Эффективность взрывозащитных устройств в технологических процессах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 699.81: 614.841

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЗРЫВОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Кочетов О.С., д.т.н., проф. Московский технологический университет

В работе рассмотрена методика расчета взрывных нагрузок на технологическое оборудование, здания и сооружения при воздействии внешних и внутренних аварийных факторов, а также разработано устройство по-жаровзрывобезопасной работы оборудования в технологических цепочках современного производства. Найдены оптимальные параметры предложенной конструкции взрывозащитного устройства: зависимость диаметра сбросного отверстия взрывозащитного устройства от диаметра защищаемого объекта и зависимость изменения диаметра сбросного отверстия взрывного клапана от скорости распространения пламени.

Ключевые слова: взрывная нагрузка, технологическое оборудование, внешние и внутренние аварийные факторы, взрывозащитное устройство, скорость распространения пламени.

В работах [1,с.35; 2,с.27; 3,с.39; 4,с.45] рассмотрены физические аспекты развития взрывной аварии и математические модели, адекватно описывающие динамику формирования взрывной нагрузки. Выявлено, что аварийные взрывы внутри зданий и помещений характеризуются не детонационным, а дефлаграционным типом взрывного превращения, что накладывает определенные особенности на способы прогнозирования взрывных нагрузок и на методы уменьшения последствий аварийных взрывов [5,с.48; 6,с.68; 7,с.11].

Для эффективной взрывозащиты любого объекта, обусловленной сбросом давления взрыва, необходимо, чтобы предохранительное устройство могло обеспечить расход газов не менее [8,с.42; 9,с.9; 10,с.170]:

ат = Ртиро(8о - 1)(Рт /Ро)(2-у)/у. (1)

где Б - поверхность фронта пламени; и - нормальная скорость распространения фронта пламени; р - плотность удаляемого газа; г - степень расширения газов при сгорании. Величины Б, р и г в процессе сгорания и изменения давления также изменяются, но зададимся значением этих величин для наиболее опасного случая, отмечая эти величины индексом т, индекс «о» обозначает начальные значения параметров.

Степень расширения газов при сгорании изменяется в зависимости от их температуры. При адиабатическом сжатии горючего газа в процессе развития взрыва величину гт можно выразить в зависимости от давления в соответствии с уравнением:

гт = 1 + (го-1)(Рт /Ро)(1-у)/у. (2)

где Р - абсолютное значение давления в защищаемом объеме; у =СР/Су -показатель адиабаты; СР и Су - средние теплоемкости газов соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме.

Из газодинамики известно, что массовый расход газа под давлением Рт через отверстие может быть выражен следующим образом [11,с.79]: для докритического режима истечения

хКи (у-1)

5 >

ау

'р.?

3 ( у—1

р

V1 0

2 V у

1

2 ЯП

М

у

2

у — 1

у+1 л

ру — р у

V У

(3)

для надкритического режима истечения

%Ки (у — 1)

5 >

3 ( у—1

ау

Р

_т_

Р

\Г0

2 V у

1

уЯТо

Г

М

2

\(у+1)/(у—1)

V

у + 1

У

(4)

где а - коэффициент истечения сбросного отверстия; Б - площадь проходного сечения сбросного отверстия; р = Р'/Рт - максимальный относительный перепад давлений на сбросном отверстии; Р' - абсолютное давление в пространстве, в которое происходит истечение газов (если сброс газов осуществляется в атмосферу, то Р'=0,1 МПа); М - молекулярная масса газа; Т - абсолютная температура сбрасываемого газа; Я - универсальная газовая постоянная.

Рассмотрим приведенную выше методику на конкретном примере определения диаметра сбросного отверстия взрывного клапана для защиты цилиндрического сосуда диаметром Б =1,8 м и высотой Н = 4 м от взрыва паров ацетона при следующих исходных данных: начальное давление -атмосферное, начальная температура 300 К. Сосуд из условия прочности допускает внутреннее абсолютное давление 0,16 МПа. Максимальная нормальная скорость пламени в ацетоновоздушной смеси и =0,43 м/с, степень повышения давления при взрыве у =6,5.

