Защита населен. Электронный курс. Поляков / Лабораторные + Практические Занятия Защита населения Поляков / Пр.зан Устойчивость обьекта в ЧС

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОБЪЕКТА В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА

Методические указания к практическому занятию для студентов технических специальностей по дисциплине «Защита населения и объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиационная безопасность»

Могилев 2011

декабря 2010 г., протокол № 6 Составитель ст. преподаватель А. Г. Поляков

Рецензент канд. техн. наук, доц. П. А. Козырицкий

2

Методические указания к практическому занятию для студентов технических специальностей. Оценка устойчивости объекта в чрезвычайных ситуациях техногенного характера.

В методических указаниях изложены общие положения устойчивости объекта, методика оценки устойчивости инженерно-технических элементов объекта к воздействию избыточного давления во фронте воздушной ударной волны и теплового излучения при взрыве газо-воздушной смеси (ГВС) или топливно-воздушных смесей (ТВС), мероприятия по повышению устойчивости элементов объекта.

Учебное издание

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОБЪЕКТА В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА

© Составление А. Г. Поляков, 2010

5

Разновидностью возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера является возможность взрывов газовоздушных смесей (ГВС), так как на предприятиях имеется значительное количество производств, связанных с использованием в технологических процессах взрывоопасных газов, паров, пылей, волокон или горючих жидкостей.

Разрушение и повреждение зданий, сооружений, технологических установок, емкостей и трубопроводов на предприятиях со взрыво- и пожароопасной технологией может привести к истечению газообразных или сжиженных углеводородных продуктов. Так, в химической, нефтяной, газовой, машиностроительной и других отраслях промышленности в настоящее время используется более 2000 различных газов или паров, которые в смеси с окислителем (воздухом, кислородом, хлором и т. д.) создают пожароопасные или взрывоопасные смеси. Подобными свойствами обладают и пылевоздушные смеси.

Наиболее опасны смеси углеводородных газов с воздухом: метана, пропана, бутана, этилена, пропилена, бутилена и других. Взрыв или возгорание этих газов наступает при определенном содержании газа в воздухе или при возникновении в электроустановках источников зажигания: нагретых поверхностей, электрических дуг и искр, пламя.

Взрыв – быстропротекающий процесс физических и химических превращений веществ, сопровождающийся освобождением значительного количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная привести или приводящая к возникновению техногенной ЧС.

Механическая работа, совершаемая при взрыве, обусловлена быстрым расширением газов или паров независимо от того, существовали ли они до взрыва или образовались во время взрыва. В основе взрывного процесса могут лежать как физические (разрушение сосуда со сжатым газом или с перегретой жидкостью), так и химические превращения (детонация конденсированного взрывчатого вещества, быстрое сгорание газового облака). Самым существенным признаком взрыва является резкий скачек давления в среде, обуславливающий образование ударной волны, распространяющейся на некоторое расстояние от места взрыва.

Параметрами, определяющими мощность взрыва, являются энергия взрыва и скорость ее выделения. Энергия взрыва определяется физико-химическими превращениями, протекающими при различных типах взрывов. Для парогазовых сред энергию взрыва определяют по теплоте сгорания горючих веществ в смеси с воздухом; конденсированных ВВ – по теплоте, выделяющейся при их детонации (реакции разложения); при физических взрывах систем со сжатыми газами и перегретыми жидкостями – по энергии адиабатического расширения парогазовых сред и перегрева жидкости.

Наиболее сложная взрывопожароопасная обстановка складывается в зонах взрыва газо-пылевоздушных смесей, паровых облаков испарения нефтепродуктов, масел и других опасных веществ. При возникновении таких аварий возможны два вариан-

та развития ситуаций: детонационный взрыв и дефлаграционное горение.

В зоне детонационного взрыва, как показывает анализ, скорость распространения пламени может превысить даже скорость звука. При этом избыточное давление в детонационной волне достигает в ряде случаев 1–2 МПа, а температура горючих газов повышается до 1500–3000 0С. Это может вызвать полное разрушение зданий и сооружений, гибель людей, сложную пожарную обстановку. Сформировавшаяся в зоне детонации ударная волна распространится на десятки, сотни и даже тысячи метров от места взрыва.

6

При дефлаграционном горении скорость распространении пламени не превышает 100–200 м/с., а давление 20–100 кПа.

Для большинства углеводородных веществ, газов, пары которых способны образовать взрывную смесь, удельная теплота сгорания достигает 40–45 МДж/кг, а в смеси с воздухом превышает 2,6 МДж/кг.

Одной из характеристик любой взрывчатой системы является концентрационный предел взрываемости, т.е. такая концентрация топлива в смеси, при которой еще возможно распространение взрывного горения.

