Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

При взрывах на транспортных системах сжиженных газов

отмечаются существенная неадекватность в эффективности

тепломассообмена и диспергирования жидкости в окружающей

среде, что обусловлено различными размерами и характером

твердых поверхностей разлива, погодными условиями, многооб-

разием особенностей разрушения оболочек.

5.3.2. Взрывы по модели огненного шара

Взрывы.с образованием огненных шаров происходят при

больших массах горючей жидкости, высоких значениях энергии

перегрева и внезапном разрушении сосудов, когда мгновенно

образуется огромная масса паров. Это часто происходит при

огневом или другом интенсивном нагреве сосудов со сжижен-

ными углеводородными газами и ЛВЖ. Поэтому локальные

пожары или взрывы с последующим возникновением пожаров

на складах сжиженных газов или технологических установках

всегда представляют опасность масштабного развития аварий,

особенно при больших плотностях энергоносителей на произ-

водственых площадях.

Так, при катастрофе на хранилище сжиженных углеводород-

ных газов (СУГ) в пригороде Мехико Сан-Хуанико (1984 г.)

было зарегистрировано девять крупных следовавших один за

другим взрывов резервуаров. При этом возникали огненные

шары диаметром от 600 до 200 м со временем их существования

от 90 до 30 с. Резервуарный парк размером 100x100 м состоял

из 6 сферических и 48 цилиндрических горизонтальных емко-

стей для хранения 16 000 м

(8000 т) сжиженных углеводород-

ных газов Сз—С

. На рис. 5.3, а сферические резервуары в

квадрате склада изображены окружностями, цилиндрические —

прямоугольниками, промышленные установки находятся за пре-

делами склада; ближайшие жилые кварталы располагались в

150 м от границы территорий склада.

На начало аварии энергонасыщенность резервуарного парка

составляла «600 кг сжиженных углеводородных газов (СУГ)

на 1 м

площади склада. В результате утечки больших коли-

честв СУГ из трубопровода или цилиндрического резервуара из

сектора, имевшего обваловку высотой 1 м, СУГ вытекал за

территорию хранилища. Образовавшееся при этом облако па-

ров высотой более 2 м воспламенилось от пламени факельного

устройства на крыше отделения наполнения и хранения балло-

нов. Воспламенившись, частично ограниченное облако паров

СУГ сдетонировало.

Под воздействием теплового излучения и ударной волны

были повреждены резервуары и трубопроводы, возникло фа-

кельное горение паров, вызвавшее интенсивный прогрев резер-

вуаров с СУГ и их взрывы. Под воздействием летящих оскол-

ков и частей оборудования, ударных волн и теплового излуче-

ния в развитие аварии вовлекались все новые производствен-

171

Рис, 5.3. План-схема промышленного предприятия в Сан-Хуанико до (а) и по-

сле аварии (б) (Мексика, 1984 г.)

ные объекты. В районе хранилища резервуаров произошел

пожар, который поддерживался за счет газа, поступавшего из

разорванных трубопроводов,

В результате аварии (рис. 5.3, б) полностью уничтожено

само хранилище, соседние с ним промышленные объекты, строе-

ния бывших районов городской застройки (заштрихованные);

фрагменты взорвавшихся резервуаров разбросало в разных

направлениях (прямоугольниками обозначено местонахождение

фрагментов цилиндрических и окружностями— сферических

резервуаров). Два из шести сферических резервуаров остались

на месте (большие кружки).

Самыми мощными при аварии были взрывы резервуаров с

перегретыми жидкостями, которые продолжались в течение

«1 ч 15 мин (с 5 ч 46 мин до 7 ч 01 мин); произошло боль-

шое число мелких взрывов, которые продолжались «6 ч (до

11 ч). При таком характере развития событий прибывшие в

6 ч 20 мин пожарные и воинские соединения могли разместиться

только на расстоянии

— 1,5 км от эпицентра взрыва и пыта-

лись предотвратить лишь распространение пожара. Авария

была ликвидирована только около 20 ч, т. е. спустя 14 ч с

момента их прибытия на место. В локализации аварии приняли

участие более 20 000 человек из воинских и пожарных подразде-

лений. При аварии погибли 500 человек, 7000 серьезно постра-

дали; из района аварии были эвакуированы примерно 200 000

человек. В жилых кварталах разрушено 400 и серьезно постра-

дало 300 жилых домов; в радиусе 1 км огнем уничтожена вся

растительность.

