АНАЛИЗ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПО ОЦЕНКЕ УРОВНЯ ОПАСНОСТИ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ И ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Троценко А.А.¹, Коновалова И.И.², Курляндская И.П.³

¹Кандидат биологических наук, Мурманский филиал Санкт-Петербургского университета государственной противопожарной службы Министерства по чрезвычайным ситуациям; ²Исследователь, Петрозаводский Государственный Университет, Медицинский институт. Кафедра Лучевой Диагностики и Лучевой Терапии с курсом Критической и Респираторной медицины; ³Кандидат педагогических наук, Мурманский филиал Санкт-Петербургского университета государственной противопожарной службы Министерства по чрезвычайным ситуациям

АНАЛИЗ  ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПО ОЦЕНКЕ УРОВНЯ ОПАСНОСТИ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ И ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА ПРИ  ПРОГНОЗИРОВАНИИ  ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ  СИТУАЦИЙ

Аннотация

В статье рассмотрены основные характеристики пожаровзрывоопасных веществ, приведены примеры расчётов максимального и избыточного давления взрыва с учётом рационализаторских предложений по определению зоны разрушения и радиуса поражения. Предложены дополнительные меры по безопасной транспортировке и хранению пожаровзрывоопасных веществ: расчёт взрывоопасной зоны и радиуса зоны разрушения взрыва с учётом геометрии помещения; расчёт концентрационных пределов распространения пламени с учётом разбавления и добавления флегматизаторов.

Ключевые слова: пожаровзрывоопасные вещества, взрывы, радиус разрушения, прогнозирование чрезвычайных ситуаций.

Trotsenko A.A.¹, Konovalova I.I.², Kurlyandskaya I.P.³

¹PhD in Biology, Murmansk Branch of Saint-Petersburg University of State Fire Service of Russian Ministry of Emergency Situations; ²Researcher, Petrozavodsk State University, Medical Institute, Department of Radiation Diagnostics and Radiation Therapy with the Course of Critical and Respiratory Medicine; ³PhD in Pedagogy, Murmansk Branch of the St. Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations

ANALYSIS OF ADDITIONAL PARAMETERS ON ESTIMATION OF THE LEVEL OF HAZARDOUS FLAMMABILITY AND CONSEQUENCES OF EXPLOSION IN FORCASTING OF EMERGENCY SITUATIONS

Abstract

The article considers the main characteristics of fire and explosion substances, gives examples of calculations of maximum and excess pressure of the explosion, taking into account rationalization proposals for determining the zone of destruction and the radius of damage. Additional measures are proposed for safe transportation and storage of fire and explosion substances such as the calculation of the explosive zone and the radius of the explosion destruction zone with regard to the geometry of the room and calculation of concentration limits of flame propagation taking into account the dilution and addition of phlegmatizers.

Keywords: fire and explosion substances, explosions, radius of destruction, forecasting of emergency situations.

Систематически специалисты сталкиваются с проверкой использования, условий хранения и транспортировки взрывоопасных веществ, что является важным моментом при прогнозировании последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС).

Общеизвестно, что взрыв представляет собой быстрый, интенсивный экзотермический процесс мгновенного физико-химического изменения вещества и образованием сжатых газов или паров, способных производить работу [2, С 284]. Для быстрого и эффективного расследования произошедшей чрезвычайной ситуации ввиду взрыва к методикам по теоретическим и приближенным к реальности расчётам требуется системный подход. Основными теоретическими расчётами потенциального взрыва, как правило, являются: определение избыточного давления взрыва вещества или смеси горючих веществ, размера взрывоопасной зоны и радиуса поражения, концентрационные пределы распространения пламени. В данной статье будет предложен максимально рациональный путь по расчётам указанных параметров опасности горючих веществ и последствий взрыва.

