Факторы, влияющие на давление взрыва. Давление взрыва зависит от:

• природы горючего газа, например, давление взрыва водорода, ацетилена до 8 раз больше, чем у метана;

• состава смеси – концентрации газа (пара) и наличия флегматизаторов. При НКПРП или ВКПРП (таких взрывов большинство) Р_взр небольшое, здание обычно остается целым. Максимальное давление взрыва происходит при концентрациях газа (пара) немного превышающих стехиометрическую концентрацию (_смк). В практике наиболее мощные взрывы случаются тогда, когда утечка газа происходила достаточно долго – создалась концентрация, близкая к стехиометрической;

• наличие препятствий – турбулизируют горение и увеличивают скорость, а следовательно, и давление взрыва;

формы помещения (соотношения длины и ширины). При L/D1 Р_взр резко увеличивается и даже может произойти детонация. При L/D  1Р = 7-10 кПа, разрушения незначительные (окна, двери). Если прочность одинакова может произойти одновременное разрушение здания. При L/D  1 (или наличие препятствий) Р = 50 –1000 кПа, максимальные разрушения наблюдаются в наиболее удаленных участках (шахты, танкеры).

• от размещения проемов:

Р

А

_взр

А - Р_взр при распределенном размещении проемов;

Б - Р_взр при сосредоточенном размещении проемов

Б

, м/с

Как видим, при сосредоточенном размещении проемов в помещении давление взрыва существенно ниже;

• толщины конструкций (остекления)

Р_вскр=2 кПа

Р_взр

без стекла

м

Знание факторов, влияющих на давление взрыва, позволяет разрабатывать защитные мероприятия.

Расчет давления взрыва. Показатели давления взрыва применяются в расчетах на взрывоустойчивость аппаратуры с горючими газами, жидкостями (паровоздушными смесями); в расчетах предохранительных клапанов, взрывных мембран и оболочек взрывонепроницаемого электрооборудования.

P_взр.=, (7.5)

где Т_взр= 3000 К

В НПБ 105-03 приводится другая формула, с которой предстоит работать в рамках дисциплин «Здания и сооружения» и ПБОиНП. Для определения категории помещений по взрывоопасной и пожарной опасности.

На странице 3 НПБ 105-03 – имеется перечень категорий помещений по пожарной опасности и пожаровзрывоопасности. (Категория А – наиболее опасная, категория Д – неопасная).

Для определения категорий необходимо уметь рассчитывать Р_взр (см. стр. 6 в НПБ 105-03).

(7.6)

где С_ст – стехиометрическая концентрация (_смк).

Используя закон подобия Хопкинсона-Кранца и такое понятие, как тротиловый эквивалент (масса заряда ТНТ (тринитротолуола), при взрыве которого образуется ударная волна с такими же параметрами, как при взрыве заряда рас­сматриваемого ВВ) или к_эф – коэффициент эффективно­сти ВВ (коэффициент приведения энергии взрыва заряда ВВ к энергии взрыва такого же по массе заряда ТНТ) можно при известных параметрах ударной волны, возникающей при взрыве эталонного заряда ВВ (на­пример, тротила), определить эти величины для взрыва лю­бого другого ВВ, расстояние от центра взрыва и массу вещества, участвовавшего во взрывчатом превращении. Величина тротилового эквивалента любого взрыва в первом приближении достаточно легко может быть получена путем сравнением теплоты взрыва вещества, участвовавшего во взрывчатом превращении, с теплотой взрыва тротила; коэффициент эффективности любого ВВ, соответственно, можно определить по следующей зависи­мости:

, (7.5)

где q_вв – удельная теплота взрыва рассматриваемого ВВ, кДж/кг;

q_ТНТ – удельная теплота взрыва ТНТ, кДж/кг.

Удельная теплота взрыва конденсированных взрывча­тых веществ характеризуется значениями 1500-1700 кДж/кг. Наибольшей удельной теплотой взрыва (но очень низкой стабильностью) обладает стехиометрическая смесь жидких водорода и кислорода – 16000 кДж/кг.