172

1з результатов расследования следует, что взрывы резер-

вов происходили последовательно в течение 1 ч 15 мин

рвый крупный взрыв произошел в 5 ч 46 мин, а последний

ч 01 мин). Наибольшие разрушения вызваны, по-видимому,

ывами больших сферических резервуаров (фрагменты четы-

; из шести были разбросаны на расстояния до 400 м). При

)М могли образоваться и огненные шары больших размеров.

т взрывах цилиндрических резервуаров малых объемов

ответственно возникали огненные шары меньших размеров,

гтановить точную количественную зависимость размеров ог-

гнных шаров от массы горючих веществ при данной весьма

аожной аварии не представляется возможным, однако общий

аблюдаемый уровень разрушений с достаточной достоверно-

тью свидетельствует о том, что авария развивалась по модели

)гненного шара.

Наблюдаемые разрушения от ударных волн при взрывах

сферических (объемом 1600 м

— 4 шт., 2400 м

— 2 шт.) и

цилиндрических горизонтальных (объемом 200—50 м

— 48 шт.)

резервуаров сопоставлялись с рассчитанными ••по формуле (1.9)

при г =

0,1

и и?=140 т. При этом наибольшая сходимость наб-

людаемого уровня разрушений с расчетным отмечается в обла-

стях высоких давлений (>28 кПа) на расстояниях от места

установки резервуаров /? = 270—500 м, найденных по (1.9) при

значениях констант

/С

—5,6 и Лз = 9,6.

По наблюдаемым максимальным радиусам огненных шаров

можно оценить массу сжиженного газа в резервуарах, которые

были вовлечены в цепное развитие аварии по типу взрывов

расширяющихся паров вскипающей жидкости. По формуле

(5.6) определяют массы СУГ, участвующие в образовании ог-

ненных шаров, которые составили от 48 до 1300 т. Опасность

теплового воздействия можно оценить по площади выгоревшей

растительности; так, расстоянию /?=1000 м ориентировочно

соответствует 1,5 диаметра огненного шара диаметром 600 м.

При авариях -такого типа уровень опасности должен харак-

теризоваться (наряду с ударными волнами) тепловым воздей-

ствием на объекты от огненных шаров и распространяющегося

по газовой смеси пламени в наземных слоях атмосферы. Напри-

мер, авария в Сан-Карлосе сопровождалась образованием ог-

ненного шара, который оценивается радиусом /? = 27,5 М

= 27,5.23°'

333

= 78 м. От теплового воздействия мгновенно умерли

люди, оказавшиеся в зоне огненного шара, а находящиеся на

расстояниях >1,5 диаметров от него получили тяжелые ожоги.

Общая площадь поражения составила 400x80 м (32-Ю

При аварии в Гуд-Хопе (США, 1979 г.) вследствие разру-

шения танка, содержащего ж 100 т жидкого бутана, при тем-

пературе окружающей среды 26 °С произошел взрыв с образо-

ванием ударной волны давлением «0,3 МПа и огненного шара

радиусом /? = 127 м (по наблюдениям огненный шар имел ради-

ус /?=120—150 м и продолжительность горения менее 60 с).

171

В радиусе 200 м от его центра («1,5 диаметра) находи.

39 человек, из которых 15 скончались, 13 получили тяжель

6 — легкие ожоги. По этим и другим наблюдениям след

считать опасными для жизни зоны теплового воздействия

ненных шаров углеводородов на расстояниях от центра ме1

1,5 диаметра.

Исследования последствий некоторых других катастр*

также подтверждают высокую достоверность найденных зав

симостей по определению уровня опасности взрыва емкост!

