Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (с изменениями и дополнениями) рд 03-409-01

1.2. Методика позволяет определять вероятные степени поражения людей и степени повреждений зданий от взрывной нагрузки при авариях со взрывами топливно-воздушных смесей.

1.3. Предполагается, что в образовании облака ТВС участвует горючее вещество одного вида, в противном случае (для смеси нескольких горючих веществ) характеристики ТВС, используемые при расчетах параметров ударных волн, определяются отдельно.

1.4. Исходными данными для расчета параметров ударных волн при взрыве облака ТВС являются:

характеристики горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС;

агрегатное состояние ТВС (газовая или гетерогенная);

средняя концентрация горючего вещества в смеси С_г;

стехиометрическая концентрация горючего газа с воздухом С_ст;

масса горючего вещества, содержащегося в облаке, М_г (если эта величина неизвестна, то ее расчет рекомендуется проводить согласно приложению 1 [15]);

удельная теплота сгорания горючего вещества q_г;

информация об окружающем пространстве.

1.5. Основными структурными элементами алгоритма расчетов (рис.1) являются:

определение массы горючего вещества, содержащегося в облаке;

определение эффективного энергозапаса ТВС;

определение ожидаемого режима взрывного превращения ТВС;

расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных ударных волн для различных режимов;

определение дополнительных характеристик взрывной нагрузки;

оценка поражающего воздействия взрыва ТВС.

1.6. В приложении к Методике приведены примеры расчетов.

или

При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается. Для оценки объема газового облака ТВС можно воспользоваться простым соотношением:

Примечания: 1. Стехиометрическая концентрация горючего вещества в ТВС определяется из справочных данных или рассчитывается отдельно.

2. В случае если определение концентрации горючего вещества в смеси затруднено, в качестве величины С_г в соотношении (1) принимается концентрация, соответствующая нижнему концентрационному пределу воспламенения горючего газа.

3. Теплота сгорания горючего газа q_г в ТВС берется из справочных данных или оценивается по формуле

Корректировочный параметр  для наиболее распространенных в промышленном производстве опасных веществ определяется из табл.1.

4. Масса горючего газа, содержащегося в облаке ТВС, может задаваться в качестве исходного параметра или определяться исходя из условий развития аварий. При оценке последствий аварий массу М_г рекомендуется определять согласно [15].

ТВС, способные к образованию горючих смесей с воздухом, по своим взрывоопасным свойствам разделены на четыре класса. Классификация горючих веществ приведена в табл.1 [1,2].

В случае если вещество отсутствует в табл.1, его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в таблице веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества - относить его к классу 1, т.е. рассматривать как наиболее опасный случай.

2.2.2. Классификация окружающей территории

В связи с тем, что характер окружающего пространства в значительной степени определяет скорость взрывного превращения облака ТВС и, следовательно, параметры ударной волны, геометрические характеристики окружающего пространства разделены на виды в соответствии со степенью его загроможденности.

Вид 1. Наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов сгорания с размером не менее трех размеров детонационной ячейки данной смеси. Если размер детонационной ячейки для данной смеси неизвестен, то минимальный характерный размер турбулентных струй принимается равным 5 см для веществ класса 1; 20 см - для веществ класса 2; 50 см - для веществ класса 3 и 150 см - для веществ класса 4.

Вид 2. Сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий.

Вид 3. Средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк.

Вид 4. Слабо загроможденное и свободное пространство.

2.2.3. Классификация ожидаемого режима взрывного превращения

Известны два основных режима протекания быстропротекающих процессов - детонация и дефлаграция [З]. Для оценки параметров действия взрыва возможные режимы взрывного превращения ТВС разбиты на шесть диапазонов по скоростям их распространения, причем пять из них приходятся на процессы дефлаграционного горения ТВС, поскольку характеристики процесса горения со скоростями фронта меньшими 500 м/с имеют существенные качественные различия.

Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения определяется с помощью экспертной табл.2 в зависимости от класса горючего вещества и вида окружающего пространства [4].

Таблица 2

Ниже приводится разбиение режимов взрывного превращения ТВС по диапазонам скоростей.

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

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

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

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

Диапазон 5. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением [4]:

, (2)

где k₁ - константа, равная 43.

Диапазон 6. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением [4]:

, (3)

где k₂ - константа, равная 26.

2.2.4. Оценка агрегатного состояния ТВС

Для дальнейших расчетов необходимо оценить агрегатное состояние топлива смеси. Предполагается, что смесь гетерогенная, если более 50% топлива содержится в облаке в виде капель, в противном случае ТВС считается газовой. Провести такие оценки можно исходя из величины давления насыщенных паров топлива при данной температуре и времени формирования облака. Для летучих веществ, таких, как пропан при температуре +20 °С, смесь можно считать газовой, а для веществ с низким давлением насыщенного пара (распыл дизтоплива при +20 °С) расчеты проводятся в предположении гетерогенной топливно-воздушной смеси.

2.3.1. Детонация газовых и гетерогенных ТВС

Для вычисления параметров воздушной ударной волны на заданном расстоянии R от центра облака при детонации облака ТВС предварительно рассчитывается соответствующее безразмерное расстояние по соотношению [5, 6]:

. (4)

Примечание. Все соотношения также могут быть записаны в функциях аргумента . При принятых в Методике допущениях между R_x и  существует простая связь: .

Далее рассчитываются безразмерное давление Р_х и безразмерный импульс фазы сжатия I_x.

