Расчетные оценки параметров сгорания газовоздушных смесей при производстве комплексных взрыво- и пожарно-технических экспертиз Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Судебная экспертология

Научная статья УДК 343.98

Расчетные оценки параметров сгорания газовоздушных смесей при производстве комплексных взрыво- и пожарно-технических экспертиз

Павел Витальевич Порошин

Экспертно-криминалистический центр МВД России, Москва, Россия [email protected]

АННОТАЦИЯ. При назначении комплексной судебной взрыво- и пожарно-технической экспертизы в рамках расследования взрыва газовоздушной смеси возникает необходимость установления факта, природы и мощности взрыва, источника и условий формирования взрывоопасной концентрации горючего компонента. Для ответа на поставленные вопросы требуется учет всех физико-химических процессов, протекающих при взрывном сгорании смеси горючего газа и воздуха. Одним из основных способов получения искомой информации в данном случае являются математические расчеты. Приведены несколько способов получения данных о параметрах произошедшего воспламенения газовоздушной смеси на основании информации, полученной при изучении поврежденного или разрушенного взрывом объекта, а именно - зданий и сооружений жилого многоквартирного дома. Полученная таким образом информация будет способствовать повышению качества раскрытия и расследования подобных преступлений и сокращению времени при проведении отдельных следственных действий.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: газовоздушная смесь, взрыв, пожар, термическое воздействие, горючий газ

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Порошин П. В. Расчетные оценки параметров сгорания газовоздушных смесей при производстве комплексных взрыво-и пожарно-технических экспертиз // Научный портал МВД России. 2023. № 2 (62). С. 88-98.

Forensic Examination

Original article

Calculated estimations of the combustion parameters of gas-air mixtures in the production of integrated explosion and fire-technical examinations

Pavel V. Poroshin

Forensic Science Center of Ministry of Internal Affairs of Russia, Moscow, Russia [email protected]

ABSTRACT. When appointing a comprehensive forensic explosion and fire-technical examination as part of the investigation of an explosion of a gas-air mixture, it becomes necessary to establish the fact, nature and power of the explosion, the source and conditions for the formation of an explosive concentration of a combustible component. To answer the questions posed, it is necessary to take into account all the physicochemical processes that occur during the explosive combustion of a mixture of combustible gas and air. One of the main ways to obtain the required information in this case is mathematical calculations. The article presents several methods for obtaining data on the parameters of the ignition of the gas-air mixture that occurred on the basis of information obtained during the study of an object damaged or destroyed by the explosion, namely, the structure of a residential apartment building. The information obtained in this way will help to improve the quality of the disclosure and investigation of such crimes and reduce the time during the conduct of certain investigative actions.

KEYWORDS: gas-air mixture, explosion, fire, thermal effect, combustible gas

FOR CITATION: Poroshin P. V. Calculated estimations of the combustion parameters of gas-air mixtures in the production of integrated explosion and fire-technical examinations // Scientific portal of the Russian Ministry of internal Affairs. 2023. № 2 (62). P. 88-98 (In Russ.).

© Порошин П. В., 2023 88

При разрешении вопросов судебной взрыво-и пожарно-технической экспертизы, связанной со взрывом газовоздушной смеси (далее - ГВС), возникает необходимость установления факта, природы и мощности взрыва, источника и условий формирования взрывоопасной концентрации горючего компонента в воздушной среде, центра и технической причины инициирования воспламенения ГВС. Для ответа на поставленные вопросы исследуются материальные следы действия взрыва, в том числе на месте происшествия, информация об обстоятельствах его возникновения и развития, данные об объекте, поврежденном или разрушенном взрывом: тип и характеристика (жилое или производственное строение и т. д.), зафиксированные в представляемых материалах и прилагаемых фото- и видеоизображениях.

Поврежденный или разрушенный объект, подвергшийся воздействию поражающих факторов взрыва ГВС (избыточное давление ударной волны и термическое воздействие продуктов сгорания смеси), является наиболее объективным источником получения информации для диагностирования механизма формирования и воспламенения ГВС.

Для решения широкого спектра задач при производстве экспертизы по факту взрыва ГВС требуется учет всех протекающих физических и химических процессов. Один из основных способов получения необходимой информации в данном случае - математические расчеты.

