Необходимость заблаговременного и достоверного прогнозирования последствий аварийных взрывов на предприятиях, использующих взрывоопасные вещества, вызвана следующими обстоятельствами:
• анализ последствий аварийных ситуаций показывает, что, несмотря на принимаемые жесткие меры контроля за технологическими процессами, аварийные выбросы взрывоопасных веществ в атмосферу или в помещения происходят, что при появлении источника зажигания приводит к взрыву или пожару;
• реальный прогноз инженерной обстановки после аварии позволяет судить о степени взрывоопасности данного промышленного объекта для окружающей городской застройки и для экологии прилегающего к объекту района, что дает возможность провести необходимые технические и организационные мероприятия по минимизации ущерба от аварийного взрыва;
• прогнозирование последствий взрыва внутри зданий позволяет заранее определить степень его взрывоустойчивости и взрывоопасное&tradeдля промышленного объекта, что дает возможность заблаговременно провести требуемую реконструкцию здания (помещения), обеспечивающую его взрывоустойчивость, что является необходимым условием обеспечения безопасности персонала и необходимым условием, препятствующим дальнейшему распространению аварийной ситуации на объекте.
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. 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 по прогнозированию последствий аварийных взрывов, накопленного НТЦ «Взрывоустойчивость» 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 [84] при участии автора.
Проблема взрывобезопасности и устойчивости строительных конструкций при воздействии на них взрывных нагрузок входит в круг профессиональных интересов ученых многих кафедр и структурных подразделений МГСУ. Большой вклад в решение вопроса оптимального выбора параметров предохранительных конструкций, обеспечивающих безопасные взрывные нагрузки, внесли Пилюгин Л. П. и Орлов Г. Г. Широкая серия модельных экспериментов, направленных на изучение взрывных нагрузок в полузамкнутых объемах, была проведена Казеиновым В. В. Изучению процесса формирования нагрузок при дефлаграционных взрывах в атмосфере посвящены многие научные работы и публикации Горева В. А. и Хуснутдинова Д. З. Вопрос несущей способности конструкций при воздействии на них динамических нагрузок при взрывах подробно исследовался Забе-гаевым A.B. и Расторгуевым Б.С.
Анализ последствий аварий на предприятиях, использующих в технологическом процессе взрывоопасные вещества, показывает, что они, как правило, сопровождаются пожарами и взрывам. При этом значительное число травм и человеческих жертв связано с частичным обрушением строительных конструкций или разрушением здания в целом при воздействии избыточного давления, которым сопровождается взрывное горение.
Имеющиеся статистические данные о последствиях аварий говорят о невозможности обеспечения гарантированной безаварийной эксплуатации промышленных предприятий. При этом, на предприятиях, использующих взрывопожаро-опасные вещества, аварийные ситуации часто сопровождаются выбросом горючих веществ в помещения или в атмосферу с последующим взрывом. Поэтому на предприятиях со взрывоопасными технологиями в дополнение к мерам, направленным на исключение аварийных выбросов взрывоопасных веществ, необходимо рассматривать комплекс мер, направленных на снижение ущерба при возможном взрывном горении газопаровоздушных смесей (ГПВС), т. е. обеспечивающих взрывоустойчивость зданий и сооружений предприятия.
При рассмотрении вопроса прогнозирования последствий аварийных взрывов и вопроса обеспечения устойчивости зданий и сооружений при аварийных взрывах следует выделить три явления, которые имеют различную физическую и соответственно математическую трактовку: взрыв емкостей под давлением (разрыв сосудов в условиях нагрева или пожара), дефлаграционный внешний взрыв (взрыв в атмосфере) и дефлаграционный внутренний взрыв (взрыв внутри здания или помещения). К первому явлению следует отнести вопросы формирования ударных волн, возникающих при разрушении наименее прочных конструктивных элементов здания (при выбивании навесных панелей, дверей, окон и т. д.), которыми сопровождаются внутренние взрывы. При разрушении емкости, находящейся под давлением, в ней существует определенное избыточное давление, величина которого определяется прочностью емкости. Из-за различий в давлениях внутри емкости и снаружи образуется разрыв газодинамических параметров между средой внутри емкости и невозмущенным воздухом окружающей атмосферы, что приводит к формированию воздушной ударной волны (ВУВ). Поверхность возникшей ударной волны быстро принимает форму полусферы, опертой на разрушенный сосуд. Распространяясь, ударная волна является причиной разрушений и повреждений ограждающих конструкций помещения (если взрыв емкости произошел внутри здания) или причиной разрушений и повреждений в близлежащих зданиях (при взрыве емкости вне здания).
