РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОЦЕНКИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

OPERATING PARAMETERS FOR ASSESSING THE FIRE HAZARD OF TECHNOLOGICAL PROCESSES

Ildar Gabdullin

student, Department of Machines and Devices of Chemical Production, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

Sergey Vilokhin

scientific advisor, candidate of technical sciences, associate professor, Department of Machines and Devices of Chemical Production, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены методы оценки опасностей технологических процессов.

ABSTRACT

Methods for assessing the hazards of technological processes are considered.

Ключевые слова: взрывы, пожарная опасность, горение, пламя.

Keywords: explosions, fire hazard, combustion, flames.

1. Литературный обзор

Теорией горения газов в 1889 г. начал заниматься профессор В. А. Михельсон. Он определил, что горение не может существовать, не распространяясь. Основные положения теории горения и детонации газов сформулировал Я. Б. Зельдович в 1942 г. при участии Н. Н. Семенова, Д. А. Франк-Каменецкого, К. И. Щелкина, Б. Вильсона.

Как правило, горение возникает от какого-либо источника зажигания. Это, по существу, только начальная стадия процесса горения, его инициирование. Данная стадия безусловно важна с точки зрения профилактики пожаров и взрывов. Но предотвратить их не всегда удается, поэтому для практических работников пожарной охраны большое значение имеет возможность прогнозирования динамики развития горения, а именно, в каком режиме и с какими параметрами будет развиваться пожар или взрыв на реальных объектах. Кроме того, в практической деятельности приходится сталкиваться с необходимостью реставрации картины развития уже происшедших пожаров и взрывов. Для этого необходимо знать основные методики расчета параметров горения и последствий, закономерности процессов распространения, развития горения. Эти сведения необходимы для правильного выбора наиболее эффективного вида и способа применения огнетушащего средства в конкретных условиях.

Взрывы ГПВС в открытом пространстве – это взрывы, возникающие в результате разрушений газопроводов, разлива сжиженного горючего газа и его испарения с переходом в детонацию. Известно большое число аварийных взрывов резервуаров с большим количеством сжиженного горючего газа, сопровождавшихся образованием осколочного поля.

Нормальное или дефлаграционное горение – это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения.

Толщина фронта пламени, как правило, не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому его обычно принимают за поверхность, отделяющую исходную смесь от продуктов горения.

Нормальная скорость распространения пламени u_н – это минимальная скорость, с которой пламя может распространяться в горючей среде по нормали к своему фронту. Размерность ее [м/с]. Нормальная скорость является важной характеристикой горючей смеси.

Форма фронта пламени, возникшего от небольшого источника зажигания в неподвижной однородной среде – сферическая, а в ряде случаев, например, при горении в трубах, может быть плоской.

1.1 Оценка пожарной опасности технологических процессов

Оценку пожарной безопасности технологических процессов повышенной пожарной опасности осуществляют с помощью критериев: индивидуального риска, социального риска, регламентированных параметров пожарной опасности технологических процессов.

Пожарная безопасность технологических процессов считается безусловно выполненной, если индивидуальный риск меньше 10-8, социальный риск меньше 10-7. Эксплуатация технологических процессов является недопустимой, если индивидуальный риск больше 10-6 или социальный риск больше 10-5.

Оценку пожарной опасности технологических процессов проводят на основе оценки их риска.

При оценке пожарной опасности технологического процесса необходимо оценить расчетным или экспериментальным путем:

– избыточное давление, развиваемое при сгорании газопаровоздушных смесей в помещении. Предельно допустимые значения приведены в табл. 1.;

Таблица 1.

Предельно допустимое избыточное давление при сгорании газопаровоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве

– размер зон, ограниченных нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПР) газов и паров;

– интенсивность теплового излучения при пожарах проливов ЛВЖ и ГЖ для сопоставления с критическими (предельно допустимыми) значениями интенсивности теплового потока для человека и конструкционных материалов;

– размеры зоны распространения облака горючих газов и паров при аварии для определения оптимальной расстановки людей и техники при тушении пожара и расчета времени достижения облаком мест их расположения;

– возможность возникновения и поражающее воздействие «огненного шара» при аварии для расчета радиусов зон поражения людей от теплового воздействия в зависимости от вида и массы топлива;

– параметры волны, давления при сгорании газопаровоздушных смесей в открытом пространстве;

– поражающие факторы при разрыве технологического оборудования вследствие воздействия на него очага пожара;

– интенсивность испарения горючих жидкостей и сжиженных газов на открытом пространстве и в помещении;

– требуемый предел огнестойкости строительных конструкций, обеспечивающий целостность ограждающих и несущих конструкций пожарного отсека с технологическим процессом при свободном развитии реального пожара.

