Задача 1

Визначення стійкості промислового обладнання у надзвичайних ситуаціях до дії ударної хвилі при вибуху газоповітряної суміші

Вихідні дані:

• ємність з вуглеводневим газом Q=3 т;

• козловий кран віддалений від можливої точки вибуху на відстань r=300 м;

• площа крану S=100 м²;

• маса крану m=100000 кг;

• коефіцієнт аеродинамічного опору С_х=1,45 (значення коефіцієнтів за табл. 1.3);

• коефіцієнт тертя f=0,15 (значення коефіцієнтів за табл. 1.4);

• плече сили ваги а=10 м;

• плече сили, що зміщує h=20 м.

Визначити:

1. Можливість зсуву, перекидання крану при дії ударної хвилі вибуху газоповітряної суміші.

2. Скласти таблиці результатів при зсуві крану і при перекиданні.

3. В обраному масштабі накреслити схему зон осередку вибуху газоповітряної суміші (ГПС). Положення крану в осередку вибуху ГПС.

Розв'язання

1. Визначаємо радіус зони детонаційної хвилі за формулою:

r_I =17,5 * = 17,5 * = 17,5 * 1,44 = 25,2 (м)

2. Визначаємо радіус зони дії продуктів вибуху за формулою:

r_ІІ = 1,7* r_I = 1,7 * 25,2 = 42,84 (м).

3. Визначаємо положення крану в зонах вогнища вибуху шляхом порівняння відстані від ємності з газом з радіусами зон (рис. 1.1) Оскільки r > r_І і r > r_ІІ, робимо висновок, що кран знаходиться в зоні дії повітряної ударної хвилі r_ІІІ (III зона).

Рис. 1.1. Розташування крану у вогнищі вибуху газоповітряної суміші:

I – зона детонаційної хвилі з радіусом r_I = 25.2 м;

II – зона дії продуктів вибуху з радіусом r_II = 42.84 м;

III – зона повітряної ударної хвилі з радіусом r_III =300 м.

4. Визначаємо відносну величину Ψ за формулою:

Ψ = 0,24 * = 0,24 * = 0,24 * 11,9 = 2,86

5. Визначаємо надлишковий тиск повітряної ударної хвилі для III зони при Ψ ≥ 2 за формулою:

ΔP_III = = = = 9,74 кПа

6. Визначаємо тиск швидкісного напору за формулою:

ΔР_ск = = = = = 0,33 кПа

7. Визначаємо силу, що зміщує кран за формулою:

P_см= C_х · S_max· P_ск=1,45 * 100 * 0,33 = 47,85 (кН),

де P_см – сила, що зміщує, кН;

C_х – коефіцієнт аеродинамічного опору (див. табл. 1.3), в наведеному прикладі кран має форму квадратної пластини, отже C_х=1,45;

S_max – максимальна площа крану, м².

8. Визначаємо силу тертя за формулою:

F_тр= m · g · f = 100000·9,8·0,15=14,7 (кН),

де F_тр – сила тертя, кН;

m – маса крану, за вихідними даними m=20000 (кг);

f – коефіцієнт тертя (див. табл. 1.4), приймемо що кран металевий і встановлений на стальну основу, тоді для тертя сталі по сталі коефіцієнт для подальшого розв’язку задачі приймаємо f=0,15;

g – прискорення вільного падіння, g=9,8 (м/с²).

9. Визначаємо можливість зсуву крану, для чого повинна виконуватись умова:

Р_см > F_тр

У наведеному прикладі Р_см = 47,85 (кН) > F_тр = 14,7 (кН), тобто умова виконується.

10. Робимо висновок про стійкість крану до зсуву. Кран при очікуваному надлишковому тиску P_ІІІ = 9,74 (кПа) – зміщується.

11. Визначаємо максимальну величину швидкісного напору, при якому зсув ще не відбудеться за формулою:

ΔР_ск = = = = 1,014 кПа

12. Визначаємо максимальний надлишковий тиск, при якому зсув ще не відбудеться за формулою:

ΔР_IIImax = 16,73 = 16,73 * 0,32 = 5,35 кПа

13. Результати оцінки стійкості крану до зсуву ударною хвилею зводимо в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 - Результати оцінки стійкості трансформатора до зсуву

Елемент об’єкту	Характеристика елемента	Сила, що зміщує, Рсм (кН)	Сила тертя, Fтр (кН)	ΔРIIImax (кПа)
Козловий кран	m=100000 (кг) Smax=100 (м2) Сх=1,45 f=0,15	47,85	14,7	5,35

14. Висновки. При надлишковому тиску понад ΔР_IIImax = 5,35 (кПа) ударна хвиля вибуху газоповітряної суміші викличе зсув крану, що відповідає слабким руйнуванням. Ця межа нижче очікуваного надлишкового тиску, отже, кран не стійкий до зсуву у роботі при заданих умовах.

15. Визначаємо момент перекидання (рис. 1.2) за формулою:

М_опр = Р_см * h = 47,85 * 20 = 957 (кН·м),

де М_опр – момент перекидання, кН·м;

h – плече сили зсуву, за вихідними даними h=20 (м);

Р_см – сила, що зміщує, за розрахунковими даними Р_см = 47,52 (кН).

Рис. 1.2. Сили, що діють на кран при перекиданні

16. Визначаємо момент сили ваги за формулою:

М_в= m · g · a/2=100000*9,8*5=490 (кН·м),

де М_в – момент сили ваги, кН·м;

m – маса трансформатора, кг;

g – прискорення вільного падіння;

а – плече сили ваги, за вихідними даними а=10 (м).

17. Визначаємо можливість перекидання крану, для чого повинна виконуватись умова:

М_опр > М_в.

В наведеному прикладі М_опр = 957 (кН·м) > М_в = 490 (кН·м), тобто умова виконується.

18. Робимо висновки про не стійкість крану до перекидання ударною хвилею вибуху. Кран при очікуваному надлишковому тиску P_ІІІ=9,74 (кПа) перекидається.

19. Визначаємо максимальну величину швидкісного напору, при якому перекидання ще не відбудеться за формулою:

ΔР_скmax = = = = 1,67 кПа

20. Визначаємо максимальну величину надлишкового тиску, при якому перекидання ще не відбудеться за формулою:

ΔP_IIImax= 16,72 * = 16,73*1,29 = 21,58

21. Результати оцінки стійкості крану до перекидання ударною хвилею зводимо в табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Результати оцінки стійкості крану до перекидання

Елемент об’єкта	Характеристика об’єкта	Мопр (кН·м)	Мв (кН·м)	(кПа)
Козловий кран	m=100000 (кг) СХ=1,45 Smax=100 f=0,15	957	490	21,58

22. Висновки. При надлишковому тиску понад ударна хвиля вибуху газоповітряної суміші викличе перекидання крану, а при очікуваному надлишковому тиску P_ІІІ = 9,74 (кПа) перекидання не буде.

Рис. 1.3. Залежність радіуса зовнішньої межі зони дії надлишкового тиску від кількості вибухонебезпечної газоповітряної суміші

Задача 2

Оцінка стійкості роботи промислового об’єкту до дії ударної хвилі вибуху газоповітряної суміші

Вихідні дані:

• ємність з вуглеводневим газом Q = 0,5 т;

• відстань від ємності до цеху r = 300 м.

Характеристика об’єкта:

будинок з металевим каркасом і крановим обладнанням 25-50 т;

верстати важкі;

комп’ютерний клас;

технологічні трубопроводи;

кабельні наземні лінії;

трансформатор 120 кВа.

Визначити:

Стійкість роботи промислового об’єкта до дії ударної хвилі вибуху газоповітряної суміші (ГПС).

Скласти таблицю результатів оцінки стійкості.

У довільно обраному масштабі накреслити схему зон осередку вибуху ГПС з указівкою розташування об’єкту.

Розв'язання

1. Визначаємо радіус зони детонаційної хвилі за формулою:

r₁ = 17,5 * = 17,5 * = 17,5 * 0,79 = 13,9 м

2. Знаходимо радіус зони дії продуктів вибуху за формулою:

r_II = 1,7 * r₁ = 1,7 * 13,9 = 23,6 м

3. Визначаємо розташування промислового об’єкту в осередку вибуху газоповітряної суміші (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Розташування промислового об’єкту у вогнищі вибуху газоповітряної суміші:

I – зона детонаційної хвилі з радіусом r_{I =} 13.9 м;

II – зона дії продуктів вибуху з радіусом r_II = 23.6 м;

III – зона повітряної ударної хвилі з радіусом r_III = 300 м.

При вибуху газоповітряної суміші промисловий об’єкт опиниться у зоні повітряної ударної хвилі, тому що r_ІІІ = r > r_І і r > r_ІІ.

4. Визначаємо відносну величину  за формулою:

Ψ = 0,24 * = 0,24 * = 5,18

5. Розраховуємо надлишковий тиск повітряної ударної хвилі для ІІІ зони при Ψ ≥ 2 за формулою:

ΔPIII = = = = 4,56 кПа

6. Визначаємо основні елементи об’єкту, які впливають на стійкість його роботи, їхня характеристика складається на основі вивчення технічної і будівельної документації. Елементи, зазначені у вихідних даних, заносимо до табл. 2.1 «Результати оцінки стійкості об’єкта до впливу ударної хвилі вибуху газоповітряної суміші».

7. За табл. 2.2 знаходимо для кожного елемента об’єкта значення надлишкових тисків, які викликають слабкі, середні, сильні і повні руйнування і прямокутниками з умовним штрихуванням заносимо до табл. 2.1.

8. Визначаємо межі стійкості кожного елементу. За межу стійкості приймається нижня межа середніх руйнувань.

9. Визначаємо межу стійкості об’єкта, за яку приймається мінімальна межа стійкості одного з елементів, в наведеному прикладі

ΔР_lim=12 (кПа).

10. Визначаємо ступені руйнування об'єкта при очікуваному надлишковому тиску при вибуху газоповітряної суміші , проводячи вертикальну лінію через 4,56 кПа.

