Расчет зон поражения избыточным давлением взрыва. Определение радиусов зон разрушений при взрывах. Основными структурными элементами алгоритма расчетов являются

При расчете параметров волны давления при сгорании газо-, паровоздушного облака использовался программный комплекс «ТОКСИ+Risk. Оценки риска и расчета последствий аварий на производственных объектах» (в соответствии с Приложением 3 к пункту 18 Методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (Приложение к МЧС РФ от 10 июля 2009 г. № 404)).

Основными структурными элементами алгоритма расчетов являются:

• определение ожидаемого режима сгорания облака;
• расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных волн давления для различных режимов;
• определение дополнительных характеристик взрывной нагрузки;
• оценка поражающего воздействия.

Ожидаемый режим сгорания облака зависит от типа горючего вещества и степени загроможденности окружающего пространства.

Для расчета были приняты следующие условия:

• облако ТВС расположено на поверхности земли;
• класс горючих веществ по степени чувствительности для нефти — 3 – средне чувствительные вещества (по нефти), для газа — 2 – чувствительные вещества (по пропану) для склада пропановых баллонов, 4 – слабо чувствительные вещества (по метану) для газопровода;
• класс окружающего пространства по степени загроможденности III – средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк.

В случае образования паровоздушной смеси в незагроможденном технологическим оборудованием пространстве и его зажигании относительно слабым источником (например, искрой) сгорание этой смеси происходит, как правило, с небольшими видимыми скоростями пламени. При этом амплитуды волны давления малы и могут не приниматься во внимание при оценке поражающего воздействия. В этом случае реализуется так называемый пожар-вспышка, при котором зона поражения высокотемпературными продуктами сгорания паровоздушной смеси практически совпадает с максимальным размером облака продуктов сгорания (т.е. поражаются в основном объекты, попадающие в это облако).

Радиус воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака при пожаре-вспышке производится с использованием программного комплекса «ТОКСИ+Risk. Оценки риска и расчета последствий аварий на производственных объектах» (в соответствии с формулой П3.67 Приложения 3 к пункту 18 Методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (Приложение к МЧС РФ от 10 июля 2009 г. № 404)).

Результаты расчета параметров волны давления при сгорании ТВС в открытом пространстве приведены в таблице 14.

Результаты расчета зон действия поражающих факторов при взрыве облака ТВС в открытом пространстве

В таблице 15 приведены значения критического давления для людей, находящихся в зданиях (согласно Руководству по оценке пожарного риска для промышленных предприятий).

Значения критического давления для людей, находящихся в зданиях

В таблицах 16 и 17 приведены значения критического давления для разрушения ударной волной тех или иных элементов зданий и для повреждений некоторых промышленных конструкций (согласно Руководству по оценке пожарного риска для промышленных предприятий).

Значения критического давления для разрушения ударной волной тех или иных элементов зданий

Значения критического давления для повреждений некоторых промышленных конструкций

В таблице 18 приведено предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо-, паровоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве (согласно Приложения 4 к пункту 20 Методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах).

Предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве

В таблице 19 приведены значения показателя избыточного давления, вызывающего различные виды разрушений зданий, согласно .

Значения показателя избыточного давления, вызывающего различные виды разрушений

Слабые разрушения — частичное разрушение внутренних перегородок, кровли, дверных и оконных коробок, легких построек и др. Основные несущие конструкции сохраняются. Для полного восстановления требуется капитальный ремонт.

Средние разрушения — разрушение меньшей части несущих конструкций. Большая часть несущих конструкций сохраняется и лишь частично деформируется. Может сохраняться часть ограждающих конструкций (стен), однако при этом второстепенные и несущие конструкции могут быть.

Средние разрушения — разрушение меньшей части несущих конструкций. Большая часть несущих конструкций сохраняется и лишь частично деформируется. Может сохраняться часть ограждающих конструкций (стен), однако при этом второстепенные и несущие конструкции могут быть частично разрушены. Здание выводится из строя, но может быть восстановлено.

