ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ
Чрезвычайные ситуации при эксплуатации сосудов, работающих под избыточным давлением
Работа, производимая адиабатическим расширением газа при взрыве сосуда, и мощность взрыва зависят от давления в аппарате, его объема, времени действия взрыва (обычно около 0,1 с), показателя адиабаты (для воздуха он равен 1,41) и могут быть подсчитаны по эмпирическим формулам. Расчеты показывают, что мощность физических (адиабатических) взрывов достаточно велика. Поэтому конструкции сосудов и аппаратов, находящихся под давлением, и системы их обслуживания разрабатывают с таким расчетом, чтобы была исключена опасность взрыва. Условия безопасной работы таких сосудов определены Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности «Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением» (утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 25.03.14 № 116), которые являются обязательными для всех предприятий и организаций, конструирующих, изготовляющих и эксплуатирующих эти сосуды.
Безопасная эксплуатация сосудов достигается введением повышенных коэффициентов запаса прочности, созданием наиболее рациональных конструкций, применением высококачественных материалов, обязательной установкой предохранительных и блокировочных устройств, контрольно-измерительных приборов.
При взрыве сосуда происходит адиабатическое расширение находящегося в нем сжатого газа, работа которого в этом случае может быть подсчитана по формуле:
, (1)
где p г – давление газа в емкости, Па; р 0 – атмосферное давление, Па (принимать равной 105 Па); V – объем емкости, м3; γ – значения показателя адиабаты газа (табл. 1).
После разрушения здания (резервуара) образуется воздушная ударная волна и поле осколков. Энергия взрыва в помещении распределяется по соотношению:
E = E уд.в+ Е оск. (2)
где Е уд.в – энергия, идущая на образование ударной волны; Е оск – энергия, идущая на разлет осколков.
Таблица 1
Значения показателя адиабаты некоторых газов
| Газ, среда | γ = C р/ С V |
| Воздух, водород, окись углерода, азот, кислород | 1,4 |
| Метан, углекислый газ | 1,3 |
| Пары воды | 1,135 |
| Аргон, гелий | 1,67 |
| Ацетилен | 1,24 |
| Хлор | 1,36 |
| Сернистый газ | 1,29 |
| Сероводород | 1,34 |
Определяем массу эквивалентного заряда, кг, по формуле:
, (3)
где Q тнт – теплота взрыва тринитротолуола (тротила), кДж/кг (Q тнт = 4,52·106 Дж/кг).
Избыточное давление во фронте ударной волны на расстоянии R определяется по формуле М.А. Садовского:
, (4)
где ΔР ф – избыточное давление во фронте ударной волны, кПа; G – масса тротилового заряда, кг; R – расстояние от центра взрыва до объекта, м.
Примечания:
Формула справедлива для наземного взрыва, а также для воздушного взрыва на R > 8 Н, Н — высота взрыва, м.
Дальность разлета осколков зданий, сооружений и вулканических камней L max, м, определяется по формуле:
, (5)
где g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с); V 0 – начальная скорость полета осколков, м/с, вычисляется по соотношению:
, (6)
где М 0 – суммарная масса осколков, равная массе здания, резервуара, кг; М – масса горючего вещества, кг; Q v – удельная теплота взрыва вещества, Дж/кг; Е оск – доля энергии, идущая на разлет осколков.
Формула для определения L max дает завышенные значения, так как рассчитана для полета осколков в безвоздушном пространстве. Поэтому дальность полета осколков ограничивают соотношением (L x):
, (7)
где G – масса эквивалентного тротилового заряда, кг.
Масса резервуара цилиндрической формы вычисляется по формуле:
, (8)
где ρ – удельный вес железа (металла), ρ = 7,8 г/см3; δ – толщина оболочки, см; r и r 1 – внешний и внутренний радиус резервуара, см (r 1= r - δ); h – длина цилиндрического резервуара, см.
Объем резервуара цилиндрической формы соответственно:
, (9)
Рис. Схема сечений цилиндрического и шарового резервуаров для расчета их объемов
Таблица 2
Степень поражения людей
| Δ Р ф, кПа | Степень поражения |
| >100 | Смертельные (безвозвратные) |
| 60-100 | Тяжелые повреждения |
| 40-60 | Средние повреждения (кровотечение, вывихи, сотрясение мозга) |
| 10-40 | Легкие повреждения (ушибы, потеря слуха) |
| <10 | Безопасное |
Таблица 3
Степень разрушения объектов (зданий, сооружений, транспорта) в зависимости от избыточного давления Δ Р ф, кПа
| Элементы НТК | Степень разрушения | ||
| сильная | средняя | слабая | |
| Цех с металлическим каркасом | 50-30 | 30-20 | 20-10 |
| Кирпичные здания | 30-20 | 20-12 | 12-8 |
| Цистерны ж/д | 90-60 | 60-40 | 40-20 |
| Грузовая машина | >50 | 50-40 | 40-20 |
| ЛЭП | 120-80 | 70-50 | 40-20 |
| Трубопроводы наземные | >130 | 130-50 | 50-20 |
| Трубопроводы на эстакаде | 50-40 | 40-30 | 30-20 |
| Резервуары ГСМ наземные | 100-50 | 50-30 | 30-10 |
| Резервуары подземные | 200-100 | 100-50 | 50-30 |
| ТЭС | 25-20 | 20-15 | 15-10 |
| Водонапорная башня | 60-40 | 40-20 | 20-10 |
| Деревянные дома | 30-20 | 20-10 |
Пример задачи
Определить степень разрушений на расстоянии R =100 м при взрыве варочного котла на ЦМК при следующих исходных данных: P = 22·105 Па, h = 11,3 м, r = 3 м, ρ = 7,8 г/см3,– плотность материала стенок котла (сталь), δ = 2 см, γ = 1,135 (пары воды). Определить L х, L max.
Решение
Определяем объем резервуара цилиндрической формы:
м3
Определяем энергию взрыва котла:
≈ 5087,2·106 Дж
Рассчитываем массу эквивалентного тротилового заряда:
кг
Вычисляем избыточное давление во фронте ударной волны на расстоянии R = 100 м по формуле М.А. Садовского (4):
кПа
Степень поражения людей: Легкие повреждения (ушибы, потеря слуха).
Степень разрушения объектов: слабая
Определяем дальность разлета осколков:
м
Масса цилиндрического резервуара (формула 8):
г ≈ 41800,4 кг,
м2/с2
Отсюда радиус разлета без учета сопротивления воздуха, формула 5:
м
Варианты заданий
| № вар | Размеры резервуара | Газ | Расстояние до объекта, R, м | Давление в резервуаре, p г, Па | Объект | ||
| h, м | r, м | δ, см | |||||
| 2,1 | Водород | Цех с металлическим каркасом | |||||
| 11,5 | 3,11 | 2,8 | Метан | Кирпичные здания | |||
| 15,1 | 3,3 | 2,4 | Пары воды | Цистерны ж/д | |||
| 12,2 | 3,19 | Гелий | Грузовая машина | ||||
| 14,8 | 3,07 | 2,6 | Ацетилен | ЛЭП | |||
| 3,15 | 2,5 | Хлор | Трубопроводы наземные | ||||
| 13,6 | 3,04 | 2,9 | Сернистый газ | Трубопроводы на эстакаде | |||
| 15,3 | 3,06 | 2,7 | Сероводород | Резервуары ГСМ наземные | |||
| 15,5 | 3,2 | 2,1 | Азот | Резервуары подземные | |||
| 14,4 | 3,1 | 2,4 | Углекислый газ | ТЭС | |||
| 14,2 | 3,15 | 2,2 | Пары воды | Водонапорная башня | |||
| 3,14 | 2,5 | Аргон | Деревянные дома | ||||
| 12,9 | 3,21 | 2,7 | Ацетилен | Цех с металлическим каркасом | |||
| 13,5 | 3,05 | 2,9 | Хлор | Кирпичные здания | |||
| 15,4 | 3,2 | Сернистый газ | Цистерны ж/д | ||||
| 13,3 | 3,07 | 2,1 | Сероводород | Грузовая машина | |||
| 14,7 | 3,16 | 2,3 | Кислород | ЛЭП | |||
| 3,08 | 2,6 | Метан | Трубопроводы наземные | ||||
| 12,7 | 3,02 | 2,3 | Пары воды | Трубопроводы на эстакаде | |||
| 13,4 | 3,13 | 2,9 | Гелий | Резервуары ГСМ наземные | |||
| 14,9 | 3,1 | 2,2 | Ацетилен | Резервуары подземные | |||
| 3,08 | 2,6 | Хлор | ТЭС | ||||
| 14,3 | 3,17 | 2,3 | Сернистый газ | Водонапорная башня | |||
| 12,3 | 3,03 | Сероводород | Деревянные дома | ||||
| 14,5 | 3,22 | 2,8 | Водород | Цех с металлическим каркасом | |||
| 12,9 | 3,09 | 2,5 | Углекислый газ | Кирпичные здания | |||
| 16,5 | 3,18 | Пары воды | Цистерны ж/д | ||||
| 13,4 | 3,01 | 2,2 | Аргон | Грузовая машина | |||
| 12,5 | 3,12 | 2,4 | Ацетилен | ЛЭП | |||
| 3,05 | 2,7 | Хлор | Трубопроводы наземные |