Басенко В.Г., Гуменюк В.И., Танчук М.И. Безопасность жизнедеятельности. Защита в чрезвычайных ситуациях

Подождите немного. Документ загружается.

дукты горения полимерных материалов. Причиной гибели людей при по-

жарах в 70 % случаев является удушье, причем в 50 % – отравление окси-

дом углерода.

Если начавшийся в здании пожар своевременно не потушен, он через

некоторое время превращается в открытый пожар, когда пламя охватывает

всю поверхность здания. В этом случае основным дальнодействующим

поражающим фактором является тепловое

излучение.

Тепловое излучение приводит к повышению температуры облучае-

мого объекта. При превышении некоторого критического значения

кр

TT >

объект перестает нормально функционировать. У человека возни-

кают болевые ощущения – ожог, у материалов существенно изменяются их

характеристики, горючие материалы могут воспламениться.

Результат воздействия теплового излучения на объекты в целом за-

висит от следующих факторов:

– интенсивности излучения;

– продолжительности действия излучения;

– теплофизических характеристик материалов объекта и характери-

стик объекта.

Интенсивность излучения

(мощность излучения, приходящаяся на

единицу площади облучаемой поверхности) и время его действия

оп-

ределяют полную энергию

, подведенную к объекту:

∫

dttJQ

)(

Для заданного объекта поражение тепловым излучением зависит как

от полной энергии

, так и от интенсивности излучения

. Для оценки

степени поражения объекта пользуются пороговой кривой (рис. 1.11) – за-

висимостью, которая связывает величины

при заданном уровне поражении

объекта.

При большом времени теплового

воздействия, превышающем время уста-

новления теплового равновесия, порог

поражения определяется только порого-

вой интенсивностью излучения

пор

. При

пор

Увеличение

времени

действия

Рис. 1.11. Пороговая кривая

Поражение

Нет поражения

пор

Увеличение

времени

действия

Рис. 1.11. Пороговая кривая

Поражение

Нет поражения

импульсном облучении, когда перенос энергии от места воздействия не-

значителен, порог поражения определяется только полной энергией

пор

В промежуточном случае поражение зависит от обеих величин

1.5.2. Техногенные взрывы

Аварии и катастрофы, связанные с взрывами, являются наиболее

опасными и непредсказуемыми. Потенциально опасными объектами с точ-

ки зрения возможности взрыва являются:

– хранилища и склады взрывчатых веществ (ВВ), горюче-смазочных

материалов (ГСМ), нефте-, газо- и продуктопроводы;

– различные производства на предприятиях химической, нефтепере-

рабатывающей, фармацевтической промышленности;

– мельничные элеваторы, деревообрабатывающие предприятия,

ткацкое

производство и т.п. (мучная, древесная, хлопковая пыль);

– средства транспортировки горючих веществ и ВВ железнодорож-

ным, водным, автомобильным транспортом.

Общие сведения о взрыве. Взрыв – это кратковременное неуправ-

ляемое выделение большого количества энергии в незначительном объеме,

в результате которого формируется ударная волна. В зависимости от про-

цесса выделения энергии взрывы делят

на виды:

– физические взрывы;

– химические взрывы;

– ядерные взрывы.

При физических взрывах выделяется уже накопленная веществом к

моменту взрыва энергия, например, энергия сжатых или сжиженных газов

при разрушении емкостей, в которых они хранятся, энергия нагретого ве-

щества при выливании расплавленного металла в воду.

Источник энергии при химических взрывах – это быстропротекаю

щие самоускоряющиеся (лавинные) экзотермические реакции окислении

горючих веществ или термического разложения нестабильных соединений.

При ядерных взрывах энергия выделяется в процессе реакций деле-

ния тяжелых ядер и синтеза легких ядер.

Будем рассматривать химические взрывы в нормальной атмосфере

(

273 К,

1,013·10

Па), как наиболее характерные для аварийных

ситуаций. Подводные и подземные взрывы обычно являются запланиро-

ванными и используются в военных и мирных целях.