Избыточное давление взрыва является основным критерием дифференциации взрывоопасных и пожароопасных категорий помещений при прогнозировании последствий взрыва / детонации опасных веществ указанной массы или объёма. В результате взрыва происходит разрушение или повреждение зданий, сооружений, технологического оборудования, транспортных средств, элементов коммуникаций и других объектов, что может приводить к гибели людей.

Избыточное давление взрыва рекомендуется рассчитывать с учётом таких параметров, как максимальное давление взрыва и начальное давление (как правило, стандартное или нормальное атмосферное давление) [1,С. 407]:

   (1)

Следует учесть, что практически максимальное давление взрыва (Р_max) не осуществимо, поэтому параметр не может быть основным критерием, описывающим последствия взрыва, хотя в большинстве учебных пособий предлагается ориентироваться только на этот параметр при выяснении степени потенциального разрушения. Практическая несостоятельность максимального давления взрыва объясняется, в первую очередь, началами термодинамики и основными законами химии, ограничивающими возможность одномоментного нагрева до температуры самовоспламенения абсолютного количества частиц (молекул) паровоздушной смеси и вступления их в химическую реакцию горения. Даже при детонации, т.е. физико-химическом процессе, протекающем со сверхзвуковой скоростью, химическая реакция происходит не с мгновенным участием абсолютного количества частиц (молекул), а поэтапно.

При отсутствии справочных данных допускается принимать Р_MAX = 900 кПа; Р₀ – нормальное или стандартное 101 кПа; m – предложенная масса горючего газа, или паров легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ), или смеси горючих веществ (ГЖ), высвободившихся из ёмкости в помещение при разгерметизации в результате аварии; Z – коэффициент участия горючего вещества во взрыве с учётом агрегатного состояния (табличные данные); К_н – степень разгерметизации ёмкости с горючим веществом.

Решающую роль в определении результата по расчётам размера взрывоопасной зоны и радиуса поражения будет играть информация об объёме помещения и количестве испарившегося горючего вещества. Если же пары горючего вещества достигли минимальной взрывоопасной концентрации в помещении, равной нижнему концентрационному пределу распространения пламени (НКПРП) для данного вещества, и заняли всю площадь пола, стен или потолка (в зависимости от плотности горючего газа относительно воздуха), то в этой ситуации нужно принять всё помещение в качестве модели сосуда с данным пожаровзрывоопасным веществом. Иными словами, не ёмкость с горючим веществом, а всё помещение является целостной химической системой и принимается за точку отсчёта.

После определения избыточного давления взрыва необходимо рассчитать размер взрывоопасной зоны. Авторы учебных пособий при рассмотрении размера взрывоопасной зоны предлагают принять за ноль в системе координат центр помещения. Однако в таком случае не учитывается то, что пары вещества распространяются сначала вдоль пола или потолка, а затем по высоте, что определяет границу последствий взрыва. Представив всё помещение в качестве целостной химической системы с взрывоопасным веществом, при расчёте размера взрывоопасной зоны каждый из параметров представленной зоны помещения нужно принять за ноль в системе координат (где - высота Z, ширина Y и длина X). Полученные в ходе расчётов результаты проецируются на известные параметры помещения, что позволяет добиться максимально приближенной к реальности картины разрушений от взрыва.

Например, имеем в качестве исходных данных некоторое помещение размером 5м*2м*5 м, где пары заполнили всю площадь пола и поднялись на расстояние 0,5 м от пола. После проведённых вычислений имеем, что длина взрывоопасной зоны равна 2 м, ширина 1,5 м, а высота составила - 1 м. Прибавив полученные результаты к параметрам заполнения паров, мы получаем размер зоны, превышающей длину и ширину комнаты соответственно на 2 и 1,5 м (рис. 1). На представленной иллюстрации синими линиями указаны границы заполнения помещения парами взрывоопасного вещества, а красными - размер взрывоопасной зоны, который необходимо добавить к имеющимся параметрам заполнения парами. Следовательно, сила ударной волны при взрыве опасного вещества в основном будет направлена на стены помещения, а не в потолок и пол; можно предположить, что несущие конструкции помещения будут разрушены. Нужно отметить, что по существующим методикам расчётов и по данному рисунку (рис. 1) по умолчанию предполагается, что аппарат (ёмкость) с горючим взрывоопасным веществом стоит в углу помещения. При изменении дислокации аппарата (ёмкости) с опасным веществом необходимо соответственно сместить центр трёхмерной системы координат на модели. В любом случае по предложенной модели уязвимыми в результате взрыва будут именно стены.

