ГАЗОВЫЕ ВЗРЫВЫ В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

12.3. ГАЗОВЫЕ ВЗРЫВЫ В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Термин "газовый взрыв" в данной главе включает и понятие "паровой взрыв", так как с практической точки зрения химические взрывы, к которым относятся взрывы газовоздушных смесей, идентичны взрывам паровоздушной смеси.

Газовые взрывы в ограниченном пространстве могут происходить в оборудовании (включая резервуары) или внутри зданий. Причиной взрыва в здании может стать утечка газа, происшедшая внутри здания, или проникновение газового облака, образовавшегося вне здания. Теоретический расчет показывает, что уровень избыточного давления ударной волны газового взрыва может достичь 0,8 МПа при условии прохождения адиабатического процесса с нормальными начальной температурой и давлением. Максимальное избыточное давление ударной волны взрыва заданной смеси достигает значения, которое создается при взрыве смеси, более обогащенной, чем смесь стехиометрического состава. Максимальная скорость роста давления для газовых взрывов оказывается сравнимой с аналогичной характеристикой самых тяжелых аварий с взрывами пыли [Baker.1983].

12.3.2. ИСТОРИКО-ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В течение длительного исторического промежутка времени реально осознавалось, что смесь воздуха с горючим газом может воспламеняться и создавать ударную волну, уровень избыточного давления которой достигает значительной величины. В работе [Nash,1976] отмечено 10 случаев взрывов на шахтах, происшедших в Англии в XVIII в., причем 9 из них - в округе г. Дарема, в результате которых погиб 361 чел. В течение следующего столетия такие взрывы отмечались уже повсеместно и их количество резко возросло; для сравнения автору цитируемой работы потребовалось всего 4 стр., чтобы перечислить все случаи взрывов, происшедших в XVIII в. В то время применение горючих газов стало приносить прибыль. Благодаря открытиям, сделанным в последние годы XIX в. такими изобретателями, как Мердок, начиная с 1812 г. в Лондоне газ стал использоваться как вполне доступное средство освещения, тогда же и была зарегистрирована компания Gas Light and Coke Company.

Зная общий уровень развития технологии и соответствующий ей уровень знаний тех лет, можно только удивляться тому, что такое интенсивное развитие технологии не сопровождалось массовыми случаями взрывов как в общественных зданиях и помещениях, так и на работах, связанных с использованием газа.

В книге [Everard,1949] упоминаются многие случаи взрывов, происшедших в Лондоне в XIX в. и имевших серьезные последствия, В работе [Williams,1981], посвященной истории британской газовой промышленности, содержится немногочисленный материал по данному вопросу, однако в ней есть ссылка на взрыв, происшедший в январе 1917г. на военном предприятии в Силвертауне (Великобритания). Причиной этого взрыва стало разрушение расположенного поблизости газового резервуара вместимостью 250 тыс. м3, которое привело к образованию огневого шара. Это происшествие заставило обратить внимание на проблемы безопасности при производстве газа для городских нужд. Однако вполне разумно согласиться с тем, что характер производства настолько изменился за последние несколько десятилетий, что примеры, приведенные выше, можно считать несвойственными современному характеру производства.

Вообще говоря, в Великобритании технология газовой промышленности прошла три основных этапа развития. Их детальный обзор не входит в тематику данной книги, но вкратце стоит о них упомянуть. В течение первого этапа фактически весь газ производился из угля, и он был известен как "угольный газ". Его состав:

В течение второго этапа, начавшегося примерно в 1960 г., уголь как сырье стал вытесняться легкими продуктами перегонки нефти. К тому же нефть была значительно дешевле, и ее использование в качестве нового основного сырьевого продукта привело к значительному снижению цен на сырье. Новые способы производства, обязанные развитию технологии химической и нефтеперерабатывающей промышленности, использовали более компактное оборудование, и, как отмечается в [Williams,1981], для выработки одного и того же количества газа потребовалось бы в 10 раз большее количество угля. Принятая стратегия основывалась на производстве газа применительно к уже существующим газовым горелкам, так как новый газ по своим свойствам почти не отличался от угольного газа, который он заменил. В этот период снабжение Великобритании газом пополнилось импортом сжиженного природного газа (СПГ). Вначале он поступал из США, но вскоре основным поставщиком газа стал Алжир. С самого начала СПГ было суждено превратиться в основной международный товар, и общественное доверие к сырьевому продукту, вызванное успешным применением СПГ в газовой промышленности Великобритании, во многом способствовало формированию аналогичного отношения в США. Доверие, однако, было подорвано аварией 20 октября 1944 г. в Кливленде (шт. Огайо, США) (см. гл. 9).

Третий этап связан с добычей природного газа в Северном море; за десятилетний период 1966 -1976 гг. произошел полный переход к использованию газа, в основном состоящего из метана, с небольшой долей содержания других углеводородов. Поскольку газ, добываемый в Северном море, существенно отличался от угольного газа или газа, получаемого при перегонке нефти, была осуществлена полная замена газовых приборов на газовые горелки, приспособленные к сжиганию газа с большей плотностью и более низкой скоростью пламени. Все сомнения относительно того, что применение нового газа принесет большую опасность по сравнению с ранее используемым газом, были развеяны отчетом [Morton.1970], в котором проведен подробный анализ случая аварии в Ронан-Пойнте. Тяжесть последствий этой аварии в большей степени была обусловлена особенностями конструкции помещений, а не природой самого взрыва.

Однако серия взрывов, происшедших зимой 1976 -1977 гг., привела к потере общественного доверия и вызвала необходимость проведения тщательного расследования. В ходе расследования, результаты которого будут рассмотрены ниже, проведен статистический анализ взрывоопасности современного коммунального газового обеспечения [Кing, 1977].

Было бы неправильно считать, что газовая промышленность - единственный источник газовых взрывов в ограниченных пространствах. Несмотря на то, что она может являться основным источником взрывов газа в зданиях в Великобритании, существует множество примеров взрывов в резервуарах хранения, имевших серьезные последствия. Из-за недостаточной очистки хранимых веществ в резервуарах происходит накопление паров, которые воспламеняются в результате сварочных работ, проводимых как внутри, так и снаружи резервуара. В ряде случаев образование парового облака происходит под воздействием тепла, выделяемого при проведении сварочных работ.

Возможно, к наиболее опасным случаям взрывов в резервуарах относятся взрывы в грузовых отсеках супертанкеров. Этот класс кораблей, которые можно рассматривать как плавающие резервуарные хранилища валовой вместимостью порядка 100 - 300 тыс. м3 (при этом вместимость одного резервуара составляет примерно одну десятую часть указанного объема), представляет наибольшую опасность. В бюллетене [НСВ.1980] приведен перечень кораблей, на шести из которых произошли взрывы в то время, когда они были загружены балластом. Очевидно в некоторых из этих случаев, если не во всех, взрыв произошел в результате возгорания паров, накопившихся в пустых грузовых объемах. Одно из объяснений случаев аварий основано на предположении, что возгорание инициировано действием электростатических зарядов, образовавшихся при воздействии водяной струи в процессе уборки судна. Случившиеся аварии стали хорошим уроком на будущее, поэтому теперь вошло в практику применение для столь крупных танкеров "инертных газов" - выхлопных газов от двигателя судна, которыми вытесняют обычный чистый воздух и заполняют все пустые объемы.

ТАБЛИЦА 12.5. Статистика газовых взрывов в Великобританииа

Год	Число аварий с серьезными последствиями	Число аварий с тяжелыми последствиями	Число аварий со смертельными случаями	Число погибших
1972/73 1973/74 1974/75 1975/76 1976/77 1977/78 1978/79 1979/80 1980/81 1981/82	104 98 100 128 111 101 98 99 83 97	26 26 28 27 37 44 36 31 31 41	8 10 14 10 9 3 13 7 11 12	8 11 17 11 10 3 13 7 11 14
Среднее значение	102	33	10	10.5
Стан­дартное откло­нение	11	6	3	3,7

а) Согласно [Yusuf.1982], авария с тяжелыми последствиями определяется как авария, в результате которой произошло разрушение или серьезное повреждение наружных или смежных стен, кровельных перекрытий, междуэтажных перекрытий, деревянных или металлических частей строения или других несущих конструкций здания. Авария с серьезными последствиями определяется как авария, в результате которой произошло разрушение или серьезное повреждение перегородок внутренних ненесущих стен, окон и/или дверей, или оборудования и механизмов (для промышленных предприятий). Данная категория аварий может включать также смертельные случаи и разрушения, связанные с пожаром.
12.3.3. ГАЗОВЫЕ ВЗРЫВЫ В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

12.3.3.1. ВВЕДЕНИЕ

Изучение газовых взрывов в ограниченном пространстве значительно продвинулось благодаря публикации [Harris,! 983], которая называется "Газовые взрывы в зданиях и отопительных системах" и обобщает работы организации British Gas Midlands Research Station. Все последующие рассуждения в большей части будут основаны на этой публикации (имеются ссылки и на другие работы в данной области).*

12.3.3.2. СТАТИСТИКА ГАЗОВЫХ ВЗРЫВОВ

Статистический обзор, проведенный по запросу организации British Gas Corporation, основан на информации о случаях взрывов, происшедших в результате возгорания природного газа. Представленные данные частично заимствованы из материалов [King,1977; Yusuf,1982]. Средние величины и значения стандартного (среднеквадратичного) отклонения вычислены автором настоящей книги.

Как видно из приведенной ниже табл. 12.5, число аварий со смертельными исходами почти совпадает с количеством жертв за тот же период; это свидетельствует о том, что газовые взрывы в Великобритании редко приводили к авариям с большим числом жертв. Однако данное предположение нельзя считать обоснованным. Так, в результате газового взрыва, происшедшего в октябре 1968 г. в торговом центре Кларкстона, расположенного недалеко от Глазго, погиб 21 чел. Взрыв в мае 1968 г. в квартале Ронан-Пойнта, в восточной части Лондона, привел к гибели 4 чел. Во втором случае число жертв могло увеличиться, если бы в момент взрыва больше жильцов находилось дома. Как отмечалось, авария произошла в основном из-за несовершенной конструкции здания, поэтому часть здания разрушилась подобно карточному строению при взрыве, происшедшем на кухне одной из квартир.

Иной подход при рассмотрении данного вопроса использован Харрисом [Harris, 1983] при анализе риска, связанного с газовыми взрывами; данные этой работы представлены в табл. 12.6.

12.3.4. ВОПРОСЫ ТЕОРИИ

12.3.4.1. РОСТ ДАВЛЕНИЯ

Газовый взрыв является результатом стремительного выделения энергии в окислительно-восстановительной реакции. При этом газ нагревается и в условиях ограниченного пространства происходит увеличение давления (в некоторых случаях восьмикратное). Так, при взрыве газовоздушной смеси, начальное давление которой равно 0,1 МПа, максимальный уровень давления при взрыве составит 0,8 МПа по абсолютной величине или 0,7 МПа по шкале датчика давления (т. е. избыточное давление составит 7 атм). В том случае, если начальное давление и отличается от атмосферного, то максимальное давление, измеренное в абсолютных величинах, будет по-прежнему примерно в 8 раз превышать начальное.

ТАБЛИЦА 12.6. Значения относительного риска для различных опасностей в Великобритании за период 1975 - 1978 гг.

Вид опасности	Число жертв в год на 10 млн. рискующих
Автодорожные происшествия Пожары в зданиях Замыкания электропроводки Газовые взрывы Грозовая молния	1000 100 10 2 1

В соответствии с хорошо известным законом**

P ∙ V = R ∙ T

где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль ∙ К).

Применение этого уравнения к случаю взрыва газовоздушной смеси дает неточный результат по двум причинам: во-первых, газы в смеси не являются "идеальными" и, во-вторых, необходим перерасчет возможных изменений количественного состава молекул веществ в ходе реакции окисления.

Уравнение реакции	Число молей
2Н2 + О2 = 2Н2О	2 + 1 2
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О	1 + 2 1 + 2
2С2Н6 + 7О2 = 4СО2 + 6Н2О	2 + 7 4 + 6
2С6Н6 + 15О2 = 12СО2 + 6Н2О	2+15 12+6

____________________________________________________________

*В данном разделе автор рассматривает по существу только случаи относительно медленного сгорания газовой смеси в ограниченном пространстве, которые наряду с быстрыми взрывными процессами детонационного класса также могут приводить к разрушениям. - Прим. ред.

**Здесь уравнение состояния записано для одного моля идеального газа. - Прим. ред.

В действительности существующее отличие реального газа от идеального, а также изменение количественного состава молекул на точности результатов серьезно не отразятся; поэтому при адиабатическом процессе можно оценивать изменение давления соотношением теоретической температуры пламени и начальной температуры. Если принять начальную температуру пропана равной 15°С (228 К), то соответствующее температурное соотношение составит 2198/288 = 7,6. Таким образом, теоретически максимальная величина избыточного давления составит 0,8 МПа. Для 14 горючих газов, протабулированных в работе [Harris,1983], средняя величина равна 7,7, и, следовательно, среднее значение избыточного давления равно 0,66 МПа. Вследствие этого будет разумным полагать, что в условиях адиабатического процесса и полного ограничения пространства углеводородные газы могут создавать избыточное давление величиной 0,65 МПа.*

12.3.4.2. НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ ВЗРЫВА ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Для взрыва необходимы следующие обязательные условия: а) присутствие горючего газа (восстановителя); б) присутствие кислорода(окислителя); в) наличие достаточно высокой температуры (источника зажигания).

______________________________________________________________________________________

*Это верно для того случая, когда реакция протекает однородно по объему газовой смеси. В случае образования распространяющейся по смеси волны горения возможно возникновение взрывных процессов со значительно большим избыточным давлением. Так, в случае детонации избыточное давление в проходящей волне может достигать 2 МПа; а давление, действующее на элементы конструкции, может быть порядка 10 МПа за счет отражений и в случае инициирования локальных взрывов поджатой смеси. - Прим. ред.

12.3.4.3. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГЕНТОВ

На рис. 12.2 представлены концентрационные пределы воспламенения (диапазон воспламенения) смесей различных газов и паров с воздухом. В работе [Harris, 1983] представлены дополнительные данные и источники информации. Диапазон воспламенения зависит, однако, не только от концентрации восстановителя, но также и от концентрации окислителя.Цитируемая работа Харриса посвящена только воздушным смесям, что связано главным образом с проблемами использования британского газа. Можно считать, что диапазон воспламенения увеличится, если концентрация кислорода в воздухе превысит 21%; это справедливо также и для избыточного давления, уровень которого увеличится из-за повышения температуры пламени. И наоборот, для обедненного кислородом воздуха диапазон воспламенения уменьшится, поскольку возрастет нижний предел воспламенения.

Для любого газа существует определенный уровень концентрации кислорода, ниже которого воспламенение газа невозможно; на этом основан способ создания среды, не поддерживающей горения (флегматизация. - Перев.), как средство защиты от пожаров и взрывов. На суднах этот способ может быть осуществлен при помощи заполнения свободных от груза отсеков выхлопными газами либо от двигателя, либо от встроенных генераторов инертных газов. Несомненно, что максимальная температура пламени в среде, обедненной кислородом, уменьшится в связи со снижением максимального уровня избыточного давления.

Характеристики инертных газов и их генераторов даны в публикации [РН.1978], где представлены генераторы инертных газов с нормальной производительностью 100 - 4000 м3/ч; описаны также способы увеличения производительности до 20 тыс. м3/ч в особых случаях. Вырабатываемый газ имеет следующий состав, где количество Н2О соответствует насыщению при температуре истечения:

Рис. 12.2. Порог воспламенения метана в сравнении с парами других веществ.

В диапазоне воспламенения любой газовоздушной смеси существует минимальная температура, известная как температура самовоспламенения, ниже которой самопроизвольная реакция окисления невозможна. Значения температур воспламенения представлены в табл. 1.2 работы [Harris.1983], а также в других справочных материалах. Для парафинов диапазон температур самовоспламенения составляет от 214°С для гептана до 540°С для метана. Для олефинов (этиленовых углеводородов) температуры самовоспламенения несколько ниже, чем для соответствующих парафинов. Температура воспламенения водорода выше по сравнению с метаном. Известен также такой важный параметр, как минимальная энергия зажигания. Ее значения для парафинов находятся в диапазоне 0,25 - 0,29 МДж, для водорода и ацетилена они значительно меньше - около 0,02 МДж.

В стационарных пламенах, например пламени горелки Бунзена, существует определенная зона реакции окисления, или фронт пламени. Эта зона реакции имеет тенденцию к распространению в направлении реагирующей смеси, причем движение смеси к фронту пламени имеет противоположное направление. В таком пламени "скорость горения" определяется скоростью реакции во фронте пламени. Для стехиометрических смесей, например парафинов, максимальная "скорость горения" составляет от 0,52 (для гептана) до 0,45 (для метана) м/с. Более высокие скорости горения (в м/с) у этилена (0,83), ацетилена (1,58) и водорода (3,5).

