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> Г_кр 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

Окончание табл. 5.8

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 Е_тт инициирования некоторых ГПВС, наиболее чувствительных к детонации с объемной концентрацией С топлива, и минимальные диаметры облака d_min, 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

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

Окончание табл. 5.10

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 С_стх и молярной массой р_г горючего компонента массы т_г 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; у_стх — коэффициент, имеющий значения 1,25—1,26 (табл. 5.11).

Таблица 5.11

Свойства газопаровоздушных смесей, способных к детонации

Окончание табл. 5.11

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; U_r — 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 ДР_отр = 2,5АР₂.

Характеристики распространения ГПВС приведены в табл. 5.11.

Параметры ударной волны на расстояниях, превышающих начальный размер облака (г > г_н), определяют по формулам, аппроксимирующим численное решение задачи о детонации пропано-воздушной смеси. Существуют универсальные зависимости максимума избыточного давления А/ф_1ах и удельного импульса / от расстояния до центра взрыва: