4.5.Количественная оценка взрывоопасности технологических объектов

Важнейшей характеристикой энергии взрывов на взрывоопасных технологических объектах является энергетический потенциал (суммарное энерговыделение), который используется в качестве количественного показателя уровня возможных разрушений.

Различают общий энергетический потенциал взрывоопасности технологического блока, стадии, объекта (Е) и относительный (Q_в).

Общий энергетический потенциал взрывоопасности – это показатель степени и масштабов разрушений взрыва и характеризуется суммой энергий адиабатического расширения парогазовой среды, полного сгорания имеющихся и образующихся из жидкости паров (газов) за счет внутренней и внешней (окружающей среды) энергий при аварийном раскрытии технологической системы (блока).

Е = Е’₁ + Е’₂+ Е’’₁ + Е’’₂ + Е’’₃+ Е’’₄

где Е’₁ - сумма энергий адиабатического расширения и сгорания парогазовой фазы (ПГФ), находящейся непосредственно в оцениваемом блоке, кДж; Е'₂ -энергия сгорания ПГФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов (блоков), кДж; Е’’₁ - энергия сгорания ПГФ, образующейся за счет энергии перегрева жидкой фазы (ЖФ) рассматриваемого блока и посту­пившей от смежных объектов за определенное время t, кДж; Е’’₂ – энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет тепла экзотермических реакций, не прекратившихся при аварийной разгерметизации; Е’’₃ - энергия сгорания ПГФ, образовавшейся из ЖФ за счет теплопритока от внешних теплоносителей, кДж; Е’’₄ - энергия сгорания ПГФ, образующейся из пролитой на твердую поверх­ность (пол, поддон, грунт и т. п.) ЖФ за счет теплоотдачи от окружающей среды (от воздуха по зеркалу и твердой поверхности к жидкости), кДж.

Источниками воспламенения могут быть постоянные (печи пиролиза, факел, электроаппаратура открытого исполнения и т.п.) или случайные (временные огневые работы, транспортные средства и т.д.), которые могут привести к взрыву парогазового облака при его распространении.

В настоящее время для обеспечения взрыво –пожаробезопасности хозяйственных объектов химической промышленности разработаны и действуют «Общие правила взрывобезопасности химических объектов и производств» - ОПВ – 96, которые определяют требования к проектированию, эксплуатации и защите персонала от негативного воздействия взрывоопасных производств.

В соответствии с этими правилами для каждого технологического объекта, блока, установки химико-технологической системы (ХТС) должна определяться категория взрывоопасности.

Химико-технологическая система это совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций ( подготовка сырья к реакции, собственно химическое превращение и выделение целевых и побочных продуктов).

Технологический блок представляют собой аппарат или группу аппаратов (с минимальным числом), которые в заданное время могут быть отключены (изолированы) от технологической системы без опасных изменений режима в смежной аппаратуре или системе.

Категории взрывоопасности устанавливаются по двум показателям - относительному энергетическому потенциала взрывоопасности Q_B и приведенной массе парогазовой сред т., т.е. массе горючего вещества, приведенной к единой энергии сгорания 46000 кДж/кг, равной удельной теплоте сгорания большинства углеводородов

Относительный энергетический потенциал взрывоопасности является показателем степени и масштабов разрушений взрыва парогазовой среды в технологическом блоке при условии расхода общего энергетического потенциала технологического блока непосредственно на формирование ударной волны.

По значениям общих энергетических потенциалов взрывоопасности Е можно рассчитать относительные Q_в и m:

,

а общая масса горючих паров (газов ) взрывоопасного парогазового облака m, кг может быть определена из соотношения

m =E / 4,6´10 , кг.

В табл 4.11 приведена характеристика категорий взрывоопасности технологических объектов в зависимости от величин относительного энергетического потенциала и приведенной массы взрывоопасных сред.

Таблица 4.11

Характеристика категорий взрывоопасности технологических объектов

Категория взрывоопасности		m, кг
I II III	37 27 – 37 27	>5000 2000 – 5000 <2000

Проматомнадзор РБ регистрирует и осуществляет специ­альный государственный надзор за взрывопожароопасными производствами и объектами, имеющими в своем составе взрывоопасные технологические бло­ки с Q_в> 9, а также блоки с Q_в>6, если в них обращаются вещества 1 и 2-го класса опасности или вещества остронаправленного действия 3 и 4 классов опасности.