Сильные разрушения — разрушение большей части несущих конструкций. При этом могут сохраняться наиболее прочные элементы здания, каркасы, ядра жесткости, частично стены и перекрытия нижних этажей. При сильном разрушении образуется завал. В большинстве случаев восстановление нецелесообразно.

Полные разрушения — полное обрушение здания, от которого могут сохраниться только поврежденные (или неповрежденные) подвалы и незначительная часть прочных элементов. При полном разрушении образуется завал. Здание восстановлению не подлежит.

В таблице 20 приведены воздействия ударной волны на человека согласно «Чрезвычайные ситуации техногенного характера. Прогнозирование и оценка: детерминированные методы количественной оценки опасностей техносферы» .

Воздействие ударной волны на человека

Характерными особенностями взрывов ТВС являются:

Возникновение разных типов взрывов: детонационного, дефлаграционного или комбинированного;

При взрывах образуется 5 зон поражения: бризантная (детонационная), действия продуктов взрыва (огненного шара), действия ударной волны, теплового поражения и токсического задымления;

Зависимость мощности взрыва от параметров среды, в которой происходит взрыв (температура, скорость ветра, плотность застройки, рельеф местности);

Для реализации комбинированного или детонационного взрыва для ТВС обязательным условием является создание концентрации продукта в воздухе в пределах нижнего и верхнего концентрационного предела.

Дефлаграция – взрывное горение с дозвуковой скоростью.

Детонация – процесс взрывчатого превращения вещества со сверхзвуковой скоростью.

Расчет радиусов зон поражения (R ) и избыточного давления во фронте ударной волны (DР ф) при взрыве производится по следующим формулам:

1. Бризантная зона (зона детонации):

где М – масса ТВС в резервуаре (кг). За М принимается 50 % вместимости резервуара при одиночном хранении и 90 % – при групповом хранении.

Для бризантной зоны DР ф =1750 кПа.

2. Зона продуктов горения (зона огненного шара):

Радиус зоны:

(2)

Избыточное давление во фронте ударной волны рассчитывается:

(3)

Для остальных зон их радиусы рассчитываются по следующей формуле:

. (4)

3. Зона действия ударной волны:

Слабые разрушения – повреждения или разрушения крыш и оконных и дверных проемов. Ущерб – 10…15 % от стоимости зданий.

Средние разрушения – разрушение крыш, окон, перегородок, чердачных перекрытий, верхних этажей. Ущерб – 30…40 %.

Сильные разрушения – разрушения несущих конструкций и перекрытий. Ущерб – 50 %. Ремонт нецелесообразен.

Полное разрушение – обрушение зданий.

Тепловой импульс (кДж/м 2) определяется по формуле:

где I – интенсивность теплового излучения взрыва ТВС на расстоянии R , кДж/м 2 ×с

, (6)

где Q 0 – удельная теплота пожара, кДж/м 2 ×с; F – угловой коэффициент, характеризующий взаимное расположение источника горения и объекта

(7)

Т – прозрачность воздуха

(8)

t св – продолжительность существования огненного шара (с)

(9)

При аварии в резервуарном парке количество газа q(t) или пара берётся: 30% от объёма наибольшего резервуара с бензином, 20% - с нефтью. При аварии на трубопроводе - до 20% вытекшей нефти и до 50% вышедшего газа. При аварии на автотранспорте - 4т бензина. При аварии на железной дороге - 10т бензина, 7т нефти. Величина дрейфа газа воздушного облака принимается равной 300 м в сторону предприятия.

При взрыве пара и газа воздушной смеси выделяют зону детонационной волны с радиусом R1 и зону ударной волны. Определяется также: радиус зоны смертельного поражения людей (R см); радиус безопасного удаления (R бу), где R ф=5 кПа; радиус предельно допустимой взрывобезопасной концентрации пара, газа Кпдвк.

Давление во фронте ударной волны Рф2 в зоне ударной волны определяют по таблице/19/

Избыточное давление в зоне детонационной волны определяется:

Радиус зоны смертельного поражения людей определяется по формуле:

где Q - количество газа, газа в тоннах;

R1 - радиус зоны детонационной волны;

R CM - радиус смертельного поражения людей.

Расчёт взрыва резервуара вертикального стального ёмкостью 5000 м3 с нефтью

Определяем количество газа, выделившегося при взрыве:

Количество нефти в тоннах:

5000?875 = 4375000 кг. = 4375 т.

Тогда количество газа:

0,2 ? 4375 = 875 т.

По формуле определяем радиус зоны детонационной волны:

R1=18,5 ?(875)1/3 = 173,00 м.

По формуле определяем радиус зоны смертельного поражения:

RCM=30 ? (875)1/3 = 280,53м.

Расстояние от центра взрыва до операторной r2= 200 м., то r2/R1=200/173 = 1,16, тогда избыточное давление от центра взрыва до операторной Рф1 = 279 кПа

Пример №1

Взрыв шарового газгольдера сжатого воздуха объемом V = 600 м3 произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Взрыв произошел при давлении Р = 2,3 МПа. Плотность газа при нормальном давлении с = 1,22 кг/м3, показатель адиабаты г = 1,4. Оценить последствия взрыва сжатого воздуха в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 50 м.

Определяется перепад давлений, преобразовав формулу (3):

ДР = 2,3 - 0,1 = 2,2 МПа

Рассчитывается плотность газа по уравнению (5):

с = 1,22 · (2,3/0,1)1/1,4 = 11,46 кг/м3

Полная масса газа:

С = 11,46 · 600 = 6873 кг

Q = 2,2 / = 0,48 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва составит:

qтнт = 0,48 · 6873 / 4,24 = 778 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу.в. = 0,6 · 778 = 467 кг

q = 2 · 467 = 934 кг

Результаты расчета приведены ниже (таблица 4).

Таблица 4 - Радиусы зон воздействия УВВ

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 50 м:

50/(9341/3) = 5,12

ДРфр = 0,084/5,12 + 0,27/5,122 + 0,7/5,123 = 31,9 кПа.

I = 0,4 · 9342/3/50 = 0,76 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 50 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(31,9·103))8,4 + (290/(0,79·103))9,3 = 0,0065

Pr = 5 - 0,26 · ln(0,0065) = 6,31

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 50 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 91%.

Пример №2

Взрыв шарового газгольдера диоксида углерода объемом V = 500 м3 (радиус сферы 4,95 м) произошел вследствие превышения регламентированного давления. Аппарат изготовлен из стали 09Г2С толщиной стенки 16 мм и рассчитан для работы под давлением Р = 0,8 МПа. Временное сопротивление разрушения материала ув = 470 МПа. Плотность газа при нормальном давлении с = 1,98 кг/м3, показатель адиабаты г = 1,3. Оценить последствия взрыва сжатого диоксида углерода в шаровом газгольдере (определить радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека) и определить вероятность поражения человека на расстоянии R = 120 м.

Разрушающее давление определяется по формуле (2):

ДP = 2 · 0,016 · 470/4,95 = 3 МПа

Определяется давление парогазовой смеси в емкости по формуле (3):

Р = 3 + 0,1 = 3,1 МПа

Рассчитывается плотность газа по уравнению (5) при давлении Р:

с = 1,98 · (3,1/0,1)1/1,3 = 28,05кг/м3

Полная масса газа:

С = 28,05 · 550 = 14026 кг

По формуле (7) рассчитывается удельная энергия газа:

Q = 3 / = 0,36 МДж/кг

Тротиловый эквивалент взрыва газа составит:

qтнт = 0,36 · 14026 / 4,24 = 1194 кг

Эквивалент по ударной волне:

qу.в. = 0,6 · 1194 = 717 кг

Применительно к наземному взрыву принимается значение:

q = 2 · 717 = 1433 кг

Методом подбора величины расстояния от эпицентра взрыва по формулам (12,13) определяются радиусы зон различной степени поражения УВВ зданий, сооружений и человека, указанные в таблице 2.

Результаты расчета приведены ниже (таблица 5).

Таблица 5 - Радиусы зон воздействия УВВ

Для определения вероятности поражения человека на заданном расстоянии по формулам (12,13) рассчитываются избыточное давление во фронте волны и удельный импульс для расстояния 120 м:

120/(14333) = 10,64

ДРфр = 0,084/10,64 + 0,27/10,642 + 0,7/10,643 = 10,9 кПа.

I = 0,4 · 14332/3/120 = 0,42 кПа·с

Условная вероятность поражения избыточным давлением человека, находящегося на 120 м от эпицентра аварии, определяется с помощью пробит функции Pr, которая рассчитывается по формуле (14):

V = (17500/(10,9*103))8,4 + (290/(0,42*103))9,3 = 0,029

Pr = 5 - 0,26 * ln(0,029) = 5,92

С помощью таблицы 3 определяется вероятность. Человек, находящийся на расстоянии 120 м, может получить травмы различной степени тяжести с вероятностью 82%.

7.3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВА

Основным поражающим действием взрывчатых веществ является ударная волна. Поэтому для определения поражающего действия взрывчатого вещества необходимо рассчитать избыточное давление взрыва

, (7.15)

где р – давление на фронте ударной волны;

р 0 – давление невозмущенного воздуха – атмосферное давление (101кПа).

Величина D р зависит от типа взрывчатого вещества, массы взорванного заряда, расстояния от центра взрыва и характера подстилающей поверхности.

Расчет величины избыточного давления D р проводится в два этапа. На первом этапе находится приведенный радиус зоны взрыва по формуле

, (7.16)

где R – расстояние от центра взрыва, м;

М – масса заряда, кг;

К – коэффициент, учитывающий характер подстилающей поверхности;

Т Э – тротиловый эквивалент взрывчатого вещества.

В табл. 7.6 приведены значения коэффициента К для разных типов подстилающих материалов.

Таблица 7.6

Значения коэффициента К для разных материалов

Тротиловый эквивалент, как было показано выше, – это отношение массы взрывчатого вещества к массе тротила, создающей одинаковое поражающей действие. При Т Э < 1 взрывчатое вещество обладает более сильным разрушающим действием, чем тротил (на один килограмм взрывчатого вещества); при Т Э = 1 взрывчатое вещество имеет такую же разрушающую силу, как и тротил; при Т Э > 1 взрывчатое вещество будет производить меньшее разрушающее воздействие, чем тротил. В табл. 7.3 были приведены значения тротилового эквивалента для промышленных взрывчатых веществ. В табл. 7.7 приведены значения тротилового эквивалента для некоторых боевых взрывчатых веществ.

Таблица 7.7

Значение тротилового эквивалента

для боевых взрывчатых веществ

На втором этапе по рассчитанному значению приведенного радиуса (7.16) рассчитывается величина избыточного давления D р . При этом зависимости от величины используются разные формулы. Для значений 6.2 расчет избыточного давления взрыва проводится по формуле:

, кПа. (7.17)

Для значений > 6.2 расчетная формула для избыточного давления взрыва имеет вид:

, кПа. (7.18)

Используя рассчитанные значения избыточного давления взрыва , можно провести оценку степени разрушения, производимого взрывом. При оценке поражающего действия взрывчатого вещества выделяют четыре зоны разрушения объектов, характеристики которых приведены в табл. 7.8.

Таблица 7.8

Зоны разрушения объектов

при разных значениях избыточного давления взрыва

Для оценки степени разрушения зданий и сооружений при конкретном взрыве можно использовать табл. 7.9, в которой представлены предельные значения избыточного давления взрыва D р , вызывающие различные степени разрушения.

Таблица 7.9

Значения предельного избыточного давления,

вызывающие различные разрушения зданий и сооружений

Рассмотрим порядок расчета избыточного давления взрыва на следующем примере.

Требуется определить поражающее действие при взрыве заряда тротила массой 100 кг на расстоянии от здания R = 2 м на открытом грунте.

Вначале определим избыточное давление взрыва D р при взрыве тротила по формуле (7.16). Коэффициент К для открытого грунта находим по табл. 7.6. Он составляет 0.60. Тротиловый эквивалент для тротила Т Э = 1 (табл. 7.7).