Концентрационные пределы воспламенения веществ характеризуют количе-

ство газа в 1 м3 воздуха, при котором возможно воспламенение и устойчивое горение газовоздушной смеси. Нижний предел характеризует «бедную смесь», когда недостаточно горючего вещества для поддержания устойчивого горения и взрыва. Верхний предел – «богатую смесь» по содержанию горючего материала, когда недостаточное количество окислителя не позволяет поддерживать устойчивое горение (взрыв). Для большинства газов (веществ) нижний концентрационный предел изменяется от 1 до 3 % горючего вещества в 1 м3 воздуха при нормальной его температуре и влажности, а верхний – от 5 до 16 %. Взрывной состав смеси газов и паров горючих веществ с воздухом, при котором возможна детонация (взрывное горение), определяется наличием в воздухе 2–6 % горючего вещества.

Скорость распространения пламени при взрывном горении, характеризующая максимальное давление в детонационной волне, достигает 300–320 м/с. Причем такое давление при взрывах смесей может изменяться от 500 до 2000 кПа. Оно нарастает при этом сравнительно медленно, время его действия всего несколько десятков, а иногда и сотен миллисекунд. Поэтому можно считать, что нагрузки от взрыва газовоздушной смеси в целом близки к импульсным.

Различают верхний концентрационный предел воспламенения (ВКПВ), аналог – верхний предел взрываемости (ВПВ), и нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ), аналог – нижний предел взрываемости (НПВ).

Данные по пределам взрываемости некоторых газов и паров приведены в табли-

це 2.1.

Таблица 2.1 – Пределы взрываемости газов и паров в воздухе

7

Горючие жидкости в зависимости от величины температуры вспышки паров подразделяются на легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) и горючие жидкости

(ГЖ).

ЛВЖ – это горючая жидкость, способная воспламеняться от кратковременного (до 30 с) воздействия источника поджигания с низкой энергией (пламени спички, искры, тлеющей сигареты и т. п.) и имеющая температуру вспышки не выше 61 0С.

К взрывоопасным относятся ЛВЖ, у которых температура вспышки не превышает 61 0С, а давление паров при температуре 20 0С составляет менее 100 кПа, и нагретые в условии производства до и выше температуры вспышки ГЖ.

При взрыве газовоздушной смеси образуется очаг взрыва с избыточным дав-

лением ударной волной и тепловым излучением, вызывающие разрушение зданий, сооружений, оборудования, а также их воспламенение.

Полные разрушения. В зданиях и сооружениях разрушены все основные несущие конструкции, и обрушены перекрытия. Восстановление невозможно. Оборудование, средства механизации и техника восстановлению не подлежат и т. п.

Сильные разрушения. В зданиях и сооружениях имеются значительные деформации несущих конструкций, разрушена большая часть перекрытий и стен. Восстановление зданий и сооружений возможно, но нецелесообразно, так как практически сводится к новому строительству с использованием некоторых сохранившихся конструкций. Оборудование и механизмы большей частью разрушены и значительно деформированы. Отдельные детали и узлы оборудования могут быть использованы как запасные части. На контрольно-измерительных, электронных сетях и технологических трубопроводах имеются разрывы и деформации на отдельных участках подземных сетей, деформации опор воздушных линий электропередач и связи, а также разрывы технологических трубопроводов.

Средние разрушения. В зданиях и сооружениях разрушены, главным образом, не несущие, а второстепенные конструкции (легкие стены, перегородки, крыши, окна, двери). Возможны трещины в наружных стенах и вывалы в отдельных местах. Перекрытия и подвалы не разрушены, часть помещений пригодна к эксплуатации. Деформированы отдельные узлы оборудования и техники. Техника вышла из строя и требует капитального ремонта. Имеются разрывы и повреждения технологических трубопроводов, воздушных линий электропередач.

Слабые разрушения. В зданиях и сооружениях разрушены части внутренних перегородок. Появляются трещины в стенах верхних этажей. Оборудование имеет незначительные деформации второстепенных элементов. На измерительном оборудовании имеются незначительные разрушения и поломки конструктивных элементов.

Воздействие ударной волны на человека с избыточным давлением менее 20

кПа считается безопасным; при избыточном давлении от 20 до 40 кПа происходят легкие поражения (травмы) – легкая общая контузия организма, временное повреждение слуха, ушибы и вывихи конечностей, или легкопроходящие нарушения (звон в ушах, головокружение). При избыточном давлении от 40 до 60 кПа человек получает поражения средней тяжести (серъезные контузии, повреждение органов слуха, кровотечение из носа и ушей, сильные вывихи и переломы конечностей). Избыточное давление от 60 до 100 кПа наносит человеку тяжелые поражения (травмы) – сильная контузия всего организма, повреждение внутренних органов и мозга, тяжелые переломы конечностей. При избыточном давлении более 100 кПа происходят крайне тяжелые контузии и травмы, которые приводят к смертельному исходу

В очаге взрыва газовоздушной смеси принято выделять три круговых зоны (рисунок 2.1).

1 – зона детонационной волны в пределах облака взрыва; 2 – зона действия продуктов взрыва; 3 – зона воздушной ударной волны

Рисунок 2.1 – Зоны очага взрыва газовоздушной смеси

Зона детонационной волны (Зона I) находится в пределах облака взрыва. Радиус этой зоны r1, м, может быть определен по формуле

где QЭ – эквивалентная (по пропану) масса органического вещества до взрыва, т (формула (2.5)).

В пределах зоны I действует избыточное давление в пределах 1700 кПа.

Зона действия продуктов взрыва (зона II) охватывает всю площадь разлета осколков конструкций, резервуара. Радиус зоны r2 может быть определен по формуле

где r2 – расстояние от центра взрыва ГВС до исследуемой точки в зоне действия продуктов взрыва (зона II).

Зона воздушной ударной волны (зона III) формируется фронтом ударной вол-

ны, распространяющейся по поверхности земли и вызывающей полные (100 кПа),

яния r3(Ri) исследуемой точки (объекта) до центра взрыва ГВС может быть определена следующим образом:

9

где QЭ – эквивалентная (по пропану) масса органического вещества до взрыва, кг. Она определяется по формуле

где Q – масса органического вещества до взрыва, т;

КВЗ – коэффициент взрывоопасности, учитывающий эквивалентность органического вещества по пропану (таблица А.1);

r3 (Ri) – расстояние (м) от центра объекта с ГВС (взрыва) до центра исследу-

объекта к воздействию избыточного давления (ΔРФ в кПа) во фронте воздушной ударной волны при взрыве емкости с ГВС (ТВС)

1По исходным данным таблица А.2 определяют эквивалентную массу орга-

нического вещества QЭ (по пропану) до взрыва (аварии) по формуле (2.5). Результаты заносят в заранее подготовленную форму отчета (таблица 3.1).

2По исходным данным r3 (Ri) и результатам вычислений Qэ определяют давление во фронте ударной волны от взрыва емкости с ГВС на расстоянии Rj (в метрах) для каждого объекта по формуле (2.4). Результаты заносят в таблицу отчета (таблица

3.1).

3Оценивают устойчивость цехов и оборудования в них к воздействию избыточного давления, заполнив таблицу Д.1.

На основе краткой характеристики объекта (приложения В и Г) составляют перечень тех элементов, выход из строя которых приводит к существенному снижению эффективности производства или к его остановке.

Определяют возможную (табличную) степень разрушения элементов под воздействием избыточного давления, используя таблицу 3.2.

4По таблице 3.1 и результатам расчетов избыточного давления (формула (2.4)) определяют степень разрушений для исследуемых объектов и заносят в таблицу отчета.

5В качестве критерия устойчивости элемента объекта принимают верхнее

значение слабых разрушений РjКР, полагая, что во время аварии гарантировать полное сохранение объекта нельзя.

6Выводы по оценке устойчивости исследуемых объектов и предложения по повышению устойчивости объектов заносятся в форму отчета. Некоторые предложения по повышению устойчивости изложены ниже и в разделе 5.

7Выводы по оценке возможной степени поражения людей на исследуемых объектах и предложения по оказанию первой медицинской помощи заносятся в форму отчета.

Некоторые рекомендации по оценке устойчивости объекта и предложения по повышению его устойчивости от воздействия ударной волны

10

Врезультате сравнения избыточного давления, рассчитанного по формуле (2.4),

сданными в таблице Д.1 может быть три случая.

1 Объект не разрушается или получает слабые повреждения. В этом случае рекомендуется текущий ремонт.

2 Объект получает средние разрушения. В этом случае рекомендуется капитальный ремонт и мероприятия по повышению устойчивости объекта, изложенные ниже.

3 Объект получает сильные или полные разрушения. В этом случае рекомендуется вынести емкость с ГВС на безопасное расстояние. Восстановление объекта не планируется.

В результате сравнения избыточного давления, рассчитанного для исследуемого объекта с данными раздела 2.1 делают вывод о получении людьми различных травм, ранений и летальных исходов. В этом случае или вводится запрет работы людей на опасных расстояниях или емкость с ГВС выносится на безопасное расстояние.

Расстояние, на которое необходимо вынести емкость с ГВС можно рассчитать по формуле (2.4), если учесть избыточное давление, при котором не происходит разрушений (это расстояние рассчитывается только по дополнительному указанию преподавателя).

Возможные предложения по повышению устойчивости при слабых и средних разрушениях:

–устройство металлических и железобетонных поясов;

–усиление прочности зданий и сооружений за счет введения дополнительных

колонн;

–увеличение площади световых проемов и остекление их армированным

стеклом;

–реконструкция сооружений с применением сейсмостойких конструкций и другие предложения, указанных в разделе 5.