Промышленная безопасность

20.5. ЗАЩИТА ОТ УДАРНОЙ ВОЛНЫ

Защите операторных зданий от волн давления посвящено значительно больше литературных обзоров, чем защите от осколков. В публикациях можно выделить четыре взаимосвязанные темы: оценка опасности воздействия ударной волны; выбор места расположения как средство защиты; проектирование зданий, устойчивых к воздействию ударной волны; защита операторных зданий от воздействия ударной волны.

Одним из первых документов, имеющих в настоящее время определенную историческую ценность, является [Brasie,1968]. Данная работа имела целью предупредить о возможностях ударной волны, вызванной взрывом конденсированного ВВ или ограниченным взрывом паровоздушной смеси и оказывающей разрушающее воздействие на окружающую среду. В работе отмечается, что взрывы газового облака могут проходить без образования воронок. Представлены зависимости уровня избыточного давления от расстояния.

Из более поздних материалов, развивающих данную тему, можно указать работы [Marshall,1975b; Marshall, 1976Ь] и документ [АСМН.1979], в которых обобщены результаты почти всех исследований по взрывам паровых облаков.

Работа [Gugan,1979] содержит материалы о разрушении зданий, включая фотографии.

Многочисленные статьи посвящены воздействию ударной волны на здания, а также разработке способов уменьшения этого воздействия. Их источниками служат главным образом исследования по воздействию ядерного оружия, проводимые в Соединенных Штатах.

Одним из невоенных документов, посвященных данной теме, является работа [Allan.1968]. Проведенный анализ динамики взаимодействия ударной волны со зданием позволяет различать первичное "дифракционное"

____________________________________________________________

*Случаи разлета фрагментов значительной массы при полном разрушении резервуаров под давлением на расстояния до 3 тыс. м, имевшие место в реальных авариях, объясняются другим механизмом - реактивной силой сгорающего в фрагменте облака горючего газа. - Прим. ред.

воздействие (первоначальная фаза нагружения) и последующее "тормозное" воздействие (последующая фаза нагружения). В первоначальной фазе дифракционное взаимодействие вызвано силами давления прямой и отраженной волны. Давление отраженной волны может ослабляться благодаря действию "бокового" давления в 2-8 раз. В результате воздействия происходит дифракция (обтекание) волны вокруг здания.

После дифракции волны здание обтекается нестационарным потоком газа, причем давление на поверхность равно давлению торможения потока, т. е. наступает "тормозное" воздействие (последующая фаза, которая длится до окончания действия ударной волны на здание). Время перехода к последующей фазе можно оценить как 3H/V, где Н - высота или ширина здания (наименьшая из этих величин), V - скорость распространения ударной волны. Задача проектировщика - оценить возможную (при разных сценариях протекания аварии - Ред.) протяженность фаз и рассчитать чувствительность (ответную реакцию) здания. Продолжительность воздействия нагрузок в результате взрыва парового облака достаточно велика и сравнима с динамической чувствительностью здания в отличие от случая взрыва конденсированного вещества, когда продолжительность воздействия нагрузок значительно меньше времени реакции здания (случай импульсной нагрузки). Часть работы [Allan, 1968] посвящена исследованию импульсной реакции (чувствительности) здания на воздействие ударных нагрузок от взрывов конденсированного вещества.

Одной из ранних работ, если не самой первой, была работа [Bradford,1967], посвященная защите операторных зданий от ударных волн. Она содержит одно из первых упоминаний о взрыве парового облака - описание аварии 16 января 1966 г. в Раумгейме (ФРГ). В данном происшествии кирпичное строение операторного здания, расположенное на расстоянии 30 - 50 м от установки, подверглось воздействию воздушной ударной волны, обусловленной дефлаграцией облака паров этилена. Взрывная волна достигла стен и окон операторного здания и привела его в нерабочее состояние. В работе [Bradford.1967] больше внимания уделено экономической стороне дела. Авторы работы утверждают, что выход из строя операторного здания значительно увеличивает время бездействия нефтеперерабатывающего завода, и поэтому вновь строящиеся операторные здания опасных производств должны выдерживать избыточное давление порядка 20кПа и располагаться не ближе 30м от технологического оборудования. Большие оконные проемы и многоэтажность конструкции недопустимы в таких случаях. Что касается существующих операторных зданий, авторы рекомендуют следующее: так как перемещение в новое здание неоправданно дорого, оно должно быть произведено в том случае, когда на основе тщательного изучения будут показаны серьезные последствия, возникающие в результате повреждения операторного здания. В работе утверждается, что стоимость новых железобетонных зданий, построенных по более жестким нормам, на 15% больше стоимости обычных зданий.

