4.2.2. Розрахунок стійкості до впливу ударної хвилі та землетрусу.

Вибух - це швидке виділення енергії в обмеженому об'ємі, що пов'язане з раптовою змі­ною стану речовини і супроводжується появою надлишкового тиску і, як правило, продуктів вибуху і руйнуванням середовища.

За критерій стійкості об'єкту до дії повітряної ударної хвилі приймається таке значення надлишкового тиску ΔР (кПа) у фронті ударної хвилі, при якому будівлі, споруди і обладнання зберігаються або дістають слабкі (середні) руйнування. Це значення надлишкового тиску прийнято вважати межею стійкості ОГД до дії ударної хвилі, ΔРlim.

Межа стійкості порівнюється з очікуваним максимальним значенням надлишкового тиску на території об'єкта, ΔРmax.

У разі, якщо ΔРlim ΔРmax.- об'єкт стійкий до дії ударної хвилі, при ΔРlim ΔРmax -не стійкий.

На першому етапi визначається максимально можливе значення надлишкового тиску, ΔРmax в районі об'єкта (його елементів).

Другий етап (власне оцінка стійкості) включає:

- виявлення основних елементів інженерно-технічного комплексу об'єкта, від яких залежить нормальне функціонування підприємства;

- визначення надлишкового тиску ΔР, при якому основні елементи об'єкта отримують слабкі, середні, сильні та повні руйнування;

- визначення межі стійкості до дії ударної хвилі, ΔРlim, кожного із виявлених основних елементів об'єкта і об'єкта загалом (за найбільш вразливим елементом);

- оцінку ступеня і характеру руйнувань елементів інженерно-технічного комплексу об'єкта при ΔРmax.

Отже, вихідними даними для оцінки стійкості ОГД (його елементів) до дії ударної хвилі є:

- максимально можливе значення надлишкового тиску, ΔРmax на території об'єкта;

- характеристика об'єкта та його основних елементів.

На третьому етапі розробляються заходи по підвищенню стійкості роботи ОГД до впливу ударної хвилі.

4.2.2.1 Визначення максимально можливого значення надлишкового тиску в районі об'єкта (його елементів).

А. При вибуху газоповітряної суміші вуглеводневих сполук

Як відомо, аварії на об'єктах з вибухонебезпечними технологіями можуть призвести до витікання в атмосферу газоподібних або розріджених вуглеводневих продуктів. При змішу­ванні вуглеводневих продуктів з повітрям утворюються вибухо- або пожежонебезпечні суміші - газоповітряні суміші (ГПС). Найбільш вибухо- і пожежонебезпечними є суміші з повітрям вуглеводневих газів: метану (СН₄) пропану (С₃Н₈), бутану (С₄Н₁₀) та ін. При вибуху ГПС утворюється осередок вибуху з ударною хвилею, яка викликає руйнування будівель, споруд, обладнання, інших елементів інженерно-технічного комплексу об'єктів.

Приклад

Визначити надлишковий тиск, що очікується на об'єкті в районі складального цеху при вибуху ємності, в якій знаходиться 60 т зрідженого пропану С₃Н₈ (Q=60 т). Відстань від ємності до цеху 300 м (L=300 м).

Розв'язання

1. Визначається радіус зони детонаційої хвилі (зони І):

2. Обчислюється радіус зони дії продуктів вибуху (зони II):

R_II = 1,7 R_I =1,7^. 68=116 м

3. Отримані величини радіусів зон R_I і R_II порівнюються з величиною L. Робиться висновок, що складальний цех знаходиться за межами цих зон і може опинитися в зоні повітряної ударної хвилі (зоні III).

4. Визначається надлишковий тиск .на відстані L=300 м з використанням розрахункових формул для зони III:

Для цього попередньо обчислюється коефіцієнт Ψ:

Коефіцієнт Ψ <2, тому ΔР_Ш визначається за формулою (4.11):

На рис. 4.2. зображено спад надлишкового тиску на фронті ударної хвилі із віддаллю.