Взрывчатое вещество, участвующее в химическом превращении,

может быть твердым или жидким (конденсированные ВВ), газообразным

или аэрозолем жидкого или твердого горючего вещества в воздухе (газо-

воздушная, паровоздушная или пылевоздушная смеси). В последнем слу-

чае взрывы называются

объемными.

Химическая реакция взрывного превращения запускается источни-

ком взрыва – это источник зажигания для смесей горючих веществ с воз-

духом или детонатор для конденсированных ВВ. От источника взрыва по

исходному веществу со скоростью

v распространяется волна взрывного

превращения – зона реакции, за ней остаются нагретые газообразные про-

дукты взрыва. В зависимости от величины этой скорости

v различают два

режима взрывного превращения: детонация и дефлаграция.

В режиме детонации происходит взрыв конденсированных ВВ и при

некоторых условиях – взрыв смеси горючих веществ с воздухом.

При

детонации движение зоны реакции управляется ударным сжа-

тием исходного вещества. Плотность, давление и температура среды на

фронте ударной волны меняются скачком. Перемещение зоны реакции

происходит со скоростью ударной волны, они двигаются вместе, образуя

детонационную волну. Ее скорость превышает скорость звука в исходной

среде

vv >

(

400...300≈

м/с в смесях горючих веществ с воздухом;

6000...2000≈

м/с в твердых веществах и жидкостях). Скорость дето-

национной волны – максимально возможная для данного взрывчатого ве-

щества и является для него константой.

Режим дефлаграции (дефлаграционный взрыв) наблюдается при

взрыве смесей горючих веществ с воздухом.

При

дефлаграции движение зоны реакции по горючей смеси осуще-

ствляется за счет процессов переноса – диффузии и теплопроводности, оп-

ределяемых скоростью теплового движения молекул газа. Скорость дви-

жения зоны горения – дозвуковая

vvv

1,0

. Волна давления – воз-

душная ударная волна уходит вперед от зоны горения.

Взрыв смесей горючих веществ с воздухом в режиме детонации

опаснее, чем дефлаграционный взрыв вследствие образования более ин-

тенсивной ударной волны.

Наиболее типичная картина взрыва в режиме детонации наблюдается

при взрыве конденсированных взрывчатых веществ. Одна из основных ха-

рактеристик конденсированных взрывчатых веществ – это удельная тепло-

та взрыва

– энергия, выделяющаяся при взрыве единицы массы ВВ

(табл. 1.8).

Т а б л и ц а 1.8

Характеристики конденсированных взрывчатых веществ

Взрывчатое вещество Плотность

ВВ

, кг/м

Теплота взрыва

Q , МДж/кг

Тринитротолуол (тротил) – ТНТ 1600 4,52

Амматол 80/20 (80 % нитрата аммония +20 %

ТНТ)

1600 2,65

Гексоген 1650 5,36

Гремучая ртуть 4430 1,79

Нитроглицерин (жидкость) 1590 6,70

Октоген 1900 5,68

Октол (70 % октана + 30 % ТНТ) 1800 4,50

Тетрил 1730 4,52

ТЭН 1770 5,80

Пентолит (50 % ТЭН + 50 % ТНТ) 1660 5,11

Тринотал (80 % ТНТ + 20 % Al) 1720 7,41

Торпекс (42 % гексогена + 40 % ТНТ +18 % Al) 1760 7,54

60 %-ный нитроглицериновый динамит 1300 2,71

Пластит 1300 4,52

Давление во фронте детонационной волны и скорость ее фронта оп-

ределяются соотношениями:

+γ

=ρ−γ=

дд

)1(

,)1(2

(1.13)

где

– давление во фронте, Па;

– скорость фронта, м/с;

– плотность

взрывчатого вещества, кг/м

;

– теплота взрыва, Дж/кг;

– показатель

адиабаты продуктов взрыва.