В случае детонации облака газовой ТВС расчет производится по следующим формулам [8]:

Зависимости (5) и (6) справедливы для значений R_x, больших величины R_k = 0,2 и меньших R_k = 24. В случае R_k < 0,2 величина P_x полагается равной 18, а в выражение (6) подставляется значение R_x = 0,142.

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

; (7)

%. (8)

Зависимости (7) и (8) справедливы для значений R_x больших величины R_k = 0,25. В случае если R_x < R_k, величина P_x полагается равной 18, а величина I_x = 0,16.

2.3.2. Дефлаграция газовых и гетерогенных ТВС

В случае дефлаграционного взрывного превращения облака ТВС к параметрам, влияющим на величины избыточного давления и импульса положительной фазы, добавляются скорость видимого фронта пламени (V_г) и степень расширения продуктов сгорания (). Для газовых смесей принимается  = 7, для гетерогенных -  = 4. Для расчета параметров ударной волны при дефлаграции гетерогенных облаков величина эффективного энергозапаса смеси домножается на коэффициент (-1)/.

Безразмерные давление P_x1 и импульс фазы сжатия I_x1 определяются по соотношениям:

; (9)
. (10)

Последние два выражения справедливы для значений R_x, больших величины R_кр = 0,34, в противном случае вместо R_x в соотношения (9) и (10) подставляется величина R_кр.

Далее вычисляются величины Р_х2 и I_x2, которые соответствуют режиму детонации и для случая детонации газовой смеси рассчитываются по соотношениям (5), (6), а для детонации гетерогенной смеси - по соотношениям (7), (8). Окончательные значения P_x и I_x выбираются из условий:

. (11)

После определения безразмерных величин давления и импульса фазы сжатия вычисляются соответствующие им размерные величины [5, 6]:

3.2. Параметры падающей волны при детонации облака газовой смеси

Амплитуда фазы сжатия

Амплитуда фазы разрежения

Длительность фазы сжатия

Длительность фазы разрежения

Импульс фазы сжатия

Импульс фазы разрежения

Форма падающей волны с описанием фаз сжатия и разрежения в наиболее опасном случае детонации газовой смеси может быть описана соотношением

Декремент затухания в падающей волне рассчитывается по соотношению

Амплитуда отраженной волны давления

Амплитуда отраженной волны разрежения

Длительность отраженной волны давления

Длительность отраженной волны разрежения

Импульс отраженной волны давления

Импульс отраженной волны разрежения

Общее время действия отраженных волн на мишень

Форма отраженной волны с описанием фаз сжатия и разрежения с хорошей для практических целей точностью может быть описана соотношением

Декремент затухания в отраженной волне рассчитывается по соотношению

Соотношения (14)-(29) справедливы при значениях  до 51,6.

3.4. Параметры волны при произвольном режиме сгорания

от взрыва облака ТВС

Фактор V₁ рассчитывается с учетом перепада давления в волне и импульса статического давления по соотношению

4.1.2. Вероятность разрушений промышленных зданий, при которых здания подлежат сносу, оценивается по соотношению [12]:

В этом случае фактор V₂ рассчитывается по формуле

На рис.3 приведена Р-I диаграмма, соответствующая различным значениям поражения зданий ударной волной при взрыве облака ТВС [5, 6].

Рис.3. Р-I диаграмма для оценки уровня поражения промышленных зданий:

1 - граница минимальных разрушений; 2 - граница значительных повреждений;

3 - разрушение зданий (50-75% стен разрушено)

при взрыве облака ТВС

4.2.1. Вероятность длительной потери управляемости у людей (состояние нокдауна), попавших в зону действия ударной волны при взрыве облака ТВС, может быть оценена по величине пробит-функции [12, 13]:

Фактор опасности V₃ рассчитывается по соотношению

Безразмерное давление и безразмерный импульс задаются выражениями:

где m - масса тела живого организма, кг.

На рис.4 приведена Р-I диаграмма, соответствующая различным значениям вероятности поражения людей, попавших в зону действия взрыва [12].

Рис.4. Р-I диаграмма для экспресс-оценки

поражения людей от взрыва ТВС
4.2.2. В некоторых источниках сообщается о зависимости вероятности разрыва барабанных перепонок у людей от уровня перепада давления в воздушной волне [13]:

(37)

4.2.3. Вероятность отброса людей волной давления может оцениваться по величине пробит-функции [12, 13]:

Здесь фактор V₅ рассчитывается из соотношения

Связь функции Pr_i с вероятностью той или иной степени поражения находится по табл.3 [12].

Таблица 3

Связь вероятности поражения с пробит-функцией

4.3. Оценка радиусов зон поражения

причем константы k, P*, I* зависят от характера зоны поражения и определяются из табл.4, а функции P(R) и I(R) находятся по соотношениям (7)-(13) соответственно.

Константы для определения радиусов зон поражения при взрывах ТВС

Заметим, что в некоторых источниках [5, 6, 15] предлагается более простая формула для определения радиусов зон поражения, используемая, как правило, для оценки последствий взрывов конденсированных ВВ, но, с известными допущениями, приемлемая и для грубой оценки последствий взрывов ТВС:

где коэффициент K определяется согласно табл.5, а W - тротиловый эквивалент взрыва, определяемый из соотношения

где q_г - теплота сгорания газа.

Таблица 5

Уровни разрушения зданий

Для определения радиуса смертельного поражения человека в соотношение (41) следует подставлять величину K = 3,8.

Приложение