На параметры взрыва ГВС и последствия термического воздействия сгораемой смеси влияют следующие характеристики: свойства горючего компонента ГВС; агрегатное состояние ГВС (гомогенное или гетерогенное);

распределение концентраций горючего вещества во всем объеме смеси либо его средне-объемная концентрация;

масса горючего компонента в облаке ГВС; источник воспламенения и его расположение относительно конфигурации облака ГВС;

окружающая обстановка (открытая местность, замкнутое пространство, характеристики строения, в котором произошел взрыв, и т. д.).

При расчете параметров взрыва ГВС, как правило, невозможно учесть все перечисленные характеристики ввиду значительного повреждения или перемещения объектов, подвергшихся воздействию поражающих факторов, поэтому в большинстве случаев эксперту необходимо опираться на данные исследований в рассматривае-

мой области и случаи из практики расследования взрывов ГВС.

При оценке параметров взрыва ГВС используются два взаимосвязанных подхода - качественная и количественная оценки.

При качественной оценке повреждений, возникающих в результате взрыва ГВС, учитывается в первую очередь механическое воздействие ударной волны на объекты по причине особенностей протекания процесса горения ГВС. Для этого используются четыре степени разрушения зданий и сооружений - полное, сильное, среднее и слабое.

Полное - влечет за собой обрушение большей части несущих конструкций (стен либо колонн и перекрытий) и, как следствие, очень часто полное обрушение здания или сооружения.

Сильное - характеризуется частичным обрушением стен (колонн), в том числе несущих, и перекрытий. Легкие элементы (двери, перегородки) разрушаются частично.

Среднее - приводит к повреждениям основных ограждающих и несущих элементов конструкции в виде деформации (прогиба), полностью разрушаются второстепенные элементы конструкции, такие как окна, двери, межкомнатные, межквартирные перегородки.

Слабое - соответствует повреждению или деформациям отдельных легких элементов конструкции (остекления, окон, дверей).

При решении задач комплексной взрыво- и пожарно-технической экспертизы по факту воспламенения и взрыва ГВС степени разрушений объекта исследования применяются в совокупности с оценкой конкретных повреждений отдельных его элементов и должны подтверждаться количественной оценкой, а именно расчетом массы горючего компонента, участвовавшего в сгорании смеси, мощности взрыва и т. д. [1].

Для количественной оценки случайных и преднамеренных взрывов широко применяется метод, основанный на сопоставлении адекватности разрушений, вызванных взрывами взрывчатых веществ (далее - ВВ) и ГВС. Согласно этому методу степень разрушения характеризуется троти-ловым эквивалентом, то есть определяется масса тротила, требуемая для достижения наблюдаемой степени разрушения. Удельные тротиловые эквиваленты взрыва известных конденсированных ВВ, рассчитанные по теплоте взрыва тротила (для этого принята теплота детонации тротила, равная 4 520 кДж/кг), находятся в пределах 0,340 -1,667 кг, а тротиловый эквивалент смеси жидких водорода и кислорода составляет 3,7 кг.

Теплота взрыва большинства конденсированных ВВ значительно меньше теплоты взрыва ГВС. Горючим веществом в ГВС в большинстве случаев является газ (углеводороды, водород и др.), а окислителем, как правило, служит кислород атмосферного воздуха. Теплоты сгорания этих веществ составляют: для водорода -120 МДж/кг, незамещенных углеводородов -40-50 МДж/кг, углеводородов с одним заместителем (кислородом) - 27-28 МДж/кг, с хлором -19-27 МДж/кг. Этим значениям соответствуют тротиловые эквиваленты, равные 23-65; 12-10; 6,38-6,57; 4,58-6,53 кг соответственно1.

Энергетический потенциал взрывоопасности в ряде случаев ошибочно приравнивают к энергии взрыва, а иногда (также ошибочно) проводят прямое сопоставление энергии взрыва чистых углеводородов, которую принято считать в 10 раз превышающей энергию взрыва тротила, с энергией взрыва конденсированного ВВ.

Например, полная тепловая энергия сгорания пропана составляет 46x103 кДж/кг, что соответствует энергетическому потенциалу взры-воопасности 1 кг углеводорода. Однако тепловая энергия, выделяющаяся при детонации ТНТ, составляет 4,2x103 кДж/кг. Такое сравнение не является правомерным, так как полная энергия сгорания ТНТ (вещества с отрицательным кислородным балансом) в кислороде оказывается значительно больше и составляет 15x103 кДж/кг (то есть при детонации выделяется только 28 % энергии его сгорания), что численно равно энергии перехода в продукты разложения кислорода, входящего в состав молекулы ТНТ. В то же время энергетический потенциал взрывоопасности пропана рассчитывают как энергию его полного сгорания по чистому веществу (до образования СО2 и Н2О) без учета эквивалентной массы кислорода и азота в горючей пропан-воздушной смеси.

Для практических целей более точным представляется сопоставление энергии детонации ТНТ с энергией экзотермической реакции горючего газа в смеси с воздухом. Соответственно для объективности сопоставления взрывов по эквивалентной массе ТНТ энергию экзотермической реакции в газовых средах следует рассчитывать по удельному энерговыделению всей

1 См.: ГСССД 160-93 - Государственная служба стандартных справочных данных. Таблицы стандартных справочных данных. Газ природный расчетный. URL : https://meganorm.rU/Index2/1/4293749/4293749799. htm?ysclid=lf9cebgex3458297454 (дата обращения : 10.10.2022).

массы данного газа или его смеси (горючего вещества с кислородом и азотом воздуха) [2].

Количественная оценка параметров взрыва

ГВС

При производстве взрыво- и пожарно-тех-нических экспертиз необходимо определить параметры произошедшего взрыва ГВС для установления его причин при расследовании обстоятельств происшествия. В таких задачах известны некоторые условия взрыва: объект, подвергшийся воздействию поражающих факторов, степень его повреждения, возможные компоненты взрывоопасной смеси и пр. В результате должно быть установлено количество горючего газа (пара, пыли и т.п.), участвовавшего в формировании ГВС, и его источник. Для этого возможно использовать те же функциональные зависимости, что и при решении задач прогнозирования.

Основными показателями разрушающей способности взрывных процессов термического разложения неустойчивых соединений в газовой фазе, как и в случае конденсированных ВВ, могут быть энергетические потенциалы, тротиловый эквивалент, плотность и скорость энерговыделения, избыточное давление взрыва и другие параметры ударной волны.

Определение массы горючего компонента ГВС через избыточное давление и импульс фазы сжатия воздушной ударной волны (фронта пламени)

Основными параметрами ударной волны, генерируемой взрывом, являются избыточное давление и импульс фазы сжатия. Рассчитав их и сопоставив с наблюдаемыми на месте взрыва ГВС разрушениями и повреждениями зданий, сооружений и иных объектов, возможно подтвердить или опровергнуть данные о массе горючего компонента, участвовавшего в формировании ГВС, а также установить центр произошедшего взрыва и наиболее вероятный его источник. Это необходимо, когда на месте происшествия обнаружено несколько источников горючих газов или паров (например, в здании, к которому подведен магистральный газопровод, произошел взрыв ГВС, при этом на осмотре места происшествия также обнаружен газовый баллон или его фрагменты). В данном случае информация о массе горючего компонента может способствовать определению его источника. При значительном или полном разрушении многоэтажного здания количества ГВС, образованной пропан-бутановой смесью, содержащейся в 12-литровом газовом баллоне, будет недостаточно для создания избыточного давления, способного разрушить несущие кон-

струкции такого здания. Когда известен промежуток времени, в течение которого происходило заполнение ГВС поврежденного либо разрушенного в результате взрыва смеси объекта, при установлении массы горючего компонента возможно опровергнуть или подтвердить версию о поступлении его из внутриквартирного газового оборудования отдельной квартиры.

Расчет указанных выше параметров предлагается проводить на основании методики, представленной в Руководстве по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия2, которая позволяет дать приблизительную оценку различных параметров воздушных ударных волн.

В данном случае предлагается рассмотреть формирование облака ГВС в замкнутом пространстве, а именно: в квартире, подъезде жилого дома или промышленном помещении ограниченного объема. Предполагается, что в образовании облака ГВС участвует горючее вещество одного вида, в противном случае (для смеси нескольких горючих веществ) характеристики ГВС, используемые при расчетах параметров ударных волн, определяются отдельно. Исходными данными для расчета параметров ударных волн при взрыве ГВС являются: характеристики горючего компонента ГВС; агрегатное состояние ГВС (газовая или гетерогенная); средняя концентрация горючего вещества в смеси СГ; стехиометрическая концентрация горючего газа с воздухом ССТ; масса горючего вещества, содержащегося в облаке, МГ (если эта величина известна); удельная теплота сгорания горючего компонента qT; информация об окружающем пространстве.

Алгоритм расчета включает (рис. 1): определение массы горючего вещества, эффективного энергозапаса ГВС, режима взрывного превращения ГВС; расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных ударных волн для различных режимов.

Определение эффективного энергозапаса ГВС

Эффективный энергозапас горючей смеси определяется по соотношению:

Е = Мг ■ qT при Сг< Сст

г

или Е = Мт ■ qr ■ -Z1 при Сг> Сгт,

где: E - энергозапас ГВС, Дж;

(1) (2)

МГ - масса горючей смеси, кг; д - теплота сгорания горючего компонента ГВС, Дж/кг;

ССТ и СГ - стехиометрическая и реальная соответственно массовые концентрации горючего компонента в воздухе, кг/м3.

Масса горючего компонента определяется из данных об объекте (здание, отдельное помещение и т. д.), который подвергся действию взрыва ГВС, и рассчитывается из объема, который, наиболее вероятно, заполняла горючая смесь. Если имеется информация, что горючий компонент ГВС поступил в окружающее пространство из какой-либо емкости с известными параметрами, то его массу возможно рассчитать по формуле:

тг = г ■ т, (3)

где: г - доля приведенной массы газа (паров), участвующей во взрыве;

т - масса среды (горючего компонента) в емкости, кг.

В общем случае для неорганизованных облаков ГВС в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия во взрыве может приниматься за 0,1. В отдельных обоснованных случаях она может быть ниже, но не менее 0,02. При взрывах в замкнутых помещениях параметр г принимается в соответствии с таблицей 6.

Концентрация горючего компонента при наличии на месте происшествия значительных термических повреждений принимается больше стехиометрической на 20 %, при незначительных термических повреждениях или их отсутствии -равной стехиометрической, которая определяется из справочных данных. Теплота сгорания горючего компонента берется из справочных данных либо рассчитывается по формуле:

qT = 44ß,

(4)

где: цГ - теплота сгорания горючего компонента, Дж/кг;

в - коэффициент, принимаемый из табл. 1 или 2.

Таким образом, предполагаемая масса горючего компонента рассчитывается по формуле:

mr = V ■ С

г«

(5)

2 См.: Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия. РБ Г-05-039-96 : Нормативный документ. М. : НТЦ ЯРБ

Госатомнадзора России, 2000.

где: тГ - масса горючего компонента, кг; СГ - концентрация горючего компонента, кг/м3; V - объем, занимаемый ГВС, м3.

Рис. 1. Алгоритм определения основных параметров взрыва ГВС и массы горючего компонента

Таблица 1

Классификация горючих веществ по степени чувствительности

(классы 1 и 2)3

Класс 1 Класс 2

Особо чувствительные вещества Чувствительные вещества

Размер детонационной ячейки менее 2 см Размер детонационной ячейки от 2 до 10 см

Вещество ß Вещество ß

Ацетилен 1,1 Акрилонитрил 0,67

Винилацетилен 1,03 Акролеин 0,62

Водород 2,73 Бутан 1,04

Гидразин 0,44 Бутилен 1

Изопропилнитрат 0,41 Бутадиен 1

Метилацетилен 1,05 1,3-пентадиен 1

Нитрометан 0,25 Пропан 1,05

Окись пропилена 0,7 Пропилен 1,04

Окись этилена 0,62 Сероуглерод 0,32

Этилнитрат 0,3 Этан 1,08

Этилен 1,07

ШФЛУ 1

Диметиловый эфир 0,66

Дивиниловый эфир 0,77

Метилбутиловый эфир -

Диэтиловый эфир 0,77

Диизопропиловый эфир 0,82

Объем рассчитывается с учетом размеров поврежденного или разрушенного объекта (здания, сооружения и т.п.), степени повреждения и предполагаемого центра взрыва.

Определение предполагаемого режима взрывного превращения

Вещества, способные к образованию взрывоопасных смесей с воздухом, подразделяются на четыре класса (табл. 1, 2).

Если вещество отсутствует в таблицах 1 и 2, то его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в них веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества - относить его к классу 1.

Скорость горения облака ГВС и параметры ударной волны в значительной степени зависят от характера окружающего пространства. Окружающую территорию можно разделить на четыре

3 См.: Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия. РБ Г-05-039-96 : Нормативный документ. М. : НТЦ ЯРБ Госатомнадзора России, 2000.

вида в соответствии со степенью ее загромож-денности.

Виды окружающего пространства [1]: наличие длинных коридоров, полостей; сильно загроможденное пространство, наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения оборудования, мебели и т. п., большое количество препятствий;

средне загроможденное пространство (полупустые помещения, незначительное количество мебели и оборудования);

слабо загроможденное и свободное пространство.

Взрывное превращение ГВС может протекать в двух режимах - детонации и дефлагра-ции. Для расчета параметров ударной волны при взрыве ГВС предполагаемые режимы взрывного превращения смеси разделены на шесть диапазонов в зависимости от скорости распространения фронта пламени. Предполагаемый диапазон, в зависимости от вида окружающего пространства и класса горючего вещества, определяется из таблицы 3.

научный портал мвд России № 2 (62) 2023

SCIENTIFIC PORTAL OF THE RUSSIA MINISTRY OF THE INTERIOR

Таблица 2

Классификация горючих веществ по степени чувствительности

(классы 3 и 4)4

ся Ш U Z Ш

[3

сп

J

<

Z

£

U

s

<

ш 2 СО О

СО <

а с

CD

х

CQ

О <

О

С-н

Класс 3 Класс 4

Среднечувствительные вещества Слабочувствительные вещества

Размер детонационной ячейки Размер детонационной ячейки

от 10 до 40 см Более 40 см

Вещество ß Вещество ß

Ацетальдегид 0,56 Аммиак 0,42

Ацетон 0,65 Бензол 0,88

Бензин 1 Декан 1

Винилацетат 0,51 Дизтопливо 1

Винилхлорид 0,42 о-Дихлорбензол 0,42

Гексан 1 Додекан 1

Изооктан 1 Керосин 1

Метиламин 0,7 Метан 1,14

Метилацетат 0,53 Метилбензол 1

Метилбутилкетон 0,79 Метилмеркаптан 0,53

Метилпропилкетон 0,76 Метилхлорид 0,12

Метилэтилкетон 0,71 Нафталин 0,91

Октан 1 Окись углерода 0,23

Пиридин 0,77 Фенол 0,92

Сероводород 0,34 Хлорбензол 0,52

Метиловый спирт 0,52 Этилбензол 0,90

Этиловый спирт 0,62 Дихлорэтан 0,25

Пропиловый спирт 0,69 Трихлорэтан 0,14

Амиловый спирт -

Изобутиловый спирт 0,79

Изопропиловый спирт 0,69

Циклогексан 1

Этилформиат 0,46

Этилхлорид 0,43

Сжиженный природный газ 1

Кумол 0,84

Печной газ 0,09

Циклопропан 1

Этиламин 0,8

Диапазон 1. Детонация или горение со скоростью фронта пламени 500 м/с и выше.

Диапазон 2. Дефлаграция, скорость фронта пламени 300-500 м/с.

Диапазон 3. Дефлаграция, скорость фронта пламени 200-300 м/с.

4 См.: Руководство по анализу опасности аварийных

взрывов и определению параметров их механического действия. РБ Г-05-039-96 : Нормативный документ. М. : НТЦ ЯРБ

Госатомнадзора России, 2000.

Диапазон 4. Дефлаграция, скорость фронта пламени 150-200 м/с.

Диапазон 5. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением: №[- = к^ ■ М^6, где: к1 - константа, равная 43.

Диапазон 6. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением: Шт = к2- М^'6, где: кг - константа, равная 26.

Параметры взрывного превращения ГВС также зависят от агрегатного состояния ГВС.

Таблица 3

Режим взрывного превращения ГВС5

Класс горючего Вид окружающего пространства

вещества 1 2 3 4

Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения

1 1 1 2 3

2 1 2 3 4

3 2 3 4 5

4 3 4 5 6

Взрывоопасная смесь гетерогенная, если горючее в смеси с воздухом представляет собой капли жидкости (аэрозоль) или твердое вещество (пыль). Кроме того, агрегатное состояние горючего в воздухе зависит от давления его насыщенных паров при данной температуре. Для летучих веществ, таких как пропан, при температуре +20° С смесь можно считать газовой, то есть гомогенной. Для веществ с низким давлением насыщенных паров (дизельное топливо, толуол и т. п.) при нормальной температуре ГВС считается гетерогенной.

Максимальное избыточное давление и импульс фазы сжатия воздушной ударной волны Детонация гомогенных и гетерогенных ГВС Для вычисления параметров воздушной ударной волны на заданном расстоянии И от центра облака при детонации облака ГВС предварительно рассчитывается соответствующее безразмерное расстояние по соотношению6:

(6)

где: Их - безразмерное расстояние; И - среднее расстояние от центра облака ГВС до объекта, м;

Е - энергозапас ГВС, Дж; Р0 - атмосферное давление, Па.

Далее рассчитываются безразмерное давление Рх и безразмерный импульс фазы сжатия 1х.

В случае детонации облака гомогенной ГВС расчет производится по следующим формулам:

ln(P J = -1,124 - 1,66ln(R J + 0,26(ln(Rx))2, ln(i) = -3,4217- 0,898ln(R ) - 0,0096(ln(R ))2

(7)

(8)

Формулы (7) и (8) справедливы для значений Их, больших 0,2 и меньших 24. В случае Их < 0,2 величина Рх полагается равной 18, а в формулу (8) подставляется значение Их = 0,142.

В случае детонации облака гетерогенной ГВС расчет производится по следующим формулам:

P = 0,125/R + 0,137/R 2 + 0,23R 3,

l = 0,022/R

(9)

(10)

5 См.: Общие правила взрывобезопасности для взрыво-пожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств: утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 марта 2013 г. № 96. ПБ 09-540-03. М. : НПО ОБГ, 2004.

6 См.: ГОСТ 3022-80 «Водород технический. Технические условия».

Формулы (9) и (10) справедливы для значений Их, больших величины 0,25. В случае Их < 0,25 величина Рх полагается равной 18, а величина 1х = а16. х

Дефлаграция гомогенных и гетерогенных ГВС

В случае дефлаграционного взрывного превращения облака ГВС к параметрам, влияющим на величины избыточного давления и импульса положительной фазы, добавляются скорость видимого фронта пламени (иГ) и степень расширения продуктов сгорания (а). Для гомогенных ГВС принимается а = 7, для гетерогенных - а = 4. Для расчета параметров ударной волны при дефла-грации гетерогенных облаков величина эффективного энергозапаса смеси умножается на коэффициент (а - 1)/а.

Безразмерные давление Рх и импульс фазы сжатия ¡х определяются по соотношениям:

Рх1 = (иг /С0)2((о - 1)/а) (0,83/К- 0,14/К2), (11)

1х1 = (иГ/С0)((а - 1)/а)(1 - 0,4((а - 1)п/оС0) (0,06/Ях + 0,01/Ях2 - 0,0025/Кх) (12)

Формулы (11) и (12) справедливы для значений Их, больших величины 0,34; в противном случае вместо Их в соотношения (11) и (12) подставляется величина 0,34.

Далее вычисляются величины Рх2 и ¡х2, которые соответствуют режиму детонации и для слу-

Таблица 4

Сопоставление избыточного давления и импульса фаз сжатия с разрушениями, наблюдаемыми на месте происшествия7

Характеристика действия ударной волны I, Па*с P, Па

Степень повреждения здания

Полное разрушение 770 70 100

Граница области сильных разрушений: 50-75 % стен разрушено или находится на грани разрушения 520 34 500

Граница области значительных повреждений: повреждение некоторых конструктивных элементов, несущих нагрузку 300 14 600

Граница области минимальных повреждений: разрывы некоторых соединений, расчленение конструкций 100 7 000

Полное разрушение остекления 0 3 600

50 % разрушения остекления 0 2 500

10 % и более разрушения остекления 0 2 000

Поражение органов дыхания незащищенных людей

50 % выживания 440 243 000

Порог выживания (при меньших значениях смертельные поражения людей маловероятны) 100 65 900

чая детонации газовой смеси рассчитываются по соотношениям (5) и (6), а для детонации гетерогенной смеси - (7) и (8). Окончательные значения Р и I выбираются из условий:

P = min(Pr„ PJ; / = min(l„ 1J

(13)

После определения безразмерных величин давления и импульса фазы сжатия вычисляются соответствующие им размерные величины:

= PpPff

I = I/P0)2/3E1/3/C0

(14)

(15)

Затем необходимо сопоставить полученные по формулам (14) и (15) значения избыточного давления и импульса фазы сжатия с табличными значениями, соответствующей им степенью разрушений согласно таблице 4 и наблюдаемыми на месте происшествия повреждениями здания или сооружения. При их соответствии друг другу оценку параметров взрыва ГВС можно считать верной. При расхождении полученных результатов принимается меньшая либо большая масса горючего компонента и в соответствии с этим - больший или меньший радиус (Я). Далее производится пересчет параметров взрыва и сопоставление полученных результатов с таблицей 4.

7 См.: Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия. РБ Г-05-039-96 : Нормативный документ. М. : НТЦ ЯРБ Госатомнадзора России, 2000.

Тротиловый эквивалент взрыва ГВС

Существует много источников, в которых приведены методики и соотношения, позволяющие рассчитать либо оценить тротиловый эквивалент взрыва ГВС, однако нет универсального метода оценки и расчета параметров уже произошедшего взрыва ГВС. В большинстве источников приведены алгоритмы оценки последствий такого взрыва для проектирования промышленных объектов, то есть в них решается задача, связанная с вероятностью возникновения аварийной ситуации, рассчитываются расстояния от потенциальных источников образования ГВС и возможные энергетические запасы систем, которые также могут выступать в качестве источника взрывоопасного компонента смеси, а разрушения и повреждения объектов, в том числе зданий и сооружений, принимаются условно. При расследовании происшествий, связанных со взрывом ГВС, факт взрыва уже имеется и эксперту необходимо решить обратную задачу: по разрушениям и повреждениям объектов, их характеристикам до взрыва, по информации о веществах, которые могли выступить в роли горючего компонента ГВС и имелись на объекте, необходимо ответить на вопросы о факте взрыва, его природе и технической причине, мощности и источнике горючего компонента, а учитывая, что на месте взрыва ГВС, как правило, развивается пожар, - об очаге и причине его развития.

При определении параметров взрыва ГВС очень часто необходимо определить его мощность. Один из показателей - тротиловый эквивалент.

Таблица 5

Категории повреждений зданий, соответствующие им избыточные давления

и коэффициент К9

Категория повреждения Характеристика повреждения здания Избыточное давление,кПа Коэффициент К

А Полное разрушение здания >100 3,8

В Тяжелые повреждения, здание подлежит сносу 70 5,6

С Средние повреждения, возможно восстановить здание 28 9,6

D Разрушение оконных проемов, легкосбрасываемых конструкций 14 28,0

Е Частичное разрушение остекления <2 56,0

Определить тротиловый эквивалент взрыва ГВС можно при расчете по воздействию ударной волны на отдельные объекты, расположенные на некотором расстоянии от места взрыва. Ударная волна может воздействовать на элементы конструкции соседних зданий и сооружений, на людей, животных и т. д.

Радиус зоны поражения при взрыве ГВС оценивается по формуле: 1.

кнгз

R =

(16)

ИТ)?

отсюда возможно определить тротиловый эквивалент:

(17)

где: К - коэффициент определяется согласно таблице 5;

И - расстояние до объектов, не относящихся к зданию, в котором произошел взрыв, но подвергшихся воздействию ударной волны взрыва ГВС, м.

Другой способ определения тротилового эквивалента заключается в расчете через соотношение энергетического баланса ударных волн, образующихся при взрыве ГВС и тротила.

Тротиловый эквивалент взрыва ГВС возможно определить по формуле:

0,9 QT

z ■ т,

(18)

где: 0,4 - доля энергии взрыва ГВС, затрачиваемой непосредственно на формирование ударной волны;

0,9 - доля энергии взрыва ТНТ, затрачиваемой непосредственно на формирование ударной волны;

Он - удельная (низшая) теплота сгорания ГВС, кДж/кг;

0Т - удельная теплота взрыва ТНТ (От = 4 246 кДж/кг);

г - доля приведенной массы газа (паров), участвующей во взрыве (табл. 6);

т - масса горючего компонента, кг.

