У статті розглянуті основні характеристики пожежовибухонебезпечних речовин, наведені приклади розрахунків максимального і надлишкового тиску вибуху з урахуванням раціоналізаторських пропозицій щодо визначення зони руйнування і радіусу ураження. Запропоновано додаткові заходи з безпечного транспортування і зберігання пожежовибухонебезпечних речовин: Розрахунок вибухонебезпечної зони і радіусу зони руйнування вибуху з урахуванням геометрії приміщення; розрахунок концентраційних меж поширення полум'я з урахуванням розведення і додавання флегматизаторами.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Троценко А.А., Коновалова І.І., Курляндская І.П.


ANALYSIS OF ADDITIONAL PARAMETERS ON ESTIMATION OF THE LEVEL OF HAZARDOUS FLAMMABILITY AND CONSEQUENCES OF EXPLOSION IN FORCASTING OF EMERGENCY SITUATIONS

The article considers the main characteristics of fire and explosion substances, gives examples of calculations of maximum and excess pressure of the explosion, taking into account rationalization proposals for determining the zone of destruction and the radius of damage. Additional measures are proposed for safe transportation and storage of fire and explosion substances such as the calculation of the explosive zone and the radius of the explosion destruction zone with regard to the geometry of the room and calculation of concentration limits of flame propagation taking into account the dilution and addition of phlegmatizers.


Область наук:
  • хімічні технології
  • Рік видавництва діє до: 2017
    Журнал: Міжнародний науково-дослідний журнал
    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ ДОДАТКОВИХ ПАРАМЕТРІВ З ОЦІНКИ РІВНЯ НЕБЕЗПЕКИ ГОРЮЧИХ РЕЧОВИН І НАСЛІДКІВ ВИБУХУ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ ДОДАТКОВИХ ПАРАМЕТРІВ З ОЦІНКИ РІВНЯ НЕБЕЗПЕКИ ГОРЮЧИХ РЕЧОВИН І НАСЛІДКІВ ВИБУХУ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ»

    ?DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.61.053 Троценко А. А.1, Коновалова І.І.2, Курляндская І.П.3

    1 Кандидат біологічних наук, Мурманський філія Санкт-Петербурзького університету державної

    протипожежної служби Міністерства з надзвичайних ситуацій; ^ Дослідник, Петрозаводський Державний Університет, Медичний інститут. Кафедра Променевої

    Діагностики і Променевої Терапії з курсом Критичною і Респіраторної медицини; 3Кандідат педагогічних наук, Мурманський філія Санкт-Петербурзького університету державної

    протипожежної служби Міністерства з надзвичайних ситуацій АНАЛІЗ ДОДАТКОВИХ ПАРАМЕТРІВ З ОЦІНКИ РІВНЯ НЕБЕЗПЕКИ ГОРЮЧИХ РЕЧОВИН І НАСЛІДКІВ ВИБУХУ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ

    Анотація

    У статті розглянуті основні характеристики пожежовибухонебезпечних речовин, наведені приклади розрахунків максимального і надлишкового тиску вибуху з урахуванням раціоналізаторських пропозицій щодо визначення зони руйнування і радіусу ураження. Запропоновано додаткові заходи з безпечного транспортування і зберігання пожежовибухонебезпечних речовин: розрахунок вибухонебезпечної зони і радіусу зони руйнування вибуху з урахуванням геометрії приміщення; розрахунок концентраційних меж поширення полум'я з урахуванням розведення і додавання флегматизаторами.

    Ключові слова: пожежовибухонебезпечні речовини, вибухи, радіус руйнування, прогнозування надзвичайних ситуацій.