с перегретыми жидкостями. Так, в июле 1979 г. произоше

взрыв автоцистерны СУГ вместимостью 120 м

в Кресент-Сит

(штат Иллинойс, США). Столб, соединяющий огненный шар

землей, был образован пылью, всасывающейся восходящи*

потоком горячего воздуха. Площадь поверхности земли, охва

ченной пламенем, была близка к площади круга с радиусом, не-

сколько превышающим радиус огненного шара. Для количест-

венной оценки размеры наблюдаемого огненного шара диамет-

ром 180 м сопоставляли с рассчитанными по его зависимости

от массы горючего вещества, равной 68 т. По теоретической

зависимости кубического корня расчетный диаметр огненного

шара составил 280 м. Близкими к теоретическим оказались раз-

меры огненного шара, рассчитанные по эмпирическим зависи-

мостям (5.8): 0 = 204 м и (5.5)—0 = 224 м; несколько завы-

шенным оказался диаметр, найденный по формуле (5.6) и

равный 275 м.

5.3.3. Взрывы перегретых горючих жидкостей

с температурой кипения, превышающей температуру

окружающей среды

В промышленных условиях энергия перегрева жидкости, как

уже отмечалось, может быть основным источником образования

паровых облаков. Если нагретая жидкость имеет температуру

выше температуры окружающей среды, теплопритока от твер-

дых поверхностей к разлитой жидкости не происходит. Ско-

рость парообразования на поверхности разлитой жидкости при

быстротечном высвобождении энергии перегрева также оказы-

вается несопоставимо малой. В этих случаях решающее влия-

ние оказывают общие запасы внутренней энергии и уровень

нагрева жидкости.

В качестве примера приведем результаты исследования аг-

регата окисления циклогексана (температура кипения 80 °С)

в производстве капролактама в период, предшествовавший ка-

тастрофе во Фликсборо (Англия). Блок жидкофазного окисле-

ния циклогексана, из которого произошел внезапный выброс,

представлял собой каскад из шести вертикальных цилиндри-

ческих аппаратов диаметром 3 м и высотой 5,75 м. Непрерыв-

ный переток жидкости в каскаде происходил по соединяющим

аппараты перемычкам диаметром 0,7 м, наполовину залитыми

жидкостью, что обеспечивало содержание в каждом реакторе

30 м

жидкости (объемная доля циклогексана 94%) и 10 м

парогазовой фазы, состоящей из циклогексана, азота и кисло-

рода. Воздух в каждый аппарат подавался по барботерам.

Процесс велся при избыточном давлении 0,8 МПа и 155°С с

подводом небольшого количества тепла, так как тепловой эф-

фект реакции не обеспечивал необходимый тепловой баланс.

Пятый аппарат, который имел трещину в корпусе, был уда-

лен из каскада для ремонта, а четвертый и шестой были сое-

динены временной перемычкой. При внезапном отрыве этой

перемычки по линзовым компенсаторам деформаций в этих

аппаратах образовались отверстия диаметром 0,7 м, через

которые при сильном звуковом эффекте стала выбрасываться

в атмосферу парожидкостная смесь циклогексана. Через 45 с

образовавшееся облако воспламенилось от открытого пламени

печей с огневым обогревом и были зарегистрированы два пос-

ледовавших через малые промежутки времени взрывы, после

которых возник большой пожар. На период, предшествовавший

аварии, были установлены следующие факторы:

невозможность поступления в блок горючих парогазовых

и жидких сред по ходу обратного потока из аппаратуры, распо-

ложенной за последним реактором;

быстродействие блокировочных устройств, отключающих

поступление циклогексана и воздуха после падения давления в

блоке ниже определенной величины;

мгновенное прекращение экзотермической реакции при

прекращении подачи сырьевых потоков и катализатора, а так-

же при значительных изменениях параметров процесса;

несопоставимо низкий уровень теплопередачи от внешнего

теплоносителя к реакционной среде и быстродействие блоки-

рующих устройств прекращения подачи теплоносителей.

При таких условиях основными источниками энергии взры-

ва могли быть энергия сжатых паров циклогексана и теплота

перегрева жидкой фазы циклогексана. Общая масса облака,

образовавшегося за счет энергии перегрева жидкости, с учетом

эффекта диспергирования и рассеивания в виде мелких капель

в окружающей среде могла составить «60 т циклогексана.

При этом общий ориентировочный расчетный энергетический

потенциал взрыва парового облака мог быть равен сумме

энергий расширения сжатых паров и сгорания мгновенно обра-

зовавшихся паров и диспергированной жидкости. На быстро-,

течное развитие аварии и крупные масштабы разрушений ре-

шающее влияние оказала большая масса перегретого жидкого

циклогексана в единичном объеме технологического блока. При

доле участия во взрыве парового облака циклогексана, равной

0,1, расчетные энергетические показатели приближенно соот-

ветствуют уровню разрушений от реального взрыва.

Залповые выбросы жидкостей при высоких энергетических

параметрах всегда имеют взрывной характер с формированием

175

собственных ударных волн. Однако кроме прямого разрушаю-

щего действия они оказывают значительное влияние на увели-

чение объема и скорости формирования взрывоопасного облака

в атмосфере. Они выносят из технологической аппаратуры го-

рючую жидкость, диспергируя ее, способствуют турбулизации

потоков, интенсифицируют перемешивание горячей среды с воз-

духом, создавая большие поверхности испарения и теплопереда-

чи из окружающей среды, а также влияют на другие условия

возникновения высоких скоростей парообразования и формиро-

вания в атмосфере больших объемов взрывоопасных газовых

смесей, туманов. В этих случаях масса паровых облаков оказы-

вается значительно больше рассчитанной по расходу энергии

перегрева жидкости только на ее испарение.

Взрывы паровых облаков таких жидкостей не имеют прин-

ципиальных отличий и могут рассматриваться по аналогии со

взрывами паров (газов) веществ с температурой кипения зна-

чительно ниже температуры окружающей среды.

5.3.4. Оценка взрывов по модели парового облака

За последние годы опубликованы результаты исследований

катастрофы во Фликсборо, которое можно сопоставлять коли-

чественно с другими крупномасштабными ВПОНП. Сообщаются

уточненные сведения о том, что в блоке реакторов окисления

содержалось 140 т жидкого циклогексана в состоянии перегре-

ва, при котором теоретически может мгновенно испариться

40%; масса образующихся при раскрытии системы паров могла

составить 56 т. Эквивалент взрыва разные авторы оценивают

55; 18; 16; 32; 15; 45 и 24 т ТНТ. Большие расхождения связаны

с недостаточно обоснованной оценкой расхода половины энер-

гии наземного взрыва ТНТ на образование воронки и сотрясе-

ние грунта; поэтому надземный взрыв 1 т ТНТ по разрушающе-

му эффекту приравнивают к взрыву 2 т ТНТ на земле, что не

соответствует законам перехода энергии ударных золн при от-

ражении от твердой поверхности. Вместе с тем имеются уточ-

няющие сообщения, что взрыв облака в Фликсборо был эквива-

лентен взрывам 32 т ТНТ на поверхности земли и 16 т — в воз-

духе.

Отметим, что разрушающий эффект наземных взрывов как

конденсированных ВВ, так и паровых облаков усиливается за

счет перехода энергии отраженных от земли ударных волн

в верхнюю полусферу (для сферических и точечных зарядов).

Паровые облака тяжелых газов, как правило, имеют плоскую,

часто дискообразную форму и большая часть энергии их

взрыва расходуется над поверхностью земли. Взрыв парового

облака следует сопоставлять с наземным взрывом ТНТ. При

этом следует иметь в виду, что при наземном взрыве заряда

конденсированного ВВ (точечного или сферического) на обра-

зование воронки и сотрясение грунта расходуется «20%

176

ловины всей энергии (нижней полусферы), а оставшаяся

сть («80%) переходит с отраженными волнами в наземные

ои атмосферы, усиливая ударные волны над поверхностью

мли. Действительный разрушающий эффект наземных взры-

>в ТНТ на поверхности земли при этом будет больше по

равнению с надземными взрывами приблизительно в 1,8 раза.

Большинство авторов признают, что при взрыве облака в

'ликсборо уровень разрушений был эквивалентен 15—45 т

НТ. При исследовании уровней разрушения (в области высо-

их давлений) и сопоставлении их с. последствиями взрывов

.онденсированных ВВ по закону Хопкинсона найден эквива-

(ент, равный 25 т ТНТ, что точнее совпадает с расчетными зна-

ниями. По уровням разрушения за пределами предприятия

з зонах низких давлений ТНТ эквивалент оценивается >100т.

При

детальных исследованиях уровня разрушения всех объек-

тов на территории предприятия найдены ТНТ эквиваленты в

пределах 6,7—78 т при среднеарифметическом значении 32 т

для наземного взрыва.

При уточнении установлено, что в технологической системе

находилось 140 т циклогексана, а в реальных условиях разви-

тия аварии (оборудование за реакторами отключилось от ава-

рийного участка обратным клапаном) количество жидкости в

аварийном блоке оказалось равным 125 т.

Пр оценке некоторых авторов при разрушении технологи-

ческой системы (без учета эффекта диспергирования) мгновен-

но испарилось 44 т жидкости (0,35), а осталось в аппаратуре в

жидкой фазе 80 т. По энергетическому балансу взрыва опреде-

лили, что во взрыве участвовало 2 = 7% паров циклогексана,

что отличается от г = 5,7 при №=26 т и 2=3,6% при №=16 т.

Отметим, что масса парового облака была несколько больше

найденной теоретически, так как большая часть жидкости вы-

носилась из аппаратуры с потоком паров и диспергировалась

в атмосфере в капельном состоянии. В то же время при оценке

эквивалента № не учтено различие в долях расхода энергии

взрыва на создание ударной волны газовых сред (0,4) и кон-

денсированных ВВ (>0,9). С учетом этого наиболее точная

доля участия во взрыве циклогексана в паровом облаке будет

составлять г=12,8%. При учете диспергированной жидкости

масса парового облака будет несколько больше, а доля уча-

стия во взрыве — меньше. Расхождения в значениях ТНТ

эквивалента и доли участия во взрыве обусловлены также при-

менением авторами различных методов' оценки и расчетов.

Предложенному ТНТ эквиваленту наземного взрыва 32 т

с учетом перехода энергии отраженных волн более точно соот-

ветствует значение 18 т; при этом наиболее достоверная доля

участия паров во взрыве будет равна 2 = 9,2%, что точнее от-

ражает объективные закономерности взрывных процессов.

На рис. 5.4, а приведены закономерности изменения ударной

волны и константы /( [см. уравнение (1.9)] в зависимости от

12—1006

177

Рис. 5.4. Зависимости давления ударной волны Р и константы К от расстояния

до источника энерговыделения к (по материалам исследования катастрофы в

Фликсборо) в областях высоких (а) и низких (б) давлений:

/ — взрыв парогазовой смеси при №=32 т ТНТ; 2 — взрыв 18 т ТНТ; 3 — взрыв 32 г ТНТ

40 -7,24

30 -8,82

20 -11,5

АР, к Па

расстояния. Кривая 2, построенная по результатам расчета по

закону кубического корня для конденсированного ВВ массой

18 т ТНТ, приближается к кривой 1, построенной по наблюдае-

мым реальным разрушениям объектов от взрыва парового об-

лака. Кривая 3 соответствует взрыву, эквивалентному взрыву

32 т ТНТ. Приведенный график может быть использован для

моделирования последствий подобных взрывных явлений и

прогнозирования уровня разрушений по закону кубического

корня при соответствующих уточненных значениях константы К.

Исследования уровней разрушений в зонах низких избыточ-

ных давлений показали, что они не совпадают с рассчитанны-

ми по закону кубического корня для конденсированных ВВ и

не соответствуют удаленности от эпицентра взрыва. На рис.

5.4,6 видно, что по мере удаления ударной волны от источника

кривые 2 и 3 пересекаются с кривой 1, построенной по резуль-

татам реальных разрушений. Точкам пересечения соответствует

совпадение характеристик ударных волн от взрывов ВВ и эк-

вивалентных им газовых взрывов. По мере удаления от этих

точек уровень снижения избыточного давления от газовых

взрывов происходит медленнее по сравнению с взрывами кон-

денсированных ВВ. Для оценки и прогнозирования уровня

разрушений можно использовать и зависимости, приведенные

на рис. 5.5.

Многими авторами уровни разрушений в Фликсборо сопо-

ставляются с разрушениями от других залповых аварийных

178

•ис. 5.5. Зависимости изменения давления йР,кПа

ударной волны Р от константы К:

—

взрыв парогазовой смеси при №<=32 т ТНТ;

2 — взрыв 32 т ТНТ эд

, 50

1ыбросов перегретых жидкостей в

1тмосферу в подобных условиях. ^.

Например, в июле 1974 г. в Декей-

горе (США) в результате столкно-

вения автомобиля на железнодо-

рожной станции с железнодорож-

ной цистерной, содержащей 69 т

изобутана, в цистерне образовалось

отверстие проходным сечением око-

ло 0,33 м

, через которое примерно

за 16 с в атмосферу было выброше-

0 10 20 30

50 к

но 63 т изобутана. Через 8—10 мин произошел взрыв парового

облака, при котором погибло 7 человек и 33 получили тяжелые

ранения, пострадало 316 человек. Полностью разрушено 283 и

серьезно повреждены 312 вагонов, сильно разрушено здание

станции, повреждения различной степени получили 667 зданий,

в том числе 11 школ в жилом районе. Ущерб составил 18,4 млн.

долларов.

Такие тяжелые последствия обусловлены турбулизацией сме-

си и ограниченностью пространства в вертикальном направле-

нии под вагонами. По оценкам ряда авторов масса взорвавше-

гося облака изобутана составляла 20—40 т с эквивалентом

ТНТ 20—125 т при доле участия во взрыве паров 18%. В дру-

гих источниках приводятся данные о том, что доля участия

паров во взрыве составляла 3,2—5%.

Имеются также сообщения, что ТНТ эквивалент взрыва

в Декейторе был в пределах 2—4; 20—125; 200 и 400 т. Однако

эти значения ТНТ эквивалента, так же как при взрыве в Флик-

сборо, определены без учета эффекта усиления наземного взры-

ва ТНТ за счет перехода энергии отраженных от земли волн.

Если использовать более достоверные значения № = 2—47 т и

учитывать усиление разрушающей способности ударных волн

в 1,8 раза, ТНТ эквивалент будет находиться в пределах 7—

14 т. Из расчетов массы парового облака, образовавшегося

при взрыве в Декайторе (при температуре окружающей сре-

ды «30°С и температуре жидкого изобутана в цистерне

—20°С) можно определить количество мгновенно испаривше-

гося изобутана, которое могло составить 10,45 кг.

В зарубежных публикациях считают, что паровые облака

массой 20—40 т, по-видимому, образуются при большом про-

межутке времени с момента аварийного выброса до взрыва,

что способствует образованию значительной массы паров за

счет телопередачи от твердой поверхности к разлитой жидко-

сти. При условиях аварии за 10 мин по расчету могло образо-

12*

179

Фликсборо [Н =32т) Декейтор (V -

5т)

5,км

8,км

ср

,км

113,1

6,0

кчул^ _ легкие

К"^ разрушения

22,8 .2,7

38,5

3,5

_ средние

КЖЖЯ разрушения

6,25

1,4

10,3

1,8

дм серьезные

мШйя разрушения

1,30

о, ей

Рис. 5.6. Сопоставительная диаграмма приведенных зон адекватного разруше-

ния при взрывах паровых облаков в Фликсборо (сплошные окружности) и

Декейторе (пунктир)

ваться «4,8 кг/м

паров при разливе на бетонную поверхность

и 2,25 кг/м

при разливе на песчаный грунт. При допущении,

что поверхность разлива составляла «4,5 тыс. м

, количество

испарившейся жидкости могло быть «Ют. В этом случае

общая масса парового облака изобутана составляла около

20 450 кг. При такой массе парового облака изобутана и тро-

тйлевом эквиваленте, равном 7 т, наиболее достоверная доля

участия паров во взрыве составила «10%, что наиболее соот-

ветствует большинству других подобных промышленных взрыв-

ных явлений,

5.3.5, Оценка опасности по усредненным площадям

адекватного разрушения

Для определения уровней разрушения могут применяться

методы оценки по площадям адекватного разрушения. Так,

для оценки взрыва во Фликсборо, например, были выделены

180