CC BY
36
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 3'2003
УДК 614.841
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВОВ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
В. А. Репринцев, В.П. Чагаев
Академия Гражданской защиты МЧС России
Рассматривается характерная особенность детонационных взрывов, критериальные значения избыточного давления, воздействующего на здания, характер взрывов внутренних (в помещениях) и внешних. Автор делает вывод о возможности оценки последствий предполагаемых спонтанных взрывов на рассматриваемых объектах для различных сценариев развития аварий.
Многочисленная статистика свидетельствует о том, что ущерб от пожаров и взрывов в про-мышленно развитых странах превышает 1 % национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста. Актуальность рассматриваемых ЧС характерна и для Российской Федерации, потому что на её территории в различных отраслях народного хозяйства функционируют свыше 8000 взрыво- и пожароопасных объектов.
Взрывы происходят главным образом в замкнутых объемах. В рассматриваемом случае речь идет как раз о взрыве газовоздушной смеси (ГВС). Считается, что взрыв ГВС относится к классу объемных взрывов и обладает высокой бризантностью, то есть способностью производить разрушение среды, соприкасающейся с областью взрыва. Последствия при этом сопоставимы с взрывами атомных боеприпасов. Фундаментальные исследования в области гидродинамики и результаты возникающих преднамеренных и спонтанных взрывов ГВС показали, что процессами взрывного горения можно управлять.
Практика показывает, что в реальных условиях в результате турбулизации, искривления и увеличения фронта пламени взрывное горение может трансформироваться в детонационный процесс. В этом случае скорость распространения пламени превышает скорость звука и достигает более 400 метров в секунду. При этом возникает ударная волна. Установлено, что причинами детонационного взрыва являются наличие ГВС определенного состава и мощного источника его инициирования. Характерная особенность детонационных взрывов состоит в том, что большая часть энергии взрыва переходит в ударную волну, в то время как при де-флаграционном горении в волну сжатия трансформируется только 30 % энергии. Однако, накопленный опыт исследования последствий взрывов показывает, что в большинстве ЧС взрывы в поме-
щениях — дефлаграционные. Образующиеся волны сжатия превышают прочностные характеристики зданий и сооружений, что приводит к их разрушениям и гибели людей.
Определение параметров избыточного давления во фронте воздушной ударной волны производится специалистами разных ведомств по различным методикам в соответствии с существующими нормативными документами. По оценке специалистов вычисленные результаты отличаются по значению, то есть имеют погрешности, неточности или не учитывают определенные факторы. В МЧС России за расчетный взрыв принимается детонационный с целью оценки параметров взрыва и определения на этой основе показателей инженерной обстановки с гарантированным запасом по объему инженерных работ.
Так, в соответствии с положениями НПБ 107-97 избыточное давление взрыва АР (кПа) для горючих газов (пропана) определяется по зависимости
АРф = 1,3222 . 104. т / Усв. рг. Сстх, кПа, где т — масса горючего газа, кг;
Усв — свободный объем помещения, м3; рг — плотность газа, кг/м3; Сстх — стехиометрическая концентрация газа, %.
Исходя из полученных значений АРф и сравнения их с данными асимптотическими значениями избыточного давления и импульса давления, при которых происходят те или иные разрушения и повреждения зданий и сооружений и определяется их характер разрушения, следует заметить, что характер взрывов внутренних (в помещениях) и внешних отличается. Определяющим является величина поля давления.
Критериальные значения избыточного давления, воздействующего на здания, представлены в табл. 1.
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ТЕРРИТОРИЙ
Таблица 1
Асимптотические значения параметров
ДРф, Па — Характер параметров ущерба
1, Па*с
70 100 770 Полное разрушение здания
34 500 520 Граница области частичных разрушений: 50-75% стен
разрушено или находится на грани разрушения
14 600 30 Граница области значительных повреждений
3600 100 Граница области минимальных повреждений
7000 - Полное разрушение оконных стекол
2500 - 50% разрушение оконных стекол
Учитывая столь серьезные последствия взрывов ГВС, — их энергетический потенциал давно стал использоваться в различных целях, в том числе для производства объемных взрывов в военных целях, в интересах морской геологии для сейсморазведки, а также рассматривается возможность применения энергии взрыва ГВС в интересах МЧС России. Исследования преднамеренных взрывов ГВС и проведенные эксперименты подтвердили возможность управления процессом взрыва ГВС в интересах разрушения различных железобетонных конструкций при наличии специальных полигонов и некоторых других специальных задач. При этом затраты времени, материальных и финансовых средств минимальны.
В некоторых случаях характер разрушений определяется из сопоставления адекватности воздействия ударных волн, генерируемых взрывами парогазовой среды и тротила. Этому посвящен ряд научных исследований, которые на сегодняшний день подвергаются критике.
В общем случае энергетический баланс может быть выражен по известной зависимости
0,4 тг Ъ Яр = 0,9 ят, где 0,9 - 0,4 — доля энергии взрыва тротила и парогазовой среды, затрачиваемые непосредственно на формирование ударных волн;
тг — общая приведённая масса горючей смеси, кг;
Ъ — доля приведенной массы, участвующей во взрыве; ^г —масса заряда ВВ, кг; Яг - Ят — удельные теплоты сгорания парогазовой среды и взрыва тротила, кДж/кг.
Тротиловый эквивалент наземного взрыва полусферического облака ГВС определяется по зависимости
тт=2 тгас . Ргве /Рт , где т гвс — масса ГВС в помещении, кг;
Ргвс — удельная теплота взрывного превращения ГВС, кДж/кг; Рт — 4520 кДж/кг — удельная теплота взрыва ТНТ.
Масса ГВС определяется по зависимости
тгвс Угвс . Рстх Угвс . Ргвс . Сстх, кг,
где Угвс — объем ГВС, м3;
Рстх — плотность ГВС стехиометрической концентрации, кг/м3.
Таким образом, определив значение энергетического баланса взрыва ГВС (тротиловый эквивалент), так же можно оценить возможные последствия спонтанных взрывов на рассматриваемых объектах для самых неблагоприятных сценариев развития аварий. Однако установлено, что в некоторых случаях это несопоставимо. Накопленный опыт применения методик по определению параметров взрывов ГВС на основе различных нормативных документов в разных ведомствах должен позволить специалистам переоценить их отдельные положения. С этой целью требуется объединение усилий всех заинтересованных ведомств для решения этой задачи, а генерирующей основой должно стать принятое решение данной конференции.
Возобновление финансирования программ по применению энергии взрывов ГВС и объектов (после их экспертизы), где многие годы проводились эти исследования, позволило бы сэкономить на "авариях." Методические основы оценки и определения разрушающей способности взрывов являются важной составляющей в области подготовки специалистов структур РСЧС и ГО, необходимой для производства практических расчётов по применению взрывных технологий на основе ГВС по оценке последствий взрывов в районах ЧС.