    Trotsenko A.A.1, Konovalova LI.2, Kurlyandskaya I.P.3

    1PhD in Biology, Murmansk Branch of Saint-Petersburg University of State Fire Service of Russian Ministry of

    Emergency Situations;

    2Researcher, Petrozavodsk State University, Medical Institute, Department of Radiation Diagnostics and Radiation

    Therapy with the Course of Critical and Respiratory Medicine; 3PhD in Pedagogy, Murmansk Branch of the St. Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of

    Emergency Situations

    ANALYSIS OF ADDITIONAL PARAMETERS ON ESTIMATION OF THE LEVEL OF HAZARDOUS FLAMMABILITY AND CONSEQUENCES OF EXPLOSION IN FORCASTING OF EMERGENCY SITUATIONS

    Abstract

    The article considers the main characteristics offire and explosion substances, gives examples of calculations of maximum and excess pressure of the explosion, taking into account rationalization proposals for determining the zone of destruction and the radius of damage. Additional measures are proposed for safe transportation and storage offire and explosion substances such as the calculation of the explosive zone and the radius of the explosion destruction zone with regard to the geometry of the room and calculation of concentration limits of flame propagation taking into account the dilution and addition of phlegmatizers.

    Keywords: fire and explosion substances, explosions, radius of destruction, forecasting of emergency situations.

    Систематично фахівці стикаються з перевіркою використання, умов зберігання і транспортування вибухонебезпечних речовин, що є важливим моментом при прогнозуванні наслідків надзвичайних ситуацій (НС).

    Загальновідомо, що вибух являє собою швидкий, інтенсивний екзотермічний процес миттєвого фізико-хімічного зміни речовини і утворенням стислих газів або парів, здатних виробляти роботу [2, З 284]. Для швидкого і ефективного розслідування сталася надзвичайної ситуації через вибух до методик з теоретичних і наближеним до реальності розрахунками потрібний системний підхід. Основними теоретичними розрахунками потенційного вибуху, як правило, є: визначення надлишкового тиску вибуху речовини або суміші горючих речовин, розміру вибухонебезпечної зони і радіусу ураження, концентраційні межі поширення полум'я. У даній статті буде запропонований максимально раціональний шлях за розрахунками зазначених параметрів небезпеки горючих речовин і наслідків вибуху.

    Надмірний тиск вибуху є основним критерієм диференціації вибухонебезпечних і пожежонебезпечних категорій приміщень при прогнозуванні наслідків вибуху / детонації небезпечних речовин зазначеної маси або обсягу. В результаті вибуху відбувається руйнування або пошкодження будівель, споруд, технологічного обладнання, транспортних засобів, елементів комунікацій та інших об'єктів, що може призводити до загибелі людей.

    Надмірний тиск вибуху рекомендується розраховувати з урахуванням таких параметрів, як максимальний тиск вибуху і початковий тиск (як правило, стандартне або нормальний атмосферний тиск) [1, С. 407]:

    ^ Р = (Pmax ~ Ро) ~ ~ ~

    Vсв 'РГ (П) ССТЕХ КН кПа (1)

    Слід врахувати, що практично максимальний тиск вибуху (Pmax) не можливо, тому параметр не може бути основним критерієм, що описує наслідки вибуху, хоча в більшості навчальних посібників пропонується орієнтуватися тільки на цей параметр при з'ясуванні ступеня потенційного руйнування. Практична неспроможність максимального тиску вибуху пояснюється, в першу чергу, началами термодинаміки і основними законами хімії, що обмежують можливість одномоментного нагріву до температури самозаймання абсолютної кількості частинок (молекул) пароповітряної суміші та набрання ними

    хімічну реакцію горіння. Навіть при детонації, тобто фізико-хімічному процесі, що протікає з надзвуковою швидкістю, хімічна реакція відбувається не з миттєвим участю абсолютної кількості частинок (молекул), а поетапно.

    При відсутності довідкових даних допускається приймати Рмах = 900 кПа; Р0 - нормальне або стандартне 101 кПа; т - запропонована маса горючого газу, або пари легкозаймистою рідини (ЛЗР), або суміші горючих речовин (ГР), вивільнених з ємності в приміщення при розгерметизації в результаті аварії; 2-коефіцієнт участі горючої речовини у вибуху з урахуванням агрегатного стану (табличні дані); Кн - ступінь розгерметизації ємності з горючою речовиною.

