Расчёт степени воздействия ударной волны на объекты и человека при детонационном взрыве газопаровоздушного облака

Участок А

Описание горючего вещества:

Гептан (С7Н16).

Физико-химические свойства: Бесцветная жидкость. Молярная масса 100,203 г/моль; плотность 683,76 кг/м³ при 25^оС; температура кипения +98,43^оС; коэффициент диффузии пара в воздухе 0,0609 см²/с при 25^оС; теплота образования -187,7 кДж/моль; теплота сгорания -4501 кДж/моль; растворимость в воде 0,005%(масс).

Пожароопасные свойства: Легковоспламеняющаяся жидкость. Температура вспышки -4 ^оС температура воспламенения -4 ^оС; температура самовоспламенения 223^оС; концентрационные пределы воспламенения: НКПВ — 3,6%, ВКПВ — 17,7% (об.); температурные пределы воспламенения: НТПВ -7^оС, ВТПВ 26^оС; максимальное давление взрыва 843 кПа; максимальная скорость выгорания 8,9710^-2 кг/(м²с); максимальная нормальная скорость распространения пламени 0,424 м/с; минимальная энергия зажигания 0,24 мДж; минимальное взрывоопасное содержание кислорода МВСК 11,1% (об.).

Средства тушения: Вода в виде компактных или распылённых струй.

При аварийном разрушении резервуара с хранящимся в нём гептаном над поверхностью образовавшегося разлива формируется облако газопаровоздушной смеси (ГПВС), имеющее плоскую форму, так как молярная масса паров гептана составляет 100 г/моль, что больше молярной массы воздуха, равной 29 г/моль.

Масса паров гептана в облаке складывается из массы вещества, испарившегося с поверхности разлива m_исп и массы насыщенных паров гептана m_н.п., содержащихся изначально в свободном объёме резервуара до момента аварии:

m_г = m_исп + m_н.п.

Расчёт массы насыщенных паров горючего в резервуаре.

Объём насыщенных паров гептана в резервуаре:

м³1.2.

где Vрез — объём резервуара, м3

V_ж — объём горючей жидкости в резервуаре, м³;

— объёмная доля насыщенного пара горючей жидкости (в долях от единицы).

Объём горючей жидкости в резервуаре:

м³

где m_ж — масса жидкости в резервуаре, кг;

_ж — плотность гептана при температуре 10^оС (по справочной таблице приложения 4 находим плотность гептана при 10^оС, равную 690 кг/м³).

Парциальное давление насыщенного пара гептана при температуре 10^оС:

.

где А, В, С_А — константы уравнения Антуана, равные соответственно 4.2 832, 1268.636 и -506.199 (приложение 1).

Объёмная доля насыщенного пара гептана при 10С:

где P_о — атмосферное давление (по условию равно 103кПа);

Следовательно, в данных условиях:

Молярный объём при температуре 10С (283 К) и давлении 103 кПа

По формуле Менделеева-Клапейрона:

Масса насыщенных паров горючей жидкости в резервуаре:

где V_н.п. — объём насыщенных паров жидкости, м³;

V_м — молярный объём при заданных условиях, м³/кмоль.

Расчёт массы жидкости, испарившейся с поверхности разлива

Интенсивность испарения гептана в неподвижную среду:

где Р_н.п. — парциальное давление насыщенных паров жидкости, кПа (рассчитывается по формуле 1.5); М — молярная масса жидкости, кг/кмоль.

Масса гептана испарившегося с поверхности разлива:

Так как, согласно исходным данным, разлив гептана происходит в пределах обвалования, площадь которого меньше площади разлива на неограниченную поверхность, то принимаем, что площадь разлива равна площади обвалования: F_пр = F_обв. Следовательно:

где Wисп — интенсивность испарения;

_исп — продолжительность испарения до момента воспламенения облака;

F_обв — площадь обвалования.

Следовательно, по формуле 1.1 масса гептана в облаке ГПВС равна:

Расчёт тротилового эквивалента при детонационном взрыве облака ГПВС

Стехиометрическая концентрация паров гептана в облаке ГПВС:

Уравнение полного горения паров гептана в воздухе:

+ 11(О₂ + 3,76N₂) 7СО₂ + 8Н₂О + 113,76N₂

Из уравнения реакции видно, что газопаровоздушной смесью в данном случае является смесь + 11(О₂ + 3,76N₂) — т. е. левая часть уравнения. Следовательно:

где n_г — стехиометрический коэффициент перед горючим веществом;

— сумма стехиометрических коэффициентов компонентов исходной ГПВС. Объём облака ГПВС:

где V_м — молярный объём при заданных условиях;

m_г — масса гептана в облаке ГПВС.