При взрыве емкости с горючим веществом кроме ударной волны, разрушающей ограждающие конструкции здания, происходит практически мгновенный выброс в помещение (или атмосферу) большого количества взрывоопасного вещества, которое при смешивании с воздухом образует горючую смесь. При достаточном количестве кислорода происходит дефлаграционный взрыв, при его недостатке — образуется огневой шар, выгорающий по мере поступления кислорода.
При прогнозировании последствий аварийных взрывов в атмосфере исходим из того, что вероятность детонационного горения крайне мала. Поэтому нами исследуется, как наиболее реальный, дефлаграционный вид взрывного превращения газопаровоздушной смеси (ГПВС). При дефлаграции скорость распространения пламени в десятки и сотни раз меньше, чем при детонации, соответственно, существенно меньше и взрывное давление. К тому же нарастание давления в дефлаграционной волне происходит достаточно плавно. Эти факторы приводят к значительному уменьшению расчетных значений результирующих нагрузок на здания, сооружения и людей, а потому ожидаемый ущерб оказывается в десятки и сотни раз меньше по сравнению с «классическим» взрывом. К сожалению, до сих пор нормативные документы основаны на детонационном принципе, в основу которого положен неоправданный энергетический принцип каждый килограмм горючего (бензина, пропана, метана и т. д.) приравнивается к 7−10кг тротила.
При прогнозировании последствий внутренних аварийных взрывов исходим из того, что при авариях реализуется дефлаграционный тип взрывного превращения, избыточное давление существенно не превышает значений 5−10кПа, что лимитируется прочностью строительных конструкций, видимая скорость пламени, а, следовательно, и выделение продуктов взрыва происходит со скоростью существенно (на порядок и более) меньшей, чем скорость звука. Поэтому величина избыточного давления в любой момент времени одинакова для всех точек помещения, т. е. реализуется принцип квазистатичности взрывного давления.
Анализ последствий аварийных взрывов показывает, что основной мерой обеспечения взрывобезопасности являются мероприятия по обеспечению взрыво-устойчивости зданий и помещений. Сохранение устойчивости зданий (помещений) при взрыве в значительной мере гарантирует безопасность людей, находящихся в здании в момент взрыва.
Кроме этого, из анализа последствий внутренних взрывов на промышленных и гражданских объектах, проведенного НТЦ, следует, что взрывные нагрузки могут существенно (на порядок) превосходить прогнозируемые. Это связано с тем, что при проектировании объектов со взрывоопасными технологиями используются нормативные документы, основанные на значительной схематизации реального процесса взрывного горения газопаровоздушных смесей в полузамкнутых объемах, к которым относятся здания и помещения. Исследования показывают, что уровень взрывных нагрузок (тем более их динамика) существенно зависит от многих факторов. Поэтому формализованный подход, основанный на единственном параметре — площади сбросных проемов, может приводить к значительным погрешностям при прогнозировании взрывного давления. Учитывая, что реальная несущая способность основных конструктивных элементов зданий не превышает 5−10кПа, значительные ошибки в прогнозировании аварийных нагрузок не допустимы, т.к. несоответствие между прогнозируемыми нагрузками и реальным избыточным давлением при аварийном взрыве приводит к обрушению зданий. Обеспечение реальной взрывоустойчивости зданий позволяет уменьшить материальный ущерб и избежать человеческих жертв при аварийных взрывах.
Очевидно, что вопросы обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости относятся к объектам, где достаточно велика вероятность формирования и взрыва газопаровоздушной смеси (ГПВС). К подобным объектам относятся объекты химии и нефтехимии, где сосредоточены значительные объемы взрывоопасных газов (в том числе и в сжиженном виде) и легковоспламеняющихся жидкостей (в том числе и в перегретом состоянии) и где особенно велика вероятность следующего сценария развития аварии: аварийный выброс горючего вещества в помещение или атмосферу, формирование облака ГПВС и его взрывное горение. Поэтому объекты нефтехимической и химической промышленности являются объектами повышенного внимания со стороны руководства городов и населения. В частности, Правительство Москвы уделяет значительное внимание данному вопросу в общегородской программе «Безопасность».
В настоящее время проектирование зданий со взрывоопасными технологиями осуществляется в соответствии с рекомендациями СНиП 2.09.02−85*) «Производственные здания», где требуется на каждые 1000 м свободного объема помещения иметь не менее 50 м освобождаемых сбросных проемов. При этом предполагается, что взрывные нагрузки не превысят 5кПа, т. е. гарантируется их безопасный уровень. Исследования, проведенные в НТЦ «Взрывоустойчивость», показывают, что уровни взрывных нагрузок существенно зависят от многих фако торов. Поэтому для конкретных зданий с объемом в 1000 м сбросные проемы с суммарной площадью 50 м могут как обеспечить безопасный уровень взрывных нагрузок, так и привести к значительному превышению допустимого уровня, что может привести к обрушению здания при аварийном взрыве. Это говорит о необходимости пересмотра нормативной документации в части обеспечения взрыво-безопасности и взрывоустойчивости промышленных и гражданских объектов. Следует подчеркнуть, что имеющиеся в настоящее время теоретические разработки и экспериментальные материалы позволяют качественно изменить существующую практику проектирования и контроля за взрывоопасными производствами, что резко повысит состояние их взрывобезопасности.