В работе [Lange veld, 1976] изложена позиция, позже принятая компанией Shell;

она появилась после аварии 20 января 1968 г. в Пернисе (Нидерланды). Специалисты компании Shell пришли к выводу, что ввиду сложности определения характеристик обычного взрыва лучше сконцентрировать внимание на создании прочных зданий, чем "потеряться в сложных динамических расчетах, многие допущения которых находятся под большим сомнением". В цитируемой работе сопоставлены точки зрения компании Humble, изложенные в статье [Burns,1967], и компании Shell и сделан вывод: несмотря на различие подходов, конечные результаты окажутся похожими. В работе также отмечается, что детальная разработка, изложенная в [ASCE.1961], проводилась для следующих значений избыточного давления : 100 кПа для стен и 25 - 50 кПа - для крыши. Такое здание должно представлять собой строение типа коробки из монолитного бетона со специальными окнами, общая площадь которых не должна превышать 7% от площади стены, в которой они расположены.

Детальный анализ разработки взрывостойкого здания в контексте проблем операторного здания проведен в публикации [OYEZ,1981] для избыточного давления, равного 70 кПа, и длительности воздействия нагрузки - 20 мс. В работе утверждается, что проектирование должно основываться на импульсном характере нагружения и исходить из величины импульса силы, приложенного к зданию.

20.5.2. СТАНДАРТЫ РАЗНЫХ СТРАН

20.5.2.1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СТАНДАРТЫ

Необходимо рассмотреть ряд существующих стандартов разных стран.* Два из них составлены промышленными организациями: Британский стандарт - стандарт Ассоциации химической промышленности [С1А,1979]; Американский стандарт - стандарт Ассоциации производителей химической продукции [МСА,1978]. Один стандарт представлен правительством Нидерландов, - это стандарт Министерства труда и социальной безопасности [MSZ.1977]. Проводя сравнение, необходимо также учесть рекомендации, изложенные в [АСМН,1979].

Краткое изложение результатов сравнения представляет собой видоизмененный вариант той главы, которую автор настоящей книги написал для [OYEZ,1981]. В данном обзоре сравниваются шесть основных характеристик места расположения и проектирования, но не рассматриваются вопросы, связанные со строительной технологией. Годы публикации приведенных ниже материалов для краткости опущены.

____________________________________________________________________________________

*Поистине удивительно то, что в нашей стране до сих пор отсутствуют нормативы (ГОСТы, СНиПы, положения, методики и т. д.) безопасности операторных зданий, носящие обязательный для министерств и ведомств характер, а проектировщики не предусматривают для них защиты от возникающих при авариях нагрузок (ударных, осколочных, тепловых, токсических) несмотря на то, что уже созданы (в том числе и в нашей стране) методики расчета полей поражающих факторов. Лишь буквально за несколько дней перед выходом книги Маршалла из печати начал действовать документ [Госгортехнадзор.1989] по противоаварийной защите химико-технологических объектов от взрывных явлений, носящий исключительно рекомендательный характер. - Прим. ред.

20.5.2.2. РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ТОЛКОВАНИЯ ПОНЯТИЯ

"ВЫДЕРЖИВАТЬ"

Операторные здания должны быть спроектированы таким образом, чтобы "выдерживать" воздействие воздушных ударных волн. При этом понятию "выдерживать" придаются следующие значения:

АСМН - Комитет советников по основным опасностям.

Операторное здание претерпело сильное повреждение: стены здания имеют трещины и наклон, крыша прогнулась, но поскольку персонал, находившийся внутри здания, не пострадал и большинство оборудования, по-прежнему, управляемо, т. е. имеется возможность предотвратить аварию другой установки, - считается, что операторное здание "выдержало" аварию.

CIA - Ассоциация химической промышленности.

Операторное здание способно "пережить" одну аварию, происшедшую в результате взрыва "вблизи или на поверхности земли". Основная цель -защитить людей, находящихся в операторном здании, и сохранить оборудование, которое должно оставаться в эксплуатационном режиме после взрыва, несмотря на то что само здание, вероятно, придется перестраивать.

МСА - Ассоциация производителей химической продукции.

Основная цель- обеспечить защиту людей, находящихся в операторном здании. Для этого установлены предельные значения деформации деталей конструкции здания.

MSZ - Министерство труда и социальной безопасности.

Будучи подвергнутым максимальной ударной нагрузке в результате взрыва, все здание вместо ремонта впоследствии может быть снесено. Единственное условие - оно должно сохраниться после взрыва.

20.5.2.3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

АСМН. Операторное здание должно быть одноэтажным. Исключается наличие тяжелого оборудования на крыше здания, а также близость соседних сооружений, которые могут обрушиться на нее. Персонал, находящийся в здании, должен быть разделен по различным категориям.

CIA. При проектировании предпочтение отдается главным образом одноэтажным строениям. Многоэтажные здания неэкономичны по существующим критериям. Численность персонала должна быть минимальной, однако достаточной для управления.

МСА. Одноэтажное строение предпочтительнее с точки зрения стоимости и простоты проектирования, хотя иногда допускается, что двухэтажное строение может быть предпочтительнее в виду нехватки площадей. Только необходимый персонал может находиться в здании.

MSZ. Здание должно быть обособлено. Рекомендаций к этажности здания нет.

