Информационные системы и процессы в реализации задач оценки последствий аварийных взрывов топливовоздушных смесей

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ В РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАЧ ОЦЕНКИ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНЫХ ВЗРЫВОВ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ

Обеспечение безопасности персонала и снижение материального ущерба от возможных чрезвычайных ситуаций является весьма актуальной задачей. Около 80% от числа всех техногенных чрезвычайных ситуаций приходится на долю пожаров и взрывов [1, 2].

В настоящее время специалисты противопожарной службы, выезжая на аварии, связанные с пожарами на производствах, достаточно часто сталкиваются с авариями, развитие которых происходит по схемам [3, 4]:

• а) загорание — массированный пожар — взрыв;
• б) взрыв — массированный пожар — вторичные взрывы.

Статистика аварий, представленная в таблице 1, позволяет количественно оценить процент аварий.

Таблица 1 — Статистика аварий.

Из приведенных данных видно, что значительная доля аварий — это аварии типа: загорание (пожар) — взрыв (взрыв облака горючей смеси) или взрыв — массированный пожар — взрыв.

Взрывной процесс (взрыв) — это очень быстрое физическое или химическое превращение системы, сопровождающееся переходом большого количества потенциальной энергии в тепловую энергию и механическую работу.

Основные поражающие факторы взрыва [5]:

• — воздушная ударная волна,
• — осколочные поля.

Зоны действия взрыва представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 — Зоны действия взрыва.

Масштабы последствий взрывов зависят от их мощности детонационной и среды, в которой они происходят. Радиусы зон поражения могут доходить до нескольких километров. Различают три зоны действия взрыва [4, 5].

Зона 1 — действие детонационной волны. Для нее характерно интенсивное дробящее действие, в результате которого конструкции разрушаются на отдельные фрагменты, разлетающиеся с большими скоростями от центра взрыва.

Зона 2 — действие продуктов взрыва. В ней происходит полное разрушение зданий и сооружений под действием расширяющихся продуктов взрыва. На внешней границе этой зоны образующаяся ударная волна отрывается от продуктов взрыва и движется самостоятельно от центра взрыва. Исчерпав свою энергию, продукты взрыва, расширившись до плотности, соответствующей атмосферному давлению, не производят больше разрушительного действия.

Зона 3 — действие воздушной ударной волны. Эта зона включает три подзоны: 3 а — сильных разрушений, 3 б — средних разрушений, III в — слабых разрушений. На внешней границе зоны 3 ударная волна вырождается в звуковую, слышимую на значительных расстояниях.

Если скорость процесса взрыва постоянная и максимальна при данных условиях, то такой случай взрыва называют детонацией.

Скорость детонации взрывчатых веществ различна и достигает больших значений.

Детонация возникает на определенной стадии взрывного процесса во времени и ее скорость V зависит от давления Р (рис. 2).

Взрывы могут осуществляться при помощи самых различных источников энергии. Они подразделяются в зависимости от природы происхождения, агрегатного состояния среды, условий, вызывающих возникновение взрыва. В зависимости от источника энергии взрывы можно классифицировать на:

• — физические взрывы;
• — химические взрывы.

Рисунок 2 — Скорость взрывного превращения и давление при взрыве

Основные виды физических и химических взрывов представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 — Основные виды физических и химических взрывов.

К химическим взрывам относятся процессы быстрого химического превращения вещества, проявляющиеся горением и характеризующиеся выделением тепловой энергии за короткий промежуток времени и в таком объеме, что образуются волны давления, распространяющиеся от источника взрыва.

Химические превращения происходят в результате следующих реакций [4]:

• — разложения;
• — окислительно-восстановительных;
• — поляризации, изомеризации и конденсации.

К физическим взрывам относятся процессы, приводящие к возникновению внутреннего давления, которое превышает предельно допустимые значения для оборудования.

К физическим относятся взрывы [5]:

• — сосудов, работающих под давлением;
• — оборудования из-за увеличения давления внутри него выше нормы;
• — электрические;
• — за счет энергии фазового перехода «жидкость — кристалл», а также физическая детонация.

Продукты взрыва, сжатые давлением, расширяются до тех пор, пока давление в них не станет таким, как давление окружающей среды. Практически на момент выравнивания давления заканчивается разрушающее и поражающее действие непосредственно продуктов взрыва.

Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, окружающая очаг взрыва среда испытывает сжатие и приобретает большую скорость. Движение передаётся от одного слоя к другому, так что область, охваченная взрывом, быстро расширяется. Скачкообразное изменение состояния вещества на фронте взрыва, называется ударной волной, распространяется со сверхзвуковой скоростью.

Основными параметрами, характеризующими взрывчатые вещества, являются максимальное давление. По мере удаления от места взрыва максимальное давление и импульс уменьшаются, а время действия растёт (рис. 4).

Взрывчатые вещества обладают свойством подобия. Расстояние, на котором волна имеет заданную интенсивность, связано с энергией взрыва q соотношением:

Однако из-за возникновения и распространения ударных волн разрушающее действие взрыва может передаваться через окружающую среду на расстояния, много превышающие те, на которых еще могут действовать непосредственно продукты взрыва.

Рисунок 4 — Изменение давления в фиксированной точке на местности в зависимости от времени.

