Взрывы газопаровоздушных и пылевоздушных смесей в закрытом помещении и открытом пространстве
Взрывы газопаровоздушных смесей
Взрывы газопаровоздушных смесей (ГПВС) могут происходить как в замкнутом, гак и открытом пространствах, в то время как взрывы пылевоздушных смесей (ПВС) происходят только в закрытых помещениях.
Замкнутым пространством являются:
- — помещения (здания). В них взрыв возникает в результате утечки газа из элементов оборудования;
- — емкости: резервуары, газгольдеры, цистерны, грузовые отсеки танкеров — для хранения и транспортировки взрыво- и пожароопасных веществ;
- — шахты. В них взрывы смесей горючих газов с воздухом дают тяжелые последствия.
Взрывы ГПВС в открытом пространстве — это взрывы, возникающие в результате разрушений газопроводов, разлива сжиженного горючего газа и его испарения с переходом в детонацию. Известно большое число аварийных взрывов резервуаров с большим количеством сжиженного горючего газа, сопровождавшихся образованием осколочного поля.
В зависимости от давления Р и температуры Т вещество может находиться в различных агрегатных состояниях (рис. 5.12). Для сжижения газов их охлаждают и сжимают до получения параметров, соответствующих жидкой фазе, которые в общем случае отличаются от давления и температуры окружающей среды. Участок кривой ЛВ соответствует условию равновесия двух фаз — жидкости и пара (линия насыщенного пара). Тройная точка А соответствует одновременному равновесию грех фаз. В критической точке В пропадает граница между жидкостью и паром: при Т> Гкр вещество находится в газообразном состоянии независимо от давления. Резкой границы между паром и газом провести нельзя. Поэтому оба эти состояния для краткости обозначаются как ГПВС. Сжиженные углеводородные газы, хлор, аммиак, фреоны, находящиеся в сосудах, резервуарах и другом технологическом оборудовании под сверхатмосферным давлением при температуре, выше или равной температуре окружающей среды, являются перегретыми жидкостями.
В теплоизолированных («изотермических») сосудах и резервуарах при отрицательных температурах хранят сжиженные газы (метан, азот, кислород), которые называют криогенными веществами. Критическая температура таких

