МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
КАФЕДРА “ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ”
МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО
к практическим занятиям
по курсу
«Системный анализ и моделирование процессов в
промышленной безопасности »
Практическое занятие № 9
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АВАРИЙНОГО ВЗРЫВА
СИСТЕМЫВОДА-АЛЮМИНИЙ
Москва,2015 г.
Практическое занятие № 9
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АВАРИЙНОГО ВЗРЫВА
СИСТЕМЫВОДА-АЛЮМИНИЙ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить термины и понятия, связанные с протеканием аварийного взрыва системы вода - сталь.
2. Ознакомиться с алгоритмом расчёта параметров взрыва.
3. Изучить возможные воздействия на человека сооружения образующейся ударной волны.
4. Исследовать влияние параметров взрыва на параметры ударной волны.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При разработке методики расчета энергии взрыва при взаимодействии с водой расплавов алюминия учитывалось выделение энергии в результате химической реакции между ними, а также в результате сгорания образовавшегося водорода за счет кислорода воздуха.
В начале расчета необходимо провести оценку достаточности количества воды для взаимодействия с массой металла, которая в соответствии с моделью аварии и заданной полнотой участия металла во взрыве, может принимать участие в энерговыделении. Для этого рассчитывается параметр С, определяемый для алюминия по формуле:
, (9.1)
где h - доля алюминия, принимающая участие в реакции в реакции.
Если С > 1, то тротиловый эквивалент взрыва рассчитывают по формуле:
, (9.2)
где 
- конечная температура воды (К), определяемая по формуле
(9.3)
Q рм = 17602 кДж/кг – теплота реакции взаимодействия 1 кг алюминия с водой,
= 13434 кДж/кг – теплота образования1 кг воды.
Если C < = 1, то рассчитывается параметр В по формуле:
. (9.4)
Если В > = 1, то тротиловый эквивалент взрыва рассчитывается по формуле:
. (9.5)
Если В < 1, то (К) рассчитывают по формуле:
(9.6)
Если > 
, то рассчитывается уточненное значение конечной температуры водяного пара по уравнению:
(9.7)
Если рассчитанное значение < 
,то принимается, что = .
Далее рассчитывают тротиловый эквивалент взрыва по формуле:
, кг (9.8),
где 
– теплота, выделяющаяся в результате взаимодействия водорода, образующегося при реакции 1 кг металла с водой, с кислородом воздуха, кДж/кг.
Приведенная методика применима и для оценки силы взрыва при контакте с водой и других активных металлов, кроме магния и некоторых магниевых сплавов.
При попадании в воду расплавы магния и некоторых магниевых сплавов образуют пористые слитки, плавающие и горящие на поверхности воды. Замкнутые объемы в этом случае не возникают и последствия аварий определяются параметрами взрыва водородовоздушной смеси.
Зная величину тротилового эквивалента, можно найти величину давления во фронте ударной волны и степени разрушения производственного помещения, поражения персонала и т.д.
Имеется несколько наиболее часто используемых методик расчета избыточного давления во фронте ударной волны:
1. Формула, использованная в ряде зарубежных и отечественных работ для анализа последствий взрывов расплавов металлов:
P = 113,4 m + 185,9 m 2 + 9,02 m 3, кПа (9.9)
2. Формула для точечного взрыва:
P = 98,8 m + 147,4 m 2 + 592,6 m 3– 1,92, кПа (9.10)
3. Формула Садовского, используемая обычно при экспертизе последствий взрывов взрывчатых веществ:
P = 95 m + 390 m 2 + 1300 m 3, кПа (9.11)
4. Формула, приведенная в Нормах пожарной безопасности НПБ 107-97 для расчета поледствий взрывов наружных емкостей с взрывоопасными веществами:
Р = 80 m + 300 m 2 + 500 m 3 (9.12)
Во всех этих формулах dP – избыточное давление во фронте ударной волны, кПа,
m = G тнт1/3 / (9.13)
где G ТНТ – тротиловый эквивалент взрыва, кг,
R – расстояние от эпицентра взрыва, м.
При взрыве в ограниченном пространстве избыточное давление во фронте ударной волны в
соответствии с формулой Б.А. Олесова практически удваивается
, (9.14)
где - ветровое давление, определяемое скоростным напором
Степень поражения можно определить по таблице 9.1 с использованием формул таблицы 9.2
Таблица 9.1
Зависимость степени поражения (разрушения) от пробит-функции
| Р пор,% | ||||||||||
| 2,67 | 2,95 | 3,12 | 3,25 | 3,38 | 3,45 | 3,52 | 3,59 | 3,66 | ||
| 3,72 | 3,77 | 3,82 | 3,87 | 3,92 | 3,96 | 4,01 | 4,05 | 4,08 | 4,12 | |
| 4,16 | 4,19 | 4,23 | 4,26 | 4,29 | 4,33 | 4,36 | 4,39 | 4,42 | 4,45 | |
| 4,48 | 4,50 | 4,53 | 4,56 | 4,59 | 4,61 | 4,64 | 4,67 | 4,69 | 4,72 | |
| 4.75 | 4.77 | 4.80 | 4.82 | 4.85 | 4.87 | 4.90 | 4.92 | 4.95 | 4.97 | |
| 5,00 | 5,03 | 5,05 | 5,08 | 5,10 | 5,13 | 5,15 | 5,18 | 5,20 | 5,23 | |
| 5,25 | 5,28 | 5,31 | 5,33 | 5,36 | 5,39 | 5,41 | 5,44 | 5,47 | 5,50 | |
| 5,52 | 5,55 | 5,58 | 5,61 | 5,64 | 5,67 | 5,71 | 5,74 | 5,77 | 5,82 | |
| 5,84 | 5,88 | 5,92 | 5,95 | 5,99 | 6,04 | 6,08 | 6,13 | 6,18 | 6,23 | |
| 6,28 | 6,34 | 6,41 | 6,48 | 6,55 | 6,64 | 6,75 | 6,88 | 7,05 | 7,33 | |
| 7,33 | 7,37 | 7,41 | 7,46 | 7,51 | 7,58 | 7,65 | 7,75 | 7,88 | 8,09 |
Таблица 9.2
Выражения пробит-функций для разных степеней поражения (разрушения)
| № | Степень поражения (разрушения) | Пробит-функция |
| Поражение человека | ||
| Разрыв барабанных перепонок | Pr = -12,6 +1,524ln P ф
| |
| Контузия | Pr = 5-5,74ln{4,2/(1+ P ф/ P 0)
+ 1,3/[ I +/(P 01/2. m 1/3)]},
где m – масса тела, кг
| |
| Летальный исход | Pr = 5-2,44ln[7380/ P ф +
+1,9*106/( P ф. I +) ],
| |
| Разрушение зданий | ||
| Слабые разрушения | Pr=5-0,26ln[(4600/ P ф)3,9 +
+ (110/ I +)5,0 ]
| |
| Средние разрушения | Pr = 5-0,26ln[17500/ P ф)8,4 +
+ (290/ I +)9,3 ]
| |
| Cильные разрушения | Pr = 5-0,22ln[(40000/ P ф)7,4 + (460/ I +)11,3 ]
| |
| Импульс фазы сжатия | 
|
3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
При выполнении работы необходимо:
1. Изучить основные понятия, связанные с взрывом системы вода-алюминий;
3. По заданным исходным данным (табл. 9.3) провести численный эксперимент по исследованию:
- влияния массы металла (0,5 М МЕ, М МЕ и 2 М МЕ) на величины избыточного давления и импульса фазы сжатия при взрыве системы металл - вода;
- влияния массы воды (0,5 М Н2О, М Н2О и 2 М Н2О) на величины избыточного давления и импульса фазы сжатия при взрыве системы металл - вода;
- влияния расстояния (0,5 R; R; 2 R) на величину избыточного давления и импульса фазы сжатия при взрыве системы металл – вода при расчете по разным формулам;
- для наибольших значений Р и I+ определить вероятности различных степеней поражения человека и зданий.
- построить графические зависимости Р = f (М МЕ); I += f (М МЕ); Р = f (R ); I += f (R).
4. ВАРИАНТЫИСХОДНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
Таблица 9.3
Варианты исходных значений
| № | М МЕ,кг | М Н2О, кг | R, м |
При расчете принимать:
теплоемкость воды в интервале 0 – 100 0С равна С Н2О = 4,19 кДж/(кг*К);
теплоемкость пара в интервале 100 – 500 0С равна С Н2О = 2,0 кДж/(кг*К);
скрытая теплота плавления алюминия q ПЛМЕ = 390 кДж/кг
температура плавления алюминия Т ПЛМЕ = 660 0С
5.ЛИТЕРАТУРА
1.Кузнецов О.В. Разработка методов прогнозирования и предотвращения последствий взрывов при аварийном взаимодействии расплавленного металла с водой и кислородосодержащими материалами. Диссертация на соис. уч. ст. к.т.н., М: МИСиС, 2001.
2. Anderson R.P., Armstrong D.R. Comparison between vapor explosion models and recent experimental results // AIChE Symposium Series 138, Volume 70, Heat Transfer -Research and Design, pp. 31 - 37.
3. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. - М.: Изд-во физико-математической литературы. - 1959. - 800 с.
4. Адушкин В.В., Гарнов В.В., Христофоров Б.Д. Крупномасштабный взрыв как модель аварийного взрывы // Безопасность труда в промышленности. - 1999.- № 10. - с. 21.
5. 92. НПБ 107-97. Определение категорий наружных установок по пожарной опасности. М.: Главное управление Государственной противопожарной службы МВД России. - 1997. -19 с.