Промышленная безопасность

12.4. ВЗРЫВ ПАРОВОГО ОБЛАКА

В самом начале необходимо отметить, что термин "взрыв парового облака в неограниченном пространстве" (Uncofined Vapour Cloud Explosion - UVCE), часто используемый в прошлом, в настоящее время иногда употребляется неправильно. Причина этого состоит в следующем. Исследователи обратили внимание на то обстоятельство, что при взрывах обязательно имеет место некоторое ограничение пространства, даже если оно характеризуется только лишь наличием трубопроводных мостов или зданий. В данной работе используется более общий термин- "взрыв парового облака", которому мы даем следующее определение: "Взрыв парового облака - это процесс быстрого превращения, сопровождающийся возникновением взрывной волны, происходящий на открытом воздушном пространстве в результате воспламенения облака, которое содержит горючий пар".* Как отмечалось в предыдущей главе, воспламенение облака, содержащего горючий пар, отнюдь не обязательно приводит к взрыву парового облака; при некоторых обстоятельствах может возникнуть огневой шар. Наличие большого количества пара, образующего облако, определяет наиболее характерное условие для взрыва парового облака: он может произойти вследствие утечки значительного количества сжиженного газа, который испаряется и образует облако горючего пара.

В результате взрывов паровых облаков произошли серьезные аварии, повлекшие разрушение оборудования и значительные человеческие жертвы, так, в одной из аварий погибло более 200 чел.

12.4.2. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

До начала семидесятых годов такое явление, как взрыв парового облака, совсем не изучалось. Так, например, в работе [Brasie.1968] при обсуждении принципов расчета разрушений от химических взрывов взрывы паровых облаков не упоминаются. Первой публикацией, представившей широкий обзор по данному явлению, стала работа [Strehlow.1972], имеющая значительную историческую важность. Однако приведенный в данной работе перечень случаев взрывов парового облака достаточно краток и не содержит наиболее серьезных аварий, таких, как авария 28 июля 1948 г. в Людвигсхафене (Германия), которая подробно описана в разд. 13.13. К сожалению, порой бывает достаточно сложно отличить среди аварий, сопровождавшихся ударной волной, действительные взрывы паровых облаков от случаев с огневыми шарами или взрывами сосудов с перегретой жидкостью. Как следствие, многочисленные сводные публикации по взрывам паровых облаков, включая [Strehlow.1972], в качестве примера такого события приводят аварию 20 октября 1944 г. в Кливленде (шт. Огайо, США) (этот случай описан в гл. 9), хотя в ней не было взрыва парового облака.

В табл. 12.7 приведен сводный перечень случаев взрывов паровых облаков, составленный на основе различных источников, каждый из которых, по нашему мнению, не является достаточно полным. Детальный анализ литературы показал, что данные часто перекрываются, однако наиболее крупные аварии обнаруживаются практически в каждой ссылке. Несмотря на это, до сих пор нет такого обширного перечня, в котором все наиболее известные случаи аварий изучались бы критически.

К сожалению, при составлении сводного перечня существует достаточно серьезная тенденция к тому, чтобы принять в качестве общей выбранную ранее классификацию, присущую специфическому типу аварий; при этом, если сделано неверное предположение, ошибка будет накапливаться в результате многократного повторения.

_______________________________________________________________________________________

Как уже отмечалось, механизмы быстрого превращения парового облака могут быть различны - как дефлаграция, так и детонация. Разъяснение смысла этих терминов дается в приложении 1. - Прим. ред.

ТАБЛИЦА 12.7. Некоторые подборки данных по авариям, где имели место взрывы паровых облаков

В работе [Davenport, 1984] автор внес в перечень аварию, случившуюся в 1921 г., в ходе которой возгорание наполненного водородом дирижабля привело к возникновению ударной волны. Крупные пожары, происшедшие на воздушных кораблях, рассмотрены ниже; следует отметить, что немногочисленные из этих случаев привели к взрывам паровых облаков. В цитируемой работе указана более поздняя авария 1 февраля 1939 г. в Нью-Йорке (шт. Нью-Йорк, США), в ходе которой из-за взрыва облака бутана были выбиты окна и двери ближайших домов, но жертв не было. В работе [Gugan.1979] рассмотрены те же обстоятельства аварии, однако в графе "Ударная волна" автор поставил вопросительный знак.

Видимо, нет сомнений относительно того, что имел место взрыв парового облака в аварии 29 июля 1943 г. в Людвигсхафене (Германия). При отсутствии каких-либо доказательств обратного, он может рассматриваться как первый случай взрыва парового облака в промышленности, имевший серьезные последствия.

Давенпорт [Davenport, 1984] перечислил всего 69 случаев взрывов парового облака, происшедших во всем мире за период 1943 -1983 гг., что в среднем примерно составляет один случай за 7 мес. Данная величина достаточно мала и является результатом неполной информированности об авариях в восточно-европейских странах - автор привел только два таких случая. Вопросам недостаточности информации посвящена гл. 3. Работа [Davenport, 1984], по-видимому, дает наиболее достоверную и исчерпывающую сводную информацию. Однако по-прежнему существует необходимость авторитетно и всесторонне проводить работу по регистрации аварий, в ходе которой каждый отдельный случай описывать таким образом, чтобы предупредить любые возможные последующие расхождения касательно причин и обстоятельств аварии, и вести компьютерную базу данных на аварии, в частности для облегчения статистических анализов. В работе [Wiekema,1984] представлена сводная информация по 165 случаям аварий, происшедших за период с 1921 г. по март 1980 г. Они сведены в таблицу в хронологической последовательности и проанализированы по 10 факторам, включая массу и реактивность вещества, наличие ударной волны, степень ограниченности пространства, количество жертв (погибшие и раненые). В работе представлены уже результаты статистической обработки данных по авариям и поэтому отсутствуют подробности каждого отдельного случая.

12.4.3. ТЕОРИЯ

12.4.3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Устойчивое, т. е. имеющее постоянный объем, пламя не вызывает значительного изменения давления. Однако это совсем не означает, что не происходит никаких явлений, связанных с изменением давления, хотя такие явления и не велики по масштабам и неспособны произвести какие-либо разрушения или привести к человеческим жертвам. Из-за действия сил плавучести поле давлений вокруг пламени не может быть абсолютно симметричным. В изображенном на рис. 12.3 вертикальном разрезе пламени видно, что силы давления в нижней части пламени направлены внутрь пламени, в то время как в верхней его части они направлены в сторону от пламени.


Рис. 12.3. Направления потоков вблизи пламени.

Используя уравнение сохранения энергии

Р = 0,5 ∙ q ∙ V2

где Р - сила давления на единицу площади, q - плотность газа, V - скорость газа, получим значение давления при максимальной скорости пламени, равной 6 м/с:

Р = 0,5 ∙ 0,2 ∙ 62 = 3,6 Па

Это равенство справедливо для значений скоростей, меньших скорости звука. При больших скоростях может значительно возрасти сжимаемость воздуха (или любого другого газа). На рис. 12.4 представлена зависимость между скоростью и давлением воздуха при скоростях, меньших скорости звука.

В статье [Brossard,1984], рассматривающей зажигание стехиометрических воздушных смесей ацетилена, этилена и пропана в специальных камерах, показано, что скорость пламени находится в пределах 11-16 м/с, а давление может достигать уровня, соответствующего зависимости, представленной на рис. 12.4. В цитируемой работе также показано, что, если взорвать аналогичные смеси с помощью заряда твердого ВВ, можно достичь уровня давления, на порядок превышающего ранее полученное значение. Данное положение более подробно рассмотрено ниже. Осознание того факта, что значительный уровень избыточного давления в неограниченном объеме обусловлен такими значениями ускорения пламени, которые не соответствуют современным представлениям, привело ряд исследователей к поиску альтернативного решения. В приложении к работе [Gugan,1979] достаточно подробно рассмотрены такие решения и те трудности теоретических изысканий, с которыми столкнулись исследователи при их поиске.


Рис. 12.4. Зависимость давления от скорости воздуха.

Позже от поиска решений отказались в основном благодаря растущей убежденности* в отсутствии такого явления, как полностью неограниченный взрыв парового облака.

12.4.3.2.ВЛИЯНИЕ ОГРАНИЧЕННОСТИ ПРОСТРАНСТВА

При ограничении пространства, а также при условии, когда пламя охватывает значительную часть резервуара, могут происходить явления, характеризующиеся высоким уровнем избыточного давления. Таков, например, ранее рассмотренный газовый взрыв в ограниченном пространстве. В противном случае значение скорости пламени должно быть больше, чем та величина, которая указана в справочной литературе (например, для углеводородных газов она равна примерно 4 м/с). Проблема, связанная с взрывами парового облака, состоит в том, что они происходят на открытых пространствах и при этом пламя охватывает объем, незначительный по сравнению с объемом окружающих предметов (сооружений). Поэтому будет разумным ожидать, что объем пламени может свободно расширяться; по мнению специалистов, данное явление может происходить, на первый взгляд не вызывая значительного уровня избыточного давления даже при скорости пламени, большей 4 м/с.

____________________________________________________________________________________

*Отметим, что убежденность, о которой говорит автор, не имеет под собой достаточных оснований. - Прим. ред.

И наоборот, чтобы при взрыве парового облака скорость изменения объема (dV/dt) облака пара значительно увеличилась, что привело бы к высокому уровню избыточного давления, скорость пламени должна достигать скорости звука.

Обсуждение в гл. 8 огневых шаров ясно показало, что быстрое сгорание большого количества горючих веществ при определенных обстоятельствах может происходить, не вызывая высоких уровней избыточного давления. Используя приведенные в той же главе формулы для определения радиуса и длительности существования огневого шара, а также допуская, что воспламенение произошло в центре облака, получим среднее значение скорости пламени примерно равным 29/3,8, что составляет приблизительно 8 м/с. Эта величина ненамного отличается от значений скорости пламени углеводородных газов, приведенных в справочной литературе, но гораздо меньше тех значений, при которых достигается высокий уровень избыточного давления.

Из перечисленных соображений можно сделать следующий вывод: взрыв парового облака происходит только при ограничении пространства в достаточной степени, чем достигается требуемый уровень избыточного давления.

В работе [Pikaar.1984] сделано заключение: "Поведение парового облака в первую очередь определяют сооружения, попадающие в зону распространения облака... Для облаков пыли, перемещающихся вблизи поверхности земли, влияние сооружений еще более важно по сравнению с облаками, переносимыми воздушными потоками..." Далее приведены сведения, полученные из экспериментов, проводимых на открытой местности, после чего говорится следующее: "Основной вывод состоит в том, что, если поджечь облако сжиженного природного газа или паров пропана, перемещающееся по открытому пространству, процесс сгорания будет сопровождаться незначительным изменением давления (порядка сотен Па)... последние данные подтверждают мнение, согласно которому возбуждение детонации обусловлено эффектами, связанными с потоками в непосредственной близости от фронта пламени; так происходит, например, при частичном ограничении пространства, в результате чего несгоревшие пары проталкиваются через преграды и препятствия".

В работе [Zeeuwen,1984] представлены результаты экспериментов, в ходе которых на пути перемещения парового облака, содержащего 1 т пропана, помещались различные препятствия. В ходе экспериментов отмечалось следующее: ни вертикальное препятствие, в данном случае коллекторный трубопровод, ни горизонтальное не оказали существенного воздействия на изменение уровня давления при воспламенении. Однако, после того как вертикальный ряд коллекторных трубопроводов был покрыт стальными листами, скорость пламени достигла 66 м/с, а давление - примерно 2 КПа.

Продолжительность положительной фазы взрывной волны составила 200 - 450 мс.* При выходе пламени из зоны ограничения наблюдалось замедление его скорости. Таким образом, скорость пламени и давление вполне соответствуют значениям, отмеченным в некоторых случаях аварий.

В работе [Wiekema.1984] сделано следующее заключение: "Необходимым условием инициирования детонации при взрыве является наличие домов, сооружений, стен и т. д. Другими словами, наличие препятствий формирует необходимые условия для ускорения пламени".

Исследования, проведенные нами для других целей [Marshall, 1980], также подтверждают то, что наличие зданий и установок может усилить воздействие взрыва парового облака. В данном исследовании при сравнении зон разрушений в двух авариях: 19 июля 1974 г. в Декейторе (шт. Иллинойс, США) и 1 июня 1974 г. в Фликсборо (Великобритания) - оценивалось предположение, согласно которому результаты взрыва в Декейторе в 10 раз превышали масштаб разрушений такого хорошо изученного случая аварии, каким является авария в Фликсборо.

Анализ этих двух случаев аварий приведен в следующей главе, однако для целей данной главы необходимо обратить внимание на рис. 13.22, на котором представлена модель зоны разрушений в Фликсборо. Согласно рисунку, зона представляет собой грубый эллипс, большой радиус которого, направленный на северо-восток, в 2,4 раза больше малого радиуса, направленного на юго-запад. Из рис. 9.9 видно, что наибольшая плотность оборудования и установок на предприятии в Фликсборо характерна для северо-восточного направления от места утечки, в то время как в юго-западном направлении существовало "окно" относительно свободной территории предприятия.

В дополнение, для подтверждения основного предположения о том, что частичное ограничение пространства приводит к усилению взрыва парового облака, можно отметить, что цепь реакторов на предприятии в Фликсборо образовала каскад (рис. 12.5). Данный каскад был смонтирован на железобетонной основе, которая значительно ограничивала пространство снизу. Однако предположение о том, что наличие некоторых ограничений пространства является необходимым условием развития взрыва парового облака, еще не доказано. Оно будет рассмотрено в заключительных разделах данной главы.

12.4.3.3. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗРЫВА ПАРОВОГО ОБЛАКА

Почти не существует данных об уровне избыточного давления или длительности положительной фазы любого непреднамеренного взрыва парового облака, полученных при помощи научной аппаратуры; не производились экспериментальные взрывы парового облака, не вызывающие детонацию (предмет последующего обсуждения), которые приводили бы к значительным уровням избыточного давления.

*Более точным представляется вывод, что взрыв парового облака приводит к появлению воздушных ударных волн, обладающих поражающим действием при видимых скоростях горения фронта пламени свыше 100 м/с. Выход на такие режимы сгорания наиболее вероятен при ограничении пространства или наличии препятствий. - Прим.ред.

Известны примеры, когда регистрация импульсов давления производилась при помощи барографов, применяемых в метеорологии, однако данные приборы ввиду присущей им инерционности или ограниченных пределов измерения не удовлетворяют требованиям точности регистрации данных, связанных со спецификой взрыва парового облака. В описании аварии в Фликсборо говорится, что данные регистрировались барографом, имевшимся на планере, который в момент аварии располагался неподалеку [Flixborough,1975]. Кроме того, сигналы, по всей видимости относившиеся к взрыву в Фликсборо, были зафиксированы сотрудниками физического отделения университета в Лестере, проводившими изучение рассеяния радиоволн в ионосфере. Эти данные позволили точно определить момент зажигания и получить информацию о возмущении атмосферы, длившемся около 1 мин [Jones,1974]. Однако сведения, полученные из указанных источников, недостаточны для того, чтобы иметь полное представление об ударной волне в данной аварии.