Как показывают результаты эксперимента, значение показателя

адиабаты для продуктов взрыва можно принять равным 3, тогда для три-

нитротолуола (ТНТ) получим давление во фронте детонационной волны

109,2 ⋅≈

P Па и ее скорость

8500

≈

м/с.

Воздушная ударная волна. Практически вся (>90 %) энергия взры-

ва конденсированных ВВ расходуется на образование воздушной ударной

волны, которая способна разрушать объекты на значительном расстоянии

от точки взрыва.

При выходе детонационной волны на

границу “ВВ – невозмущенный воздух” (рис.

1.12) расширяющиеся продукты взрыва дей-

ствуют на окружающий воздух как твердый

сверхзвуковой

поршень. В результате этого

формируется воздушная ударная волна

(ВУВ).

Образование воздушной ударной вол-

ны и ее отличие от продольной упругой волны в воздухе можно пояснить

на следующем примере. Рассмотрим движение твердого поршня со скоро-

стью

v (рис. 1.13) в длинной трубе, содержащей воздух при нормальных

условиях (

10013,1 ⋅=P Па,

273

К,

29,1

кг/м

1) Пусть скорость движения поршня

(рис. 1.13-а). Скорость

звука в воздухе

одного порядка со средней скоростью теплового дви-

жения молекул

тзв

(1.14)

где

– постоянная адиабаты для воздуха (

4,1

);

31,8

Дж/(моль·К) –

универсальная газовая постоянная;

029,0

кг/моль – молярная масса

воздуха. Сделав вычисления по формуле (1.14), получим:

331 м/с,

Продукты

взрыва

Невозмущенный

воздух

Рис. 1.12. Образование ВУВ

Продукты

взрыва

Невозмущенный

воздух

Рис. 1.12. Образование ВУВ

зв

Эстафета

а) б) в)

зв

vv <

зв

vv >>

Рис. 1.13. Образование упругой и ударной волны в воздухе

000

,, ρTP

000

,, ρTP

111

,, ρTP

зв

Эстафета

а) б) в)

зв

vv <

зв

vv >>

Рис. 1.13. Образование упругой и ударной волны в воздухе

000

,, ρTP

000

,, ρTP

111

,, ρTP

446 м/с.

Вызванное движением поршня возмущение воздуха посредством

“эстафеты” (рис. 1.13-б) – от молекулы к молекуле за счет теплового дви-

жения будет перемещаться по трубе вправо – т. е. по трубе вправо будет

распространяться продольная упругая волна сжатия – звуковая волна. При

этом не будет массового движения воздуха, давление, температура и плот-

ность

воздуха не изменяются.

2) Пусть теперь скорость поршня

vvv ,>>

. Поскольку скорость

теплового движения молекул воздуха мала по сравнению со скоростью

поршня, молекулы не могут “убежать” от поршня, а остаются перед

ним, т. е. перед поршнем воздух сжимается (эффект “бульдозера”), давле-

ние, температура и плотность его повышаются:

010101

>ρ>> TTPP

Масса сжатого перед поршнем воздуха движется со скоростью поршня

(рис. 1.13-в). Если поршень остановить, то эта масса сжатого воздуха по

инерции будет двигаться вправо. На передней границе сжатой области бу-

дет наблюдаться, как описано выше, “сгребание” атмосферного воздуха. С

тыльной же границы сжатой области будет отток воздуха в пространство

между

сжатой областью и поршнем – это область разрежения – понижен-

ного давления.

Область сжатия воз-

духа, распространяющаяся

со сверхзвуковой скоро-

стью, называется воздушной

ударной волной (пояснение

названия “ударная” ниже).

Изменение давления с тече-

нием времени

)(

в какой

– то точке, находящейся на

расстоянии

от взрыва,

показано на рис. 1.14, время

прихода ВУВ -

. Передняя

граница области сжатия на-

зывается фронтом ВУВ.