Если взрыв инициируется в центре сосуда (наиболее неблагоприятный

случай), то максимальная поверхность фронта пламени определится сле-

0 2 2 2 дующим образом: Бт = лБ = 3,14x1,8 = 10,18 м .

Коэффициент искривления фронта пламени принимаем х =1,5.

Относительный перепад давлений на сбросном отверстии при истечении газов в атмосферу: Р = Р'/Рт = 0,1/0,16 = 0,625. Критическое значение Р

у 1,4

= _2_ Ш = 0,528

при у =1,4 составляет: у +1 1,4 +1 ,

т. е. действительное значение Р больше критического, что указывает на докритический режим истечения. Поэтому для определения Б воспользуемся формулой (3), приняв Я=8,314 Дж/(мольхК), М =0,030 кг/моль, а =0,8

>__1,5 х 10,18 х 0,43(6,5 -1)

0,8 х 1,4

3( 1,4-1

0,16 л

V 0,1 у

= 0,136 м2

2 х 8,314 х 300

0,03

1,4

Л

V 1,4 -1 у

С 2 1,4+1 ^

0,625 х,4 - 0,625 м

V у

' чf

4 х 0,136 пл1п = 0,417 м

3,14

Диаметр сбросного отверстия

Принимается округленно из стандартного ряда базовой конструкции взрывного клапана d = 450 мм.

На ПЭВМ в компьютерной среде «Excel» была составлена программа расчета оптимальных параметров предлагаемых конструкций взрывоза-щитных устройств и были установлены зависимости для определения диаметра сбросного отверстия взрывного клапана для защиты цилиндрического сосуда диаметром D =1,8 м и высотой Н = 4 м от взрыва паров ацетона, а также выявлена закономерность изменения диаметра сбросного отверстия от скорости распространения пламени [12,с.81; 13,с.20; 14,с.28];

1) Зависимость диаметра сбросного отверстия от диаметра защищаемого сосуда определяется как линейная и характеризуется следующей, полученной в результате аппроксимации формулой:

d = 0,2313D-0,0009

2) Зависимость изменения диаметра сбросного отверстия от скорости распространения пламени характеризуется следующей, полученной в результате аппроксимации степенной зависимостью:

d = 0,636u0 5017.

На рис.1 а,б приведена одна из конструкций взрывного клапана в статике (рис.1а) и динамике (рис.1б) [15,с.9; 16,с.11; 17,с.18].

Откидная крышка 6 взрывного клапана (рис.1 а) через рычаг 8 удерживается в закрытом положении при разрывном элементе 9, роль которого выполняет проволока калиброванного сечения. Для полной герметизации клапана используется мембрана 5 из алюминиевой фольги или из полимерного материала. Под действием давления в защищаемом аппарате мембрана прижимается к крышке и таким образом через рычаг 8 все усилие от давления передается на шарнир рычага и разрывную проволоку 9. Сама же мембрана при этом оказывается практически полностью разгруженной и

на давление срабатывания клапана (разрыв проволоки 9) существенного влияния не оказывает. В этом смысле мембрана не является расчетным элементом: конструкции взрывного клапана.

а б

Рис. 1. Конструкция взрывного клапана и его динамика при взрыве: 1 -корпус защищаемого аппарата; 2 - футерованный грузовой затвор; 3 -корпус клапана; 4 -теплоизоляция; 5 - герметизирующая мембрана; 6 -крышка; 7 - отбойник; 8 - рычаг; 9 - разрывная проволока; 10 - цепи.