Висновок

При вибуху 60 т зрідженого пропану складальний цех опиниться під дією повітряної ударної хвилі з надлишковим тиском приблизно 46 кПа.

Рис. 4.2. СХЕМА ЗОН ВИБУХУ ГАЗОПОВІТРЯНОЇ СУМІШІ

Б. При вибуху випарів бензину

При можливому вибуху випарів бензину в ємності визначають масу цих випарів і за нею розраховують максимально можливий надлишковий тиск ΔР у фронті ударної хвилі на зада­ній відстані.

Приклад

Визначити максимально можливий надлишковий тиск в районі цеху, якщо на відстані 200 м знаходиться резервуар місткістю 1000 м³, заповнений бензином на 30%.

Вміст бензину в паровій фазі 2% за об'ємом.

Густина бензину 0,75 т/м³.

Розв'язання

1. Визначається об'єм пари бензину (м ) в резервуарі:

2. Визначається об'єм бензину, який знаходиться в пароподібному стані:

де Δm- вміст бензину (%), який знаходиться в пароподібному стані.

Тоді .

3. Розраховується маса бензину (т), який знаходиться в пароподібному стані:

де р - густина бензину, т/м³.

Тоді Q_бенз = 14 ^. 0,75 = 10,5 т

4. За графіком (рис. 4.1.) за значенням L=200 м і Q=10,5 визначається ΔР: ΔР =40 кПа.

Висновок

При вибуху випарів бензину надлишковий тиск у фронті ударної хвилі в районі цеху мо­же становити 40 кПа.

В. При вибуху звичайних вибухових речовин

При можливому вибуху звичайних вибухових речовин максимально можливий тиск (кПа) в районі об'єкта (його елементів) розраховується за формулою:

де Q - маса вибухових речовин, кг; К. - відстаньь від центра вибуху до об'єкта, м.

Приклад

Визначити максимально можливий надлишковий тиск в районі цеху, якщо на відстані 250 м від нього знаходиться склад, де зберігається 100 т вибухових речовин.

Розв'язання

Розраховується максимально можливий надлишковий тиск в районі цеху за формулою:

Висновок

При вибуху 100 т вибухових речовин надлишковий тиск у фронті ударної хвилі в районі цеху може становити 31 кПа.

4.2.2.2. Оцінка стійкості об'єкта (його елементів) до дії ударної хвилі

Оцінка стійкості об'єкта до дії ударної хвилі полягає, як відомо, у визначенні межі стій­кості основних елементів інженерно-технічного комплексу підприємства і об'єкта загалом і порівнянні отриманого значення межі стійкості об'єкта ΔРlim. з очікуваним максимальним значенням надлишкового тиску в районі об'єкта (його елементів) - ΔРmax. (кПа).

Завершальним етапом оцінки є висновки і пропозиції (заходи) щодо підвищення стійкості об'єкта до дії ударної хвилі.

Приклад

Оцінити стійкість складального цеху до дії ударної хвилі при максимально можливому значенні надлишкового тиску в районі цеху ΔРmax.=46 кПа (розрахованому для вибуху газо-повітряної суміші).

Характеристика цеху (основних елементів):

- будівля цеху: одноповерхова, цегляна, безкаркасна, перекриття із залізобетон­них елементів;

- технологічне обладнання: крани і кранове обладнання, верстати важкі;

- комунально-енергетичні мережі: трубопроводи на залізобетонних естакадах, кабельні наземні лінії електропостачання.

Порядок оцінки:

1. Виявляються і записуються в таблицю результатів оцінки стійкості основні елементи складального цеху.

2. За табл.. 4.2 для кожного елементу цеху визначається надлишковий тиск який викликає слабкі, середні, сильні і повні руйнування елементів. Ці дані відображаються в таблиці результатів оцінки умовними позначеннями.

