Определение параметров легкосбрасываемых конструкций, обеспечивающих допустимые взрывные давления во взрывоопасных помещениях

Существует два основных направления обеспечения взрывобезопасности помещений, в которых возможен аварийный взрыв газопаровоздушных смесей (ГПВС):

— профилактические мероприятия, направленные на предотвращение образования газопаровоздушной смеси взрывоопасной концентрации и ее воспламенения;

— мероприятия, обеспечивающие устойчивость строительных конструкций помещения при аварийном взрыве ГПВС.

В настоящее время большее внимание уделяется профилактическим мероприятиям, которые снижают вероятность образования взрывоопасных смесей и их поджога. Но они не могут полностью исключить возможность реализации аварийного взрыва ГПВС.

О недостаточности только профилактических мероприятий свидетельствует статистика аварийных взрывов как у нас в стране, так и за рубежом. К сожалению, в нашей стране ввиду износа оборудования на объектах газовой и химической промышленности количество аварийных ситуаций, связанных с взрывным горением ГПВС, возрастает год от года. В последнее время участились случаи взрывов газа в жилых домах.

В связи с этим мы считаем неправильным, что вопросу обеспечения взрывоустойчивости, который наиболее эффективно решает проблему взрывобезопасности, уделяется малое внимание. А именно, обеспечение взрывоустойчивости зданий и сооружений позволяет максимально снизить негативные последствия аварийного взрыва ГПВС. Одним из самых эффективных мероприятий, снижающих взрывные нагрузки до безопасного уровня, является устройство сбросных проемов, оборудованных предохранительными конструкциями. Предохранительные конструкции, в частности, легкосбрасываемые конструкции (JICK), применяются на взрывоопасных промышленных объектах. Но в виду того, что нормативы по их применению носят рекомендательный характер, не учитывающий физические процессы вскрытия при взрывном горении, они не всегда обеспечивают должным образом взрывоустойчивость зданий и сооружений.

Обеспечение взрывоустойчивости зданий и сооружений можно разбить на два этапа.

1 этап. Определение необходимой площади сбросных проемов в помещении. На данном этапе рассматривается взрывное горение в помещении, сбросные проемы которого ничем не заполнены. Рассматриваются вопросы интенсификации горения, влияние объемно-планировочного решения, наличия оборудования и других факторов на уровни взрывных нагрузок. В итоге определяется необходимая площадь сбросных проемов, обеспечивающая безопасный (не разрушающий строительные конструкции) уровень избыточного давления в помещении при взрывном горении ГВС.

2 этап. Выбор необходимых параметров заполнения сбросных проемов. Подходы к выбору параметров зависят от типа используемых предохранительных конструкций. Главная задача данного этапа — выбрать заполнение сбросных проемов с такими параметрами, чтобы их применение не привело к повышению уровня взрывных нагрузок выше прочности строительных конструкций здания.

Актуальность работы. Данная работа выполнялась в связи с назревшей необходимостью дальнейшего развития методов выбора параметров легкосбрасываемых конструкций, обеспечивающих безопасный уровень взрывных нагрузок в помещениях.

В решение проблем обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений, в том числе и при помощи использования предохранительных конструкций, внесли существенный вклад отечественные ученые: Андрианов Р. А., Бабкин B.C., Баратов А. Н., Белишев И. Р., Бобков С. А., Болодьян И. А., Водяник В. И., Васильев А. А., Гвоздева Л. Г., Гельфанд Б. Е., Горев В. А., Григорян А. А., Гостинцев Ю. А., Дорофеев С. Б., Зельдович Я. Б, Казеннов В. В., Карпов В. П., Комаров А. А., Корольченко А. Я., Макеев В. И., Махвиладзе А. Д., Мишуев А. В., Молчадский И. С., Мольков В. В.,.

Некрасова В.П., Одишария Г. Э., Орлов Г. Г., Пилюгин Л. П., Попов В. А., Румянцев B.C., Сафонов B.C., Стрельчук Н. А., Франк-Каменецкий Д.А., Хуснутдинов Д. З., Шебеко Ю. Н., Шмелев Ю. Н., Щелкин К. И. и др.

Из зарубежных ученых, успешно занимающихся подобными проблемами, следует выделить Bradley D., Canu P., Crescitelli S., Fairweather M., Hirano Т., Mitcheson A., Moen I.O., Pasman H.I., Rota R., Solberg D.M., Vasey M.W., Yao C., Zalosh R.G. и др.

