13.3. Взрыв пылевоздушных смесей

При образовании пылевоздушных смесей возможность взрыва определя­ется нижним концентрационным пределом взрываемости (НКПВ) С. НКПВ рассчитывается по формуле (кг/м )

C = 800/Q_v, (13.12)

где Qv~ теплота взрыва, кДж/кг (табл. 13.5).

Таблица 13.5 - Физико-химические свойства пыли [24]

292

Наименование пыли	нкпв С, кг/м3	Максимальное давление взрыва ±тах, Klla	Удельная теплота сгорания Qy кДж/кг
Антрацитовая	0,023	620	З2.. .36х103
Торфяная	0,08	500	10,5х103
Печная (сажа)	0,04	480	15,7...28,4х103
Мучная	0,047	710	16,8х103
Древесная: сосновая	0,053	620	15,4х103
-еловая	0,038	620	20,4x103
Сера	0,007	540	111x103
Сахарная	0,01	640	80x103

Массу пыли в тротиловом эквиваленте Q' определяется по формуле (кг)

Q' = ZMa, (13.13)

где Z - коэффициент участия пыли во взрыве в воздухе (Z = 0,02... 0,1): М - масса пыли, кг;

а - тротиловый эквивалент, определяемый по формуле (13.2). Избыточное давление при взрыве пыли в воздухе можно рассчитать по формуле (13.5).

При взрыве в помещении избыточное давление рассчитывают по формуле (кПа)

(13.14)

где М - масса пыли, кг;

Qv - теплота сгорания пыли, Дж/кг (табл. 13.5); Ро — начальное давление в помещении, кПа (Р_о=101 кПа) Z - коэффициент участия пыли во взрыве в помещении (2 = 0,5); V — объем помещения, м ;

р — плотность воздуха до взрыва; кг/м (р = 1,2... 1,25 кг/м ); С - теплоёмкость воздуха, кДж/кг-К (С =1,01 кДж/кг-К); Т_о - начальная температура в помещении, °С;

К_н - коэффициент, учитывающий негерметичность оборудования, поме­щения (К_н = 3).

Радиус зон разрушения (полных, сильных, средних, слабых) при взрыве ПВС определяют из выражения (м)

R =

_к-w

(13.15)

где К - константа разрушений (для зоны полных разрушений К1 =4,7; для

293

сильных - К₂ =6,4; для средних - К₃ =8,2; для слабых - К₄ =13,5)

Q' — масса пыли в тротиловом эквиваленте, определяемая из выражения (13.13).

Критическая масса пыли М_кр, при которой возможен взрыв, определяется по формуле (кг)

Mkp=CV, (13.16)

где С - НКПВ, кг/м³ (табл. 13.5);

V — объем помещения, м3 . Время накопления взрывоопасного количества пыли (дней)

t_e3p=M_K/M_cym (13.17)

где М_сут - количество пыли, которое накапливается за сутки, кг. Радиус разброса продуктов взрыва Л определяется по формуле (м)

^(зл8)

После разрушения здания, резервуара образуется воздушная ударная волна и поле осколков.

Энергия взрыва в помещении равна (Дж)

Е = Е_уд._в + Е_оск (13.19)

где Еуд._в - энергия, идущая на образование ударной волны, Е_уд._в = 0,6 Е;

_оск - энергия, идущая на разлет осколков, Е_оск = 0,4 Е. Дальность разлета осколков в безвоздушном пространстве можно опреде­лить по формуле (м)

²

(13.20) где Vo - начальная скорость полета осколков,

U²_o=(2z-P-M-Q_v)/M_o

где z — коэффициент участия пыли во взрыве в помещении (г = 0,5); Р - доля энергии на разлет осколков ($ = 0,4); М - масса горючего вещества, г; QV - теплота взрыва, Дж/кг; М_о - суммарная масса осколков, равная массе резервуара, здания, кг.

Пример 13.2. В помещении пилорамы объемом 5000 м³ за сутки накапли­вается 500г еловой пыли. Определить время накопления взрывоопасной кон­центрации пыли и последствия взрыва пылевоздушной смеси.

294

Решение. По табл. 13.5 находим теплоту сгорания еловой пыли Q_V = 20,4x10³ кДж/кг.

Принимаем температуру внутри помещения равной 20°.

Используя формулы (13.12) и (13.16), рассчитываем критическую массу пыли, при которой возможен взрыв

М_кр=О V = (800 • V)/<Q_V = (800- 5000) / 20,4x10³ = 196 кг

Определяем время накопления взрывоопасной концентрации пыли по формуле

t_взр=М_кр/М_сут =196/0,5= 392 дня

Взрыв пылевоздушной смеси произойдет, когда фактическая концентрация пыли Рф будет больше НКПВ.

Определим фактическую концентрацию пыли Рф

Рф = MJV = 196/5000 = 0,04 кг/м

По таблице 13.5 найдем НКПВ еловой пыли С = 0,038 кг/м. Определим по формуле (13.14) избыточное давление взрыва ПВС

_{№ =} M-Qr-P,- ₌ 196-20,4-1ОЧ01-0,5 ₌^ф V-p-T₀-K_H 5000 -1,2 -293-3

По табл. 13.3 определим результат воздействия такого избыточного давле­ния на здание - здание разрушено и не подлежит восстановлению при 33 и бо­лее кПа.

Рассчитаем по формуле (13.18) радиус разброса продуктов взрыва в поме­щении

_R= 3^/15000 V 2л: 3 2-3,14

Вывод. Разброс продуктов взрыва ПВС в цехе произойдет в радиусе 13,3 м. Избыточное давление взрыва разрушит здание цеха.

Пример 13.3. Определить избыточное давление во фронте ударной волны на расстоянии 50м и дальность полета осколков при взрыве ПВС в деревообра­батывающем цехе объемом 5000 м3 . Суммарная масса стен, перекрытий 500 т.

Масса взорвавшейся пыли 200 кг.

Решение. Определим массу пыли в тротиловом эквиваленте Q' по форму-

ле(13.13)

Q' = Z-M-a =0,5х200х20,4хЮ³/4,52 хЮ³ = 451кг

295

На образование ударной волны идет доля энергии, поэтому вводим коэф­фициент 0,6 при расчете избыточного давления взрыва на расстоянии 50м по

формуле (13.3).

АР_ф = 95• 30,6• Q'/R + 390• ф,6² -Q'² /R² +1300-0,6-Q'/R³ АР_ф=95-з/0,6-451/50 + 390-^0,6²-451²/50²+1300-0,6-451/50³=2кЯ<я

По табл. 13.3 определим характер разрушений - средние. Дальность разлета осколков в безвоздушном пространстве рассчитаем по формуле (13.20), определив предварительно начальную скорость полета оскол­ков

u_o = (2z(3MQ_v)/M₀ = (2х0,5х0,4х200х20,4хЮ')/500000 = 3264 м²/с² Lmax = D₀² /g = 3264 / 9,81 = 333 м

Вывод. Дальность полета осколков при взрыве ПВС 333м. 13.4. Взрыв емкостей (сосудов) под давлением

Работа установок и сосудов, находящихся под давлением, в результате на­рушения их герметичности (из-за недостаточной прочности или устойчивости режимов эксплуатации) может сопровождаться взрывами.

К установкам и сосудам, работающим под давлением, относятся водо­грейные и паровые котлы, автоклавы, компрессоры, холодильные установки, ресиверы, теплообменники, трубопроводы, баллоны.

Автоклав - аппарат для проведения процессов при нагреве и под давлением выше атмосферного. Компрессор - устройство для сжатия и подачи воздуха или другого газа под давлением. Ресивер - сосуд для скапливания газа, пара, посту­пающего в него, и расходуемого через трубы меньшего сечения, предна­значенный для сглаживания колебаний давления. Трубопроводы - устройства для транспортировки жидкостей и газов, условно подразделяются на трубопро­воды низкого давления до 100 МПа и высокого давления - выше 100 МПа. Бал­лоны - устройства для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворен­ных газов, могут быть высокого и низкого давления (стандартные баллона вме­стимостью 40 л при давлении газа 12,5-15 МПа). Сосуды - стационарные и пе­редвижные устройства, предназначенные для хранения транспортировки сжи­женных газов (цистерны, бочки, сосуды Дьюара с вакуумной термоизоляцией).

Взрыв емкостей, находящихся под давлением, относится к группе физиче­ских взрывов, при которых при разрушении емкости происходит быстрое рас­ширение газа и образование ударной волны и поля осколков. Наиболее частые причины взрывов: падение резервуара, разрыв швов, нарушение правил экс­плуатации и др.

Энергия взрыва сосуда под давлением (Дж) определяется по формуле [24]

296

r-\

1-

_W

•>

(13.21)

где Р_г - давление пара (газа) в емкости, Па; Р0 - атмосферное давление, Па; V0 - объем емкости, м3 ,

у - значение показателя адиабаты (у = 1,4 - воздух, водород, оксид угле­рода, азот, кислород; у = 1,24 - ацетилен; у = 1,3 - метан, углекислый газ; у = 1,36 - хлор; у = 1,35 - пары воды; у = 1,29 - сернистый газ; у = 1,67 -аргон, гелий; у = 1,34 - сероводород).

Масса эквивалентного заряда определяется по формуле (кг)

Q'= 0,6 Е / Q_tht, (13.22)

где QТНТ - теплота сгорания тринитротолуола, кДж/кг (Q_Tht⁼4,52-10³ к Д ж/кг).

Избыточное давление взрыва емкости под давлением (кПа) рассчитывается по формуле (13.3) М.В. Садовского.

Дальность полета осколков (максимальная) рассчитывается по формуле (м)

max

(13.23)

Пример 13.4. Определить степень разрушения одноэтажных деревянных и многоэтажных кирпичных зданий, расположенных на расстоянии 100 м от эпи­центра взрыва парового котла, находящегося под давлением Р_г = 22-10 Па, Р0 =