1.2 Алгоритм расчета параметров взрыва газопаровоздушной смеси в открытом пространстве

Экспертиза взрывов газопаровоздушных смесей (ГПВС) в открытом пространстве направлена на определение условий образования взрывоопасных концентраций горючих веществ, возможности воспламенения, характера и последствий развития взрывоопасного события. Исследование механизма образования и воспламенения ГПВС представляет определенные трудности вследствие быстротечности процесса, а также из-за уничтожения или повреждения объектов, содержавших опасные вещества. Серьезную потенциальную опасность представляют объекты, использующие большие объемы горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей (АЗС, склады сжиженных газов и нефтепродуктов, газопроводы и нефтепроводы). Это обусловлено в первую очередь возможностью выброса больших объемов горючих веществ в атмосферу с их последующим взрывом. Так, за последние годы произошло несколько техногенных катастроф на магистральном трубопроводе Уренгой – Помары – Ужгород, по факту которых были возбуждены уголовные дела и назначены судебные комплексные инженерно-технические экспертизы. Определение причин и динамики развития чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийной утечкой горючих газов и паров с последующим воспламенением ГПВС, относится к компетенции пожарно-технической экспертизы (ПТЭ). Одним из перспективных направлений развития судебных экспертиз является применение новейших информационных технологий для исследования версий возникновения пожара (взрыва) в практике пожарно-технических исследований. Применение в инженернотехнических экспертизах автоматизированных информационных систем (АИС) позволит проводить такие исследования с минимальными затратами времени на поиск нужной информации и использовать научно обоснованные методики и данные. Поэтому моделирование чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийным выходом горючего газа или жидкости из технологического оборудования и образованием зон взрывоопасной загазованности, расчет опасных параметров взрыва с целью прогнозирования последствий таких ситуаций являются актуальной проблемой (рис. 1.).

Рисунок 1. Схема исследования взрыва газопаровоздушных смесей

Для получения достоверных выводов о возможности возникновения пожаров и взрывов необходимо использовать научно обоснованные методики, адекватность которых подтверждается хорошимсовпадениемрассчитанных и фактически наблюдаемых или измеренных параметров. Существующие научные и нормативно-методические разработки по прогнозированию последствий аварийного выхода горючих веществ в окружающую среду дают алгоритм расчета таких параметров горения ГПВС, как мощность взрыва, избыточное давление в ударной волне, радиус поражения ударной волной, радиус и время жизни огненной сферы.

Для повышения эффективности проведения ПТЭ, связанных с горением ГПВС, целесообразно формализовать в АИС методики расчетов параметров таких чрезвычайных ситуаций. На рисунке в общем виде предложена схема определения размеров зоны взрывоопасной загазованности, зоны поражения ударной волной взрыва, зоны поражения огненной сферой.

Важным вопросом, который решается во время проведения ПТЭ технологических взрывов, является определение возможности разрушения зданий, сооружений и гибели людей от поражающего действия ударной волны и огненной сферы. Степень разрушения окружающих строительных конструкций и поражения людей зависит от избыточного давления в ударной волне, которое создается вследствие резкого теплового расширения продуктов взрыва и распространяется по всем направлениям от центра взрыва.

Избыточное давление в ударной волне можно установить по формуле 1.2.1:

ΔP=Po(0,8 +3  + 5), кПа,                                   (1.2.1)

где Ро – атмосферное давление, кПа;

mтнт – тротиловый эквивалент взрыва, кг;

r – расстояние от геометрического центра ГПВС, м.

Для определения мощности взрыва традиционно используют тротиловый эквивалент, который учитывает, сколько килограммов тринитротолуола вызовут эквивалентное разрушение на том же расстоянии от центра взрыва, т. е. считается, что газопаровоздушные (ГПВ) взрывы могут моделироваться взрывами конденсированных взрывчатых веществ с учетом доли энергии, которая переходит в энергию ударной волны (формула 1):

mтнт = , кг,                                                               (1)

где Qг – теплота сгорания горючего вещества, кДж/кг;

mгв – масса горючего вещества, которое взрывается, кг;

4520 – теплота взрыва тринитротолуола, кДж/кг.