Вместо этого фактически все сведения о свойствах взрыва парового облака можно получить, исследуя разрушения, вызванные этими взрывами. Сравнивая разрушения от взрывов парового облака и от обычных взрывов, можно сделать вывод об энергетике взрыва парового облака.

Таким образом, ход последовательных рассуждений приводит к необходимости оценки энергетики взрыва парового облака. Во-первых, существует большое количество данных о последствиях взрывов конденсированного ВВ. Частично эти данные относятся к опыту ведения военных действий, таких, как воздушные налеты. Так, например, в течение 1944 г. Лондон подвергался атаке 2300 самолетов-снарядов. Снаряды данной разновидности неглубоко проникали в землю и тем самым являлись оружием наземного взрыва. Все они содержали одинаковое количество конденсированного ВВ (около 0,8 т). Проводилось обширное исследование воздействия данного вида снарядов (эти результаты излагаются в гл. 18. - Перев.). В качестве альтернативы имеется значительное количество "открытых" исследовательских материалов о создании защиты от воздействия конденсированных ВВ, в которых данные о разрушительном действии связаны с результатами научных экспериментов по измерению уровня избыточного давления и длительности воздействия.

Однако в определенном смысле подобные исследования ограничены. Они дают значительные расхождения в результатах даже при соответствующем соотнесении уровня избыточного давления и расстояния от места взрыва (для зарядов ВВ различной мощности, или, что то же самое, с учетом импульса положительной фазы воздушной ударной волны. - Перев.) в случае плоского открытого пространства. Таким образом, даже для этой наиболее "научной" области исследований находимые зависимости имеют статистическую природу, что и иллюстрируется в работе [Baker, 1973]. Сложности увеличиваются, когда исследование затрагивает взаимосвязь уровня избыточного давления и степени разрушения. Так, например, едва ли можно считать здание калиброванным научным инструментом, хотя оно содержит в себе множество структурных элементов, обладающих различной способностью выдерживать избыточное давление. К сожалению, здания могут значительно различаться по строительным нормам. Большая разница может быть между изолированным зданием, находящимся в зоне военных действий, и зданием, расположенным на улице города. К тому же как точно можно выразить степень разрушения? В работе [Неа1у,1965] представлена классификация разрушения жилых домов, существовавшая во время второй мировой войны, - от категории А (полное разрушение здания) до категории D (разрушенное здание, требующее срочного ремонта, но пригодное для жилья). В данную классификацию не попадают здания, имеющие разрушения, например, одного окна. Повреждение окна представляет такую категорию разрушения, для которой требуется более низкий уровень избыточного давления. Представленные категории разрушений далеки от строгих критериев классификации, им свойственна некоторая субъективность. Более того, данные категории не связаны жестко с определенными уровнями избыточного давления.

Все сказанное выше свидетельствует о значительных трудностях даже в таких достаточно изученных областях, как действие конденсированного ВВ. Попытка определить степень разрушений при взрыве парового облака связана с дополнительными трудностями. Если при взрыве конденсированного ВВ здание претерпело определенное разрушение при заданном уровне избыточного давления, то это разрушение соответствует также определенной длительности положительной фазы взрыва конденсированного вещества, т. е. значению импульса. Ниоткуда не следует, что взрыв парового облака характеризуется такой же длительностью положительной фазы (значением импульса. - Перев.), как и взрыв обычного ВВ. Хорошо известно, что продолжительность действия ударной волны при взрыве парового облака больше, чем аналогичный параметр для обычного ВВ (при равных значениях создаваемого избыточного давления. - Перев.).

Будет полезным сравнить время действия двух различных типов взрыва. Для начала возьмем тринитротолуол (ТНТ): приняв скорость взрывной волны равной 7400 м/с (табл. 2 работы [Robinson,1944]), массу полусферы ТНТ равной 32 т и, следовательно, диаметр равным 4,4 м, получим, что при детонации необходимо примерно 0,625 мс для того, чтобы процесс достиг наиболее удаленной точки полусферы. Взрыв в Фликсборо оценивается примерно в 32 т ТНТ-эквивалента, при этом диаметр облака составил примерно 200 м. (Чтобы убедиться в справедливости указанных цифр, рекомендуем обратиться к описанию аварии в гл. 13.) Если даже допустить, что скорость распространения взрывной волны равнялась скорости звука в воздушной среде, то продолжительность взрыва составит 650 мс.

Иначе говоря, облако пара эквивалентной массы гораздо больше по объему, а скорость звука в нем намного меньше.*

Согласно Робинсону [Robinson,1944], "процесс взаимодействия ударной волны со стеной характеризуется давлением и временем действия... Произведение этих величин (точнее, интеграл от избыточного давления по времени. - Перев.) называется импульсом; импульс является наиболее важным фактором, определяющим ответную реакцию стены". И хотя данная формулировка содержит несколько упрощенное объяснение явления, тем не менее она по существу справедлива. Исходя из этого, можно сделать вывод, что ударная волна взрыва парового облака из-за гораздо большей его длительности (или величины импульса) окажет большее разрушающее воздействие по сравнению с взрывом обычного ВВ, характеризующимся той же величиной избыточного давления. И наоборот, одинаковая степень разрушения может быть вызвана меньшим уровнем избыточного давления взрыва парового облака в сравнении с взрывом конденсированного ВВ. Что касается взрыва парового облака, то наблюдается более ярко выраженное сходство с ядерным взрывом, для которого продолжительность положительной фазы взрывной волны составляет примерно 250 мс, что свойственно даже для небольших зарядов в отличие от обычных ВВ [Glasstone.1980].

Если это так, то многие сегодняшние затруднения, возникающие из-за несоответствия между (наблюдаемым. - Перев.) уровнем разрушений и значением избыточного давления (способным образовываться в конкретных условиях аварии. - Перев.) для парового облака, могут быть в значительной степени сняты, поскольку наблюдаемый уровень разрушений может возникать при меньших значениях избыточного давления. Однако из-за отсутствия позитивных свидетельств далее в книге значения избыточного давления для взрыва парового облака будут приниматься равными значениям избыточного давления взрыва такого количества ТНТ, которое создает тот же самый уровень разрушений, что и взрыв парового облака.

12.4.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗРЫВОВ ПАРОВОГО ОБЛАКА

12.4.4.1. МОДЕЛЬ ВЗРЫВА ТНТ

Попытки моделирования взрывов парового облака стали осуществляться лишь после того, как существование этого явления было реально осознано. Наиболее известна модель, предложенная в отчете [Strehlow,1972], в которой взрыв парового облака сравнивается со взрывом эквивалентного количества ТНТ. Несмотря на достаточную обоснованность предложенной модели можно заметить, что она неспособна представить явления, происходящие вблизи центра взрыва ТНТ. Это обусловлено тем, что взрыву парового облака не свойственно бризантное действие, характерное для конденсированного ВВ.

_____________________________________________________________

*Приведенное сравнение, однако, не доказывает верное утверждение о том, что фаза сжатия воздушной ударной волны в случае газового взрыва должна быть продолжительнее. - Прим. ред.

В непосредственной близости от места взрыва конденсированного ВВ давление может превышать 1 ГПа [Cook, 1966], в то время как максимальная величина избыточного давления взрыва парового облака даже при наличии соответствующих условий не достигает и нескольких единиц МПа. Данное положение может быть проиллюстрировано сравнением двух случаев аварий: 21 сентября 1921 г. в Оппау (Германия) и 29 июня 1943 г. в Людвигсхафене (Германия). В первой из них из-за детонации примерно 4 тыс. т смеси нитрата аммония на месте взрыва образовалась воронка глубиной 10 м (см. разд. 11.1). Во втором случае произошел взрыв парового облака, содержащего примерно 18 т диметилового эфира (см. разд. 13.12). Образования воронки не было, так же как и в любой другой аварии, причиной которой являлся взрыв парового облака. Если иногда при взрыве парового облака воронка и образуется, то это обусловлено истечением сжиженного газа, вызывающим размыв почвы в непосредственной близости от места утечки. Не исключено, что взрыв парового облака может вызвать незначительное приминание легкого грунта, что регистрируется приборами, однако такое образование не имеет кромки, характерной для кратера, образованного в результате взрыва обычного ВВ.