    Вирішальну роль у визначенні результату за розрахунками розміру вибухонебезпечної зони і радіусу ураження буде грати інформація про обсяг приміщення і кількості випарувався горючої речовини. Якщо ж пари горючої речовини досягли мінімальної вибухонебезпечної концентрації в приміщенні, що дорівнює нижньому концентраційному межею поширення полум'я (НКПРП) для даної речовини, і зайняли всю площу підлоги, стін або стелі (в залежності від щільності горючого газу щодо повітря), то в цій ситуації потрібно прийняти все приміщення в якості моделі судини з даними вогнестійкість. Іншими словами, не ємність з горючою речовиною, а все приміщення є цілісною хімічної системою і приймається за точку відліку.

    Після визначення надлишкового тиску вибуху необхідно розрахувати розмір вибухонебезпечної зони. Автори навчальних посібників при розгляді розміру вибухонебезпечної зони пропонують прийняти за нуль в системі координат центр приміщення. Однак в такому випадку не враховується те, що пари речовини поширюються спочатку уздовж підлоги або стелі, а потім по висоті, що визначає межу наслідків вибуху. Представивши все приміщення в якості цілісної хімічної системи з вибухонебезпечною речовиною, при розрахунку розміру вибухонебезпечної зони кожен з параметрів представленої зони приміщення потрібно прийняти за нуль в системі координат (де - висота видання, ширина У і довжина X). Отримані в ході розрахунків результати проектуються на відомі параметри приміщення, що дозволяє домогтися максимально наближеною до реальності картини руйнувань від вибуху.

    Наприклад, маємо в якості вихідних даних деякий приміщення розміром 5м * 2м * 5 м, де пари заповнили всю площу підлоги і піднялися на відстань 0,5 м від підлоги. Після проведених обчислень маємо, що довжина вибухонебезпечної зони дорівнює 2 м, ширина 1,5 м, а висота склала - 1 м. Додавши отримані результати до параметрів заповнення парів, ми отримуємо розмір зони, що перевищує довжину і ширину кімнати відповідно на 2 і 1, 5 м (рис. 1). На представленій ілюстрації синіми лініями вказані межі заповнення приміщення парами вибухонебезпечної речовини, а червоними - розмір вибухонебезпечної зони, який необхідно додати до наявних параметрами заповнення парами. Отже, сила ударної хвилі при вибуху небезпечної речовини в основному буде спрямована на стіни приміщення, а не в стелю та підлогу; можна припустити, що несучі конструкції приміщення будуть зруйновані. Потрібно відзначити, що за існуючими методиками розрахунків і за даним малюнку (рис. 1) за замовчуванням передбачається, що апарат (ємність) з пальним вибухонебезпечною речовиною стоїть у кутку приміщення. При зміні дислокації апарату (ємності) з небезпечною речовиною необхідно відповідно змістити центр тривимірної системи координат на моделі. У будь-якому випадку за запропонованою моделі уразливими в результаті вибуху будуть саме стіни.

    \ г

    Мал. 1 - Первинні параметри вибухонебезпечної зони

    Цією методикою визначення розмірів вибухонебезпечної зони можна також користуватися при наявності різних варіантів заповнення парами горючих газів приміщень з будь-якими параметрами.

    Наступним етапом оцінки рівня небезпеки горючих речовин і наслідків вибуху є визначення радіуса зони руйнування. Зоною руйнування вважається площа з межами, обумовленими радіусами Я, центром якої є розглянута технологічна система або найбільш ймовірне місце розгерметизації цієї системи. Запропоновані в навчальних посібниках методики по визначенню локалізації центру вибуху при витоку різних небезпечних речовин не завжди є актуальними з огляду на багатогранність і певної специфіки існуючих технологій. Використовуючи методику, запропоновану вище при визначенні зон руйнування, можна отримати наближені до реальності результати радіусу зони руйнування.

    Радіус зони руйнування (м) в загальному вигляді визначається виразом:

    До |

    к =

    1 +

    Г

    '3180

    V

    (2)

    де К - безрозмірний коефіцієнт (таблиця 1), що характеризує ступінь руйнування об'єкта під час вибуху; ШТ -тротіловий еквівалент потужності вибуху [1, С. 319].