Плотность стехиометрического облака ГПВС:

где, , — стехиометрические коэффициенты перед горючим веществом, кислородом и азотом соответственно в уравнении реакции полного горения;

М — молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания:

гептан является химическим веществом, имеющим определённую химическую формулу С_7Н16

Для индивидуальных химических веществ низшую теплоту горения определяется через нахождение энтальпии реакции их сгорания. Энтальпия сгорания вещества есть изменение энтальпии реакции его горения в расчёте на 1 моль (или 1 кмоль).

Энтальпия сгорания:

Для реакции полного горения паров гептана где, и — стандартные энтальпии образования углекислого газа, паров воды и паров гептана соответственно.

Согласно справочным данным: = -393,5 кДж/моль,.

= -242,5 кДж/моль, = -187,82 кДж/моль.

Следовательно:

Согласно закону Лавуазье-Лапласа, тепловой эффект любой реакции численно равен, но противоположен по знаку изменению энтальпии этой реакции. Следовательно, при стандартных условиях низшая теплота сгорания:

Массовая теплота сгорания стехиометрической ГПВС:

где — плотность стехиометрической смеси.

Тротиловый эквивалент:

где V_ГПВС — объём образовавшегося облака ГПВС, м³;

4184 — теплота взрывчатого разложения 1 кг тротила, кДж/кг.

Расчёт степени воздействия ударной волны на различные объекты

1) Склад 1 — кирпичное здание (r1 = 80 м):

Приведённый радиус (по формуле 1.19):

Приведённое давление во фронте ударной волны (по формуле 1.20):

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны (по формуле 1.21):

;

где Р_о — атмосферное давление, кПа. Так как кирпичное здание склада является большим плоским сооружением, то результирующее воздействие на него будет оказывать давление отражения. Избыточное давление отражения (по формуле 1.25):

где Р_о — атмосферное давление, равное по условию 103 кПа, Согласно справочной таблице приложения 8, для складского кирпичного здания:

Следовательно, на расстоянии 80 м от эпицентра взрыва облака ГПВС помещение склада 1 подвергнется слабым разрушениям: Разрушение наименее прочных конструкций зданий, сооружений и агрегатов; заполнений дверных и оконных проемов, срыв кровли; основное оборудование повреждено незначительно. Восстановительные работы сводятся к среднему восстановительному ремонту.

2) Склад 2 — здание из сборного железобетона (r2 = 85 м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Так как здание склада 2 является большим плоским сооружением, то результирующее воздействие на него будет оказывать давление отражения.

Избыточное давление отражения :

Согласно справочной таблице приложения 8, для здания из сборного железобетона:

Следовательно, на расстоянии 85 м от эпицентра взрыва облака ГПВС помещение склада 2 подвергнется слабым разрушениям: Разрушение наименее прочных конструкций зданий, сооружений и агрегатов; заполнений дверных и оконных проемов, срыв кровли; основное оборудование повреждено незначительно. Восстановительные работы сводятся к среднему восстановительному ремонту.

3) Административное здание — многоэтажное здание с металлическим каркасом (r4 = 75 м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Так как административное здание является большим плоским сооружением, то результирующее воздействие на него будет оказывать давление отражения.

Избыточное давление отражения :

Согласно справочной таблице приложения 8, для здания с металлическим каркасом:

Следовательно, на расстоянии 75 м от эпицентра взрыва облака ГПВС помещение административного здания подвергнется слабым разрушениям. Разрушение наименее прочных конструкций зданий, сооружений и агрегатов; заполнений дверных и оконных проемов, срыв кровли; основное оборудование повреждено незначительно. Восстановительные работы сводятся к среднему восстановительному ремонту.

4) Водонапорная башня (r5 = 50м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Степень разрушения конструкции определяется не только воздействием избыточного давления во фронте ударной волны, но и торможением движения масс воздуха, следующих за фронтом волны. Динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха, называется давлением скоростного напора (или скоростным напором) во фронте ударной волны Р_скф.

Давление скоростного напора (по формуле 1.23):

.