)(

Фронт ВУВ

Фаза сжатия

Фаза разрежения

−

PΔ

Отраженная волна

−

Рис.1.14. Параметры воздушной ударной

волны ( - избыточное давление во фронте

ВУВ, - амплитуда волны разрежения,

- длительность фазы сжатия, - дли-

тельность фазы разрежения, , - вто-

ричный подъем давления и его длительность)

−

PΔ

−

ΔP

)(

Фронт ВУВ

Фаза сжатия

Фаза разрежения

−

PΔ

Отраженная волна

−

Рис.1.14. Параметры воздушной ударной

волны ( - избыточное давление во фронте

ВУВ, - амплитуда волны разрежения,

- длительность фазы сжатия, - дли-

тельность фазы разрежения, , - вто-

ричный подъем давления и его длительность)

−

PΔ

−

ΔP

Толщина фронта ВУВ порядка средней длины свободного пробега молекул

в воздухе (

−

≈ м). Кроме первого – самого интенсивного изменения

давления (в падающей ударной волне) могут наблюдаться повторные по-

вышения давления, обусловленные отражением волны от преград. Макси-

мальное давление, плотность, температура воздуха наблюдаются во фрон-

те ВУВ.

Область пространства, в которой избыточное давление

0)(

>−=Δ PtPP

называется зоной сжатия, ее протяженность в направ-

лении распространения волны

– длина ВУВ. Область, в которой

ΔP

называется зоной разрежения. Воздух в зоне сжатия движется в том же на-

правлении, что и фронт ударной волны – от точки взрыва; в зоне разреже-

ния – в обратном направлении – к точке взрыва.

Основной параметр ВУВ, характеризующий ее интенсивность – это

избыточное давление во фронте волны

PPP

фф

−

. Через величину

PΔ

обычно выражают характеристики воздуха во фронте ударной волны:

плотность

, скорость фронта волны

v , массовую скорость воздуха

движущегося за фронтом волны, давление скоростного напора

ск

PΔ

, им-

пульс давления в фазе сжатия

I и др.:

−

ρ=ρ

;

звф

+= 1vv

;

зв

+γ

;

mф

ск

vρ

=Δ

;

∫

Δ=

)( dttPI

(1.15)

где

/ PPk

Δ=

;

= 2/)1(b

4,1/

– показатель адиабаты

для воздуха.

Избыточное давление во фронте ВУВ

при взрыве в однородной

атмосфере (воздушный взрыв) зависит от вида и массы

взрывчатого

вещества (или общей энергии взрыва

) и расстояния R до точки

взрыва. Исследования многих авторов показали, что для воздушных взры-

вов конденсированных ВВ справедлив закон подобия и величину

можно рассчитывать с помощью приведенного расстояния (переменная

Садовского – Гопкинсона)

33,0

/ GRR =

∗

. Расчет избыточного давления

PΔ

воздушных взрывов наиболее часто используемого взрывчатого ве-

щества тринитротолуола (тротила) производят с помощью эмпирической

формулы (формула Садовского):

33,0

33,033,0

70728081

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+⋅=Δ

(1.16)

где

PΔ

– избыточное давление, кПа,

– масса тротила (ТНТ), кг; R –

расстояние до взрыва, м.

В случае воздушного взрыва его энергия распределяется во всем

пространстве (

π4

телесного угла) и фронт ударной волны имеет форму

сферы.

При наземном взрыве (подстилающая поверхность – абсолютно

твердая) его энергия распределяется в верхнем полупространстве (

те-

лесного угла), фронт волны – полусфера. В этом случае вид зависимости

),( RGP

сохраняется, но постоянные коэффициенты увеличиваются так,

как было бы при замене величины

на

(эксперимент дает от 1,6 до

2,0 в зависимости от вида подстилающей поверхности). Тогда для назем-

ного взрыва принимают:

33,0

33,033,0

1410420101

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+⋅=Δ

(1.17)

Второй параметр ВУВ, определяющий ее поражающе действие, – это

импульс давления

I в фазе сжатия. Для обоих видов взрывов он также за-

висит от

и R и для тротила рассчитывается по формуле:

66,0

350=

(1.18)

где

I - импульс давления, Па·с;

- масса ТНТ, кг; R - расстояние до

взрыва, м.