Если в защищаемом аппарате 1 происходят технологические процессы при высоких температурах, то для тепловой защиты мембраны 5 и других деталей клапана предусмотрены два уровня теплоизоляции. Первый из них представляет собой грузовой затвор 2, футерованный огнеупорным материалом, а второй - минеральную вату, асбестовую крошку или другой термостойкий пористый материал 4, уложенный в корзину из металлических прутьев или полос. Затвор 2 не обеспечивает герметичного перекрытия сбросного отверстия защищаемого аппарата 1, он свободно лежит на нем, а слегка прослабленные цепи 10 служат лишь для центровки затвора 2, т. е. для предотвращения его больших смещений относительно сбросного отверстия. Футерованный грузовой затвор 2 защищает корпус 3 клапана от прогорания в случае высокой температуры в защищаемом аппарате, а засыпка 4 еще больше снижает температуру в зоне расположения мембраны 5. Давление в защищаемом аппарате воздействует на крышку 6 (рис.1 б), так как затвор 2 перекрывает входное отверстие негерметично и при быстром повышении давления он может приподниматься, а теплоизоляционный слой 4 порист. При срабатывании клапана крышка 6 отбрасывается до упора в отбойники 7, засыпка 4 потоком газа выбрасывается из полости клапана, а затвор 2 приподнимается вверх, насколько позволяет длина удерживающих его цепей. После окончания сброса газов затвор и крышка, опускаются вниз и закрывают сбросное отверстие клапана.

_:_^-^

\

ГРУНТ

Рис.2. Общая схема взрывозащитного производственного здания.

На рис.2 представлена общая схема взрывозащитного производственного здания, состоящего из, расположенного на слое грунта, фундамента, на котором установлено взрывоопасное и пожароопасное оборудование. В ограждениях (боковых и верхних) производственного здания выполнены взрывозащитные элементы: для боковых ограждений - в виде предохранительных разрушающихся конструкций ограждения зданий (рис.3), а для верхних ограждений - в виде взрывозащитной плиты на кровле или чердачном перекрытии здания (рис.4) [18,с.9; 19,с.17; 20,с.12; 21,с.24].

Разрушающаяся часть (рис.3) выполнена в виде, по крайней мере, двух коаксиально расположенных ниш (углублений в стене здания), одна из которых, внешняя 1 образована плоскостями 2,3,4,5 правильной четырехугольной усеченной пирамидой с прямоугольным основанием, а другая -внутренняя представляет собой две наклонные поверхности 6 и 7, соединенные ребром 8, с образованием паза, при этом толщина стены от ребра 8 до внешней поверхности ограждения здания должна быть не менее 8=20 мм. За счет этих пазов в стене здания, при воздействии ударной, взрывной нагрузки этот участок стены может быть разделен на отдельные части. Соединение разрушающихся частей панели в пазах производится арматурой (на чертеже не показано) с таким расчетом, чтобы плиты не деформировались при перевозке, монтаже и ветровой нагрузке.

з 1

Рис.3. Схема предохранительной разрушающейся конструкции

ограждения зданий.

Углубления в стене здания (ниши), одна из которых, внешняя образована плоскостями 2,3,4,5 правильной четырехугольной усеченной пирамидой с прямоугольным основанием, а другая - внутренняя представляет собой две наклонные поверхности 6 и 7, соединенные ребром 8, могут быть заполнены тепло-звукопоглощающим материалом 10 и закрыты декоративной, легко разрушающейся при взрыве, панелью 11.

Для большинства газо-воздушных смесей (ГВС) максимальное давление взрыва в замкнутом объеме ртах при 1 составляет 0,7^1,0 МПа, т. е. в 6^9 раз превышает атмосферное давление. Такое давление создает нагрузку, существенно превышающую несущую способность конструкций (стен, перекрытий) промышленных зданий. Очевидно, что такое большое давление допускать нельзя. Для этого при разработке проекта производства предусматриваются проемы.

Другой разновидностью предохранительной конструкции являются неразрушающиеся конструкции в виде предохранительных взрывозащитных клапанов [29-32], устанавливаемых на взрыво-пожароопасном технологическом оборудовании и взрывозащитных плит (рис.4), располагаемых, как правило, на кровле или покрытии зданий.

т

г

о

и.

кшш-

/3

я

Шщтт* йй'5

к1

з

/

х

1

Рис.4. Схема взрывозащитной плиты взрывоопасного объекта.