Только необходимый персонал может находиться в здании.

ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

АСМН. Здание, по - возможности, должно быть расположено вне зоны вероятного распространения парового облака. В противном случае оно должно обладать способностью выдерживать максимальное избыточное давление, равное 100 кПа, в течение 30 мс. Здания, расположенные вне зоны вероятного распространения парового облака, проектируются в расчете на более низкие уровни избыточного давления, определяемые по шкале расстояний для соответствующей зависимости.

CIA. При опасности сильного разрушения (категория 1 по CIA), когда здание находится в зоне вероятного распространения парового облака или в окружении других зданий, максимальное значение избыточного давления может достигать 100 кПа и оказывать воздействие в течение 30 мс. Для случаев, когда здание расположено вне зоны вероятного распространения парового облака, максимальное значение избыточного давления может достигать 70 кПа и оказывать воздействие в течение 20 мс. В случае если паровое облако может охватывать крышу здания или располагаться над зданием с удалением в 15 м, проектирование крыши производится для тех же значений избыточного давления, что и для стен здания. Здание должно быть расположено по возможности дальше от вероятных источников паровых облаков, имеющих массу 15 т, и не ближе 30 м от них.

МСА. При опасности сильного разрушения (категория С по МСА) здания должны быть расположены не ближе 30 м друг от друга. Считается, что здание не будет поражено при удалении от источников взрыва как минимум на 60 м. При этом вероятные параметры взрыва - избыточное давление, равное 70 кПа, воздействующее в течение 20 мс. Для менее серьезных взрывов парового облака допускается уровень избыточного давления, равный 20 кПа.

MSZ. Рассматриваются удаленные (периферийные) сооружения. Внешние стены зданий проектируются для значений избыточного давления отраженных волн 30 кПа, крыша зданий - 20 кПа; лишь для случая попадания здания в зону распространения вероятного облака проектирование ведется для избыточного давления, равного 30 кПа.

АСМН. В качестве материала должен использоваться железобетон или стальной каркас.

CIA. В качестве материала должен использоваться железобетон. Применение неармированного бетона, кирпичной или каменной кладки исключено.

МСА. Здание должно представлять собой монолитную железобетонную конструкцию или структуру, выполненную из армированного бетона, на основе стального каркаса или других пластичных материалов. Применение хрупких материалов исключено.

MSZ. Применяются пластичные материалы, такие, как железобетон или сталь, или другой материал с аналогичными пластичными свойствами.

20.5.2.6. ДВЕРИ, ОКНА И МАРШРУТЫ ЭВАКУАЦИИ

АСМН. Наличие окон желательно, но они могут отсутствовать в том случае, когда имеется промышленное телевидение. Если окна необходимы, то их количество и размеры ограничены, а монтаж очень жесткий.

CIA. Площадь одной оконной рамы не должна превышать 0,25 м2; окна необходимо снабдить задвижками (щеколдами). Дверей должно быть как можно меньше; при этом косяк должен быть стальным. Общая площадь всех открывающихся отверстий не должна превышать 0,0067 м2 на 1 м3 объема всего здания, причем общая площадь отверстий, находящихся на одной стороне здания, не должна превышать половины указанной величины. Необходимо наличие пеших подходов к зданию.

МСА. Недопустимо наличие окон и оконных переплетов, если они не обеспечивают поглощение энергии удвоенной расчетной нагрузки, производимой ударной волной. Общая площадь окон не должна превышать 0,46 м2, или 5% площади стены (расчетной является наименьшая из этих величин). Две входные двери, которые расположены на противоположных сторонах здания, должны иметь специальные затворы. Двери должны быть снабжены рамами, открываться наружу и располагаться заподлицо со стенами. Общая площадь всех открывающихся отверстий не должна превышать 0,0067 м2 на 1 м3 объема всего здания.

MSZ. Наличие нескольких окон обязательно. Площадь каждого окна не должна превышать 0,25 м2. Общая площадь всех окон не должна превышать 7% площади стены. Каждое окно должно быть выполнено не менее чем из двух слоев стекла, каждый по 3 мм толщиной, с промежуточным слоем пластика толщиной 1,9 мм. Окна снабжаются задвижками (щеколдами); наличие двустворчатых окон и окон верхнего света недопустимо. Здание должно иметь не менее двух дверей, которые расположены с разных его сторон. Обязательно наличие маршрутов эвакуации.

20.5.2.7. РАЗЛИЧИЯ СТАНДАРТОВ

АСМН. В документе, содержащем рекомендации по организации аварийного управления, утверждается, что такой центр должен располагаться вне уязвимого операторного здания. Отдельная глава документа посвящена упорядочению действий персонала в случае опасности или разрушения, главным образом при разрушении стекол здания, в том числе стекол жилых зданий.

CIA. В приложении содержится материал по проектированию операторного здания на случай токсической опасности.

МСА. Приведены эскизные проекты: а) конструкции одноэтажного взрывостойкого здания коробчатого типа; б) конструкции здания из железобетона со стальным остовом.