Рис. 1 – Первичные параметры взрывоопасной зоны

 

Данной методикой определения размеров взрывоопасной зоны можно также пользоваться при наличии различных вариантов заполнения парами горючих газов помещений с любыми параметрами.

Следующим этапом оценки уровня опасности горючих веществ и последствий взрыва является определение радиуса зоны разрушения. Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемыми радиусами R, центром которой является рассматриваемая технологическая система или наиболее вероятное место разгерметизации этой системы. Предложенные в учебных пособиях методики по определению локализации центра взрыва при утечке различных опасных веществ не всегда являются актуальными ввиду многогранности и определенной специфики существующих технологий. Используя методику, предложенную выше при определении зон разрушения, можно получить приближенные к реальности результаты радиуса зоны разрушения.

Радиус зоны разрушения (м) в общем виде определяется выражением:

   (2)

где К – безразмерный коэффициент (таблица 1), характеризующий степень разрушения объекта при взрыве; WT – тротиловый эквивалент мощности взрыва [1, С. 319].

 

Таблица 1 – Классификация зон разрушения

Класс зоны разрушения	К	ΔР, кПа
1	3,8	≥100
2	5,6	70
3	9,6	28
4	28,0	14
5	56,0	≤2,0

 

С методологических позиций полученный результат, аналогично расчёта размеров взрывоопасной зоны, накладывается далее на объемные параметры помещения занятого парами взрывоопасного вещества. При этом значение R следует прибавить к большей стороне, поскольку ударная волна будет набирать силу за время цепной реакции, проходящей по всему объёму вещества, и начнёт угасать с момента окончания реакции, т.е. на границе вещества (рис. 2). Здесь синими линиями указаны границы заполнения помещения парами взрывоопасного вещества, а красными - радиус зоны разрушения.

Для наглядности применения описанной выше методики в настоящей статье предложены расчёты по прогнозированию последствий чрезвычайной ситуации в результате взрыва опасного горючего вещества. Необходимо определить избыточное давление взрыва в помещении, где обращается толуол:

1. Характеристика горючего вещества (справочные данные): толуол С₆Н₅СН₃; t_ВСП = -5 ºС; НКПР = 1,21%; константы уравнения Антуана: А = 6,0507; В = 1328,17; С = 217,713; ρ_Ж = 867 кг/м³; Р_MAX = 634 кПа.
2. Характеристика помещения (произвольные данные): длина l = 6 м; ширина b = 6 м; высота h = 4 м; начальная температура воздуха в помещении 25 ºС; скорость воздушного потока в помещении 0,1 м/с.
3. Характеристика оборудования и параметры технологического процесса (произвольные данные): объем аппарата VАП = 0,05 м³; степень заполнения аппарата жидкостью ε = 0,85; начальная температура жидкости в аппарате 40ºС. В результате аварийной ситуации аппарат полностью разрушен, вся жидкость поступила в помещение. Испарение жидкости в помещение происходило в течение 1 часа. Масса поступившей жидкости из аппарата в помещение m = 37 кг; площадь испарения жидкости 37 м². Так как площадь испарения ограничена площадью помещения, то принимаем площадь испарения за площадь пола, равной 6·6=36м²; интенсивность испарения - W_исп = 111,4*10^-6 кг/м²*с; масса испарившейся жидкости - mисп.жидк. = 14,4 кг; Z = 0,3; Кн = 3; свободный объём помещения - V_своб = 115,2 м³; плотность паров - ρг = 3,76 кг/м³; стехиометрическая концентрация - С_стех = 1,86%; объём паров горючего вещества - V_п = 3,8м³; НКПРП толуола - 1,25%; процентное содержание паров от общего объёма помещения - 2,6%.