Взрывозащитная плита состоит из бронированного металлического каркаса 1 с бронированной металлической обшивкой 2 и наполнителем -свинцом 3. В покрытии объекта 7 у проема 8 симметрично относительно оси 9 заделаны четыре опорных стержня 4, телескопически вставленные в неподвижные патрубки-опоры 6, заделанные в панели. Для фиксации предельного положения панели к торцам опорных стержней 4 приварены листы-упоры 5. Для того, чтобы сдемпфировать (смягчить) ударные нагрузки при возврате панели наполнитель выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец, причем свинец выполнен по форме в виде крошки, а опорные стержни 4 выполнены упругими. Наполнитель может быть выполнен по форме в виде шарообразной крошки одного диаметра; или в виде шарообразной крошки разного диаметра. Наполнитель может быть выполнен в виде крошки произвольной формы разного диаметрального (максимального по внешнему, произвольной формы, контуру крошки) размера.

При взрыве внутри производственного помещения происходит подъем панели от воздействия ударной волны и через образовавшейся открытый проем 8 сбрасывается избыточное давление. После взрыва и спада избыточного давления, опустившись, панель перекрывает проем 8 и вредные вещества не поступают в атмосферу. Для фиксации предельного положения панели служат листы-упоры 5. Для того, чтобы сдемпфировать (смягчить) ударные нагрузки при возврате панели наполнитель металлического каркаса 1 выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец, причем свинец выполнен по форме в виде крошки, а опорные стержни 4 выполнены упругими.

Список литературы

1.Комаров А. А.. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка их воздействия на здания и сооружения. МГСУ, 2001. 125 с.

2. Методика оценки последствий аварий на пожаровзрывоопасных объектах/ Бодри-ков О.В., Елохин А. Н., Рязанцев Б.В. - М.: МЧС России, 1994. 74 с.

3. Методика расчета нагрузок на здания и сооружения при воздействии внешних аварийных дефлаграционных взрывов. Мишуев А. В., Хуснутдинов Д. 3. М.: МИСИ, НТЦ «Взрывоустойчивость», 2004. 65 с.

4. Кочетов О.С. Методика расчета требуемой площади сбросного отверстия взрывозащитного устройства. Журнал «Пожаровзрывобезопасность», № 6, 2009, стр.41-47.

5. Кочетов О.С. Расчет взрывозащитных устройств. Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 4, 2010, стр.43-49.

6. Баранов Е.Ф., Кочетов О.С.Расчет взрывозащитных устройств для объектов водного транспорта /Речной транспорт (XXI век). № 3, - 2010. С.66-71.

7. Кочетов О.С. Расчет конструкций взрывозащитных устройств. Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http://ipb.mos.ru/ttb). Выпуск № 3 (49), 2013г.

8. Кочетов О.С., Новиков В.К., Баранов Е.Ф., Маслов И.В. Повышение взрывобезо-пасности на объектах водного транспорта// Речной транспорт (XXI век). № 2, - 2014. С. 40-43.

9.Кочетов О. С. Теоретические исследования развития взрыва в замкнутых и полузамкнутых объемах// Научные аспекты глобализационных процессов:сборник статей

Международной научно-практической конференции (23 сентября 2014 г.,г.Уфа).-Уфа:РИО МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2014.-100с.С. 7-13.

10. Кочетов О. С. Методика стендовых испытаний взрывозащитных мембран// Техника и технологии: Пути инновационного развития [Текст]: Сборник научных трудов 4-ой Международной научно-практической конференции (30 июня 2014 г.)/ ред-кол.:Горохов А.А. (отв.Ред.);Юго-Зап.гос.ун-т.Курск, 2014.-271с., С. 166-173.

11. Кочетов О.С. Исследование эффективности взрывозащитных устройств// Современное общество, образование и наука: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 июня 2014 г.: в 9 частях. Часть 5. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. 164с. С. 78-80.

12. Кочетов О.С. Способ взрывозащиты производственных зданий// Современное общество, образование и наука: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 июня 2014 г.: в 9 частях. Часть 5. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. 164с. С. 80-82.

13. Кочетов О.С. Предохранительные элементы в защитных конструкциях взрывоопасных объектов// Наука и образование XXI века: сборник статей Международной научно-практической конференции (29 августа 2014 г., г.Уфа). - Уфа: Аэтерна, 2014.-146с., С. 17-22.

14. Кочетов О.С. Способ определения эффективности взрывозащиты// Инновационные процессы современности: сборник статей Международной научно-практической конференции (18 сентября 2014 г., г.Уфа). - Уфа: РИО мЦиИ ОМЕГА САЙНС, 2014.-144с. С. 27-30.

