. Чувствительные вещества

Акрилонитрил, акролеин, бутан, бутилен, бутадиен, 1,3-пентадиен,

пропан, пропилен, сероуглерод, этан, этилен; диметиловый, дивиниловый,

 

метилбутиловый эфиры; широкая фракция легких углеводородов

 

 

3. Умеренно чувствительные вещества

Ацетальдегид, ацетон, бензин, винилацетат, винилхлорид, гексан,

печнойгаз,изооктан,метиламин,метилацетат,октан,пиридин,сероводород;

 

метиловый, этиловый, пропиловый, амиловый спирты.

 

 

4. Слабо чувствительные вещества

Аммиак, декан, дизельное топливо, дихлорбензол, додекан, керосин,

метан, метилбензол, метилмеркаптан, метилхлорид, нафталин, оксид

 

углерода, хлорбензол, фенол, этилбензол.

 

 

2) Соотношение воздуха и топлива

Взрывы, которые происходят в смесях при или около нижнего концентрационного предела взрыва (НКПВ) или верхнего предела взрыва (ВКПВ) газа или пара, менее сильны, чем те, которые происходят при оптимальной концентрации, т.е., около или чуть больше стехиометрической (см. выше в разделе 13.1 – «богатые» и «бедные» смеси).

Взрывы смесей возле нижнего предела (НКПВ) обычно не приводят к активному послевзрывному пожару, так как почти все горючее расходуется во время взрыва.

Взрывы смесей с концентрацией возле верхнего предела (ВКПВ), наоборот, часто приводят к активному горению после взрыва, так как эти смеси богаты топливом и сгорание оставшегося (не участвующего непосредственно во взрыве) топлива способствует развитию «послевзрывного» пожара. Частоизбытокгорючего, находящийсявзонесконцентрациейсмесивышеверхнегопредела, загорается только после того, как смешается с воздухом во время взрыва и сопровождающей его турбулизации атмосферы или во время фазы негативного давления. Это обеспечивает последующий пожар, а иногда и повторные взрывы.

Самый сильный взрыв почти всегда происходит в смесях с концентрацией немного выше или равной стехиометрической. Эти смеси лучше всего горят и, следовательно, имеют наибольшую скорость распространения пламени, скорость подъема давления, максимум давления. Соответственно, именно они причиняют наибольшие повреждения.

Изложенные выше сведения представляют определенный интерес ещё и с той точки зрения, что характер взрыва и горения после взрыва, характер возникших разрушений помещения взрывом, могут указывать на соотношение воздуха и топлива в смеси во время зажигания.

3) Плотность паров. Плотность газов или плотность паров топлива может значительно влиять на характер разрушений от взрыва. Это особенно верно в жилых помещениях и других строениях.

Газы и пары тяжелее воздуха (плотностью более 1,0), такие, как пропан-бутановая смесь (сжиженный бытовой газ), распространяются внизу; газы легче воздуха, такие как природный газ, водород, аммиак, поднимаются вверх и накапливаются вверху. Например, признаки горения после взрыва в «карманах» между потолочными перекрытиями могут скорее указывать на топливо легче воздуха, чем на газы или пары тяжелее воздуха. Из-за своей высокой летучести и стремления подниматься вверх, газы легче воздуха создают меньше опасных ситуаций, чем газы тяжелее воздуха, которые могут скапливаться в подвалах, колодцах и цистернах.

Из указанных выше закономерностей не следует, однако, делать слишком примитивных вы-

водов. «Раньше считалось...» – пишется в [2] – «...что если стены сооружения были повреждены взрывом на уровне пола, горючий газ был тяжелее воздуха и наоборот, если стены повреждены на уровне потолка, газ был легче воздуха. Поскольку давление взрыва распространяется по комнате

20