Воздействие скоростного напора на различные объекты в зависимости от условий их укрепления к опорам, фундаментам и т. п. может привести к смещению или опрокидыванию объекта. Совместное воздействие избыточного давления во фронте ударной волны ДР_ф и скоростного напора Р_скф формирует лобовое давление Р_{лоб. Лобовое давление рассчитывается только для неодушевлённых объектов, имеющих относительно небольшую площадь контакта с фронтом ударной волны. Так как водонапорная башня является относительно большим неплоским сооружением, то результирующее воздействие на него будет оказывать не давление отражения, а лобовое давление.}

Лобовое давление (формула 1.24):

Лобовое давление может вызвать ударную перегрузку, т. е. инерционное разрушение элементов или частей объекта. Согласно справочной таблице приложения 8, для металлической водонапорной башни:

Следовательно, на расстоянии 50 м от эпицентра взрыва облака ГПВС водонапорная башня подвергнется слабым разрушениям: Небольшие вмятины на оболочке, деформация трубопроводов, повреждение запорной арматуры. Использование возможно после среднего (текущего) ремонта и замены поврежденных деталей.

5) Наземный кольцевой трубопровод К-150 (r6 = 45м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Согласно справочной таблице приложения 8, для наземного трубопровода:

Следовательно, на расстоянии 45 м от эпицентра взрыва облака ГПВС наземный трубопровод подвергнется слабым разрушениям: Небольшие вмятины на оболочке, деформация трубопроводов, повреждение запорной арматуры. Использование возможно после среднего (текущего) ремонта и замены поврежденных деталей.

6) Грузовой автопарк (r7 = 50 м):

Расстояния r_{7 и r5 равны, значит и величины избыточного давления для них будут равны.}

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Согласно справочной таблице приложения 8, грузовых машин:

Следовательно, на расстоянии 50 м от эпицентра взрыва облака ГПВС грузовая автотехника подвергнется слабым разрушениям: Частичное разрушение и деформация обшивки крыши, повреждение стекол кабин, фар и приборов. Требуется текущий (средний) ремонт.

7) Линии электропередачи: (r = 80−70 м):

Для воздушной линии электропередачи низкого напряжения, согласно справочным данным (приложение), слабые разрушения наблюдаются при величине Р_ф 20−60 кПа. На расстоянии 80 м избыточное давление во фронте ударной волны составляет 7 кПа (согласно расчётам в пункте 4). Следовательно, при взрыве ГПВС в данной обстановке обрыв ЛЭП маловероятен.

Зоны разрушений:

В результате бризантного и фугасного воздействия ударной волны условно можно выделить четыре зоны разрушений: зону полных R_I (ДР_ф > 50 кПа), зону сильных R_II (ДР_ф = 30 — 50 кПа), зону средних R_III (ДР_ф = 22 — 30 кПа) и зону слабых R_IV (ДР_ф = 10 — 22 кПа) разрушений. При значении ДР_ф < 10 кПа можно выделить зону лёгких разрушений R_V (ДР_ф = 1 — 10 кПа).

Коэффициент разрушений К_i:

Радиусы зон разрушений (по формуле 1.26):

;

;

;

;

.

Радиус облака ГПВС (по формуле 1.27):

где F_пр — площадь пролива жидкости, м²

Из проведённых расчётов видно, что радиусы зон разрушений R_I, R_II, R_III меньше радиуса облака ГПВС.

Расчёт вероятности поражения человека ударной волной Группа людей (r3 = 50 м):

Приведённый радиус:

Приведённое давление во фронте ударной волны:

Следовательно:

Избыточное давление во фронте ударной волны:

;

Основными поражающими факторами при воздействии ударной волны на человека является избыточное давление во фронте ударной волны ДР_ф, импульс I и осколочное действие. Величина ДР_ф обуславливает барическое воздействие на человека (т. е. баротравму), а I — метательное воздействие (т. е. опрокидывание или отброс).

Приведённый импульс во фронте ударной волны (формула 1.28):

Следовательно:

Импульс во фронте ударной волны (формула 1.30):

Вероятность гибели людей от метательного воздействия воздушной ударной волны:

где:

Следовательно:

Вероятность гибели людей от разрыва лёгких (баротравмы):

где:

Следовательно:

Согласно справочной таблице приложения 10, рассчитанное значение «пробит"-функции для метательного воздействия воздушной ударной волны: соответствует вероятности поражения человека Q_вп 0%., для вероятности получения баротравмы: соответствует вероятности поражения человека Q_вп 0%.

Расчёт минимального безопасного расстояния человека от эпицентра взрыва.

Минимальное безопасное расстояние для людей, находящихся вне укрытий (по формуле 1.33):

Минимальное безопасное расстояние для людей, находящихся в укрытиях (по формуле 1.34):