В нашей стране существенный вклад в решение задачи о взрывном горении в ограниченном и свободном пространстве, а также в решение проблемы обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений внесли Абдурагимов И. М., Агафонов В. В., Бабкин B.C., Баратов А. Н., Баренблатт Г. И., Болодьян И. А., Водяник В. И., Васильев A.A., Гвоздева Л. Г., Гельфанд Б. Е., Горев В. А., Григорян A.A., Гостинцев Ю. А., Дорофеев С. Б., Зельдович Я. Б., Иващенко П. Ф., Казеннов В. В., Карпов В. П., Корольченко А. Я., Коротких Н. И., Макеев В. И., Махвиладзе А. Д., Мишуев A.B., 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 H.A., Франк-Каменецкий Д.А., Хуснутдинов Д. З., Цариченко С. Г., Черный Г. Г., Шебеко Ю. Н., Щелкин К. И. и др.
За рубежом аналогичными проблемами успешно занимались 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 С., Zalosh R.G. и др.
К основным недостаткам имеющихся теоретических схем следует отнести не полный учет (или в определенной степени пренебрежение) вопросов газодинамического течения, возникающего при взрывном горении и применительно к взрывам в зданиях и помещениях определяющего дальнейшее развитие взрывного горения. Поэтому расчетные схемы, как правило, строятся в сферической симметрии, а получаемое несоответствие между расчетом и экспериментом корректируют одним или двумя параметрами. Например, фактором турбулентности (или параметром «вентилирования») и коэффициентом расхода смеси при ее истечении через сбросные проемы. В частности, при корректировке расчетных данных упомянутыми произвольными параметрами коэффициент расхода может существенно превышать единицу. Данный подход в некоторой степени оправдан для зданий кубической формы, имеющих равномерное распределение сбросных проемов, и при центральном воспламенении смеси. Однако, даже в этом случае вопрос выбора значений фактора турбулентности и коэффициента расхода, которые должны быть приняты в расчетных схемах для конкретного помещения, остается открытым.
Применительно к аварийным взрывам в атмосфере достаточно неясным является вопрос динамики скорости пламени при аварийном взрыве, который является определяющим при прогнозировании последствий аварии.
Исходя из сказанного, целью настоящей работы является разработка методик расчета взрывных нагрузок в помещении и в атмосфере, которые позволяли бы прогнозировать степень взрывоустойчивости зданий и последствия аварийного взрыва в атмосфере.
В рамках настоящей диссертации выполнен комплекс теоретических и экспериментальных работ по прогнозированию последствий аварийных взрывов, а также обобщен опыт исследований в области взрывобезопасности и взрывоустойчивости объектов, накопленный НТЦ «Взрывоустойчивость» за последние годы. В диссертации решаются следующие задачи:
• Из рассмотрения фронта пламени в виде ячеистой структуры получены соотношения, определяющие ускорение процесса горения при аварийных взрывах в атмосфере и в помещениях.
• Получен критерий использования принципа квазистатичности избыточного давления при внутренних аварийных взрывах и указаны условия, приводящие к возникновению волновых процессов. Приведены мероприятия, способствующие подавлению акустических колебаний, возникающих при взрывном горении.
• Приведены основные уравнения, описывающие динамику взрывного давления в зданиях и помещениях.
• Рассмотрены основные факторы, влияющие на уровни взрывных нагрузок и на интенсификацию взрывного горения. Приведены соотношения, позволяющие проводить количественные оценки влияния различных факторов на уровни взрывных нагрузок.
• Разработаны численная схема и приближенная методика определения динамических параметров взрывных нагрузок, действующих на конструктивные элементы зданий.
• Приведена схема замены динамической нагрузки эквивалентной статической, что позволяет использовать при прогнозировании последствий аварийных взрывов методики, принятые в практике проектирования.
• Рассмотрены примеры определения взрывных нагрузок и степени взрыво-устойчивости зданий.
• Дан анализ последствий реальных аварийных взрывов.
Диссертация объемом 369 страниц содержит 207 иллюстраций и состоит из введения, шести глав, выводов, списка используемой литературы, содержащего 435 наименований, и двух приложений объемом 24 стр.
выводы.
1.Обобщается опыт по прогнозированию последствий аварийных взрывов и определению устойчивости зданий и сооружений к взрывным нагрузкам, накопленный НТЦ «Взрывоустойчивость» за последние годы.
2.Показана необходимость радикального пересмотра нормативной документации в части обеспечения реальной взрывоустойчивости зданий и сооружений, что в значительной степени гарантирует безопасность людей.
3.Показано, что для снижения степени риска в дополнение к мерам, направленным на исключение утечек горючих веществ, необходимо рассматривать комплекс мер, направленных на снижение ущерба при возможном взрыве, что подразумевает технико-экономическое обоснование предлагаемых технических и организационных мероприятий, которые могут быть в основном подтверждены только расчетами, выполненными по достоверным математическим схемам с привлечением экспериментального материала.
4.Разработана методика прогнозирования нагрузок, возникающих в зданиях и помещениях при аварийных взрывах. Методика основана на отказе от принципа сферической симметрии процесса взрыва, на корректном решении газодинамической задачи движения свежей смеси перед фронтом пламени и позволяет достаточно точно прогнозировать динамику избыточного давления при внутренних аварийных взрывах в зданиях и помещениях.
5.Приведены экспертизы последствий аварийных взрывов и определено состояние взрывоустойчивости ряда объектов, что иллюстрирует принципиальную возможность использования разработанных методик для повышения уровня безопасности энергоемких производств.
6.Выявлены основные факторы, подлежащие учету при прогнозировании уровней взрывных нагрузок. Описан математический аппарат, позволяющий проводить расчет динамических характеристик избыточного давления с учетом выявленных факторов.
7.Из рассмотрения общих уравнений движения жидкости в линейной постановке получен критерий применимости принципа квазистатичности взрывного давления при расчете динамических нагрузок в помещениях. Теоретически обоснован и проверен экспериментально способ устранения акустических колебаний, возникающих при взрывном горении в помещениях.
8.На базе численных расчетов и широкой серии экспериментов разработана приближенная методика расчета динамических параметров нагрузок, возникающих в зданиях при аварийных взрывах.
9.Показано, что все факторы, влияющие на взрывные нагрузки, невозможно учесть в формализованном нормативном документе, пользователем которого является специалист, который не знаком с основами газодинамики и физики горения и взрыва.
10.В результате анализа последствий аварийных взрывов, опираясь на теоретические исследования и основываясь на широких экспериментальных исследованиях, делается вывод о том, что все здания со взрывоопасными технологиями должны индивидуально проходить экспертизу состояния их взры-воустойчивости. Причем экспертизу состояния взрывоустойчивости объектов должны проводить специалисты, имеющие необходимую подготовку.
11 .Разработана теория ускорения дефлаграционного пламени в помещениях и в атмосфере. Показано, что ячеистая структура фронта пламени определяет процессы ускорения пламени в атмосфере и в полузамкнутых объемах (зданиях, помещениях). Выявлена взаимосвязь между ячеистой структурой детонационной волны и ячеистой структурой фронта пламени.
12.Разработана методика прогнозирования нагрузок, возникающих при аварийных взрывах на открытых установках, в основу которой положена теория ускорения дефлаграционного пламени, основанная на рассмотрении ячеистой структуры фронта горения.
13.Показано, что видимая скорость пламени, определяющая максимальные уровни взрывных нагрузок, зависит от распределения концентрации в облаке. Поэтому для определения последствий аварийного взрыва необходимо знать не только массу вещества, находящегося во взрывоопасном состоянии, но и распределение концентрации по пространству, которое определяет характерный текущий размер огненного шара, при котором реализуется максимальная скорость пламени. Текущий размер огненного шара определяет «дальнобойность» волны сжатия.
14.Показано, что при незначительных скоростях распространения пламени для определения динамических параметров волны сжатия, возникающей при дефлаграционном аварийном взрыве, можно использовать акустическое (линейное) приближение. Учитывая, что наиболее просто вопрос взаимодействия волны сжатия со зданиями и сооружениями решается в спектральной, а не во временной области, линейное приближение, изучаемое именно в спектральном представлении, наиболее приемлемо при решении прикладных задач, связанных с определением нагрузок от аварийных взрывов в атмосфере.
15.Описана методология определения степени устойчивости зданий и сооружений при воздействии на них взрывных нагрузок, основанная на замене динамической нагрузки эквивалентной ей статической. Приведены примеры определения нагрузок и последствий аварийных взрывов.
16.Разработаны методика прогнозирования последствий аварийных взрывов и методика проведения экспертиз аварийных взрывов. Приведен анализ причин и последствий трех аварийных взрывов, произошедших в Москве за последние годы и дан прогноз последствий аварийных взрывов на нескольких промышленных объектах: объектах Очаковской кустовой базы сжиженных газов (ОКБСГ), установках Московского нефтеперерабатывающего завода (МНПЗ), автозаправочной станции.
17.Описана методология разработки мероприятий по обеспечению взры-воустойчивости зданий и помещений.