Основным параметром, который определяет разрушающее и поражающее действие ударных волн, является избыточное давление на фронте ударной волны [5, 6, 7]:

где — избыточное давление на фронте ударной волны;

— давление на фронте ударной волны;

— атмосферное давление.

В некоторых случаях при оценке разрушающего действия ударных волн приходится учитывать величину удельного импульса области сжатия:

— изменение избыточного давления во времени за фронтом ударной волны; поражение взрыв давление импульс.

— время действия избыточного давления.

Избыточное давление на фронте ударной волны, равное 0,12· 0,2 Па, принято считать безопасным для человека.

Давление порядка (0,12−0,2)105 Па может нанести зданиям и сооружениям легкие повреждения, например, разрушить остекление, сорвать частично кровлю.

Безопасное расстояние по действию воздушной ударной волны можно рассчитать по формуле — тротиловый эквивалент взрыва.

На основе методики [1] разработано Windows-приложение, позволяющее исследовать зависимость уровня разрушений от расстояния от эпицентра взрыва.

После запуска приложения появляется диалоговое окно, в котором пользователю предлагается ввести исходные данные к расчету (рис. 5) [8, 9]:

• — название горючего вещества (выбор из списка);
• — масса горючего вещества в облаке ТВС, кг;
• — средняя концентрация горючего вещества в облаке ТВС, кг;
• — тип облака ТВС (выбор из списка: газовая; гетерогенная);
• — класс окружающего пространства (выбор из списка: 1; 2; 3; 4);
• — расстояние от эпицентра взрыва, м;
• — стехиометрический коэффициент перед горючим веществом;
• — молярная масса горючего вещества, г/моль.

Рисунок 5 — Интерфейс приложения при запуске

Алгоритмом работы приложения реализовано автоматическое заполнение поля «Молярная масса горючего вещества, г/моль» в зависимости от выбранного пользователем названия горючего вещества.

После ввода исходных данных пользователь нажимает на кнопку «Вычислить», что приводит к расчету всех параметров и открытию окна «Результаты расчета» (рис. 6). По умолчанию результаты расчета представлены в табличном виде (активна вкладка «Таблица»). Для просмотра результатов расчета в графическом виде необходимо перейти на вкладку «Графики» (рис. 7) [10, 11].

Рисунок 6 — Диалогового окна «Результаты расчета» с табличным представлением данных.

Рисунок 7 — Диалоговое окна «Результаты расчета» с графическим представлением данных.

Разработанный программный продукт может быть использован в учебном процессе при изучении дисциплин «Теория горения и взрыва», «Производственная безопасность» «Защита в чрезвычайных ситуациях», а также быть рекомендовано практическим работникам сферы безопасности труда, прогнозирования и оценки последствий техногенных аварий и катастроф, преподавателям дисциплин данного профиля.

• 1. Липкович, И. Э. Теория горения и взрыва: учебное пособие для практических занятий / И. Э. Липкович, Н. В. Петренко, И. В. Орищенко. — Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2014. — 121 с.
• 2. Кукин, П. П. Теория горения и взрыва: учебное пособие / П. П. Кукин, В. В. Юшин, С. Г. Емельянов. — Москва: Изд-во Юрайт, 2012. — 435 с.
• 3. Свид. 2 015 610 932 Российская Федерация. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Оценка последствий аварийных взрывов тепловоздушных смесей / Н. Н. Грачева, Н. Б. Руденко, И. В. Орищенко, В. Н. Литвинов, Н. В. Петренко, И. Э. Липкович; заявители и правообладатели Н. Н. Грачева, Н. Б. Руденко, И. В. Орищенко, В. Н. Литвинов, Н. В. Петренко, И. Э. Липкович (RU). — № 2 014 662 548; заявл. 27.11.2014; опубл. 20.02.2015, Реестр программ для ЭВМ. — 1 с. Стиллмен, Э. Изучаем C# / Э. Стиллмен, Дж. Грин. — СПб: Питер, 2012.
• 4. Компьютерная модель оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей / И. В. Орищенко, Н. Н. Грачева, Н. Б. Руденко и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). — Краснодар: КубГАУ, 2015. — № 02(106). С. 301 — 312.
• 5. Структурное моделирование систем / Б. А. Карташов, В. Н. Литвинов, И. К. Винников, Е. В. Бенова // Инновационные технологии и технические средства в животноводстве: Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Инновационные технологии для АПК России» (14−15 мая 2008 г., г. Зерноград). — Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2008. — 379 с. — С. 121−129
• 6. База данных — основа программных продуктов / В. Н. Литвинов, О. Б. Забродина // Сельский механизатор. — 2008. — № 4. — C. 39
• 7. Литвинов, В. Н. Современное компьютерное программирование: лабораторный практикум / В. Н. Литвинов, Н. Б. Руденко, Н. Н. Грачева. — Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ, 2015. — 164 с.
• 8. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливовоздушных смесей: учебное пособие для практических занятий / И. Э. Липоквич, Н. В. Петренко, И. В. Орищенко, Н. Н. Грачева, Н. Б. Руденко. — Зерноград: РИО ФБГОУ ВПО ДГАУ АЧИИ, 2015. — 34 с.