3. Визначається межа стійкості до дії ударної хвилі кожного елемента цеху (за міні­мальним значенням діапазону середніх руйнувань): будівля цеху - 20; крани і кранове об­ладнання - 30; верстати важкі - 40; трубопроводи на залізобетонних естакадах - 30; кабельні наземні лінії електропостачання - 30 кПа. Результати заносяться в таблицю результатів оцін­ки стійкості.

4. Визначається межа стійкості цеху загалом за мінімальним значенням межі стійкості окремих його елементів:

ΔРlim = 20 кПа.

5. Отримане значення межі стійкості ΔРlim порівнюється з очікуваним максимальним значенням надлишкового тиску у районі складального цеху ΔРmax = 46 кПа.

6. Оцінюється ступінь і характер руйнувань елементів цеху при ΔРmax.

Висновки з оцінки стійкості:

1. Очікуваний максимальний надлишковий тиск в районі складального цеху ΔРmax = 46 кПа.

2. Межа стійкості цеху до дії повітряної ударної хвилі ΔРlim = 20 кПа.

3. Оскільки ΔРlim < ΔРmax (20<46 кПа), складальний цех є нестійким до дії ударної хвилі.

4. Найбільш вразливими елементами виявляються: будівля цеху, трубопроводи на залізобетонних естакадах ( табл.. 4.3)

5. При максимальному значенні надлишкового тиску ΔРmax = 46 кПа елементи скла­дального цеху отримають: будівля цеху і трубопроводи на залізобетонних естакадах - сильні руйнування; крани і кранове обладнання, верстати, лінії електропостачання - середні руйнування.

6. Межею доцільного підвищення стійкості найбільш вразливих елементів цеху є надлишковий тиск ΔР=35-40 кПа.

7. Підвищення стійкості будівлі цеху досягається влаштуванням контрфорсів, підкосів, додаткових рамочних конструкцій, а стійкості трубопроводів - заглибленням в грунт. Об'єкти з вибухонебезпечними речовинами розміщуються на безпечній до дії вибуху відстан

4.2.2.3. Стійкість роботи ОГД до впливу можливого землетрусу

Згідно табл.4.1 дія на об'єкт землетрусу силою Х балів еквівалентна дії на нього надлишкового тиску в 50 кПа. Це відповідає повній руйнації безкаркасної споруди і середнім руйнуванням наземних трубопроводів. Відновлення споруди неможливе, трубопроводи вимагають капітального ремонту. Заходи по підвищенню стійкості об'єкта аналогічні при вибуху.

Висновки: При вибуху 400 т пропану буде спостерігатися повне руйнування безкаркасної будівлі механічного цеху, наземні трубопроводи зазнають середніх руйнувань. Відновлення споруди неможливе, трубопроводи вимагають капітального ремонту. Діяльність об'єкту після вибуху неможлива.

При землетрусі силою Х балів будуть спостерігатися аналогічні руйнування. Діяльність об'єкту після землетрусу також неможлива.

Контрольні питання:

1. Назвіть потенційно-небезпечні підприємства (з точки зору вибухонебезпечності).

2. Назвіть можливі причини вибухів.

3. Який основний уражаючий фактор вибуху?

4. Якими параметрами оцінюється дія повітряної ударної хвилі?

5. Які зони виділяються при вибусі газо-повітряної суміші поза приміщеннями?

6. Як впливає ударна хвиля на будівлі і споруди?

7. Як впливає ударна хвиля на організм людини?

8. На основі чого порівнюється дія ударної хвилі та землетрусу?

9. В яких одиницях вимірюється надлишковий тиск на фронті ударної хвилі?

10. Яка існує залежність між кількістю речовини і радіусом зони детонаційної хвилі?

11. Скільки зон і які визначають при вибусі газо-повітряної суміші?

12. Які найефективніші заходи по підвищенні стійкості будівель при можливих повних руйнуваннях?

13. При яких надлишкових тисках ударної хвилі людина може отримати травми середньої важкості?

14. В яких випадках для визначення надлишкового тиску при вибусі використовується формула Садовського?

15. В яких межах змінюється надлишковий тиск у зоні дії продуктів вибуху?