Для оценки случайных и преднамеренных взрывов широко применяется метод адекватности разрушений, вы­званных различными взрывчатыми веществами и средами. Пользуясь данным методом, степень разрушения характеризуют тротиловым эквивалентом, т. е. определяют массу тротила, кото­рая требуется, чтобы вызвать данный уровень разрушений. Удельные тротиловые эквиваленты взрыва известных кон­денсированных взрывчатых веществ, найденные по теплоте взрыва ТНТ (4520 кДж/кг), находятся в пределах 0,340-1,667 кг, а смеси жидких водорода и кислорода со­ставляют 3,7 кг.

Поскольку в состав молекул большинства конденси­рованных взрывчатых веществ входят атомы горючего ве­щества и окислителя (в основном кислорода), а также инертного соединения, их удельная теплота взрыва значи­тельно меньше энергии взрыва парогазовых смесей, рассчи­тываемой только по горючему веществу. Горючими веще­ствами в газовых смесях в большинстве случаев являются газы (пары углеводородов, водород и др.), а окислителем служит кислород атмосферного воздуха. Теплоты сгорания этих веществ составляют соответственно для незамещенных углеводов 40-50 МДж/кг, водорода – 120 МДж/кг, углево­дородов с одним заместителем – кислородом – 27-28 МДж/кг, с хлором – 19-27 МДж/кг. Этим значениям соот­ветствуют тротиловые эквиваленты, равные 12-10 кг, 23-65 кг, 6,38-6,57 кг, 4,58-6,53 кг (для расчета тротиловых эквивалентов принята теплота детонации тротила, равная 4520 кДж/кг).

Энергетический потенциал взрывоопасности в ряде случаев ошибочно приравнивают к энергии взрыва, а ино­гда (также ошибочно) проводят прямое сопоставление энер­гии взрыва чистых углеводородов (принято считать в 10 раз превышающей энергию взрыва ТНТ) с энергией взрыва конденсированного взрывчатого вещества, например, пол­ная тепловая энергия сгорания пропана составляет пример­но 46^.10³ кДж/кг, что соответствует энергетическому по­тенциалу взрывоопасности 1 кг углеводорода. В то же время тепловая энергия, выделяющаяся при детонации ТНТ, со­ставляет 4,2^.10³ кДж/кг. Такое сравнение не является правомерным, так как полная энергия сгорания ТНТ (вещества отрицательным кислородным балансом) в кислороде оказывается значительно больше и составляет 15^.10³ кДж/кг (т. е. при детонации выделяется лишь 28 % энергии его сгорания), что численно равно энергии перехода в продукты разложения кислорода, входящего в состав молекулы ТНТ. Тем не менее энергетический потенциал взрывоопасности пропана рассчитывают как энергию его полного сгорания (до СО₂ и Н₂О; по чистому веществу без учета эквивалентной массы кислорода и азота в горючей пропано-воздушной смеси).

Для практических целей более точным представляется сопоставление энергии детонации ТНТ с энергией экзотер­мической реакции горючего газа в смеси с воздухом. Соот­ветственно для объективности сопоставления взрывов по эквивалентной массе ТНТ энергию экзотермической реакции в газовых средах следует рассчитывать по удельному энерговыделению всей массы данного газа или его смеси (горючего вещества с кислородом и азотом воздуха). При использовании законов подобия взрывов необходимо быть особенно внимательными при выборе базисных данных, так как в ряде руководств приводятся параметры ударной волны для зарядов, размещенных в так называемом свободном объеме. В этом случае, учитывая, что ударная волна от взрыва наземного заряда складывается из двух компонен­тов: собственно ударной волны и ее отраженной части, сле­дует использовать коэффициент 1,8, являющийся грубой, но достаточной в наших целях оценкой, как эффектов отраже­ния, так и той части энергии взрыва, которая расходуется на образование воронки и сейсмические явления.

Параметры взрыва и ударной волны во многом опре­деляются распределением энергии в области взрыва и даль­нейшим ее перераспределением по мере того, как ударная волна распространяется от источника.

Важнейшей характеристикой энергии взрыва является суммарное энерговыделение. В официальной нормативно-технической документации этот показатель называется энергетическим потенциалом и входит во все параметры, характеризующие масштабы и последствия взрыва.