Рис. 5.12. Диаграмма состояния вещества:
А — тройная точка; В — критическая точка веществ значительно ниже температуры окружающей атмосферы.
Вещества другой характерной группы (пропан, бутан, аммиак, хлор) хранят в жидком состоянии под давлением в однослойных сосудах и резервуарах при температуре окружающей среды
В. Маршал классифицировал вещества по их расположению в зонах диаграммы состояния следующим образом:
- 1- я категория. Вещества с критической температурой ниже температуры среды — криогенные вещества: сжиженный природный газ (СП Г), содержащий в основном метан, азот, кислород;
- 2- я категория. Вещества с критической температурой выше, а точкой кипения ниже, чем температура окружающей среды — сжиженный нефтяной газ (СНГ), пропан, бутан, аммиак, хлор. Их особенностью является «мгновенное» (очень быстрое) испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся части до точки кипения при атмосферном давлении;
- 3- я категория. Жидкости, у которых критическое давление выше атмосферного и точка кипения выше температуры окружающей среды, — это вещества, находящиеся в обычных условиях в жидком состоянии. К ним относятся также некоторые вещества 2-й категории, например бутан в холодную погоду и этиленоксид в жаркую;
- 4- я категория. Вещества, содержащиеся при повышенных температурах (водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости) под давлением и при температуре, превышающей их точку кипения при атмосферном давлении.
Скорость испарения разлитых жидкостей 3-й категории зависит от летучести, температуры внешней среды и скорости ветра.
В табл. 5.8 представлены критические параметры некоторых веществ.
Таблица 5.8
Критические параметры некоторых веществ
Вещество |
ТКШ1 при давлении 0,1 МПа, °С |
ТкрГС |
Ркр, МПа |
Водород |
-252,0 |
-240,0 |
1,28 |
Кислород |
-183,0 |
-118,0 |
5,05 |
Этилен |
-103,0 |
9,5 |
5,02 |
Окончание табл. 5.8
Вещество |
Гкип при давлении ' 0,1 МПа, “С |
ГКр.“С |
Ркр, МПа |
Пропан |
-42,17 |
96,8 |
4,21 |
Хлор |
-34,5 |
144,0 |
7,70 |
Аммиак |
-33,35 |
132,4 |
11,30 |
Изобутан |
-11,7 |
133,7 |
- |
Диоксид углерода |
-78,52 |
31,0 |
|
Вода |
+ 100 |
374,0 |
21,8 |
При полном разрушении емкостей с криогенными жидкостями и веществами 2-й категории происходят их вскипание с быстрым испарением, выброс в атмосферу и образование облака газопаровоздушной смеси.
При аварийном вскрытии емкостей с негорючей или горючей перегретыми жидкостями происходит взрыв, сопровождающийся выбросом осколков, обладающих сильным поражающим действием.
Наличие источника зажигания может вызвать воспламенение облака ГПВС. При этом возможен переход дозвукового дефлаграционного режима с ускоряющимся пламенем к детонационному сверхзвуковому.
Огненный шар без детонации возникает обычно при горении ГПВС, переобогащенной топливом, а также при горении состава, близкого к стехиометрическому.
Переходу к детонации способствуют различные препятствия на пути распространения пламени, вызывающие тур- булизацию (строения, предметы, пересеченная местность).
Сферическая детонационная волна может образоваться в ГПВС от слабого энергетического источника, если размер облака превышает некоторый критический диаметр и при определенных концентрациях смеси. В табл. 5.9 представлены минимальная энергия Етт инициирования некоторых ГПВС, наиболее чувствительных к детонации с объемной концентрацией С топлива, и минимальные диаметры облака dmin, способного детонировать. В табл. 5.10 представлены концентрационные пределы (КП) детонации и воспламенения ГПВС в открытом пространстве и замкнутых объемах.
Таблица 5.9
Объемная концентрация, минимальная энергия инициирования и диаметр облака веществ, способных детонировать
Вещество |
С, об.% |
Дж |
^min» М |
Ацетилен |
12,5 |
1.3-102 |
3,12 |
Водород |
29,6 |