Амплитуда давления в волне разрежения

−

значительно меньше

величины

PΔ , поэтому в большинстве исследований отрицательная фаза

не учитывается, однако она и вторичные волны могут быть важными фак-

торами поражения при возникновении резонансных явлений.

Отражение воздушной ударной волны от преграды. Ударная вол-

на, образующаяся при воздушном взрыве ВВ – падающая ВУВ

– распро-

страняясь в воздухе, встречает на своем пути преграды – поверхность зем-

ли, здания, сооружения и т. п. При этом происходит отражение падающей

ВУВ от преграды и образуется отраженная воздушная ударная волна. Учет

отражения ударной волны важен, поскольку при этом происходит повы-

шение избыточного давления.

Простейший случай формирования отраженной воздушной ударной

волны имеет место при нормальном падении ВУВ на плоскую жесткую

преграду – когда фронт падающей волны параллелен плоскости преграды

(рис. 1.15).

После соприкосновения фронта падающей ВУВ с преградой воздух,

движущийся за фронтом падающей ВУВ, начинает тормозиться преградой.

В результате этого кинетическая энергия движущегося воздуха переходит

потенциальную энергию сжатия, давление воздуха у преграды возрастает

и по падающей ВУВ вверх распространяется возмущение – отраженная

ударная волна. Избыточное давление в ее фронте

12 фф

PP Δ>

. Отражение

1ф

2ф

Падающая

ВУВ

Отраженная

волна

2ф

PΔ

1ф

PΔ

До соприкосновения

ВУВ с преградой

После соприкосновения

ВУВ с преградой

Рис. 1.15. Образование отраженной волны при нормальном падении ВУВ на преграду:

1 – фронт падающей волны ( ), 2 – фронт отраженной волны ( )

1ф

2ф

PΔ

1ф

2ф

Падающая

ВУВ

Отраженная

волна

2ф

PΔ

1ф

PΔ

До соприкосновения

ВУВ с преградой

После соприкосновения

ВУВ с преградой

Рис. 1.15. Образование отраженной волны при нормальном падении ВУВ на преграду:

1 – фронт падающей волны ( ), 2 – фронт отраженной волны ( )

1ф

2ф

PΔ

ВУВ характеризуется коэффициентом отражения:

отр

= . Для нор-

мального падения ударной волны, распространяющейся в идеальном газе:

фф

отр

Δ−γ

−γ

(1.19)

где

4,1=γ

– постоянная адиабаты для воздуха.

Из этой формулы видно, что давление

2ф

в отраженной волне

превышает давление

1ф

PΔ

в падающей волне в 2…8 раз (“2” – при

<<Δ

– “слабая” ВУВ, “8” – при

– “сильная” ВУВ). Для

реального газа

11)(

max

≈

отр

. Таким образом, явление отражения ВУВ

приводит к увеличению избыточного давления, действующего на объект.

Если фронт падающей плоской волны образует некоторый угол

0>α

с отражающей поверхностью (косой удар), картина отражения ус-

ложняется (рис. 1.16). В зависимости от угла падения

и значения избы-

Фронт падающей волны (1)

Фронт отраженной волны (2)

Фронт головной волны (3)

4321

tttt <<<

1ф

2ф

3ф

Точка

взрыва

Эпицентр

взрыва

Ближняя

зона

Дальняя зона

Рис. 1.16. Отражение ударной волны воздушного взрыва от поверхности земли

Фронт падающей волны (1)

Фронт отраженной волны (2)

Фронт головной волны (3)

4321

tttt <<<

1ф

2ф

3ф

Точка

взрыва

Эпицентр

взрыва

Ближняя

зона

Дальняя зона

Рис. 1.16. Отражение ударной волны воздушного взрыва от поверхности земли