Таким образом, график зависимости избыточного давления от расстояния для случая взрыва парового облака будет иметь разрыв при значениях избыточного давления, превышающих десятые доли МПа. Аналогичные графические зависимости представлены в работе [АСМН,1979].

Сохраняется вопрос: насколько хорошо согласуются графики избыточного давления для взрыва парового облака при значениях, меньших десятых долей МПа, с аналогичными графиками для взрыва ТНТ (см. рис. 10.2). Представляется очевидным, что если эквивалентность в каком-либо смысле имеет место, то тогда, поскольку в ближней области избыточное давление при взрыве парового облака меньше избыточного давления при взрыве соответствующего количества ТНТ, должна существовать область, где картина противоположна, т. е. где избыточное давление взрыва парового облака больше избыточного давления взрыва соответствующего количества ТНТ.

В работе [Phillips,1981], автор которой ссылается на работу [Luckritz.1977], утверждается, что в дальней области избыточное давление взрыва парового облака меньше тех значений, которые даются зависимостью для эквивалентного количества ТНТ. Поэтому в соответствии с работой [Luckritz.1977] зависимость избыточного давления от приведенного расстояния должна иметь вид, представленный на рис. 12.6 (здесь отражены только качественные особенности данной зависимости).

Рис. 12.6. Зависимость избыточного давления от приведенного расстояния по гипотезе Лукрипа.

Собственно гипотеза состоит в предположении, что если некая интегральная характеристика разрушения во всей области поражающего действия взрыва парового облака равна значению этой же интегральной характеристики разрушений, производимых некоторым количеством ТНТ, то в этом случае указанное количество ТНТ следует называть ТНТ-эквивалентом парового облака.*

В статье [Sadee.1977] предложен вариант построения ТНТ-модели, которая по существу является нечетко центрированной моделью взрыва. Данный вариант применим к моделированию взрыва парового облака с помощью воздушных ТНТ-взрывов. Изменяя расстояние между центрами взрывов ТНТ и парового облака, можно исключить проблемы, связанные с бризантным действием ТНТ взрыва. Однако модель не привлекла особого интереса. Во-первых, она не давала однозначного решения: примерно одинаковый характер разрушения получается при взрыве 14 т ТНТ на расстоянии 69 м, 16 т - на расстоянии 45 м, 18 т - при 21 м над землей. Во-вторых, в реальных воздушных взрывах имеет место отражение взрывной волны, не свойственное взрыву парового облака.

______________________________________________________________

*Таким образом, суть проблемы переносится на определение интегральной характеристики разрушения, о которой автор, к сожалению, не говорит. - Прим. ред.

12.4.4.2. МОДЕЛЬ ВИКЕМА

Другая модель предложена в работах [Wiekema,1980; 1984]. Модель основана на ряде предположений, позволяющих установить связь между относительным уровнем избыточного давления (Р/Рд) и приведенным расстоянием для газовых смесей различной реакционной способности. Представлены методы расчета детонационных режимов превращений паровых взрывов, которые, как будет показано ниже, являются наименее вероятными. Приведенное расстояние выражается величиной (Е/Рд)!73 [Sachs,1944]. Модель позволяет также построить зависимость безразмерной длительности положительной фазы взрывной волны от расстояния. Достоинство модели по сравнению с ТНТ-моделью - независимость от критерия разрушения. Однако, как отмечалось в [Wiekema,1984], пригодность модели обусловлена ее способностью правильно предсказать масштаб разрушения. Можно утверждать, что рассматриваемая модель согласуется со следующими наблюдениями, касающимися взрыва парового облака:

1) Вне облака не отмечалось случаев со смертельным исходом, вызванных действием воздушной ударной волны.

2) Имели место случаи, когда некоторые люди были сбиты с ног, но серьезно не пострадали.

3) Не отмечалось случаев переворачивания автомашин.

4) Здания, находившиеся в непосредственной близости от места взрыва, претерпели разрушения.

5) С увеличением количества горючего вещества в облаке увеличиваются масштабы последствий взрыва.

12.4.4.3. СРАВНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ

По нашему мнению, ТНТ-модель может служить одним из приближений для описания взрыва парового облака. Основное ее достоинство состоит в возможности представить степень воздействия взрыва на человека, чего не позволяют сделать более специфические модели, такие, как модель Викема.

Мы полагаем, однако, что главное для специалистов направление моделирования, которое будет объединять теорию с возрастающим объемом информации, полученной на основе лабораторных экспериментов и крупномасштабных испытаний, по-видимому, состоит в разработке моделей, близких к типу модели Викема.

ВЗРЫВА ПАРОВОГО ОБЛАКА

12.4.5.1. ДЕФЛАГРАЦИЯ И ДЕТОНАЦИЯ

В предыдущем разделе рассматривались два типа быстрых превращений парового облака: дефлаграция и детонация. В статье [Wiekema,1980] следующим образом определены данные явления: дефлаграция - разновидность процесса сгорания облака, в ходе которого фронт реакции продвигается по горючей смеси благодаря теплопроводности и конвекции в направлении от сгоревшего газа кнесгоревшему (не всякая дефлаграция сопровождается возникновением значительного уровня избыточного давления). Детонация- разновидность процесса сгорания, в ходе которого сила распространяющейся ударной волны такова, что мгновенно начинается химическая реакция.

Дефлаграция достаточно хорошо изучена и подробно рассмотрена выше, поэтому повторное обсуждение вряд ли может принести новую информацию.* Явление детонации горючих паровоздушных смесей было продемонстрировано в ходе многочисленных испытаний, когда смеси поджигались при помощи расположенных в центре зарядов конденсированных ВВ. В материалах [APIJ,1974] представлены описания данных испытаний, показавших, что при детонации около 640 м3 7,4%-ной смеси этилена с воздухом с помощью заряда пентахлорэтана массой 20 г можно достичь уровня избыточного давления порядка 2 МПа.

Необходимо выяснить, может ли произойти детонация в промышленных условиях, если процесс будет инициироваться источником энергии низкого уровня, каковым Является открытое пламя, зажигалка или электроискровой разряд 200 - 400 В. Согласно общей точке зрения, в таких условиях детонация наименее вероятна. Сошлемся на работу [Pikaar.1984]: "Анализ случаев аварий показал, что имевшиеся разрушения не соответствуют разрушениям, вызванным детонацией. Кроме того, согласно теориям развития процесса быстрых превращений облака, связывающим изменение давления со скоростью пламени, ...давление порядка 0,03 МПа является достаточным, чтобы соответствовать разрушениям, наблюдавшимся в реальных случаях аварий, и может возникать при скорости пламени порядка 150 - 200 м/с. Итак, круг научных интересов постепенно переместился с вопросов, связанных с последствиями детонации, на исследование причин ускорения пламени и оценку длительности ударной волны..."

Короче говоря, взрыв парового облака является дефлаграцией, а не детонацией.

Большинство исследователей пришли к выводу о том, что в аварии 9 декабря 1970 г. в Порт-Хадсоне (шт. Миссури, США) быстрое превращение облака было детонацией. События в Порт-Хадсоне проанализированы ниже, и в ходе обсуждения доказывается необоснованность гипотезы детонации.

Под "выходом" понимается та часть химической энергии системы, которая высвобождается в виде энергии воздушной ударной волны (ВУВ). Уже давно известно, что энергия, выделяющаяся в результате сгорания обычных углеводородов, более чем в 10 раз превышает энергию взрыва обычного конденсированного ВВ.

_______________________________________________________________________________________

В данной книге не рассматриваются с необходимой степенью подробности дефлаграционные процессы, за исключением случая ламинарного пламени, к которому, видимо, и следует отнести утверждение автора о "хорошей изученности" процесса дефлаграции. В применении к случаям взрывов при авариях промышленных предприятий под дефлаграцией обычно понимается горение парового облака с видимой скоростью порядка 100 - 300 м/с, которое приводит к появлению воздушных ударных волн с максимальной величиной избыточного давления порядка 20 - 100 КПа. - Прим. ред.

Сошлемся на цифры: тепловая энергия при горении пропана составляет примерно 5 ∙ 107 КДж/кг [Weast.1981], в то время как тепловая энергия, выделяющаяся при детонации ТНТ, составляет примерно 4,2 ∙ 106 КДж/кг [Kirk-0thmer,1980]. Однако строгое сравнение величин нежелательно, поскольку тепловая энергия, выделяющаяся, например, при возгорании ТНТ, намного больше энергии детонации и равна 1,5 ∙ 107 КДж/кг,* т. е. энергия детонации ТНТ составляет всего лишь 28% от тепловой энергии, выделяющейся при его сгорании. Из этого следует, что запас энергии углеводородного газа не может полностью перейти в энергию ВУВ. В действительности, чтобы принять данное соображение, необходимо также допустить существование идеального механизма преобразования химической энергии в механическую, в ходе которого конечная температура равна начальной и отсутствуют тепловые потери. Такой механизм до сих пор не обнаружен, несмотря на энергичные его поиски. Викема [Wiekema,1980] предполагает, что результаты, полученные в работе [Kogarko,1966], свидетельствуют о преобразовании 25% химической энергии в энергию детонационного взрыва. Это значение можно считать максимальным теоретическим "выходом" взрыва парового облака. Выраженная в единицах массы ТНТ, она составит примерно 2,5 - 3 т ТНТ на 1 т углеводорода.**

Фактически все эксперименты с дефлаграцией углеводорода массой менее 1 т продемонстрировали либо незначительные уровни избыточного давления, либо давление порядка нескольких сотен Па. С точки зрения "выхода" энергии эти экспериментальные исследования не дали каких-либо важных результатов. Однако известно немало примеров взрывов парового облака, в ходе которых имел место значительный "выход" энергии. В некоторых случаях оказалось возможным на основе анализа разрушений произвести ряд оценок и рассчитать ТНТ-эквивалент. В работе [Gugan.1979] представлены расчетные зависимости "выхода" энергии: от количества горючего материала и от характеристики, включающей термохимические свойства горючего материала (тепловыделение при сгорании, предел воспламенения и скорость горения). Явной корреляции результатов не наблюдалось, что можно объяснить неточностью данных (некоторые из них весьма сомнительны). Однако, используя зависимость "выхода" энергии от ТНТ-эквивалента, Викема [Wiekema.1984] обосновал зависимость увеличения "выхода" энергии от масштабов взрыва. В первом приближении такая оценка вполне справедлива, поскольку высвобождение незначительного количества энергии имеет нулевой "выход". Однако диаграмма Викема свидетельствует

*Автор имеет в виду энергию, выделяющуюся при полном сгорании ТНТ в кислороде, которая превышает энергию детонации вследствие недостатка молекулярного кислорода в ТНТ и других ВВ с отрицательным кислородным балансом. Из этого сравнения не следует правильное утверждение о том, что не весь запас энергии углеводорода в паровом облаке может перейти в энергию воздушной ударной волны. - Прим. ред.

**По современным представлениям [Борисов, 1986] максимально возможный КПД взрыва парового облака (т.е. отношение энергии воздушной ударной волны к химической энергии смеси) составляет около 40%. Остальная часть энергии остается в нагретых продуктах детонации и частично в разогретом ударной волной воздухе. Сравнение с ТНТ необходимо проводить отдельно по давлению и по импульсу ударной волны: соответствующие максимальные величины равны 5 и 8 т ТНТ на 1 т углеводорода. Такой выход вовсе не всегда достигается при авариях промышленных предприятий вследствие значительных отклонений локального состава облака от стехиометрического. - Прим. ред.

о почти 60%-ном "выходе", что в два раза превышает оценку явления детонации!*

Проблема лишь частично состоит в сложности действительно научной оценки ТНТ-эквивалента. Применительно к составлению характеристики разрушения трудности связаны с оценкой размеров утечки, определением объема паровой фазы утечки и количества пара, уровень концентрации которого находится в пределах воспламенения, а также количества пара, участвующего в быстром превращении.

На примере аварии 19 июля 1974 г. в Декейторе (шт. Иллинойс, США) (разд. 13.16) раскрыты некоторые из трудностей, а также показано, к каким обманчивым выводам можно прийти, если не проанализировать критически имеющиеся данные. Для грубой оценки, основанной на опыте автора настоящей книги, можно предположить, что при содержании 10 - 40 т горючего вещества в облаке пара энергия взрыва составит 4 - 6% энергии тепловыделения при сгорании. Данная величина эквивалентна примерно 0,5 т ТНТ на 1т углеводорода.
12.4.5.3. МАКСИМАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

Очень важно оценить вероятное значение максимального уровня избыточного давления, которое может быть достигнуто в результате взрыва парового облака. В статье [Marshall,1976] взрыв парового облака охарактеризован как нечетко центрированный взрыв, при этом максимальный уровень избыточного давления полагается равным 0,1 - 0,2 МПа. В последующей работе [Marshall,1976a] оценка максимального уровня избыточного давления снизилась до 0,1 МПа. Другие исследователи также рассматривали данные вопросы, что привело к появлению различных оценок. Так, в работе [Gugan,1979] полагается, что для разрушения двух резервуаров в случае аварии в Фликсборо уровень избыточного давления должен был составлять 1,5-1,7 МПа. Там же приведена диаграмма максимальных уровней избыточного давления, согласно которой при аварии в Фликсборо уровень составил 4,4 МПа. Данная информация вызвала резкое несогласие [Ale,1980; Fu,1980]. Авторы первой работы считают, что любое выведенное значение уровня избыточного давления, отражающее конечную стадию адиабатического состояния паровоздушной смеси при неизменном объеме и превышающее примерно 0,8 МПа, нарушает законы термодинамики. Данное утверждение не совсем верно. Существует достаточно доказательств, и теоретических, и эмпирических, согласно которым в результате детонации можно достичь уровня избыточного давления порядка 1,8 МПа [Bradley,1978]. К тому же это утверждение не согласуется с давно известным и хорошо изученным явлением "нагнетания давления", когда при постепенном уменьшении объема можно достичь уровня давления, в четыре раза превышающего значение, полученное при дефлаграции в резервуаре, к которому примыкает данный объем (вопрос подробно освещен в [Fitt,1981]).

______________________________________________________________

*Доля энергии, перешедшей в воздушную ударную волну при дефлаграции, в дальней зоне всегда меньше, чем при детонации. Так, для видимой скорости горения порядка 200 м/с она составляет около 30%. - Прим. ред.

Как отмечается в статье [Phillips,1981], законы термодинамики позволяют рассчитать максимальное среднее значение давления всей системы, а не максимальный уровень давления какой-либо ее части. Автор цитируемой статьи критикует точку зрения Гугана, однако неподвергает сомнению положения авторов работы [А1е,1980]. Он считает ошибочным методы, примененные Гуганом для вычисления уровней давления, достаточных для разрушения резервуаров. Однако Филлипс полагает, что внутри облака отрицательная фаза ударной волны, вновь проходящая через центр взрыва, вызывает взаимоналожение волны. Это приводит к появлению ограниченных зон повышенного давления, в которых может происходить разрушение покрытия; такие разрушения, по мнению Ругана, возможны при уровне избыточного давления больше 1 МПа.