Метод адекватности широко используется для оценки разрушительности взрывов, вызванных различными взрывчатыми веществами и средами. По этому методу степень разрушения объектов характеризуется тротиловым эквивалентом, т.е. количеством тротила, необходимого для получения данного уровня разрушений.

Известные и найденные по характеру разрушений тротиловые эквиваленты позволяют определить энергию взрыва различных взрывчатых веществ.

Первоначально вся энергия сосредоточена в источнике в форме потенциальной энергии. В момент взрыва она переходит в тепловую, кинетическую, и энергию излучения. Энергия ударной волны, как движущейся части газовой среды, складывается из тепловой и кинетической энергии.

При взрывах конденсированных взрывчатых веществ на образование воздушной ударной волны расходуется практически вся энергия взрыва (>90%).

Максимально возможный КПД взрыва парового облака (т.е. отношение энергии воздушной ударной волны к общему энергетическому потенциалу воздушной смеси) составляет около 40%. Остальная часть энергии взрыва расходуется на нагревание продуктов реакции и воздуха в ударной волне.

Разрушающую способность взрывов характеризуют избыточным давлением, воздействующим на объект.

В соответствии с этим различают шесть категорий повреждений (табл.4.12 )

Таблица 4.12

Характеристика разрушений зданий при воздействии ударной волны

Категория повреждения	Характеристика повреждения здания	Избыточное давление, кПа
А	Полное разрушение здания	70
В	Тяжелые повреждения, здание подлежит сносу	33
С	Среднее повреждение, возможно восстановление здания	25
D	Разбито 90% остекления	4
E	Разбито 50% остекления	0,2
F	Разбито 5% остекления	0,005

По значениям Е или производным значениям Q_в и m можно определить условный радиус полного разрушения объекта.

Расчет является ориентировочным и может применяться при выборе основных направлений организационно-технических мероприятий по защите персонала от травмирования, а также зданий и сооружений от разрушения при взрывах парогазовых сред и конденсированных взрывчатых веществ (ВВ).

При определении зон разрушений принимаются следующие условия и допущения:

В расчетах используются общие приведенные массы парогазовых сред m и соответствующие им энергетические потенциалы Е, полученные при количественной оценке взрывоопасности технологических объектов (стадий, блоков).

Для конкретных реальных условий значения т и Е могут определяться другими методами с учетом эффекта диспергирования горючей жидкости в атмосфере под воздействием внутренней и внешней энергий, характера раскрытия (разгерметизации) технологической системы, скорости истечения горючего продукта в атмосферу и других возможных факторов.

Масса конденсированных ВВ ( ) определяется по их содержанию в технологической системе, блоке, аппарате.

Масса паров, участвующих во взрыве m' (кг), рассчитывается по формуле

т' =z т,

где z - доля приведенной массы паров, участвующей во взрыве.

В общем случае для неорганизованных паровых облаков в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия во взрыве может приниматься равной 0,1. В отдельных обоснованных случаях доля участия веществ во взрыве может быть снижена, но не менее 0,02.

Для производственных помещений (зданий) и других замкнутых объемов значения z могут приниматься - для горючих газов равным 0,5, а для паров ЛВЖ и ГЖ – 0,3.

Тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды , определяемый по условиям адекватности характера и степени разрушения при взрывах паровых облаков и конденсированных ВВ, рассчитывается по формулам:

(для парогазовых сред )

где , - тротиловый эквивалент, кг; 0,9 ‑ доля энергии взрыва тринитротолуола (ТНТ), затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны;

0,4 ‑ доля энергии взрыва парогазовой среды, затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны; q' - удельная теплота сгорания парогазовой среды, кДж/кг; q - удельная энергия взрыва ТНТ, кДж/кг.

(для конденсированных ВВ)

где , ‑ масса конденсированного ВВ,кг; ‑ удельная энергия взрыва конденсированного ВВ, кДж/кг.

Зоной избыточного давления считается площадь с границами, определяемыми радиусами (R), центром (местом отсчета) которых является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы.

Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений по фронту ударной волны ( Р ) и, соответственно, безразмерным коэффициентом ( К ).

Классификация зон приводится в табл. 4.13.

Таблица 4.13

Классификация зон избыточного давления по фронту ударной волны

Класс зоны	К	Р, кПа
1 2 3 4 5	3,8 5,6 9,6 28 56	>100 70 28 14 <2,0

Радиус зоны в общем виде определяется выражением:

, м

где: К - безразмерный коэффициент, соответствующий уровню воздействия взрыва на объект.

При массе паров ( m ) более 50000 кг радиус зоны может определяться из выражения

м

Для выполнения практических инженерных расчетов радиусы зон могут определятся выражением:

, м

, при m 5000

или при m > 5000 кг.

Значения R для случаев взрывов парогазовых сред в незамкнутом пространстве при Z = 0,1 могут определяться также по относительным (Q ) и абсолютным (Е) уровням энергетических потенциалов и приведенной общей массе (m). Найденные для реальных конкретных объектов значения радиусов зон (R) при соответствующем обосновании могут уточняться в зависимости от:

- принципиальной возможности взрывов в технологической аппаратуре, быстротечности парообразования и формирования взрывоопасного облака, в том числе плотности (по отношению к плотности воздуха) и других физико-химических характеристик горючих парогазовых сред;

- характера и устойчивости технологических процессов, надежности и быстродействия средств контроля, регулирования опасных параметров и противоаварийной зашиты;

- надежности, прочностных характеристик и герметичности применяемой аппаратуры, оборудования, трубопроводов и арматуры, а также средств локализации и предохранительных устройств;

- взаимного расположения зданий и сооружений, технологических установок. определяющих эффективность проветривания и возможность рассеивания выбрасываемых в атмосферу парогазовых взрывоопасных сред;

- преимущественного направления ветра, рельефа местности на территории предприятия и прилегающей зоне, исключающих скопление взрывоопасных продуктов;

- применяемых ограждающих конструкций, водяных завес и других средств, ограничивающих распространение взрывоопасного парогазового облака;

- расположения в зоне возможной загазованности взрывоопасными продуктами постоянных или возникновения случайных источников зажигания;

- отечественного и зарубежного опыта эксплуатации аналогичных технологических систем (процессов) и других факторов.

Анализ последствий промышленных взрывов показывает, что современные конструктивные решения зданий операторных и пультов управления не обеспечивает достаточную устойчивость при воздействии ударных волн с учетом удаленности этих зданий от зоны взрыва.

Здания по возможности должны быть расположены вне зоны вероятного распространения парового облака. При отсутствии такой возможности они должны выдерживать максимальное давление около 100 кПа в течение 30 мс, а здания, не попадающие в зону парового облака, должны иметь расчетную устойчивость в соответствии с расстоянием и избыточным давлением. Они рассчитываются на избыточное давление 70 кПа в течение 20 мс.

При высоте облака, превышающего на 15 м высоту кровли, ее рассчитывают на такое же давление, что и стены. Здания рекомендуется располагать на расстоянии не менее 30 м от источника взрыва при массе парового облака около 15 т. Такое же расстояние рекомендуется и между зданиями при опасности сильного разрушения.

Считается, что здания не будут разрушены при удалении от источника взрыва не менее 60 м при избыточном давлении 70 кПа и длительности воздействия 20 мс. Избыточное давление отраженных волн для стен принимают равным 30 кПа, для крыши – 20 кПа. Для случая расположения здания в зоне парового облака его рассчитывают на давление 30 кПа.

Здания и сооружения любого назначения проектируют с учетом противопожарных требований.

Помещения категорий А и Б следует, если это допускается требованиями технологии, размещать у наружных стен, а в многоэтажных зданиях – на верхних этажах. При размещении в одном здании или помещении технологических процессов с различной взрывопожарной и пожарной опасностью следует предусматривать мероприятия для предупреждения взрыва и распространения пожара. Если указанные мероприятия недостаточно эффективны, то технологические процессы с различной взрывоопасностью следует размещать в отдельных помещениях.