11. За табл. 2.1 визначаємо, що руйнувань не буде

12. Висновки:

промисловий об’єкт не опинився в зоні руйнувань;

через те, що межа стійкості об’єкта вище очікуваного надлишкового тиску, викликаного вибухом газоповітряної суміші, промисловий об’єкт – стійкий:

ΔР_lim = 12 (кПа) ≥ ΔР_ІІІ = 4,56 (кПа).

оскільки межа стійкості більшості елементів 30 кПа, а очікуваний надлишковий тиск при вибуху газоповітряної суміші ΔР_ІІІ = 4,56 (кПа), недоцільно підвищити межу стійкості елементів.

Таблиця 2.1

Результати оцінки стійкості об’єкта до впливу ударної хвилі вибуху газоповітряної суміші

13. Інженерно-технічні заходи:

при реконструкції або капітальному ремонті на промисловому об’єкті спланувати раціональне компонування технологічного устаткування, що по можливості виключає ушкодження його уламками конструкцій та ослаблює вплив ударної хвилі вибуху газоповітряної суміші

14. Технологічні заходи:

на період відбудовних робіт передбачити роботу промислового об’єкта з випуску продукції без використання роботів;

завчасне проведення інженерно-технічних заходів дозволить підвищити стійкість роботи об’єкта при аварії на виробництві, пов’язаної з вибухом газоповітряної суміші, а своєчасне оповіщення виробничого персоналу про аварію дозволить швидко сховатися в укриття і забезпечити його надійний захист.

Задача 3

Визначення тривалості роботи на радіоактивно забрудненій місцевості

Визначити допустиму тривалість роботи (t_доп) на радіоактивно забрудненій місцевості, якщо час початку роботи після аварії на АЕС t_н = 4 год, рівень радіації на цей час становить Р_н = 5 Р/год. Встановлена доза опромінення D_вст = 20 Р. При роботі на відкритій місцевості прийняти коефіцієнт послаблення К_посл = 7.

Вихідні дані:

- час початку роботи після аварії на АЕС t_н = 4 год;

- рівень радіації Р_н = Р₂ = 5 Р/год;

- встановлена доза опромінення D_вст = 20 Р;

- коефіцієнт послаблення К_посл = 7.

Визначити:

- допустиму тривалість роботи людей на радіоактивно забрудненої місцевості.

Розв'язання

1. Визначаємо відносну величину (а) за формулою:

a = = = = 0,06

де – коефіцієнт для перерахування рівня радіації на необхідний час (t_н), див. табл. 3.1. В наведеному прикладі t_н = 4 год, за табл. 3.1 визначаємо К_н=0,575.

3. За табл. 3.2 при а=0,06 і t_н = 4 год визначаємо тривалість роботи людей на радіоактивно забрудненої місцевості t_доп = 11 год. 30 хв.

Висновок. Допустима тривалість роботи робітників та службовців в осередку радіоактивного забруднення при встановленій дозі опромінення 20 Р не більше 11 год. 30хв.

Таблиця 3.1

Коефіцієнт К_t=t^-0,4 для перерахунку рівнів радіації на різний час (t) після аварії на АЕС

t, год	Кt	t, год	Кt	t, год	Кt	t, год	Кt
0,5	1,32	4,5	0,545	8,5	0,427	16	0,33
1,0	1,0	5,0	0,525	9,0	0,417	20	0,303
1,5	0,85	5,5	0,508	9,5	0,408	1 доба	0,282
2,0	0,76	6,0	0,49	10,0	0,4	2 доби	0,213
2,5	0,7	6,5	0,474	10,5	0,39	3 доби	0,182
3,0	0,645	7,0	0,465	11,0	0,385	4 доби	0,162
3,5	0,61	7,5	0,447	11,5	0,377	5 доби	0,146
4,0	0,575	8,0	0,434	12,0	0,37	6 доби	0,137

Таблиця 3.2

Допустима тривалість перебування (t_доп) людей на радіоактивно забрудненій місцевості при аварії на АЕС, год.

А	tн, год
	1	2	3	4	6	8	12	24
0,2	7,30	8,35	10,00	11,30	12,30	14,00	16,00	21,00
0,3	4,50	5,35	6,30	7,10	8,00	9,00	10,30	13,30
0,4	3,30	4,00	4,35	5,10	5,50	6,30	7,30	10,00
0,5	2,45	3,05	3,35	4,05	4,30	5,00	6,00	7,50
0,6	2,15	2,35	3,00	3,20	3,45	4,10	4,50	6,25
0,7	1,50	2,10	2,30	2,40	3,10	3,30	4,00	5,25
0,8	1,35	1,50	2,10	2,25	2,45	3,00	3,30	4,50
0,9	1,25	1,35	1,55	2,05	2,25	2,40	3,05	4,00
1,0	1,15	1,30	1,40	1,55	2,10	2,20	2,45	3,40

Примітка. Якщо розрахункове значення коефіцієнту а менше 0,2 для розв’язку задачі слід приймати а=0,2 і визначення допустимої тривалості роботи на забрудненій місцевості вести для цього значення.