В общем случае для неорганизованных облаков ГВС в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия во взрыве может приниматься за 0,1. В отдельных обоснованных случаях она может быть ниже, но не менее 0,02. При взрывах в замкнутых помещениях параметр г принимается в соответствии с таблицей 6.

Масса горючего компонента может быть определена исходя из объема помещения, в котором произошел взрыв, с учетом плотности ГВС и концентрационных пределов воспламеняемости.

Еще одним способом, позволяющим выразить мощность произошедшего взрыва ГВС в тротиловом эквиваленте, является решение обратной задачи при расчете массы взрывчатого вещества, необходимой для бесконтактного разрушения здания или сооружения, исходя из соотношения:

(19)

8 См.: Общие правила взрывобезопасности для взры-вопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. ПБ 09-540-03 : утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 марта 2013 г. № 96. М. : НПО ОБГ, 2004.

где: к - коэффициент, определяемый по рисунку 2 и зависящий от толщины (Н) и материала стен помещения, кг/м3;

V - внутренний объем помещения, м3.

Таблица 6

Доля приведенной массы некоторых газов (паров), участвующей во взрыве ГВС

в замкнутом пространстве10

Вид горючего Значениеz

Водород 1,0

Горючие газы (кроме водорода), горючие пыли 0,5

Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые до температуры вспышки и выше 0,3

Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при наличии возможности образования аэрозоля 0,2

Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при отсутствии возможности образования аэрозоля 0

k 0,4

0,3

0,2

0,1

2

/ 7 1

/ /

/

-►

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 H

Рис. 2. Определение коэффициента k для кирпичных (1) и бетонных (2) стен

Первым способом расчета возможно пользоваться при взрыве ГВС на открытой местности (АЗС, производственная установка и пр.),

а также при взрывах большой мощности, вызывающих серьезные повреждения либо полное разрушение зданий. Также необходимым условием является наличие рядом с местом взрыва объекта с выраженными в той или иной степени повреждениями.

Второй способ наиболее удобен, когда известно либо возможно достаточно точно оценить количество горючего компонента в ГВС и объем смеси (при взрывах ГВС в жилых домах, не повлекших полного разрушения здания).

Третий способ наименее точен, является ориентировочным и применим для оценки мощности взрыва ГВС при работе специалиста на месте происшествия, а также для уточнения результатов, полученных первыми двумя способами.

9 См.: ПБ 09-540-03 Общие правила взрывобезопасно-сти для взрывопожароопасных химических, нефтехимических

и нефтеперерабатывающих производств: утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 марта 2013 г. № 96.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Чешко И. Д., Плотников В. Г. Анализ экспертных версий возникновения пожара : в 2 кн. Кн. 2. - СПб. : ООО «Типография "Береста"», 2012. - 364 с.

2. Бесчастнов М. В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. - М. : Химия, 1991. - 432 с.

REFERENCES

1. Cheshko I. D., Plotnikov V. G. Analiz ehkspertnykh ver-sij vozniknoveniya pozhara (Analysis of expert versions of the occurrence of a fire), in 2 books, Book 2, St. Petersburg: Ber-esta Printing House LLC, 2012, 364 p.

2. Beschastnov M. V. Promyshlennye vzryvy. Otsenka i preduprezhdenie (Industrial explosions. Evaluation and warning), Moscow: Chemistry, 1991, 432 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

П. В. Порошин - старший научный сотрудник отдела научных исследований по специальным видам экспертиз и экспертно-криминалистического обеспечения противо-

действия наркопреступности управления научных исследований федерального государственного казенного учреждения «Экспертно-криминалистический центр Министерства внутренних дел Российской Федерации» (Российская Федерация, 125130, г. Москва, ул. Зои и Александра Космодемьянских, д. 5).

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

P. V. Poroshin - Senior Researcher of the Department of Scientific Research on Special Types of Expertise and Forensic Support for Counteracting Drug Crime of the Department of Scientific Research of the Federal State Treasury Institution «Forensic Expert Center of the Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation» (Str. Zoe and Alexander Kosmodemyan-skikh, 5, Moscow, 125130, Russian Federation).

Рукопись поступила в редакцию 30.11.2022; одобрена после рецензирования 13.12.2022; принята к публикации 30.01.2023.

The article was submitted 30.11.2022; approved after reviewing 13.12.2022; accepted for publication 30.01.2023.