He умаляя заслуг всех перечисленных выше ученных, автор считает, что наиболее близко к решению проблемы обеспечения взрывоустойчивости, учитывая реальную физику процесса, подошли Мишу ев А.В., Казеннов В. В. и Комаров А. А. Применение предохранительных конструкций во взрывоопасных помещениях рассмотрены в работах Пилюгина Л. П., Орлова Г. Г.

Выбор параметров предохранительных конструкций, заполняющих сбросные проемы, является важным этапом в процессе обеспечения взрывоустойчивости зданий. Обзор реальных аварийных ситуаций, в том числе тех, обследование которых выполнялось Научно-техническим центром «Взрывоустойчивость» (МГСУ) при участии автора, свидетельствует, что здания с достаточным количеством сбросных проемов для обеспечения взрывоустойчивости разрушаются при взрыве ГПВС из-за неоптимальных значений параметров заполнения сбросных проемов. Примером может служить авария, произошедшая в Москве 29.07.1998 г. по ул. Щербаковская, 54 (подробно см главу 4, параграф 4.1).

Предохранительные конструкции, заполняющие сбросные проемы, делятся на два типа:

— глухое остекление;

— легкосбрасываемые конструкции (ЛСК).

Рассмотрим эффективность каждого типа на конкретном примере. Пусть имеется здание, общая площадь сбросных проемов которого обеспечивает его взрывоустойчивость. В НТЦ «Взрывоустойчивость» на основе решения численными методами дифференциальных уравнений, описывающих процессы взрывного горения и вскрытия предохранительных конструкций, разработаны компьютерные программы, позволяющие прогнозировать взрывные нагрузки в помещениях со сбросными проемами, заполненными как глухим остеклением, так и ЛСК. Результаты получаемых расчетных зависимостей подтверждены экспериментально. Рассчитаем взрывные нагрузки в указанном выше здании для двух случаев заполнения сбросных проемов: окна заполнены одинарным глухим остеклением с толщиной стекла Змм в деревянных переплетахокна заполнены ЛСК с инерционностью 0,7 кПа. Инерционность определяется по формуле АРИНБР = HLJL} где т — масса единичной легкосбрасываемой конструкцииSlfIP — площадь единичной легкосбрасываемой конструкции Давление вскрытия в обоих случаях равно 2 кПа. Кроме этого, окна заполнены стеклопакетами с толщиной стекла 5 мм, давление вскрытия равно 5 кПа. Для сравнения приведен случай, когда сбросные проемы не заполнены. На рис. В.1 приведены зависимости давления от времени, полученные в результате расчета. Расчетные осциллограммы процесса с ЛСК по сравнению с осциллограммой в помещении с открытыми сбросными проемами показывают, что наличие ЛСК вызывает появление дополнительного, как правило, самого первого пика давления. В дальнейшем процессы протекают одинаково. Применение глухого остекления оказывает влияние на процесс горения на всем его продолжении, увеличивая уровень взрывных нагрузок. Это вызвано тем, что глухое остекление никогда не вскрывается полностью, т.к. остаются осколки, частично перекрывающие сбросные проемы. При этом мы видим, что уровень взрывных нагрузок возрастает почти в 2 раза при применении остеклении в деревянных переплетах и в 3,5 раза в случае применения стеклопакетов.

Приведенный пример свидетельствует о большей эффективности предохранительных конструкций в виде ЛСК.

Вопросами прогнозирования последствий аварийных взрывов и вопросами обеспечения устойчивости зданий и сооружений при аварийных взрывах на протяжении ряда лет занимается Научно-технический центр

Взрывоустойчивость" (МГСУ), возглавляемый проф., д.т.н. А. В. Мишуевым. Разработанные в НТЦ технические мероприятия позволяют сводить аварийную ситуацию к «хлопку» без разрушения зданий и помещений. Прогнозирование устойчивости зданий и помещений при воздействии на них взрывных нагрузок основано на четком понимании физических процессов, связанных с протеканием дефлаграционного взрыва и формированием взрывных нагрузок. Большое внимание уделяется влиянию на уровень взрывных нагрузок параметров предохранительных конструкций, заполняющих сбросные проемы. Причем при проведении исследований широко используются наработки других ученых. Так, при моделировании взрывов в помещениях с остекленными проемами используются данные об особенностях разрушения стекол, полученные Пилюгиным Л. П. Исследование физических процессов осуществляется в лаборатории НТЦ, где проводятся многочисленные экспериментальные взрывы на моделях типовых зданий и помещений. Методы математического моделирования позволяют переносить данные экспериментов на реальные объекты. Настоящая диссертация является обобщением опыта автора по выбору оптимальных параметров ЛСК, накопленного им за последние годы.

Экспериментальные исследования, положенные в основу настоящей диссертационной работы, выполнены автором совместно с сотрудниками «Лаборатории газодинамики горения и взрыва» НТЦ «Взрывоустойчивость». Методическая база проведения экспериментов по исследованию процесса взрывного горения в моделях зданий и помещений разработана В. В .Казеиновым [7] и А. А. Комаровым [19].

Целью настоящей работы является разработка методики расчета взрывных нагрузок в помещении, оборудованных ЛСК, и выбор оптимальных параметров ЛСК для обеспечения взрывоустойчивости зданий.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Проведен обзор существующих нормативных документов и литературных источников, позволивший выявить достоинства и недостатки имеющихся решений рассматриваемой проблемы и определить пути совершенствования нормативной базы и мероприятий по обеспечению взрывоустойчивости зданий и сооружений с помощью ЛСК.

2. Разработана математическая модель, описывающая процесс вскрытия легкосбрасываемых конструкций при взрывном горении газопаровоздушных смесей.

3. Выявлены основные факторы, влияющие на максимальные значения взрывных нагрузок, возникающих при вскрытии ЛСК.

4. Определены безразмерные параметры — критерии моделирования, позволяющие переносить результаты модельных испытаний на натурные объекты.

5. Разработан пакет компьютерных программ, построенных на базе созданной математической модели, позволяющий получать временные зависимости взрывных нагрузок в помещениях, оборудованных ЛСК.

6. Проведены экспериментальные исследования на моделях помещений, оборудованных ЛСК.

7. Выполнен анализ результатов экспериментальных исследований и проведено сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов, выполненных на ЭВМ.

8. Разработана приближенная методика выбора параметров ЛСК, обеспечивающих взрывоустойчивость помещения.

9. Проведена апробация предлагаемой методики на взрывоопасных объектах.

Диссертация объемом 187 страниц содержит 83 иллюстраций и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемой литературы, содержащего 107 наименований.

ВЫВОДЫ К РАБОТЕ.

1. Анализ литературных источников показал, что в имеющихся нормативах, регламентирующих использование легкосбрасываемых конструкций, принят достаточно формальный подход к определению параметров ЛСК и не учитываются реальные физические процессы вскрытия ЛСК при взрывном горении в помещениях. Это свидетельствует о том, что назрела необходимость дальнейшего развития методов обеспечения взрывоустойчивости помещений, основанных на применении легкосбрасываемых конструкций.

2. Теоретические исследования позволили разработать математическую модель, описывающую вскрытие легкосбрасываемых конструкций при взрывном горении ГПВС в помещении, и создать пакет компьютерных программ, позволяющих получать временные зависимости взрывных нагрузок.

3. Выявлены основные факторы, влияющие на значения взрывных давлений, возникающих при вскрытии легкосбрасываемых конструкций в помещениях. ' Определены безразмерные параметры — критерии моделирования, характеризующие рассматриваемые процессы.

4. Широкая серия экспериментальных исследований взрывного горения в камерах, оборудованных ЛСК, проведенная автором, подтверждает корректность разработанной математической модели. Сравнение результатов экспериментов (выполненных как автором работы, так и другими авторами) и расчетов показало удовлетворительное их совпадение.

5. Анализ ряда аварийных ситуаций взрывного горения газовоздушных смесей в жилых зданиях, выполненный автором, показал, что использование легкосбрасываемых конструкций позволяет эффективно снизить уровень взрывных нагрузок до безопасного уровня.

6. Разработанная автором приближенная методика, позволяет оценить взрывные нагрузки, возникающие при вскрытии JICK, и при необходимости выбрать такие параметры JICK, которые обеспечивали бы безопасный уровень взрывных давлений.

7. Примеры расчета максимальных значений взрывных давлений по приближенной методике в стационарном и блочном газораспределительных пунктах иллюстрируют возможности применения методики.

8. Обеспечить взрывоустойчивость объектов жилого фонда можно, изменив характер оконных переплетов, таким образом, чтобы они перешли в разряд JICK. Приближенная методика позволяет подобрать необходимые параметры JICK.

9. Пример обеспечения взрывоустойчивости здания установки экструзии МНПЗ «Капотня» свидетельствует об эффективности использования JICK с правильно подобранными параметрами для обеспечения взрывоустойчивости.