В материалах [АСМН.1979] выражено мнение, согласно которому здания, находящиеся в непосредственной близости от возможных взрывов парового облака, должны выдерживать воздействия избыточного давления порядка 0,07 МПа продолжительностью до 20 мс.

В работе [Giesbrecht,1981] максимальный уровень избыточного давления на границе облака полагается равным примерно 0,03 МПа. Тот же уровень избыточного давления пара считается максимально достижимым при средней реактивности вещества [Wiekema.1984].

Вопросы, связанные с защитой зданий, детально рассматриваются в

гл. 20.

12.4.5.4. ВЕЩЕСТВА, ОБЛАКО ПАРОВ КОТОРЫХ

В сообщении [Marshall,1979] проведен анализ вещества парового облака для 177 случаев аварий (некоторые из них сопровождались взрывами). Анализ показал, что в 40% известных случаев паровые облака состоят из углеводородов с 3 и 4 атомами углерода. Пропан и бутан, а также их смеси и сжиженный нефтяной газ (СНГ) в три раза чаще участвовали в авариях по сравнению с парами бензина, несмотря на гораздо меньший объем их производства: в 1979 г. их было выработано 1,6 млн. т по сравнению с 16,6 млн. т бензина [CS0.1980]. Приведенные данные относятся к Великобритании, однако они вполне отражают соотношения по выработке СНГ и бензина в мире. Исходя из этого, вероятность аварии с паровым облаком углеводорода можно считать в 30 раз большей (в пересчете на тонну продукта) по сравнению с бензином.

В работе [Davenport, 1984] перечислен 71 случай аварий, рассматриваемых автором как взрыв парового облака. Давенпорт дает следующий комментарий:

"Когда организация Industrial Risk Insurers впервые начала изучать аварии с взрывами паровых облаков в начале 60-х годов, мы были уверены в том, что ...только вещества типа СПГ имеют отношение к данной теме. В то время мы были осведомлены только о потерях, связанных с СПГ. После аварии в Фликсборо стало очевидным, что взрывы облаков (других) быстросгорающих жидкостей способны вызывать избыточное давление разрушающего действия".

Из перечисленных веществ два требуют дополнительного исследования: метан (природный газ) и водород.

12.4.6. ПОВЕДЕНИЕ МЕТАНА ПРИ ВЗРЫВАХ ПАРОВЫХ ОБЛАКОВ

Такое вещество, как метан, заслуживает особого внимания ввиду того, что он широко используется в промышленности. Добыча газа в Северном море (примерно 90% добываемого газа составляет метан) в 1983 г. достигала в Великобритании 50 км3, или 35 млн. т. Годовая добыча США и СССР примерно в 10 раз превышает данный уровень. В работе [Warner.1976] утверждается, что "случаев неограниченных взрывов паровых облаков природного газа не отмечалось. Метан является достаточно устойчивым углеводородом и способен детонировать только в смеси с кислородом и при наличии больших инициирующих зарядов ТНТ..."

Однако известен случай аварии 19 января 1966 г. в Раунгейме (ФРГ). W произошел взрыв парового облака, имевший, согласно [Gugan.1979], "выход" энергии порядка 0,5 -1 т ТНТ-эквивалента в результате утечки 0,5 т жидкого метана. В материалах [Davenport,1984] указывается, что "данная авария произошла в результате воспламенения разлития метана в промышленной установке; причем имело место частичное ограничение пространства в виде вертикально расположенного технологического оборудования и строений, что способствовало росту избыточного давления до разрушающего уровня, приведшего к материальным потерям на сумму 15,6 млн. долл. (по курсу 1983 г.)". В качестве резюме перечислим причины, по которым очень редко возникают взрывы облака метана:

1) При разлитии низкотемпературной жидкости темп процесса парообразования ограничен скоростью теплообмена с окружающей средой, в то время как на испарение быстросгорающего сжиженного газа расходуется внутренняя энергия вещества.

2) При утечке газа из сосуда, находящегося под давлением при температуре окружающей среды, метан не образует облака вблизи поверхности земли, потому что он легче воздуха.

3) По сравнению с обычными горючими газами для поджигания метана требуется большая энергия, а для инициирования детонации в облаке метана требуется еще больший энергетический потенциал источника.

4) Метану присущ низкий уровень скорости химического взаимодействия в отличие от других горючих газов.*

_______________________________________________________________________________________

* Отметим, что малые добавки других углеводородов в метане резко уменьшают минимальную энергию инициирования. - Прим. ред.

12.4.7. ПОВЕДЕНИЕ ВОДОРОДА ПРИ ВЗРЫВАХ ПАРОВЫХ ОБЛАКОВ

12.4.7.1. ВВЕДЕНИЕ

В сводной информации (разд. 12.4.7.3) в качестве первого случая аварии с водородом приводится взрыв дирижабля ZR/2 или R38, происшедший в Англии 23 августа 1921 г. (в соответствии с [Gugan,1979; Davenport,1984] правильной датой является 24 августа). Из данного примера может показаться, что водород был причиной взрыва парового облака. Более того, в работе [Bulkley.1966] перечисляется ряд происшествий с участием водорода и привлекается внимание к быстрому росту масштабов процессов, связанных с использованием водорода, в ходе которых часто происходит утечка значительного его количества. С другой стороны, как будет показано ниже, отмечено много случаев, когда пожары воздушных шаров, наполненных водородом, не сопровождались какими-либо серьезными воздействиями ударной волны. Согласно [Shreve,1977], ежегодно в США используется 70 км3 водорода; объем потребления природного газа в Великобритании примерно такой же. Одна треть всего этого количества используется в процессе синтеза аммиака и для гидрогенизации растительных масел. Из 71 случая взрывов парового облака 3 случая связаны с водородом, что незначительно в сравнении с объемом его потребления [Davenport,1984]. В работе [Bulkley,1966] наравне с серьезным случаем, происшедшим в шт. Невада, США (подробно описан в [Reider,1965]) перечислены и менее значительные происшествия. Ссылаясь на эту работу, Гуган сделал вывод о том, что взрыв 90 кг водорода эквивалентен взрыву 27 кг ТНТ, или 1%-ному "выходу".

12.4.7.2. СВОЙСТВА ВОДОРОДА

В материалах [ВСС,1970] сделаны выводы о свойствах водорода с точки зрения безопасности. Для смеси водорода с воздухом свойствен широкий диапазон воспламеняемости (4 - 74%), и при разбавлении инертным газом водород способен гореть даже при содержании кислорода 5% в отличие от углеводородных газов, горящих при содержании кислорода не менее 11%. В сравнении с углеводородными газами водород имеет более высокую скорость горения. Воспламенение водорода можно осуществить искровым разрядом малой энергии, для этого достаточна 1/10 часть энергии, необходимой для зажигания углеводородных газов. Следовательно, водород легко поджечь разрядом статического электричества. (Этим объясняются случаи самовозгорания водорода.)