Определяем избыточное давление (1) по имеющимся данным, чтобы определить в дальнейшем по таблице 1 коэффициент К: кПа, что соответствует 2-му классу разрушений. Значит, описанное помещение при взрыве данной паровоздушной смеси полностью будет разрушено.

Находим тротиловый эквивалент по формуле [1, С. 405]

   (3)

где 0,4 – фиксированный коэффициент, отражающий долю энергии взрыва парогазовой смеси, затрачиваемой непосредственно на формирование ударной волны; 0,9 – фиксированный коэффициент, отражающий долю энергии взрыва тринитротолуола, затрачиваемой непосредственно на формирование ударной волны; Q_H – удельная (низшая) теплота сгорания парогазовой среды, кДж/кг; Q_Т – удельная теплота сгорания тринитротолуола (справочные данные по тротилу Q_Т = 4240 кДж/кг); Z – доля массы паров, участвующей во взрыве (зависит от природы горючего вещества; в данном случае Z=0,3 ).

Параметр Q_н можно либо рассчитать самостоятельно, либо указать справочные данные - Q_н = 40660 кДж/кг. Итак, рассчитаем тротиловый эквивалент:

Рассчитываем радиус зоны поражения по формуле (2)

И наконец, учитывая все вышеперечисленные параметры, окончательно получаем, что толуол заполнил всю площадь пола помещения (так как его молярная масса больше молярной массы воздуха) и возвышается на 0,1 м вверх. Поэтому получившееся значение радиуса (4,39 м) необходимо прибавить или к ширине, или к длине (рис. 2).

Рис. 2 – Параметры определения радиуса разрушения, приближенного к реальности

 

При прогнозировании последствий взрыва, в частности при определении радиуса разрушения, необходимо учитывать результаты расчётов с максимальной потенциальной опасностью. Поэтому целесообразнее учесть не примерное 4,4 м, а завышенное значение – 5 м.

Горение пожароопасных веществ при внештатных ситуациях на различных технических объектах, могут, в свою очередь, спровоцировать взрыв других систем. При хранении и транспортировке горючих веществ главнейшим показателем их опасности является нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени (воспламенения) – соответственно, минимальное и максимальное содержание горючего вещества в однородной паровоздушной смеси (с воздухом или чистым кислородом), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Например, рассчитаем НКПР и ВКПР для гептана (C7H16) при стандартных условиях окружающей среды (25 °С), находящегося в герметичном баллоне вблизи вышеописанного взрывоопасного вещества - толуола. Для начала запишем уравнение реакции горения гептана по воздуху:

Далее используем формулу вида

  (4)

где  _Н(В) – нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (НКПР и ВКПР), %; β – число молекул кислорода (коэффициент перед кислородом в уравнении реакции горения вещества); a и b – константы, приведенные в таблице 2 [1, с. 324].

 

Таблица 2 – Значение констант для определения концентрационных пределов распространения пламени

КПР	α	b
НКПР	8,684	4,679
ВКПР
β ≤ 7,5	1,550	0,560
β> 7,5	0,768	6,554

 

Получим, что НКПР гептана равен 0,99 %, а ВКПР равен 6,7 %. Отсюда следует, что 1 % гептана в воздухе будет достаточно, чтобы произошло самовоспламенение, что, в свою очередь, спровоцирует взрыв толуола.

Принимается тот факт, что выше ВКПР пожаровзрывоопасные вещества становятся менее опасными, так как паровоздушная смесь будет богата по горючему веществу, но бедна по окислителю, значит, не будет соблюдаться стехиометрическое соотношение горючего и окислителя (1 : 11). Следует заметить, что при недостатке (по массе или объёму) горючего вещества и одновременно при избытке окислителя, если, например, реакция происходит на открытом воздухе или в помещениях с хорошей вентиляцией, опасность горючего вещества не снижается.