Однако, в отличие от горения конденсированных взрывчатых веществ горение ГПВС во взрывном режиме протекает лишь на внешней части облака, в которой концентрация горючего вещества находится в пределах от нижнего до верхнего концентрационного предела распространения пламени. Поэтому для оценки параметров взрыва ГПВ облака на открытом пространстве принимают, что во взрывном (кинетическом) горении участвует около 2% (максимально 10%) горючего вещества.

Кроме того, горение конденсированных взрывчатых веществ протекает в детонационном режиме, в то же время переход дефлаграционного горения ГПВС в детонацию возможен только для узкого круга горючих газов, например водорода, ацетилена. Поэтому максимально возможный коэффициент полезного действия взрыва ГПВ облака во время дефлаграционного горения составляет не более 30%. Оставшаяся часть энергии переходит в нагретые продукты сгорания. Тогда тротиловый эквивалент взрыва ГПС облака можно рассчитать по формуле 2:

mтнт = , кг,……………………………….(2)

где 0,3 и 0,9 – соответственно доля энергии, которая расходуется на формирование ударной волны во время взрыва ГПВ облака и тринитротолуола;

mгв – масса горючего вещества, поступившего в окружающую среду вследствие аварийной ситуации и образовавшего ГПВС, кг;

z – коэффициент участия энергии паров и газов во взрыве.

Зоной разрушения и возможного травмирования людей считают площадь с принятым для расчета центром взрыва и границами, определенными радиусом поражения rпор. Возможное разрушительное действие ударной волны во время взрыва можно оценить на основании обобщенных экспериментальных данных по апроксимационной формуле 3:

rпор. = , м,                                                            (3)

где ki – безразмерный коэффициент уровня влияния взрыва, который определяют в зависимости от избыточного давления в ударной волне;

mвз – масса горючего вещества, которое участствует во взрыве и равняется mгв·z, кг.

Тем не менее в популярной литературе предлагается другая формула для расчета радиуса зон поражения, с заданным избыточным давлением на границе зоны (формула 4):

rпор. =  , м.                                                  (4)

Таким образом, приведенный алгоритм расчета параметров взрыва газопаровоздушной смеси в открытом пространстве можно использовать для его формализации в автоматизированных информационных системах с целью повышения эффективности проведения пожарно-технических экспертиз.

1.3 Взрывы газовоздушных смесей в открытом пространстве

1.3.1 Детонационный режим горения

С целью проведения расчетов с гарантированным запасом по объему инженерноспасательных работ, при обосновании исходных данных принимают такой случай разрушения резервуара, чтобы образовавшийся при этом взрыв газовоздушной смеси произвел максимальное поражающее воздействие. Этот случай соответствует разрушению того резервуара, в котором хранится максимальное количество горючего вещества на рассматриваемом объекте. Кратко рассмотрим модели воздействия, определяющие поля поражающих факторов (давлений) при прогнозировании последствий взрывов газовоздушных смесей.

При взрыве газовоздушных смесей различают две зоны действия:

– детонационной волны – в пределах облака ГВС

– воздушной ударной волны – за пределами облака ГВС.

В зоне облака действует детонационная волна, избыточное давление во фронте которой принимается постоянным в пределах облака ГВС и приблизительно равным ΔРд = 17 кгс/см2 (1,7 МПа).

В расчетах принимают, что зона действия детонационной волны ограничена радиусом r0, который определяется из допущения, что ГВС после разрушения емкости образует в открытом пространстве полусферическое облако.

Объем полусферического облака может быть определен по формуле 5:

V = ×p × м³ ,                                                                   (5)

где: π = 3,14.

Учитывая, что киломоль идеального газа при нормальных условиях занимает 22,4 м³, объем образовавшейся ГВС при аварийной ситуации составит (формула 6):

V = ,                                                            (6)

где: k – коэффициент, учитывающий долю активного газа (долю продукта, участвующего во взрыве);

Q – количество сжиженных углеводородных газов в хранилище до взрыва, кг; С – стихиометрическая концентрация газа в % по объему;

mk – молярная масса газа, кг/кмоль.

Из условия равенства полусферы и объема образовавшейся смеси, получим по формуле 7:

r₀ ≈ 10,                                                                    (7)

При подстановке значений для метана mk = 16 и С = 9,45, получим формулу 8:

r₀ = 18.5,                                                             (8)

где: Q – количество метана до взрыва, кг.

Приведенная формула получила широкое распространение при проведении расчетов по определению последствий взрывов для углеводородных газов.