Вначале вся энергия сосредоточены в источнике взрыва в потенциальной форме. В момент взрыва она пере­ходит в кинетическую и тепловую энергию системы. Вследствие постоянного увеличения массы охваченного движе­нием вещества и перераспределения энергии в продуктах взрыва и газа система является нестационарной (рис. 7.9).

Энергия при взрыве распределяется следующим образом.

Энергия ударной волны складывается из кинетичесой энергии движущейся части газовой среды Е_к и тепловой энергии Е_р.

На поздней стадии развития процесса, когда кинетическая энергия источника и оболочки становится равной нулю, а амплитуда ударной волны такой малой, что диссипацией (рассеянием) энергии в ней можно пренебречь, суммарная энергия волны Е_т = Е_р + Е_к становится постоянной и неизменной во времени.

Остаточная энергия в атмосфере образуется за счет того, что процесс перехода вещества атмосферы через удар­ную волну является неизоэнтропическим и после возвращения системы к исходному давлению температура среды, окружающей источник взрыва, повышается.

Кинетическая и тепловая энергия осколков оболочки определяется тем, что первоначально материал оболочки перемешается с ускорением и кроме того, нагревается за счет теплопередачи, трения и т. д. Затем скорость осколков уменьшается, достигая в определенный момент времени нулевого значения, однако тепловая энергия их частично сохраняется.

Рис. 7.9. Схема распределения энергии во времени: 1, 2 – тепловая и кинетическая энергия источника; 3, 4 – тепловая и кинетическая энергия осколков оболочки; 5 – остаточная энергия среды; 6, 7 – тепловая и кинетическая энергия собственно волны; 8 – энергия излучения; 9 – энергия волны в зоне слабого взрыва

Кинетическая энергия источника определяется тем, что при любом взрыве вещество источника или его продукты сгорания приводятся в движение. В конечном итоге, кинетическая энергия вещества уменьшается до нуля в момент прекращения движения в ближней зоне взрыва.

Тепловая (потенциальная) энергия источника первоначально вся содержится в нем самом. В процессе взрыва часть энергии передается другим областям системы, а часть остается в источнике в виде тепловой энергии продуктов взрыва. В конечном итоге эта энергия рассеивается при смешении. Однако процесс смешивания относительно мед­ленный по сравнению с процессом распространения взрыв­ной волны. В первом приближении можно принять те­пловую энергию источника величиной постоянной.

Излучение энергии в процессе взрыва быстро умень­шается, так что потери энергии этим способом на весьма ранней стадии достигают постоянной величины.

Обращает на себя внимание, что на поздней стадии взрыва полная его энергия складывается из тепловой и ки­нетической энергии волны, остаточной тепловой энергии среды, тепловой энергии осколков и продуктов взрыва. Кроме того, некоторое количество энергии теряется в ре­зультате излучения при этом оно тем больше, чем больше мощность взрыва.

Следует иметь в виду, что при детонационном режиме горения облака большая часть взрыва (более 90 %) перехо­дит в ударную волну; при дефлаграционном горении со скоростью распространения пламени около 200 м/с переход энергии в ударную волну составляет 30 % , в то же время максимальный КПД энергии взрыва парогазовых сред со­ставляет примерно 40 %.

Остальная часть энергии расходуется на нагрев про­дуктов реакции и воздуха в ударной волне; в этом случае эквивалент взрыва 1 кг углеводорода составляет 5-8 кг ТНТ.

В отличие от теоретических и экспериментальных (предварительно подготовленных однородных смесей) при промышленных взрывах при большом разбросе значений концентрации горючего вещества в воздухе «выход» энергии во многих случаях оказывается меньшим.

Однако известны взрывы паровых облаков, при которых «выход» энергии достигает высоких значений, что объясняется его зависимостью от массы горючего вещества, термодинамических свойств, скорости горения и др. Отмечается, что высвобождение незначительной энергии имеет нулевой «выход»; в других случаях он достигает 60 %, что в два раза превышает «выход» энергии при детонации. Согласно результатам исследований крупномасштабных промышленных взрывов энергия взрыва составляет 4-6 % от энергии сгорания облака с массой 10-40 т горючего вещества. При взрыве облака углеводородов коэффициент соответствия тротиловому эквиваленту равен 0,5.