Что касается оценки условий инициирования детонации в облаке водорода при помощи конденсированных ВВ, то мнения расходятся. Аткинсон [Atkinson,1980] утверждает, что детонацию смеси водорода с воздухом можно инициировать при помощи нескольких миллиграммов пентолита, однако, согласно [Matsui,1978], осуществить детонацию водорода гораздо сложнее, чем любого обычного газа, за исключением метана.*

12.4.7.3. СВЕДЕНИЯ ОБ АВАРИЯХ ДИРИЖАБЛЕЙ

Многочисленные общие сведения о происшествиях, включающих образование облаков горючих газов, содержат три случая возгораний дирижаблей. Первый пример - авария дирижабля ZR/2 (в ряде источников R38), случившаяся 24 августа 1921г., второй- авария дирижабля R101, происшедшая 5 октября 1930 г., третий - инцидент с "Гинденбургом" 6 мая 1937 г. Имеющиеся описания с трудом можно назвать аналитическим исследованием происшествий, поскольку они содержат очень незначительную информацию о разрушениях, вызванных возгоранием воздушных шаров, заполненных водородом. В существующих публикациях можно найти разнообразную информацию о воздушных кораблях, их истории существования, техническом совершенствовании и др., но йи в одной из них не упоминаются исследования поведения больших масс водорода при возгорании. Несмотря на это, публикации содержат многочисленные показания очевидцев и фотографии, сделанные во время горения воздушных кораблей;

существует фильм об аварии "Гинденбурга", снятый от начала происшествия до его конца.

В выпусках музея Imperial War Museum приводится обширный перечень материалов, являющихся собственностью музея, по широкому кругу вопросов, из которых выпуски № 1030, 1204, 1332 наиболее соответствуют нашей теме. Ввиду большого объема литературы по данному вопросу будут даны ссылки только на те источники, которые являются собственностью автора этой книги.

В издании [ЕВ,1872] имеется статья об аэронавтике XIX в., которая полностью посвящена воздушным шарам, наполненным водородом или теплым воздухом. В ней приводятся истории полетов аппаратов легче воздуха. В статье отмечается, что Шарль (автор известного закона Шарля) запустил воздушный шар, заполненный водородом, спустя несколько недель после исторического подъема воздушного шара братьев Монгольфье. В течение определенного периода времени воздушные шары, заполненные теплым воздухом, были более популярными, чем шары с водородным заполнением. Более того, примерно после 1820 г. интерес к водороду снизился благодаря использованию каменноугольного газа, плотность которого составляет 0,4 от плотности воздуха. (Для водорода это значение? составляет 0,07, поэтому последующий этап развития привел к восстановлению масштабов использования водорода благодаря его лучшим подъемным свойствам.) Статья интересна еще и тем, что в ней представлена некоторая количественная информация.

______________________________________________________________

*Минимальная энергия инициирования детонации в смеси водород-воздух составляет около 1 г ТНТ, что значительно меньше соответствующей величины для углеводородов, за исключением С^Нд (^0,1 г). - Прим. ред.

Так, до 1937 г. был зарегистрирован 471 случай полетов на воздушном шаре, в ряде случаев воздухоплаватели неоднократно совершали подъемы, и только 9 чел. погибло. В шести случаях жертвы были связаны с пожарами воздушных шаров. За период 1838 -1870 гг. погибло еще 3 чел. из тысяч воздухоплавателей, совершивших подъем на воздушном шаре, причем один из них погиб при попытке совершить прыжок с парашютом. Все это говорит об отсутствии какой-либо особой опасности воздушных шаров, наполненных водородом или каменноугольным газом. Данное обстоятельство названо историками "фактором умолчания", смысл которого заключается в том, что если мы не слышали о чем-то, то, значит, этого и не было. Хотя, конечно, что-либо может произойти, но мы можем и не слышать об этом. С учетом данного замечания следует сказать, что в статье не упоминается каких-либо случаев взрывов. Чем больше число происшествий, не оставивших каких-либо свидетельств, тем более убедительным кажется наличие "фактора умолчания". Еще более убедительным представляется то, что историки не преследовали корыстных целей. Нет никаких оснований считать, что автор статьи в Британской энциклопедии имел какие-либо причины скрывать информацию о случаях взрывов.

12.4.7.4. АНАЛИЗ СЛУЧАЕВ АВАРИЙ ДИРИЖАБЛЕЙ

В начале XX в. под руководством Фердинанда фон Цеппелина произошел резкий сдвиг в развитии дирижаблей с жесткими оболочками. Шарль совершил подъем на воздушном шаре объемом 325 м3, а объем первого цеппелина LZ1 составил 11,4 тыс. м3. Объем последних конструкций Цеппелина достигал 200 тыс. м3. Цеппелины всегда заполняли водородом, а два наиболее крупных вмещали около 20 т газа.

Автор этой книги провел статистический анализ истории развития дирижаблей. В качестве исходной информации использовалась книга [Ventry,1976], являющаяся конспектом мировой истории дирижаблей, однако рассмотрение в ней ограничено дирижаблями с жесткими оболочками, построенными в Германии и Великобритании в XX в. Информация цитируемой публикации отличается от книги [Меуег.1980], уделяющей большее внимание специфике германских дирижаблей, построенных Цеппелином и Шютте-Ланцем. Она отличается также от работы [Morris, 1969], описывающей воздушные корабли, подбитые или пострадавшие в результате воздушных налетов на Великобританию в 1914 -1918 гг., а также от книги [Deighton,1978], представляющей особенности ряда аварий воздушных кораблей. Сводная информация представлена в табл. 12.8. Общее число проанализированных аварий воздушных кораблей равно130. В соответствии с табл. 12.8 можно отметить, что только одна треть всех дирижаблей пострадала от пожара, несмотря на то что Германия большое внимание уделяла воздушным налетам на Великобританию и ряд других стран. При этом только в одном из сорока случаев произошел взрыв дирижабля.
ТАБЛИЦА 12.8. Статистический анализ случаев аварий дирижаблей

Разновидность аварии	Число случаев	% от общего числа
Некоторые разрушения и поломки	44	34
Повреждения во время полета или во время вынужденной посадки (возгорание отсутствует)	35	27
Поломки на аэродроме и в ангаре (возгорание отсутствует)	6	4,6
Возгорание в результате военных действий во время полета	20	15
Возгорание в ангаре в результате военных действий	21	16
Взрыв во время полета	3	2,5

Серьезная авария случилась 5 января 1918 г. в Алхорне (Германия) с 5 дирижаблями, находившимися в ангарах. Мейер и Вентри охарактеризовали данное происшествие как взрыв, однако Дейтон и Моррис описали его как пожар. Дейтон считает, что событие произошло в тот момент, когда полости одного из дирижаблей заполнялись газом : " С грохотом перемещаясь вдоль газовых линий от ангара к ангару, пламя охватило значительное пространство между ними. Пламя выжгло два гигантских сдвоенных ангара и серьезно повредило два оставшихся". Дейтон приводит фотографию одного из пострадавших ангаров с сохранившимся каркасом и большей частью покрытия. Моррис считает, что ангары были разрушены до основания, хотя этому противоречит фотография, помещенная рядом с этим высказыванием. В результате аварии погибло 15 человек (мужчин).

19 июля 1918 г. в Тондерне (Германия) в результате бомбардировки загорелись два дирижабля, находившиеся в ангаре. Мейер приводит фотографию, на которой видны обломки одного сгоревшего дирижабля, находящиеся внутри частично пострадавшего ангара. Эта фотография, несомненно, не является доказательством того, что произошел взрыв. Достаточно успешная атака (имеется в виду возможность однозначной оценки происходивших во время аварии процессов. - Ред.) на дирижабль произошла 7 июня 1915 г. в Эвре (Бельгия) в тот момент, когда он находился в ангаре. Дейтон приводит фотографию ангара, на которой видно пламя, вырывающееся с открытой стороны ангара.

Данные примеры происшествий характеризуются только сильными пожарами и не дают какой-либо информации о взрывах. В работе Морриса рассматриваются случаи поджога дирижаблей с помощью самолетов. Не сразу было осознано, что обыкновенная пуля не служит эффективным средством для поджигания полостей дирижабля, заполненного газом и находящегося в полете. Эффективной для поджога оказалась зажигательная пуля (впервые применена 2 сентября 1916 г., когда дирижабль и его деревянный каркас сгорели за 2ч). Описания случаев возгорания дирижаблей, приводимые Моррисом, имеют заметное сходство между собой. Моррис почти не дает информации об интервалах времени, в течение которых поврежденный дирижабль достигает земли, за исключением следующего упоминания (с.167): "Дирижабль L48 не упал с той быстротой, которая присуща аналогичным авариям; падение происходило в течение 3-5 мин". Моррис также отмечает, что "лицо пилота было обожжено пламенем горящей массы, находившейся на расстоянии около 300 ярдов от него".