Значение коэффициента k принимают в зависимости от способа хранения продукта:

k = 1 – для резервуаров с газообразным веществом;

k = 0,6 – для газов, сжиженных под давлением;

k = 0,1 – для газов, сжиженных охлаждением (хранящихся в изотермических емкостях);

k = 0,05 – при аварийном разливе легковоспламеняющихся жидкостей.

Зона действия воздушной ударной волны (ВУВ) начинается сразу за внешней границей облака ГВС. Давление во фронте ударной волны ΔРф зависит от расстояния до центра взрыва и определяется исходя из соотношения (9):

ΔРф = f(r/r₀),                                                                      (9)

где: г – расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки.

1.3.2 Взрывы газопаровоздушных смесей

При взрыве газопаровоздушных смесей (ГПВС) зону детонационной волны, ограниченную радиусом r₀, можно определить по формуле 10:

r₀ = , м,                                                               (10)

где: 1/ 24 – коэффициент, м/кДж^1/3;

Э – энергия взрыва смеси, определяемая из выражения 11:

Э = V_ГПВС х ρ_стх х Q_стх, кДж                                                 (11)

где: V_ГПВС – объем смеси, равный:

V _ГПВС = 100Vr/C,                                                        (12)

где: Vr – объем газа в помещении;

С – стехиометрическая концентрация горючего по объему в % (табл. 2);

ρ_стх – плотность смеси стехиометрического состава, кг/м3 (табл. 2);

Q_стх – энергия взрывчатого превращения единицы массы смеси стехиометрического состава, кДж/кг (табл. 2);

V₀ – свободный объем помещения, равный V₀ = 0,8V_n, м;

V_п – объем помещения.

При V_ГПВС > V₀ объем смеси V_ГПВС принимают равным V₀. В нормативной литературе по взрывозащите зданий и взрывобезопасности производств существуют специальные методики по определению массы и объема газа, распространяющегося в помещении при аварийной ситуации.

Данные методики предусматривают более тщательное изучение технологического процесса. Для оперативного прогнозирования последствий взрыва в производственных помещениях расчеты целесообразно проводить для случая, при котором будут максимальные разрушения, то есть когда свободный объем помещения, где расположены емкости с газом, будет полностью заполнен взрывоопасной смесью стехиометрического состава. Тогда уравнение по определению энергии взрыва можно записать в виде формулы 13:

Э =  ,  кДж.                                              (13)

Далее принимается, что за пределами зоны детонационной волны с давлением 17 кгс/см² действует воздушная ударная волна, давление во фронте которой определяется с использованием данных табл. 2.

Таблица 2

Характеристика газопаровоздушных смесей

Список литературы:

1. Алексеев, С. Г. Сравнительный анализ методов прогнозирования газопаровоздушных смесей на примерах реальных взрывов [Текст] / С. Г. Алексеев, А. С. Авдеев, В. Н. Литвинов // Пожаровзрывоопасность. – Т. 25, № 7. – М. : Ярославское, 2016. – С. 16-26. – ISSN 0869-7493.
2. Грохотов, М. А. Методика прогнозирования скорости распространения фронта пламени при сгорании газовоздушного облака в открытом пространстве [Текст] : дис. канд. технических наук : специальность 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» / М. А. Грохотов; Москва, 2018. – 140 с.
3. Девисилов, В. А. Теория горения и взрыва [Текст] / В. А. Девисилов, Т. И. Дроздова, С. С. Тимофеева. – М. : ФОРУМ, 2012. – 352 с. – (Высшее образование).
4. Зельдович, Я. Б. Взрывные явления. Оценка и последствия: в 2-х книгах. пер. с англ. [Текст] / Я. Б. Зельдович. – М. : Мир, 1986. – 319 с.
5. Каргаполова, Е. О. Пожарная безопасность технологических процессов : учеб. пособие [Текст] / Е. О. Каргаполова. – Омск : Издво ОмГТУ, 2015. – 100 с. – ISBN 978-5-8149-2077-5.
6. Котляревский, В. А. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий [Текст] / В. А. Котляревский. – М. : Издательство АСВ, 1995. – 320 с.
7. Маньяковский, Г. И. Оценка мощности взрывов газопаровоздушных смесей при аварийных проливах сжиженного природного газа [Текст] / Г. И. Маньяковский, В. В. Филин // «Пожарная безопасность». – Москва, 2017. – С. 7-12.