4,2-106 |
109,6 |
Пропан |
5,7 |
2,5-106 |
85,8 |
Пропилен |
6,6 |
7,6-105 |
58,5 |
Этан |
5,7 |
5,1-10е |
109,6 |
Этилен |
9,5 |
1.2-105 |
31,2 |
Метан |
12,3 |
2,3-108 |
398,0 |
Детонация смеси водорода с воздухом происходит при инициировании взрывом всего одним граммом тротила, что меньше, чем требуется для инициирования взрывов углеводородов, в том числе и метана.
Статистика 150 аварий в России показывает, что в 42,5% случаев взрывов облаков ГПВС участвовали углеводородные газы; 15,5% — пары легковоспламеняющихся жидкостей; 18,0% — водород; 5,3% — пыль органических продуктов. Аварийные взрывы конденсированных нестабильных веществ составили 12,0%. В 30 случаях при авариях происходили выбросы значительных масс токсичных веществ: хлора — в 17 случаях, аммиака — в 11 случаях, оксидов углерода и азота — в двух случаях.
Из 150 крупных взрывов 84 произошли в технологической аппаратуре, 66 — в атмосфере. В 73 случаях взрывы привели к серьезным разрушения зданий, сооружений и различного оборудования промышленных предприятий.
Таблица 5.10
Концентрационные пределы воспламенения и детонации некоторых веществ
Вещество (ГПВС) |
Концентрационные пределы, % |
|||||
детонации |
воспламенения |
|||||
в открытом пространстве |
в замкнутом объеме |
|||||
нижний |
верхний |
нижний |
верхний |
нижний |
верхний |
|
Ацителеи |
- |
- |
4,2 |
50,0 |
2,5 |
80,0 |
Бутан |
2,5 |
5,2 |
1,98 |
6,18 |
1,8 |
8,4 |
Окончание табл. 5.10
Вещество (ГПВС) |
Концентрационные пределы, % |
|||||
детонации |
воспламенения |
|||||
в открытом пространстве |
в замкнутом объеме |
|||||
нижний |
верхний |
нижний |
верхний |
нижний |
верхний |
|
Водород |
- |
- |
18,3 |
58,9 |
4,0 |
75,0 |
Пропан |
3,0 |
7,0 |
2,57 |
7,37 |
2,1 |
9,5 |
Пропилен |
3,5 |
8,5 |
3,55 |
10,40 |
2,4 |
11,0 |
Этан |
4,0 |
9,2 |
2,87 |
12,2 |
3,0 |
12,4 |
Этилен |
- |
- |
3,32 |
14,7 |
2,7 |
36,0 |
Бензол |
- |
- |
1,6 |
5,55 |
1,3 |
7,9 |
Ксилол |
- |
- |
- |
- |
1,1 |
6,4 |
Циклогексан |
- |
- |
- |
- |
0,57 |
7,8 |
Метан |
- |
- |
- |
- |
5,0 |
15,0 |
Аммиак |
- |
- |
- |
- |
15,5 |
27,0 |
Оксид углерода |
- |
- |
- |
- |
12,5 |
74,2 |
Аналогичные данные имеются в Великобритании. Так, из общего числа аварий с выбросами и образованием облаков ГПВС в 40% случаев облака состояли из углеводородов с тремя или четырьмя атомами углерода. Взрывы пропана, бутана и их смеси, а также сжиженного нефтяного газа были причиной аварий в 3 раза чаще, чем взрывы паров бензина. С учетом объемов выработки этих продуктов промышленностью получается, что вероятность аварий, связанных с углеводородами, примерно в 30 раз больше, чем с бензином (в расчете на 1 т продукта). Что касается метана, широко используемого в промышленности, то этот продукт в открытом пространстве взрывается весьма редко, поскольку он нс образует стабильных облаков вблизи поверхности земли. Его детонация возможна, если он был разлит в ограниченном объеме и воспламененился, а также при инициировании взрывом заряда ВВ.
Детонационная волна в газах является ударной волной, сопровождаемой волной горения. В отличие от дефлаграционного, причиной данного процесса становится разогрев газа ударной волной до температуры, обеспечивающей высокую скорость реакции и распространение пламени со скоростью ударной волны.
Учитывая высокую скорость детонации (тысячи метров в секунду) сформировавшееся при быстром испарении облако ГПВС с целью расчета считают неизменным за весь период распространения фронта волны до внешней границы облака, схематизируемого полусферой радиуса г0 с центром на поверхности грунта (рис. 5.13), совмещенным с источником инициирования. Давление на фронте детонационной волны в газовых смесях может достигать 2 МПа, а в результате многократных отражений от конструкции в помещения доходить до 10 МПа.