При взрыве фронт пламени продвигается под воздействием расширяющихся продуктов сгорания газа. Скорость перемещения фронта пламени, также известная как "скорость пламени", является суммой скорости горения и скорости поверхности сгоревшего газа. Согласно Харрису [Harris,1983], можно записать

Sf = S0 ∙ E

где Sf - видимая (абсолютная) скорость пламени, S0 - скорость горения по частицам, Е - коэффициент расширения.

Е = (Tf/Ti)-Nm

Где Tf - температура пламени, Тi - начальная температура, Nm - молярное отношение после и до горения (реакции окисления).

Величина Sf зависит от геометрии системы, в которой происходит взрыв. Для взрывов, происходящих в трубах неизменного сечения и открытых с одной стороны, она примерно равна 8S0. Для полностью незамкнутых систем эта величина равна примерно 2S0. Максимальное значение Sf для парафинов находится в диапазоне от 3,5 (метан) до 4,0 (гептан).* Большие значения характерны для ацетилена (14,2) и водорода (28,0). Ниже будет показано, что эти значения намного меньше скоростей, обусловливающих ощутимые уровни избыточного давления.

12.3.4.6. ЗАКОНЫ ПОДОБИЯ

В разд. 12.2.3.4 данной монографии обсуждается работа Бартнехта, в которой исследуется закон "кубического корня" для определения роста давления применительно к взрывам пыли. Харрис [Harris,1983] выдвинул подобный закон, справедливый для начальных стадий развития газовых взрывов, т. е. для стадий, имеющих место до момента распространения воздушной ударной волны в пространстве. Он доказал, что скорость роста давления dP/dt находится в кубической зависимости от скорости горения. Доказывается также следующее равенство:

t2/t1 = (V2/V1)1/3

где t2 - время, необходимое для достижения определенного уровня избыточного давления в резервуаре с объемом V2, t1 - соответственно для V2.

12.3.4.7. ПРОЦЕСС СМЕШЕНИЯ

Плотность большинства горючих газов значительно отличается от плотности воздуха. Только этилен (молекулярная масса 28) и этан (мол. масса 30) имеют плотность, близкую к плотности воздуха, молекулярная масса которого считается равной 29.

*Указанное значение соответствует случаю ламинарного пламени. В случае турбулентного горения, который значительно более вероятен на практике, величины Sf и S0 могут примерно на порядок превышать указанные значения. - Прим. ред.

Метан значительно легче воздуха; углеводороды, соединения которых содержат три и более атомов углерода, намного тяжелее воздуха. Даже незначительное различие по плотности может привести к существенному расслоению, доказательством чего является расслоение воздуха, происходящее в результате перепада температур.

Можно определить концентрацию газа X, зная объем его утечки. (Здесь и далее под словом "утечка" понимается процесс натекания газа в замкнутый объем. - Ред.). Но несмотря на то что промежуток времени, в течение которого происходила утечка, достаточно велик и составные части объема достаточно перемешаны, концентрация газа Х в разных частях этого объема будет различной. Это может означать следующее: хотя осредненная по объему концентрация выброса и меньше нижнего предела воспламенения, существуют области, в которых локальная концентрация лежит внутри пределов воспламенения. Отсюда следует важный вывод: даже на ранних стадиях утечки газа возможно существование определенного ограниченного объема, в котором может произойти взрыв. Для легких газов этот опасный объем возникает, вблизи крыши здания, для тяжелых газов - вблизи пола.

Многое, однако, зависит от таких факторов, как геометрия системы, т. е. от того, из какой ее части происходит утечка (выше или ниже уровня жидкости), и характера утечки, как, например, струи под высоким давлением. Харрис [Harris,1983] предположил, что при утечке природного газа весьма быстро достигается выравнивание его концентрации в объеме, расположенном выше точки утечки газа; поэтому, если утечка газа происходит вблизи пола, весьма однородная концентрация газовой смеси вскоре установится во всем объеме помещения. Смысл данного предположения более важен для тяжелых газов, поскольку гораздо чаще отмечаются случаи утечки тяжелых газов в нижней части помещений по сравнению с утечкой легких газов в верхней части помещений. Этот вывод взят, однако, не из работы [Harris.1983], поскольку ее автор проводил исследования только с природным газом.