При транспортировке гептана не нужно забывать, что помимо температуры окружающего воздуха, дополнительно следует учитывать температуру от нагретого двигателя, прямых солнечных лучей и от дорожного полотна. В учебных пособиях обычно этими дополнительными значениями температур пренебрегают:

   (5)

   (6)

где Т = 60 °С (333 °К), а Т₀ = 25°С (298 °К ) .

В результате расчётов при повышении температур на 60 °С нижний концентрационный предел достигает значения 0,97 %, а верхний - 6,7 %. Следовательно, транспортировка и хранение гептана на стратегически важных и потенциально опасных объектах недопустимы при его концентрации в пределах 1% - 7%. Разбавление сжиженного газа примерно в 15-20 раз повысит его устойчивость к резко меняющейся температуре и позволит выиграть время при тушении возникшего пожара. Добавление флегматизаторов также снизит пожаровзрывоопасные свойства гептана в газовой или жидкой фазе за счёт снижения чувствительности самого горючего вещества к внешним воздействиям (искре, трению, нагреванию, удару и т.п.). В случае невозможности выполнения двух вышеописанных условий, требуется оснастить место дислокации горючего вещества холодильным оборудованием.

Следует отметить, что надёжным современным материалом ёмкости для горючего вещества являются сплавы титана, которые имеют упругие, прочные свойства, низкий коэффициент термического расширения (как фактора возможной разгерметизации ёмкости), высокие огнеупорные и огнестойкие свойства. Особенно эффективными оказались свойства сплавов на основе соединений титана с никелем, алюминием и ниобием (соответственно - TiNi, TiAl и TiNb). Температура плавления таких материалов выше 900 ºС, что позволит сохранить в относительной безопасности горючее вещество при потенциальных пожарах, которые по большей степени происходят при температуре, не превышающей 900 ºС. Выводы:

1. При расчёте взрывоопасной зоны и радиуса зоны разрушения взрыва необходимо рассматривать всё помещение в качестве целостной химической системы и принимать его за ноль в трёхмерной системе координат.
2. Безопасная транспортировка пожаровзрывоопасных веществ должна осуществляться с учётом, в первую очередь, нижнего концентрационного предела распространения пламени.
3. Для безопасной транспортировки и хранения пожаровзрывоопасных веществ рекомендовано использовать ёмкости из сплавов с высокими огнеупорными и огнестойкими свойствами.

Список литературы / References

1. Андреев С. Г. Экспериментальные методы физики взрыва и удара / Андреев С. Г., Бойко М. М., Селиванов В. В. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013.— 752 c.
2. Троценко А. А. Некоторые аспекты химизма самовосгорания и самовоспламенения / Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: в 2-х ч. Ч. 1 / ФГБОУ ВО Воронежский институт ГПС МЧС России. – Воронеж, 2016. – 523 с. (С. 284-288).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Andreev S. G. Jeksperimental'nye metody fiziki vzryva i udara [Experimental methods of physics of explosion and shock] / Andreev S.G., Bojko M.M., Selivanov V.V.— M.: FIZMATLIT, 2013.— 752 c. [In Russian]
2. Trocenko A. A. Nekotorye aspekty himizma samovosgoranija i samovosplamenenija [Some aspects of the chemistry of fire and ignition] / Sovremennye tehnologii obespechenija grazhdanskoj oborony i likvidacii posledstvij chrezvychajnyh situacij [Modern technologies ensure civil defence and elimination of consequences of emergency situations]: v 2-h ch. Ch. 1 / FGBOU VO Voronezhskij institut GPS MChS Rossii. – Voronezh, 2016. – 523 s. (S. 284-288). [in Russian]