Рис. 5.13. Схема взрыва ГПВС и изменение давления АР в зависимости от расстояния г до центра облака:
- 1 — область облака ГПВС с радиусом г0; 2 — зона разлета продуктов детонации и воздушной ударной волны
- (г> г0); 3 — ГПВС; 4 — изменение давления при взрыве конденсированного ВВ
Параметры детонационной волны в процессе распространения в пределах облака существенно не меняются. При выходе за пределы границы облака расширяющиеся продукты детонации (ПД) возбуждают воздушную ударную волну.
Поскольку при выбросах не все количество жидкого продукта переходит в облако, при расчете массы продукта используют коэффициент k < 1.
Для расчета поражающего действия взрывов ГПВС определяют параметры детонационной волны расширяющихся ПД и воздушной ударной волны.
Начальный радиус г0, полусферического облака ГПВС в зависимости от его объема определяют по формуле
Поскольку согласно закону Авогадро 1 моль идеального газа занимает объем Vx = 22,4 м3, то расчет объема облака для газовой смеси стехиометрического состава с объемной концентрацией Сстх и молярной массой рг горючего компонента массы тг можно производить по формуле
где k равен: 1 — для газов при атмосферном давлении; 0,5 — для газов, сжиженных под давлением; 0,02—0,07 — при растекании легковоспламеняющихся жидкостей.
При взрыве детонационная волна распространяется со скоростью
где U — удельная теплота взрыва, Дж/кг; устх — коэффициент, имеющий значения 1,25—1,26 (табл. 5.11).
Таблица 5.11
Свойства газопаровоздушных смесей, способных к детонации
Вещество |
W "л» м/с |
Рстх» кг/м3 |
Ц. стх» МДж/кг |
стх. МДж/м3 |
Устх |
Mr кг/моль |
Цгтх» об.% |
ар2, МПа |
Газовоздушные смеси |
||||||||
Аммиак |
1630 |
1,180 |
2,370 |
2,791 |
1,248 |
17 |
19,72 |
1,29 |
Ацетилен |
1990 |
1,278 |
3,387 |
4,329 |
1,259 |
26 |
7,75 |
2,14 |
Бутан |
1840 |
1,328 |
2,776 |
3,684 |
1,270 |
58 |
3,13 |
1,88 |
Бутилен |
1840 |
1,329 |
2,892 |
3,843 |
1,260 |
56 |
3,38 |
1,89 |
Винилхлорид |
1710 |
1,400 |
2,483 |
3,980 |
1,260 |
63 |
7,75 |
1.71 |
Водород |
1770 |
0,933 |
3,425 |
3,195 |
1,248 |
2 |
29,59 |
1,20 |
Дивинил |
1870 |
1,330 |
2,962 |
3,967 |
1,260 |
54 |
3,68 |
1,96 |
Окончание табл. 5.11
Вещество |
"/д. м/с |
Рстх» кг/м3 |
ТГ ^ М. СТХ’ МДж/кг |
СТХ, МДж/м3 |
Устх |
Мр кг/моль |
Отх> об.% |
ДР„ МПа |
Метан |
1750 |
1,232 |
2,763 |
4,404 |
1,256 |
16 |
9,45 |
1,57 |
Оксид углерода |
1840 |
1,280 |
2,930 |
3,750 |
1,256 |
28 |
29,59 |
1,82 |
Пропан |
1850 |
1,315 |
2,801 |
3,676 |
1,257 |
44 |
4,03 |
1,89 |
Пропилен |
1840 |
1,314 |
2,922 |
3,839 |
1,259 |
42 |
4,46 |
1,87 |
Этан |
1800 |
1,250 |
2,797 |
3,496 |
1,257 |
30 |
5,66 |
1,69 |
Этилен |
1880 |
1,285 |
3,010 |
3,869 |
1,259 |
28 |
6,54 |
1,91 |
Паровоздушные смеси |
||||||||
Ацетон |
1910 |
1,210 |
3,112 |
3,766 |
1,259 |
42 |
4,99 |
1,85 |
Бензин авиационный |
— |
1,350 |
2,793 |
3,770 |
— |
94 |
2,1 |
— |
Бензол |
1860 |
1,350 |
2,937 |
3,966 |
1,261 |
78 |
2,84 |
1,96 |
Гексан |
1820 |
1,340 |
2,797 |
3,748 |
1,261 |
86 |
2,16 |
1,86 |
Дихлорэтан |
1610 |
1,490 |
2,164 |
3,224 |
1,265 |
99 |
6,54 |
1,60 |
Диэтило- вый эфир |
1830 |
1,360 |
2,840 |
3,862 |
1,261 |
74 |
3,38 |
1,91 |
Ксилол |
1820 |
1,355 |
2,830 |
3,834 |
1,259 |
106 |
1,96 |
1,89 |
Метанол |
1800 |
1,300 |
2,834 |
3,696 |
1,253 |
32 |
12,30 |
1.77 |
Пентан |
1810 |
1,340 |
2,797 |
3,748 |
1,258 |
72 |
2,56 |
1,845 |
Толуол |
1830 |
1,350 |
2,843 |
3,838 |
1,260 |
92 |
2,23 |
1,90 |
Циклогексан |
1770 |
1,340 |
2,797 |
3,748 |
1,248 |
84 |
2,28 |
1,77 |
Время полной детонации облака определяется по формуле

а значение импульса при г < г0 — по формуле

где т.г — тротиловый эквивалент наземного взрыва полусферического облака ГПВС:

т = Рстх^О — масса облака горючего; Ur — удельная теплота взрыва тротила (4,2-106 Дж/кг).
Максимум избыточного давления на фронте детонационной волны составляет

Через малый промежуток времени т давление в детонационной волне уменьшается в 2 раза (ДР2 = 0,5ДР,). Это время (десятки микросекунд) равно длительности химической реакции в зоне: переход}' от адиабаты исходного вещества к адиабате продуктов реакции.
Зависимость избыточного давления от времени для детонационной волны на расстоянии г < г0 от центра взрыва может быть представлена в виде

где 0 — эффективное время действия, с.
При наличии плоской вертикальной преграды давление нормального отражения при г < г0 составляет ДРотр = 2,5АР2.
Характеристики распространения ГПВС приведены в табл. 5.11.
Параметры ударной волны на расстояниях, превышающих начальный размер облака (г > гн), определяют по формулам, аппроксимирующим численное решение задачи о детонации пропано-воздушной смеси. Существуют универсальные зависимости максимума избыточного давления А/ф1ах и удельного импульса / от расстояния до центра взрыва:



