Виявлення та оцінка інженерної обстановки при зруйнуванні пожежа та вибухонебезпечних об'єктів

Пожежа та вибухонебезпечними є об'єкти, на яких виробляються, зберігаються, транспортуються вибухонебезпечні матеріали та речовини, що за певних умов здатні до спалаху або вибуху.

За ступенем вибухової, вибухо-пожежної і пожежної небезпеки всі об'єкти поділяють на шість категорій: А, Б, В, Г, Д і Е. Особливо небезпечними вважаються такі, яким присвоєні категорії А, БіВ.

До категорії А належать нафтопереробні заводи, хімічні підприємства, трубопроводи та склади нафтопродуктів.

Категорія Б обіймає цехи виробництва і засоби транспортування вугільного пилу, пилу деревини, цукрової пудри, борошна.

Пожежа і вибухонебезпечні об'єктикатегорії В − це деревообробні, столярні та лісопильні виробництва.

Виникнення пожеж залежить від ступеня вогнестійкості будівель і споруд, яка поділяється на п'ять груп.

Ступінь вогнестійкості будівель і споруд визначається мінімальними межами вогнестійкості будівельних конструкцій і займистістю матеріалів, з яких вони виготовлені, а також часом незаймистості.

Всі будівельні матеріали, а отже, і конструкції з них діляться на три групи: такі, що не згоряють, важко спалимі і такі, що згоряють.

Такі, що не згоряють − це матеріали, які під впливом вогню або високої температури не спалахують, не тліють і не обвуглюються.

 

Таблиця 3.2.11

Ступінь вогнестійкості будівель і споруд, години

Ступінь вогнестійкості Частини будівель і споруд
Несучі сходових кліток Сходові майданчики і марші Несучі конструкції перекриттів Елементи перекриттів
I З год, не згоряє 1 год, не згоряє 1 год, не згоряє 0,5 год, не згоряє
II 2,5 год, не згоряє 1 год, не згоряє 0,25 год, не згоряє 0,25 год, не згоряє
III 2 год, не згоряє 1 год, не згоряє 0,25 год, не згоряє згоряє
IV 0,5 год, важко спалимі 0,25 год., важко спалимі 0,25 год, важко спалимі згоряє
V Такі, що згоряють

Важко спалимі − матеріали, що під впливом вогню або високої температури важко спалахують, тліють або обвуглюються і продовжують горіти за наявності джерела вогню.

Такі, що згоряють − це матеріали, які під впливом вогню або високої температури спалахують або тліють і продовжують горіти і тліти після видалення джерела вогню.

Пожежі на великих промислових підприємствах і в населених пунктах поділяються на окремі, масові та вогняний шторм. Окремі пожежі мають місце при горінні поодинокої будівлі або споруди. Масові пожежі − це сукупність окремих пожеж, що охопили більше 25% будинків або споруд. Масові пожежі за певних умов можуть перейти у вогняний шторм, коли під впливом потужного вітру або за інших причин вогонь швидко передається від об’єкту до об’єкту.

Пожежа і вибухонебезпечні явища характеризуються такими чинниками:

· повітряною ударною хвилею, що виникає при різного роду вибухах газоповітряних сумішей, ємностей з перегрітою рідиною і резервуарів під тиском;

· тепловим випромінюванням полум’я і уламками конструкцій, що розлітаються;

· дією токсичних речовин, які застосовувалися в технологічному процесі або утворилися в ході горіння або інших аварійних ситуацій.

Плануючі заходи щодо боротьби з аваріями, треба враховувати, що в своєму розвитку вони проходять п'ять характерних фаз:

перша − накопичення відхилень від нормального процесу;

друга − ініціація аварії;

третя − розвиток аварії, під час якої проявляється негативна дія шкідливих, небезпечних та уражаючих факторів на людей, природне середовище і об'єкти народного господарства;

четверта − проведення рятувальних і інших невідкладних робіт, локалізація і ліквідація аварії;

п'ята − відновлення життєдіяльності після ліквідації аварії.

 

В різних галузях промисловості України експлуатуються більше 1200 пожежа і вибухонебезпечних об'єктів. За даними МНС України найбільша кількість людей страждає унаслідок пожеж і вибухів в шахтах, в будівлях і будинках житлового та соціально-побутового призначення.

Вибух– це процес звільнення великої кількості енергії в обмеженому обсязі за короткий проміжок часу. За видом вибухової речовини (ВР) розрізняють вибухи конденсованої ВР (тротилу, гексогену, гептилу, пороху і т. п.), вибухи газоповітряних сумішей і вибухи аерозолів − пило-порохоповітряних сумішей.

На вибухонебезпечному об’єкті можливі такі види вибухів:

· неконтрольоване різке вивільнення енергії за короткий проміжок часу і в обмеженому просторі (вибухові процеси);

· утворення хмар паливо-повітряних сумішей або інших хімічних газоподібних і порохоподібних речовин, їх швидкі вибухові перетворення (об'ємний вибух);

· вибухи трубопроводів, ємностей, що знаходяться під великим тиском або з перегрітою рідиною, перш за все резервуарів із краплинним вуглеводневим газом.

В результаті вибуху утворюються такі фактори ураження: детонаційна та повітряна ударні хвилі, потік продуктів вибуху, осколкові поля, що утворюються в наслідок руйнування об'єктів. Основними параметрами факторів ураження вибуху є : для детонаційної та повітряної ударної хвиль – надмірний тиск у їх фронті (ΔРф), швидкісний натиск повітря (ΔРшнп) і час їх дії; осколкового поля – кількість осколків на одиницю площі, їх кінетична енергія і радіус розльоту. За одиницю вимірювання ΔРф в системі прийнятий Паскаль (Па), позасистемна одиниця – кгс/см2 : 1 Па = 1 Н/м2 = 0,102 кгс/см2; 1 кгс/см2= 98,1 кПа ≈ 100 кПа.

Досвід ліквідації наслідків аварій в нашій країні і за кордоном, пов’язаних з вибухом, свідчить про те, що найскладніша обстановка утворюється в зонах вибуху газо- і порохоповітряних сумішей, парових хмар нафтопродуктів, мастил і інших небезпечних речовин. При виникненні таких аварій можливі два варіанти розвитку події: детонаційний вибух і дефлаграційне (або вибухове) горіння.

В зоні детонаційного вибуху швидкість поширення полум'я значно перевищує швидкість звуку. При цьому ΔРф в детонаційній хвилі досягає 1000−2000 кПа, а температура продуктів вибуху становить 1500−3000 0C. В таких умовах можливе повне зруйнування будівель і споруд, загибель людей, виникнення суцільних пожеж. Повітряна ударна хвиля, що формується в зоні детонації, може поширюватися на десятки, сотні і навіть тисячі метрів від центру вибуху.

При дефлаграційному (або вибуховому) горінні швидкість розповсюдження полум'я не перевищує 100−200 м/с, а тиск – 20−100 кПа. При такому горінні утворюється небезпечна пожежна обстановка.

З метою отримання даних щодо розмірів зони надзвичайної ситуації, перед проведенням інженерної розвідки здійснюється її прогнозування з використанням методик, розроблених для таких умов:

вибуху конденсованих вибухових речовин (тротилу, гексогену, димного пороху, піроксиліну і ін.);

вибуху газо- і пароповітряних сумішей вуглеводних речовин;

вибуху порохоповітряних сумішей і аерозолів.

Оскільки для вибухонебезпечних об’єктів найбільш характерні викиди газо- і пароповітряних сумішей вуглеводних речовин з утворенням умов детонаційних вибухів, то й розглянемо методики виявлення та оцінки параметрів зон зруйнувань саме для цих випадків.

Більшість з відомих на даний час методик визначають параметри факторів ураження, що утворюються при вибуховому перетворенні газо і пароповітряної суміші вуглеводних речовин, спираючись на принципи подібності Хопкинсона і підпорядкованість закону “кубічного кореня”.

В практиці широко застосовуються дві з них.

Перша − передбачає поділ осередку ураження (вибуху) надві зони: зону детонації і зону поширення (дії) ударної хвилі.

Радіус зони детонації (дії детонаційної хвилі) R1 визначають за допомогою емпіричної формули:

, 3.2.1

де k – коефіцієнт, що характеризує обсяг газу або пари речовини, переведений у вибухонебезпечну суміш. Його значення коливається від 0,4 до 0,6;

Q– кількість речовини, що викинута у довкілля, т;

18,5 – емпіричний коефіцієнт, який дозволяє врахувати різні умови виникнення вибуху (характеристики газо і пароповітряної суміші вуглеводних речовин, стан атмосфери, геометрію хмари, потужність джерела запалювання, місце його ініціювання і ін.).

За межами зони детонації надмірний тиск ударної хвилі (ΔРф) швидко знижується до атмосферного і тоді вибух сприймається як потужний звуковий імпульс. Для розрахунків ΔРф використовуються узагальнені дані зміни надмірного тиску, виходячи з відстані, вираженої в частках від радіусу зони детонації (R2/R1) і максимального тиску (Pmax) в ній (табл. 2.2.12, 2.2.13).

Зону поширення (дії) ударної хвилі розбивають на п’ять (n) складових з радіусами смертельних уражень та суцільних зруйнувань (R100) і надмірним тиском на зовнішній межі ΔРф1 = 100 кПа; сильних зруйнувань (R50) відповідно з ΔРф2 = 50 кПа; середніх зруйнувань з ΔРф3 = 20 кПа (R20), слабких зруйнувань з ΔРф4 = 10 кПа і безпечну зону з ΔРф5 = 6−7 кПа (R6−7). За міжнародними нормами безпечна для людини ударна хвиля є така, що має ΔРф = 7 кПа.

 

Таблиця 2.2.12

 

Фізико-хімічні і вибухонебезпечні властивості деяких речовин

 

Речовина ρ, кг/м3 КМВ з повітрям, % Ρс, кг/м3 Qг, МДж/кг
Метан 0,716 5,0-16,0 1,232 2,76
Пропан 2,01 2,1-9,5 1,315 2,80
Бутан 2,67 1,8-9,1 1,328 2,78
Ацетилен 1,18 2,5-81 1,278 3,39
Оксид вуглецю 1,25 12,5-74,0 1,280 2,93
Аміак 0,77 15,0-28,0 1,180 2,37
Водень 0,09 4,0-75,0 0,933 3,42
Етилен 1,26 3,0-32,0 1,285 3,01

 

Потім, визначивши Pmax (табл. 2.2.12) для даної вибухонебезпечної суміші, у табл. 2.2.13 для прийнятих зон з ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, ΔРф5 = 7 кПа, знаходять числове значення відношення Rn/R1 і, отже, радіуси (Rn):

, (2.2.2.)

де n=1, 2, 3, 4, 5 – показник зони ураження;

– визначається за допомогою табл. 2.2.13.

 

При аварійному зруйнуванні газопроводів і ємностей з вуглеводним паливом, перезбагачена паливом суміш не детонує, а інтенсивно горить із зовнішньої поверхні, витягується і утворює вогнянну кулю, яка, підіймаючись, приймає грибоподібну форму. Уражаюча дія вогненної кулі характеризується її розмірами і часом теплової дії на об'єкти і людей. Їх величина залежить від загальної маси рідини в ємностях у момент вибуху.

 

Таким чином, алгоритм визначення розмірів небезпечних зон в районах вибуху газо- і пароповітряних сумішей у відкритій атмосфері можна представити так:

1. Знаходять величину максимального тиску в зоні детонації при вибуху заданої паливо повітряної суміші (Pmax, кПа) в повітряному просторі, використовуючи дані табл. 2.2.12.

2. Визначають радіус зони детонації R1 за допомогою формули (2.2.1).

3. Знаходять відношення Rn/R1 у табл. 2.2.13 для ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, ΔРф4 = 10 кПа та ΔРф5 = 7 кПа.

4. Розраховують радіуси зон R100, R50, R20, R10, , R7 за допомогою формули (2.2.2).

Приклад. В результаті розгерметизації ємності де зберігався краплинний пропан в кількості Q = 10 т, відбувся вибух пропано-повітряної суміші. Визначити радіуси зон зруйнувань для ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, R4 = 7 кПа, прийнявши К = 0,6.

 


Розв’язання завдання:

1. Визначають радіус зони детонації: м.

2. У табл. 2.2.12 для пропану знаходять Pmax= 860 кПа ≈ 900 кПа.

3. У табл. 2.2.13 для Pmax і ΔРф знаходять значення відношень Rn/R1: ΔРф1 = 100 кПа, R2/R1= 1,8 (R100/R1= 1,8), ΔРф2 = 50 кПа, R3/R1 = 2,9 (R50/R1 = 2,9), ΔРф3 = 20 кПа, R4/R1 = 5 (R20/R1 = 5) та ΔРф4 = 7 кПа, R5/R1 = 10 (R7/R1 = 10).

4. Застосовуючи формулу 2.2.2, розраховують радіуси зон зруйнувань:

R100=1,8R1=1,8·33=60 (м); R50=2,9R1=2,9·33=95 (м);

R20=5R1=5·33=165 (м); R7=10R1=10·33=330 (м).

 

Примітка. Радіуси зони сильних (Rc) і слабих зруйнувань (Rсл) та R1 визначаються за допомогою табл. 2.2.14 при Q = 10т і Pmax = 900 кПа: R = R50 = 95м, Rсл= R20=165 м і R1=33 м.

Друга методика розрахунку параметрів зонивибуху паливо-повітряної суміші передбачає поділ осередку ураження на 3 зони: зону детонації; зону дії продуктів вибуху та зону повітряної ударної хвилі.

Зона дії детонаційної хвилі (зона I) знаходиться в межах хмари паливо-повітряної суміші. Радіус цієї зони R1 визначається за допомогою формули:

,

де Q − маса вибухонебезпечної речовини, що зберігається в ємності, т.

В межах зони I діє детонаційна хвиля з надмірним тиском (ΔРф1 ), який приймається постійним: ΔРф1 = 1700 кПа.

Зона дії продуктів вибуху (зона II) – охоплює всю площу розльоту продуктів детонації. Радіус цієї зони становитиме 1,7R1, тобто .

Надмірний тиск в межах зони II змінюється від 1350 до 300 кПа згідно закону:

,

де R – відстань від центру вибуху до об’єкту, м.

В зоні дії повітряної ударної хвилі (зона III) – формується фронт ударної хвилі, що поширюється над поверхнею землі. Радіус зони ІІІ R3 − це відстань від центру вибуху до об’єкту, в якому визначається надмірний тиск повітряної ударної хвилі (ΔРф3). В залежності від відстані до центру вибуху він може бути оцінений за допомогою співвідношень:

ΔΡф=700 / [3(1+29,8·х3)0,5−1] при (х=0,24R/R1)≤ 2:

ΔΡф=22 / [х(lgx+0,158)0,5] при (х=0,24R/R1)≥ 2.

 

Приклад. Визначити надмірний тиск в районі механічного цеху при вибуху суміші пропану в кількості Q = 100 т з повітрям, якщо відстань від ємності до цеху − 300м.


Розв’язання завдання:

1. Визначають радіус зони детонації (зони I):

м.

2. Обчислюють радіус зони дії продуктів вибуху (зони II):

R2 = 1,7R1 = 1,7·80 = 136 (м).

3. Знаходять радіус зони дії повітряної ударної хвилі (зони III) R3 = 300 (м).

4. Порівнюючи відстані від механічного цеху до центру вибуху (R3 = 300 м) із знайденими радіусами зони I (R1 = 80 м ) і зони II (R2 = 136 м), можна стверджувати, що цех знаходиться в межах дії повітряної ударної хвилі (в зоні III).

5. Визначають відносну величину:

x= 0,24 R3/R1= 0,24·300/80=0,9.

Тобто x <2.

6. Надмірний тиск повітряної ударної хвилі у механічному цеху буде:

ΔΡ=700 / [3(1+29,8· x 3)0,5–1] = 60 кПа.

Висновок. Механічний цех знаходитиметься в зоні повних зруйнувань (ΔРф>50 кПа).

 


Таблиця 2.2.13

Значення ΔРф в зоні детонації як функції Rn/R1 і ΔРmax

 

Максимальний тиск в зоні детонації (Рmax), кПа Значення ΔРф, кПа на відстанях від центру вибуху в частках від R (Rn/R1)
1,05 1,1 1,2 1,4 1,8 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0
2,5 1,5 1,0
4,5 2,7 1,8
3,7

 

Таблиця 2.2.14

Радіуси зон сильних і слабких зруйнувань

 

Рmax, кПа R50/R1 R20/R1 Радіуси зон сильних (Rc) і слабких (Rсл) зруйнувань, (м), навколо ємності з пара повітряною сумішшю Q, т
10т 100т 1000т 10000т
R Rc Rсл R Rc Rсл R Rc Rсл R Rc Rсл R Rc Rсл
1,9 3,5 15,6
2,9 5,0 -“- -“- -“- -“- -“-
5,3 -“- -“- -“- -“- -“-
7,6 -“- -“- -“- -“- -“-
                                           

 


Вибухи газо і пароповітряної суміші в замкнутих приміщеннях (в технологічній апаратурі, в приміщеннях промислових і житлових будівель) починаються пошаровим окисленням суміші з дозвуковою швидкістю поширення полум'я (дефлаграційне горіння). З підвищенням тиску і температури у приміщенні швидкість процесу збільшується й досягає значень в 1,5 − 2 рази більших, ніж при аналогічних вибухах у відкритому просторі.

Надмірний тиск ударної хвилі в приміщеннях можна визначити за формулою:

ΔРф = (Мг Qг P0 Z)/(Vв ρп Сп Т0 К1), (2.2.3)

де Мг – маса горючого газу, що потрапив у приміщення в результаті аварії, кг;

Qг – питома теплота згоряння газу, Дж/кг, (табл. 2.2.12);

P0 – початковий тиск в приміщенні (P0 = 101 кПа);

Z – частка горючого газу, що приймає участь у вибуху (при виконанні розрахунків Z = 0,5) (табл. 2.2.12);

Vв – вільний обсяг приміщення − 80% від повного (Vп) обсягу приміщення, м3 .

ρп – густина повітря до вибуху, кг/м3. При температурі повітря до вибуху − Т0, в розрахунках пропонується приймати ρп – 1,225 кг/м3 (табл. 2.2.12);

Сп − питома теплоємність повітря, Дж/(кг·0К); приймають, що Сп = 1,01·103 Дж/(кг·0К) (табл. 2.2.12);

К1 – коефіцієнт, що враховує негерметичність приміщення та неадіабатичність процесу горіння, К1 = 2 або 3;

Т0 – початкова температура повітря в приміщенні, 0К.

 

Приклад. В результаті витоку побутового газу пропану в кухні з площею 10 м2 і заввишки 2,5 м при температурі 200С утворилася рівноважна пропано-повітряна суміш. Розрахувати надмірний тиск вибуху такої суміші при К1 = 2 і К1 = 3.

 

Виконання завдання:

ΔРф = (Мг Qг P0 Z)/(Vв ρп СВ Т0 К1)

1. Мг = ρп Vв;

2. Vв = 0,8Vп = 0,8·10·2,5 = 20 (м3);

3. Мг = Vв· ρп1 = (20 ·1,225)/2 = 12,2 (кг).

4. За допомогою табл. 2.2.12 для пропано-повітряної суміші при Т0 = 293 0К визначають Qг, яка дорівнює 2,8·106 Дж/кг.

5. В розрахунках приймаються значення параметрів: Р0 = 101 кПа; Z = 0,5 ; ρп= 1,225 кг/м3; Сп = 1,01·103 Дж/(кг·0К).

6. Підставивши ці значення параметрів у формулу (2.2.3), отримують

ΔРф1 = 119 кПа при К1 = 2; та ΔРф1 = 80 кПа при К1 = 3.

 

Висновок: в першому випадку приміщення опиняється в зоні суцільних зруйнувань, у другому – в зоні сильних зруйнувань.