    Таблиця 1 - Класифікація зон руйнування

    Клас зони руйнування До АР, кПа

    1 3,8 >100

    2 5,6 70

    3 9,6 28

    4 28,0 14

    5 56,0 <2,0

    З методологічних позицій отриманий результат, аналогічно розрахунку розмірів вибухонебезпечної зони, накладається далі на об'ємні параметри приміщення зайнятого парами вибухонебезпечної речовини. При цьому значення До слід додати до більшої стороні, оскільки ударна хвиля буде набирати силу за час ланцюгової реакції, що проходить по всьому об'єму речовини, і почне згасати з моменту закінчення реакції, тобто на кордоні речовини (рис. 2). Тут синіми лініями вказані межі заповнення приміщення парами вибухонебезпечної речовини, а червоними - радіус зони руйнування.

    Для наочності застосування описаної вище методики в цій статті запропоновані розрахунки з прогнозування наслідків надзвичайної ситуації в результаті вибуху небезпечного горючої речовини. Необхідно визначити надлишковий тиск вибуху в приміщенні, де звертається толуол:

    1. Характеристика горючої речовини (довідкові дані): толуол СбН5СН3; 1ВСП = -5 ° С; НКПР = 1,21%; константи рівняння Антуана: А = 6,0507; В = 1328,17; С = 217,713; РЖ = 867 кг / м3; Рщ- = 634 кПа.

    2. Характеристика приміщення (довільні дані): довжина I = 6 м; ширина Ь = 6 м; висота І = 4 м; початкова температура повітря в приміщенні 25 ° С; швидкість повітряного потоку в приміщенні 0,1 м / с.

    3. Характеристика обладнання та параметри технологічного процесу (довільні дані): обсяг апарату УАП = 0,05 м3; ступінь заповнення апарату рідиною? = 0,85; початкова температура рідини в апараті 40 ° С. В результаті аварійної ситуації апарат повністю зруйнований, вся рідина надійшла в приміщення. Випаровування рідини в приміщення відбувалося протягом 1 години. Маса рідини, яка надійшла з апарату в приміщення т = 37 кг; площа випаровування рідини 37 м2. Так як площа випаровування обмежена площею приміщення, то приймаємо площа випаровування за площу підлоги, яка дорівнює 66 = 36м2; інтенсивність випаровування - Шісп = 111,4 * 10-6 кг / м2 * с; маса випарувалася рідини - тісп.жідк. = 14,4 кг; 2 = 0,3; Кн = 3; вільний об'єм приміщення - Усвоб = 115,2 м3; щільність парів - рг = 3,76 кг / м3; стехіометрична концентрація - Сстех = 1,86%; обсяг парів горючої речовини -УП = 3,8м3; НКПРП толуолу - 1,25%; процентний вміст парів від загального об'єму приміщення - 2,6%.

    Визначаємо надлишковий тиск (1) за наявними даними, щоб визначити в подальшому по таблиці 1

    / Ч 14,4 | 0,3 100 1 коефіцієнт К: Ат - (634-101) ----------- 85,97кПа, що відповідає 2-го класу руйнувань.

    Значить, описане приміщення при вибуху даної пароповітряної суміші повністю буде зруйновано.

    Знаходимо тротиловий еквівалент за формулою [1, С. 405]

    0,4 &

    = 0,9

    2 | т

    ^ = ^ Т (3)

    де 0,4 - фіксований коефіцієнт, що відображає частку енергії вибуху парогазової суміші, що витрачається безпосередньо на формування ударної хвилі; 0,9 - фіксований коефіцієнт, що відображає частку енергії вибуху тринітротолуолу, що витрачається безпосередньо на формування ударної хвилі; QH - питома (нижча) теплота згоряння парогазової середовища, кДж / кг; Qт - питома теплота згоряння тринітротолуолу (довідкові дані по тротилу qт = 4240 кДж / кг); Комерсант - частка маси парів, що бере участь у вибуху (залежить від природи горючої речовини; в даному випадку видання = 0,3).

    Параметр рн можна або розрахувати самостійно, або вказати довідкові дані - рн = 40660 кДж / кг. Отже, розрахуємо тротиловий еквівалент:

    0,4 40660

    WТ = ----- 0,3 | 37 - 46,79кг

    0,9 4240

    Розраховуємо радіус зони ураження за формулою (2)

    1/6

    R = 5,6 •-

    3 / 46,8

    (

    1 +

    3180

    у

    1/6

    = 4,39 м.

    V 46,8 ,

    І нарешті, з огляду на всі перераховані вище параметри, остаточно отримуємо, що толуол заповнив всю площу підлоги приміщення (так як його молярна маса більше молярної маси повітря) і підноситься на 0,1 м вгору. Тому вийшло значення радіусу (4,39 м) необхідно додати або до ширини, або до довжини (рис. 2).

    Мал. 2 - Параметри визначення радіуса руйнування, наближеного до реальності

    При прогнозуванні наслідків вибуху, зокрема при визначенні радіуса руйнування, необхідно враховувати результати розрахунків з максимальною потенційною небезпекою. Тому доцільніше враховувати не зразкову 4,4 м, а завищене значення - 5 м.

    Горіння пожежонебезпечних речовин при позаштатних ситуаціях на різних технічних об'єктах, можуть, в свою чергу, спровокувати вибух інших систем. При зберіганні і транспортуванні горючих речовин найголовнішим показником їх небезпеки є нижній і верхній концентраційний межа поширення полум'я (запалення) - відповідно, мінімальне і максимальне зміст горючої речовини в однорідній пароповітряної суміші (з повітрям або чистим киснем), при якому можливе поширення полум'я по суміші на будь-яку відстань від джерела запалювання.

    Наприклад, розрахуємо НКПР і ВКПР для гептана ^ 7Ш6) при стандартних умовах навколишнього середовища (25 ° С), що знаходиться в герметичному балоні поблизу вищеописаного вибухонебезпечної речовини - толуолу. Для початку запишемо рівняння реакції горіння гептана по повітрю:

    С7Н16 + 11 (О2 + 3,76Ш) = 7СО2 + 8Н2О + 113,76Ш

    Далі використовуємо формулу виду

    •,. 100 ... ф н (в) = (4)

    де ф Н (В) - нижній (верхній) концентраційна межа поширення полум'я (НКПР і ВКПР),%; в - число молекул кисню (коефіцієнт перед киснем в рівнянні реакції горіння речовини); a і b - константи, наведені в таблиці 2 [1, с. 324].

    Таблиця 2 - Значення констант для визначення концентраційних меж поширення полум'я

    КПР а Ь

    НКПР 8,684 4,679

    ВКПР

    в < 7,5 1,550 0,560

    в> 7,5 0,768 6,554

    Отримаємо, що НКПР гептана дорівнює 0,99%, а ВКПР дорівнює 6,7%. Звідси випливає, що 1% гептана в повітрі буде досить, щоб сталося самозаймання, що, в свою чергу, спровокує вибух толуолу.

    Приймається той факт, що вище ВКПР пожежовибухонебезпечні речовини стають менш небезпечними, так як паровоздушная суміш буде багата по пальному речовині, але бідна по окислювача, значить, не буде дотримуватися стехиометрическое співвідношення пального та окислювача (1: 11). Слід зауважити, що при нестачі (по масі або об'єму) горючої речовини і одночасно при надлишку окислювача, якщо, наприклад, реакція відбувається на відкритому повітрі або в приміщеннях з хорошою вентиляцією, небезпека горючої речовини не знижується.

    При транспортуванні гептана не потрібно забувати, що крім температури навколишнього повітря, додатково слід враховувати температуру від нагрітого двигуна, прямих сонячних променів і від дорожнього полотна. У навчальних посібниках зазвичай цими додатковими значеннями температур нехтують:

    * (Н ^ = ^ iSt); (5)

    * (В ^ =, (6)

    де Т = 60 ° С (333 ° К), а Т0 = 25 ° С (298 ° К) .