По оценкам уровней разрушений при многих катастрофических промышленных взрывах переходы энергии в ударные волны составляли 0,2-70 % от общей энергии сгорания всей массы аварийных выбросов горючих продуктов, рассчитанных по теплоте их сгорания в воздухе. В соответствии с проведенными исследованиями, а также по официальным рекомендациям для ориентировочной оценки уровня возможных разрушений при взрывах неорганизованных паровых облаков количество высвобождаемой энергии должно составлять от 2 % (нижний предел) до 10 % (верхний предел) от общих значений энергетических потенциалов.

При изучении степени расширения продуктов газового взрыва выявлено, что при сферической детонации паровоздушных смесей только около 40 % энергии взрыва совершает работу. Остальная энергия к концу расширения содержится в продуктах реакции, при взрывах же сосудов от превышения давления 60 % энергии расширения парогазо­вых сред переходит в кинетическую энергию осколков, ко­торые при промышленных авариях разлетаются в среднем на 50-700 м, а в отдельных случаях – на 1200-1500 м. При этом на формирование ударной волны расходуется только около 40 % общей потенциальной энергии взрыва сжатого газа.

Переход энергии взрыва, в энергию излучения суще­ственен и учитывается только при атомных взрывах. При больших источниках и относительно медленном энерговы­делении при промышленных взрывах наблюдается переход большей части энергии во взрывную волну и несопоставимо малой части – в энергию излучения.

В общем случае для условий адекватности уровня разрушений приближенно для промышленных случайных взрывов может быть составлен энергетический баланс ударных волн, генерируемых взрывами парогазовой среды и тротила:

0,4т_Гкq_Г = 0,9W_Tq_T, (7.6)

где 0,4 и 0,9 – доли энергии взрыва парогазовой среды и тротила, затрачиваемые непосредственно на формирова­ние ударных волн;

т_г – общая приведенная масса горючего вещества во взрывоопасной парогазовой смеси, кг;

W_T – масса тротила, кг;

к – доля приведенной массы горючего вещества, уча­ствующего во взрыве;

q_Г и q_Т – удельные теплоты сгорания парогазовой среды и взрыва тротила, кДж/кг.

Для неорганизованных паровых облаков в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия во взрыве может приниматься равной 0,1. В отдельных, обоснованных по принципам подобия случаях значения к могут снижаться, но не менее чем до 0,02. Для взрывов в производственных помещениях и других замкнутых объемах значения к принимаются 0,6 – для горючих газов; 0,5 – для паров легковоспламеняющихся и 0,3 – горючих жидкостей. В замкнутых объемах аппаратуры, когда создаются условия образования стехиометрического соотношения «бедных» горючих парогазовых смесей с газами-окислителями, доля участия горючего вещества во взрыве может быть значительно выше и иногда к = 1.

Приведенные оценки взрывных явлений парогазовых сред в незамкнутом пространстве, а также в замкнутых объ­емах помещений и технологической аппаратуре являются ориентировочными. В реальных производствах при боль­шом многообразии различных факторов взрывные эффекты могут существенно различаться.

Таким образом, для взрывных явлений парогазовых сред на основе вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. При взрывном дефлаграционном горении отмечается постепенное и сравнительно медленное нарастание давления до максимального значения. Процесс нарас­тания давления можно полагать квазистатическим. Это означает, что во всех точках пространства давление в рассматриваемый момент времени принимается одним и тем же.

2. Переход взрывного дефлаграционного горения в детонацию весьма нежелателен, поэтому необходимо выявлять и устранять все причины, приводящие к ин­тенсификации взрывного дефлаграционного горения.

3. Рекомендуется применять специальные предохранительные устройства и конструкции, срабатывание которых не дает возможности дефлаграционному горению трансформироваться в детонационный режим и позволяет снизить давление до допустимой величины.

4. Прогнозирование объемов разрушения на производственных объектах следует проводить для случая детонационного взрывного горения (в этом случае показа­тели будут иметь максимальное значение), а расчет площади предохранительных конструкций в ограждениях зданий (вскрываются при достижении определенного давления) – для случая дефлаграционного горения (их применение в этом случае дает максимальный положительный эффект).