Аварийные взрывы

Взрывом называют необратимую реакцию превращения исходной смеси веществ в преимущественно газообразные продукты с выделением в короткий промежуток времени большого количества тепла.

Источником аварийных взрывов являются хранилища и склады взрыво- и пожароопасных веществ (нефтебазы, склады боеприпасов, взрывчатых веществ (ВВ) и др.), а также промышленные предприятия с взрывопожароопасными производствами (нефтегазовой, химической, пищевой, деревообрабатывающей промышленности и т.п.), котельные и др. Особенно подвержены аварийным взрывам рудники и шахты, где взрываются метан и угольная пыль. Возможны взрывы бытового газа в кухнях жилых зданий, вызывающие в ряде случаев обрушения целых секций, взрывы баллонов со сжиженным газом в сооружениях различного назначения и др.

Крупные взрывы, приводящие к серьезным материальным и людским потерям, связаны с утечкой газа из магистральных трубопроводов (например, в 1988 г. возле г. Уфа в Башкирии), а также с хранением и перевозками ВВ (известный случай на ж.д. станции Свердловск, 1989).

Близкую к рассматриваемому виду чрезвычайных ситуаций группу составляют взрывные воздействия, вызванные террористической деятельностью, становящиеся все более распространенными во всем мире.

Наиболее часто причиной аварийного взрыва смесей определенных газов и пылей с воздухом является электрическая искра, обычно случайная, например в результате падения инструмента на металлический настил и т.п. Причинами аварийных взрывов может быть недостаточная обученность персонала действиям в чрезвычайных ситуациях, его низкая квалификация или обычная халатность, т.е. человеческий фактор.

Взрывоопасными газовоздушными смесями (ГВС) и пылевоздушными смесями (ПВС) могут быть соответственно смеси кислорода с пропаном, ацетиленом и другими; угольная, сахарная, мучная пыль при определенных концентрациях.

Взрывы ВВ (детонация), а в ряде случаев и взрывы ГВС и ПВС генерируют воздушную ударную волну, т.е. мгновенно возрастающее над атмосферным избыточное давление, которое затем в течение долей секунды падает и переходит в фазу разрежения. Большинство взрывов ГВС и ПВС вызвано так называемым взрывным горением (дефлаграционный взрыв), при котором процесс уплотнения воздуха происходит медленнее, чем в первом случае; в результате давление нарастает постепенно, достигая тем не менее внутри помещения очень высоких значений (0,8-1,0 МПа).

Аварийные взрывы могут возникать вне проектируемого сооружения или внутри него. При взрывах вне сооружения ударная волна как бы "натыкается" на фасад сооружения, частицы воздуха тормозятся, передавая кинетическую энергию конструкциям; как следствие, давление на стенку сооружения возрастает до двух раз по сравнению с давлением в волне, распространяющейся по свободному пространству. В последующем волна сжатия обтекает сооружение, как бы сдавливая его со всех сторон.

При внутренних взрывах в помещениях, не имеющих проемов, давление поднимается до значений, при которых возможно полное разрушение сооружения. Напротив, если в помещении имеются проемы, например окна, они играют роль выпускных клапанов, если остекление рассчитано на разрушение при небольших давлениях. Таким образом, давление может быть снижено до пределов, безопасных для основных несущих конструкций. Это явление используется как основной принцип активной взрывозащиты при внутренних взрывах; при этом основной задачей проектировщика является определение площади отверстий в зависимости от объема, формы помещения и параметров взрывоопасной смеси, наличия оборудования, а также экономических соображений. В качестве вскрывающихся или сбрасываемых конструкций используется не только остекление, но и специальные легкосбрасываемые конструкции (ЛСК) покрытий и стен.

Активная защита при внешних взрывах сводится к безопасному расположению защищаемых сооружений по отношению к потенциальному источнику взрыва, а также установке защитных экранов (полос зеленых насаждений и т.п.). Защитные экраны или боксы устраивают и для локализации внутренних взрывов (например, баллонов со сжиженным газом). В таких конструкциях допускается полное разрушение, при этом существенно гасится энергия взрыва.

Пассивная защита, как и при сейсмических воздействиях, сводится к усилению конструкций для восприятия дополнительных динамических усилий, вызываемых взрывной нагрузкой. В этом случае производится квазистатический или динамический расчет по методу предельных состояний на особое сочетание нагрузок, по аналогии с расчетом на сейсмическое воздействие.

Распределенную квазистатическую погонную нагрузку на конструкцию, эквивалентную по своему действию реальной динамической, определяют по формуле

(3.1)

где Δр - удельная нагрузка от максимального давления на фронте волны; F - грузовая площадь, воспринимающая давление взрывной волны; Кдин - коэффициент динамичности (Кдин > 1), зависящий от динамических свойств конструкции, вида и продолжительности действия динамической нагрузки.

Необходимо подчеркнуть, что в сооружениях, воспринимающих взрывные аварийные нагрузки, обычно допускаются значительные пластические деформации и прогибы. Это объясняется тем, что подобные нагрузки обычно редки и могут вообще не иметь места за срок службы сооружения; к тому же они быстро убывают. Поэтому не имеет смысла требовать, чтобы конструкции, подверженные взрыву, не получили в его результате никаких повреждений или остаточных деформаций; главное, чтобы они не обрушились и не повлекли обрушение других конструкций или частей здания. Очевидно, что впоследствии эти конструкции должны быть восстановлены (усилены) или заменены. Такой подход позволяет существенно экономить материал сооружения.

Условие безопасности (граница безопасного состояния) имеет вид

(3.2)

где Умакс - максимальный динамический прогиб конструкции, определенный из квазистатического или динамического расчета; Удоп - допустимый прогиб, при котором не происходит обрушения конструкции или сохраняется пригодность ее для дальнейшей эксплуатации.

Влияние возможных взрывных воздействий должно обязательно учитываться при экономической оценке принимаемого конструктивного решения; например, установка новых или нестандартных типов заполнения оконных проемов без их проверки в качестве вскрывающихся элементов в потенциально опасных помещениях может привести к серьезному ущербу, вплоть до прогрессирующего обрушения здания (например, взрывы бытового газа в кухнях - Лондон, 1987; Москва, 1998, 2005).