15. Кочетов О.С. Клапан с огнепреградителем. Патент РФ на изобретение № 2384783. Опубликовано 20.03.2010. Бюллетень изобретений № 8.

16. Кочетов О. С. Насадочный огнепреградитель // Патент РФ на изобретение № 2389522. Опубликовано 20.05.2010. Бюллетень изобретений № 14.

17. Кочетов О.С. Сухой огнепреградитель // Патент РФ на изобретение № 2389523. Опубликовано 20.05.2010. Бюллетень изобретений № 14.

18. Кочетов О.С., Стареева М.О. Противовзрывная панель// Патент РФ на изобретение № 2458212.Опубликовано 10.08.2012.Бюллетень изобретений №22.

19. Кочетов О.С., Стареева М.О. Способ подбора размера отверстия для легкосбра-сываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов// Патент РФ на изобретение № 2459050. Опубликовано 20.08.2012. Бюллетень изобретений № 23.

20. Кочетов О.С. Способ определения эффективности взрывозащиты и устройство для его осуществления // Патент РФ на изобретение № 2488074. Опубликовано 20.07.13. Бюллетень изобретений № 20.

21. Дурнев Р. А., Иванова О.Ю., Кочетов О.С. Система сбрасывания и ликвидации взрывоопасных и токсичных газов // Патент РФ на полезную модель № 134058. Опубликовано 10.11.13. Бюллетень изобретений № 31.

EFFICIENCY OF PROTECTION AGAINST EXPLOSIONS

IN TECHNOLOGICAL PROCESSES

Abstract. In work is considered a design procedure of explosive loadings on the process equipment, buildings and constructions at influence of external and internal emergency factors, and also the device of safe work of the equipment in technological chains of modern manufacture is developed. Optimum parameters of the offered design of the device of protection against explosions are found: dependence of diameter of a waste aperture on diameter of protected object and dependence of change of diameter of a waste aperture on speed of distribution of a flame.

Keywords: explosive loading, the process equipment, external and internai emergency factors, the device of protection against explosions, speed of distribution of a flame.

УДК 621.86.06:69.059.28

АВТОМАТИЗАЦИЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ РАБОТ, СВЯЗАННЫХ С ОБРУШЕНИЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ Курлович Ирина Геннадьевна, магистрант (e-mail: [email protected]) Университет Гражданской защиты МЧС Республики Беларусь, г.Минск Смиловенко Ольга Олеговна, к.т.н., доцент, профессор (e-mail: [email protected]) Университет Гражданской защиты МЧС Республики Беларусь, г.Минск Полуян Александр Иванович, старший научный сотрудник Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси Лосик Сергей Анатольевич, старший преподаватель Университет Гражданской защиты МЧС Республики Беларусь, г.Минск

В данной статье предложен способ разборки завалов и конструкция самораскрывающегося грузозахватного механизма, которые направлены на снижение риска для спасателей, проводящих аварийно-спасательные работы, за счет автоматизации процессов прорезания технологических отверстий в элементах разрушенных конструкций и закрепления их при помощи грузозахватного устройства для последующей транспортировки.

Ключевые слова: разборка завалов, аварийно-спасательные работы, захват, транспортировка, строительные конструкции, груз.

Полное или частичное обрушение здания - это чрезвычайная ситуация, возникающая по причине ошибок, допущенных при проектировании зданий и сооружений, нарушений правил монтажа при вводе в эксплуатацию здания, а также вследствие природной или техногенной ЧС (по этой причине 29 августа 2014 г в г. Кричеве (Беларусь) рухнула двухэтажная пристройка гимназии). Внезапное обрушение зданий проводит к возникновению пожаров, разрушению коммунально-энергетических сетей, образованию завалов, травмированию и гибели людей.

При ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с обрушением зданий и сооружений, проводится достаточно большой объем грузоподъемных работ. Такие работы связаны с подъемом, транспортировкой и погрузкой крупногабаритных элементов разрушенных строительных конструкций, которые могут быть расположены хаотичным образом. При этом требуется применение специальной техники и механизированного инструмента, что существенно облегчает труд спасателей, но не исключает