Некоторые описания случаев аварий дирижаблей приведены в гл. 13.

12.4.8. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ВЗРЫВОВ ПАРОВЫХ ОБЛАКОВ

12.4.8.1 ОГРАНИЧЕННЫЙ ИЛИ НЕОГРАНИЧЕННЫЙ ВЗРЫВ?

Похоже, колесо совершило свой полный оборот. До отчета [Strehlow.1972] имели место глубокие сомнения в том, что возгорание паровоздушной смеси может вызвать значительный уровень избыточного давления. Позднее, начиная с 1972 г., понятие "взрыв парового облака в неограниченном пространстве" стало привычным. В 80-е годы некоторые авторитетные авторы отрицали возможность возникновения ударной волны в отсутствие каких-либо препятствий или ограничения пространства. Эксперименты, в частности полевые испытания, подтверждают справедливость предположения, согласно которому на открытом пространстве давление, производимое ударной волной, оказывает незначительное воздействие, в то время как наличие препятствий способствует повышению уровня избыточного давления. Однако ни одно из проведенных испытаний не предоставило данных, которые были бы сравнимы с уровнями избыточного давления при авариях в Людвигсхафене, Порт-Хадсоне или Фликсборо. Однако объемы пара, которые использовались в полевых испытаниях, были значительно меньше по сравнению с количествами пара указанных выше аварий. Если аргументы авторов цитированных работ (Pikaar, Zeeuwen, Wiekema), приведенные выше, справедливы, то из этого следует невозможность такого события, как взрыв парового облака, при отсутствии каких-либо препятствий или ограничения пространства.

Однако один случай, по-видимому, вносит сомнение в справедливость данного утверждения - это авария 9 декабря 1970 г. в Порт-Хадсоне (шт. Миссури, США), где имел место взрыв парового облака. В официальном сообщении [NTSBJ972] утверждается, что быстрое превращение парового облака было детонацией. Обстоятельства происшествия были таковы: имел место разрыв трубопровода, содержащего пропан, а спустя 24 мин после этого произошел сильный взрыв, который можно оценить как самый крупный из всех инцидентов подобного типа. Во взрыв было вовлечено 75 т паров пропана. Прилегающая к месту взрыва территория была почти пуста, за исключением нескольких деревьев. По-видимому, справедливо заключение, сделанное в отчете [Burgess,1972], о том, что инициирующим событием был взрыв, происшедший внутри складского помещения, смонтированного из бетонных блоков. Размеры сооружений, согласно данной работе, составляли 17 ∙ 10 м, однако высота его не упоминается. Если взрыв произошел на первом этаже, что соответствует высоте 2,5 м, то объем составлял 420 м3. Авторы работы оценивают объем части облака, состоявшей из горючих паров, в 1,1 млн. фут3 (31 тыс. м3). Таким образом, взрыв в складском помещении оценивается как начальная стадия взрыва парового облака, охватившая 1/60 часть его объема.

Событие в Порт-Хадсоне не может быть исключено из рассмотрения, однако и причастность его к рассматриваемой теме довольно сомнительна.*

12.4.8.2. СЛУЧАИ АВАРИЙ, В КОТОРЫХ НЕ ПРОИСХОДИЛИ ВЗРЫВЫ ПАРОВЫХ ОБЛАКОВ

В некоторых случаях, несмотря на наличие каких-либо препятствий или частичного ограничения пространства, взрывов паровых облаков не происходило. Одним из таких событий является авария 20 октября 1944 г. в Кливленде (шт. Огайо, США), которая была рассмотрена ранее в разд. 9.2. Типичный промышленный ландшафт предприятия - здания, находящиеся подчас достаточно близко друг к другу, - свойствен и для Кливленда. По-видимому, несмотря на наличие условий, необходимых для ограниченного взрыва, отсутствовали предпосылки для развития взрыва парового облака.

В качестве примера второго такого события можно привести аварию 11 июня 1978 г. в Сан-Карлосе (Испания), которая также была рассмотрена ранее в разд. 9.5. На территории кемпинга имелся ряд препятствий, таких, как деревья, припаркованные автомобили, фургоны и палатки. По-видимому, существовали условия для взрывов внутри трех зданий.

Третий случай - авария 19 ноября 1984 г. в Сан-Хуан-Иксуатепек (Мексика). В разд. 9.6 отмечается сходство с инцидентом в Кливленде, заключающееся в характерном промышленном ландшафте предприятия и близости зданий друг к другу. Здесь также существовали условия для ограниченных взрывов в зданиях.

*Здесь необходимо сделать несколько существенных замечаний. Во-первых, во избежание путаницы при классификации взрывов на "ограниченные" и "неограниченные" целесообразно основываться на различии в физической стороне этих процессов. Для "ограниченного" взрыва характерно значительное увеличение давления в смеси даже при относительно низкой скорости химического превращения, что может иметь место только при большой степени ограниченности пространства - взрывы в замкнутых сосудах, помещениях и т. д. Взрывы паровых облаков в условиях промышленной застройки следует рассматривать как "неограниченные", но с большим количеством препятствий, способных приводить лишь к локальному росту давления и турбулизации течения. Во-вторых, дефлаграционные процессы с высокими видимыми скоростями пламени (свыше 100 м/с) также являются взрывами, поскольку они приводят к формированию воздушных ударных волн. В-третьих, возникновение мощных взрывных процессов (вплоть до детонации) в паровых облаках не обязательно требует ограничения пространства и мощных источников инициирования. Неоднородность температуры и/или концентрации смеси, центры турбулизации могут являться причиной появления таких процессов. Подобный сценарий событий тем вероятнее, чем больше облако [Гельфанд,1988; Berman,1986]. - Прим. ред.

12.4.8.3. ФАКТОРЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ РАЗВИТИЮ ВЗРЫВОВ ПАРОВЫХ ОБЛАКОВ

Не вызывает сомнений тот факт, что наличие препятствий или частичного ограничения пространства имеет определяющее значение для перехода процесса от стадии горения облака пара к стадии взрыва, однако также очевидно существование других факторов, влияющих на развитие процесса. Некоторые из них перечислены ниже:

1) Необходимое условие - наличие горючего пара или газа. Однако, как показало обсуждение свойств природного газа, условие горючести вещества само по себе не является достаточным, т. е. знания только реакционной способности вещества недостаточно.

2) Необходимо наличие источника зажигания.

3) В момент возможного зажигания концентрация пара некоторой части облака может быть меньше нижнего предела воспламенения.

4) Важное условие - большое количество пара, уровень концентрации которого находится между верхним и нижним пределами воспламенения. Его масса может быть ограничена разлитым количеством или периодом времени от начала разлития до момента зажигания для случаев очень крупных разлитии.

5) Интенсивность смешения газов в значительной степени определяет факторы 2 и 3, упомянутые ранее.

6) В отличие от легких газов, таких, как водород, метан и аммиак, тяжелые газы и пары более склонны к образованию устойчивых горючих облаков. (Метан и аммиак легче воздуха, если разлитие произошло при температуре, близкой к температуре окружающей среды.)

7) Наличие препятствий или ограничения пространства. Таким образом, можно утверждать, что фактор 7 вступает в силу только тогда, когда имеют место и все предыдущие, но даже и в этом случае взрыв парового облака может не произойти.