    В результаті розрахунків при підвищенні температур на 60 ° С нижній концентраційний межа досягає значення 0,97%, а верхній - 6,7%. Отже, транспортування і зберігання гептана на стратегічно важливих і потенційно небезпечних об'єктах неприпустимі при його концентрації в межах 1% - 7%. Розведення скрапленого газу приблизно в 15-20 разів підвищить його стійкість до різко змінюється температурі і дозволить виграти час при гасінні пожежі, що виникла. Додавання флегматизаторами також знизить пожежовибухонебезпечні властивості гептана в газовій або рідкій фазі за рахунок зниження чутливості самого горючої речовини до зовнішніх впливів (іскрі, тертя, нагрівання, удару і т.п.). У разі неможливості виконання двох вищеописаних умов, потрібно оснастити місце дислокації горючої речовини холодильним обладнанням.

    Слід зазначити, що надійним сучасним матеріалом ємності для пального речовини є сплави титану, які мають пружні, міцні властивості, низький коефіцієнт термічного розширення (як фактора можливу розгерметизацію ємності), високі вогнетривкі та вогнестійкі властивості. Особливо ефективними виявилися властивості сплавів на основі сполук титану з нікелем, алюмінієм і ніобієм (відповідно - TiNi, TiAl і TiNb). Температура плавлення таких матеріалів вище 900 ° С, що дозволить зберегти у відносній безпеці горюча речовина при потенційних пожежах, які по більшій мірі відбуваються при температурі, що не перевищує 900 ° С. висновки:

    1. При розрахунку вибухонебезпечної зони і радіусу зони руйнування вибуху необхідно розглядати все приміщення в якості цілісної хімічної системи і приймати його за нуль в тривимірній системі координат.

    2. Безпечне транспортування пожежовибухонебезпечних речовин повинна здійснюватися з урахуванням, в першу чергу, нижньої концентраційної межі поширення полум'я.

    3. Для безпечного транспортування і зберігання пожежовибухонебезпечних речовин рекомендовано використовувати ємності зі сплавів з високими вогнетривкими і вогнестійкими властивостями.

    Список літератури / References

    1. Андрєєв С. Г. Експериментальні методи фізики вибуху і удару / Андрєєв С. Г., Бойко М. М., Селіванов В. В. - М .: ФИЗМАТЛИТ, 2013.- 752 c.

    2. Троценко А. А. Деякі аспекти хімізму самовосгорания і самозаймання / Сучасні технології забезпечення цивільної оборони і ліквідації наслідків надзвичайних ситуацій: в 2-х ч. Ч. 1 / ФГБОУ ВО Воронезький інститут ГПС МНС Росії. - Воронеж, 2016. - 523 с. (С. 284-288).

    Список літератури англійською мовою / References in English

    1. Andreev S. G. Jeksperimental'nye metody fiziki vzryva i udara [Experimental methods of physics of explosion and shock] / Andreev S.G., Bojko M.M., Selivanov V.V.- M .: FIZMATLIT, 2013.- 752 c. [In Russian]

    2. Trocenko AA Nekotorye aspekty himizma samovosgoranija i samovosplamenenija [Some aspects of the chemistry of fire and ignition] / Sovremennye tehnologii obespechenija grazhdanskoj oborony i likvidacii posledstvij chrezvychajnyh situacij [Modern technologies ensure civil defence and elimination of consequences of emergency situations]: v 2 h ch. Ch. 1 / FGBOU VO Voronezhskij institut GPS MChS Rossii. - Voronezh, 2016. - 523 s. (S. 284-288). [In Russian]


    Ключові слова: вогнестійкість / FIRE AND EXPLOSION SUBSTANCES / ВИБУХИ / EXPLOSIONS / РАДИУС РУЙНУВАННЯ / RADIUS OF DESTRUCTION / ПРОГНОЗУВАННЯ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ / FORECASTING OF EMERGENCY SITUATIONS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити