Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

/и зоны в населенных районах по доле разрушенных домов

>т общего числа домов в каждом населенном пункте: 1)>80%;

I 40—80%; 3) <40%. Была найдена общая площадь зоны

егких разрушений, которая составила 117 км

. Эта площадь

пределялась по зависимости 5=12№

2/3

при

№

= 32 т. Однако

ля более точной оценки следует использовать значение № =

= 18 т, тогда 5=16 №

2/3

Для оценки уровней опасности по усредненным площадям

|декватности разрушений выделяют объекты, имеющие одно-

типный характер разрушения, которые на плане соединяют

лрямыми линиями. Таким образом образуется контур (часто

сложный) из замкнутой ломанной линии. Наложением специ-

альной сетки (из мерных квадратных секций) определяют ре-

альные размеры площади, ограниченной этим сложным конту-

ром. При пересчете этой площади на площадь круга определя-

ют площадь адекватного разрушения, радиусы которой пред-

ставляет собой усредненное расстояние от источника энерго-

выделения до объекта, подвергшегося разрушению (Рср).

Наложением круговых диаграмм адекватного разрушения мож-

но наглядно сопоставлять последствия взрывных явлений при

различных авариях. На рис. 5.6 представлены такие круговые

диаграммы описанных выше последствий взрывов в Фликсборо

и Декейторе. По усредненным площадям соответствующего

уровня разрушения определяют значения констант К$ по урав-

нению 5 = ^

№

2/3

. Выразив 5 через /?

ср

, можно записать:

ср

= (К

/пуЧ* «71/з

; Кн

= = Яср/Й

Ниже приведены значения констант Кв и Кв, вычисленные

по уровням разрушения при авариях в Фликсборо и Декейторе,

и К — по уравнению (1.9):

Фликсборо

Декейтор

Характер разру-

шения

Г-32 т

К=18 г

47=7 т

Характер разру-

шения

«5

*5 «К

Серьезные раз-

0,057 57 1,5

0,07

70 0,36

0,034

рушения

Средние разру-

3,8

0,11 110 5,6

0,13

134

1,74 0,074 74

шения

Легкие разру-

11,3 0,19

190 16,8

0,231 231

6,3 0,132

142

шения

Приведенные значения констант Кв могут быть применены

для ориентировочной оценки уровней разрушений на усреднен-

ных площадях при взрывах паровых облаков. Для определения

уровня опасности по закону кубического корня на усредненных

расстояниях #

ср

от источника взрыва парового облака можно

использовать значения Кв и Кн при соответствующих тротило-

вых эквивалентах. Приведенные выше формулы могут быть

181

Теплоноситель

1 I

Место

разрушения

Рис. 5.7. Принципиальная схема технологического узла кубовой части колон-

ны ректификации:

—

колонна (нижня? часть); 2

—

теплообменник; 3

—

трубопроводы обвязочные

использованы для прогнозирования последствий взрывных яв-

лений преимущественно в областях средних и низких давлений

ударных волн.

5.4. ВЗРЫВЫ ПЕРЕГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ И СЖАТЫХ ГАЗОВ

Уже отмечалось, что совместное высвобождение энергий

перегрева жидкости и расширяющихся сжатых газов сопровож-

даются интенсивным диспергированием большой части жидко-

сти в атмосфере. В этих случаях образуются плотные устойчи-

вые туманы, взрывы которых вызывают тяжелые разрушения

и характеризуются закономерностями ВПОНИ.

Значительно превышающим расчетный (по тепловому ба-

лансу) оказался, например, уровень наблюдаемых разрушений

при взрыве парового облака на установке фракционирования

нефтяного сырья. Авария возникла на колонне разделения сме-

си изобутана, «-бутана и бензина. Из верхней части колонны

(высота 17 м, диаметр 26 м), работающей под давлением 0,7—

0,9 МПа, отводилась бутановая фракция с температурой 50—

75 °С, а из нижней кубовой части при 100—115 °С — стабильный

газовый бензин. Для поддержания заданного режима ректифи-

кации в теплообменные элементы выносного испарителя кубо-

вой части колонны подавался нагретый до 240—275 °С керосин,

который нагревался в печах беспламенного горения, располо-

женных на расстоянии « 120 м от выносного испарителя и

колонны ректификации. Выносной испаритель с колонной рек-

тификации соединялся трубопроводами диаметром 300 мм

(рис. 5.7).

Как было установлено, авария возникла вследствие полно-

го отрыва по сварному шву дренчерного вентиля, установлен-

182

ного на циркуляционном жидкостном трубопроводе, соединяю-

щем колонну ректификации с испарителем. В результате на

жидкостном трубопроводе на уровне земли образовалось отвер-

стие диаметром 32 мм. Через это отверстие первоначально (в

течение «10 мин) происходил выброс в атмосферу жидкой

фазы при давлении в системе 0,8 МПа; выбрасывалась жид-

кость из испарителя и частично из ректификационной колон-

ны. Затем в течение 2 мин в атмосферу выбрасывалась паровая

фаза (по свидетельствам очевидцев, слышавших резкий шум

перед взрывом). Смесь углеводородов, выбрасываемая в ат-

мосферу, имела примерно следующий состав [% (об.)]: бу-

тан— 7; изопентан — 28,4; н-пентан — 29,6; гексан — 35. Сред-

няя температура кипения такой смеси — 42,7°С, теплоем-

кость—1,9 кДж/(кг-К), теплота испарения — 313,5 кДж/кг,

средняя молекулярная масса — 76,6, плотность паров —

3,2 кг/м

, энергия сгорания — 46-10

кДж/кг.

Количество жидкого продукта, выброшенного при аварии

до взрыва из испарителя, составляло 9,5 т; из циркуляционного

жидкостного трубопровода—1,53 т, из колонны ректификации

высотой 0,3 м, равной диаметру штуцера циркуляционного

трубопровода — 0,8 т, с нижней тарелки ректификационной ко-

лонны (при производительности 225 кг/мин) за 12 мин было

выброшено 2700 кг. Найденная таким образом масса жидкости,

выброшенная из системы, составила 14,53 т. При расчетной

скорости истечения паров «100 м/с через штуцер диаметром

32 мм при давлении в системе «0,8 МПа расход паров состав-

лял примерно 0,8 м

/с; реально за 2 мин в атмосферу могло

быть выброшено около 307 кг.

На основании приведенного материального баланса при

сложившейся аварийной ситуации найдено количество испарив-

шейся жидкой фазы за счет тепла перегрева жидкости, которое

составило 6366 кг. Из оставшейся жидкой фазы массой 8164 кг

в испарителе за счет тепла внешнего теплоносителя образова-

лось 1780 кг паров и 571 кг бутана (7

ип = 0,5°С) испарилось в

окружающую среду. Таким образом, расчетные значения со-

'ставили: масса облака паров «9000 кг, тротиловый эквивалент

взрыва (при 2 = 0,1) «4 т. При этом ожидаемые значения

уровней разрушения составили: /?

=16 м, #1 = 60 м, м,

#з= 150 м, #4 = 450 м, #5 = 900 м (рис. 5.8).

Однако реальные уровни разрушения при взрыве по зонам

оказались несимметричными, зоны с различными уровнями раз-;

рушения не имели точных границ и значения констант К [в

уравнении (1.9)] не везде соответствовали расчетным. Зона

разрушения в радиусе 100 м характеризовалась сплошными

завалами и полным разрушением помещений насосной, опера-

торной, пункта приема газа, механического цеха, зданий вспо-

могательного и бытового назначения, обрушением технологи-

ческого оборудования и коммуникаций. По уровню разрушения

183

Рис. 5.8. План-схема рас-

считанных по формуле

(1.9) уровней разрушений

При взрыве парового об-

лака углеводородов на

установке газоразделе-

ния:

7 — насосная и операторная;

2 — оборудование, располо-

женное на открытой площад-

ке; 3 — пункт приема газа;

4 — слесарная мастерская;

5 — главный щит управления;

6 — цех холодильных машин;

7 — ГФУ; 8 — печи; 9 — гра-

дирни; 10— теплица; 11 —

троллейбусное депо; 12 —

кирпичный забор; 13 — заво-

доуправление; 14 — компрес-

сорный цех; 15 — скла.}; 16 —

установка осушки газа

890м

ШШ-ние

1111111111111 - разрушение 50% кирпичных

стен и перекрытий

У///А-выбиты дверные и оконные проемы

1- выбиты стекла

технологические печи работа-

ющие в момент аварии

- неработающие

эта Зона может характеризоваться значениями К в пределах от

3,8 до 5,8.

Без явно выраженной границы эта зона переходила в зону

также тяжелых разрушений, но с локальными завалами — у

здания главного пульта управления торцевая стена была раз-

рушена на 50%, частично обрушена одна боковая стена и пере-

крытие одноэтажного здания, находившегося в 190 м от места

истечения. У зданйя холодильных установок, находившегося

на расстоянии 160 м, полностью разрушена одна торцевая стена

и на 40% — боковые стены и один пролет перекрытия. В этой

зоне (#=160—190 м) уровень разрушения соответствует значе

ниям К от 5,6 до 9,6. Вместе с тем в зданиях менее удаленных

зон (/? = 100—140 м) оказались разрушенными только дверные

и оконные переплеты (выбиты), в том числе в помещениях опе

раторной и насосной (#=115 м), компрессорного зала

= 100 м), установки осушки (/? = 140 м), складов (#=150 м)

Уровни разрушений в удаленных зонах характеризуются данны-

ми, приведенными ниже:

Расстояние

Здания от эпицент- Характер разрушения

ра, м

Разрушено 50% остекления

То же, 30%

То же, 50%

Выбиты стекла е домах пер*

вого ряда

Разрушено 30% остекления

Разрушений нет

На рис. 5.9 приведена зависимость избыточного давления

ударной волны, воздействующей на объекты (по оценкам ха-

рактера реальных разрушений), от расстояния этих объектов

до источников энерговыделения (кривые 1)' Для сопоставления

на графике дана такая же расчетная зависимость для тротила-

вого эквивалента №=7,2 т (кривые 2), Большая сходимость

характеристик наблюдаемых с расчетными отмечается в зонах

шсоких и средних давлений. Это обусловлено тем, что в при

еденных расчетах (для №=4 т) не учтены условия диспергиро-

ания и парообразования на развитой поверхности разлива

жидкости при температуре окружающей среды выше 25 °С и

ремени «12 мин. Однако в сложившихся условиях рассеива-

ие жидкости в атмосфере было эффективным.

Такие условия оказались более выгодными для диспергиро-

шия жидкости по сравнению с условиями описанной выше

ггастрофы во Фликсборо на установке окисления циклогекса-

. Поэтому можно полагать, что при доле диспергирования,

вной массе мгновенно испарившейся жидкости, масса паро-

Растворный узел 1000

Водозаборная станция 1200

Здания жилищно-бытового на- 1500

значения (западная сторона)

Жилые дома (северная сто- 1500

рона)

Здания базы (южное направ- 2500

ление)

Здания жилищно-бытового на- 3000

значения

ар, к па

5,60

16,05

-20,0

-23,0

-26,7

-35,7

-56,0

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

20,0

5 10 15 20К-Ю~

,м

Рис. 5.9. Зависимости изменения давления на фронте ударной волны и кон-

станты К от расстояния источника в областях высоких (а) и низких (б) дав-

лений при взрыве парового о&лака углеводородов;

1 — взрыв парогазовой среды; 2 — взрыв 7,2 т ТНТ

вого облака при аварийных условиях на установке газоразде-

ления могло составлять 15 т. Очевидцы наблюдали до взрыва

в районе аварийного выброса большое плотное облако, высотой

«6 м, распространявшееся в сторону от места истечения. Это

свидетельствует о наличии в паровом облаке большого количе-

ства аэровзвеси горючих углеводородов.

Представляется заниженным также расчетное количество

углеводородов, вышедших из системы за последние 2 мин, так

как из колонны ректификации вместе с газом могла выбрасы-

ваться и жидкость.

Приведенные на графике (см. рис

5.9) зависимости давле-

ния от расстояния объектов до источника взрыва характеризу-

ются радиусами /?[ = 72 м, /?

—

106 м, #

=182 м, что соответст-

вует тротиловому эквиваленту №=7—8 т. Меньшая сходи-

мость расчетных радиусов /?

= 532 м и #

= 1060 м с наблюдае-

мыми отмечается в зонах низких давлений ударной волны. На-

пример, 30% разрушения остекления отмечено у зданий, уда

ленных на 2,5 км от источника. Этому уровню разрушенш

должен был бы соответствовать взрыв, эквивалентны/

30 т ТНТ, что не согласуется с реальными условиями. Наиболе

точно по уровням разрушения взрыв можно оценивать эквива

лентом 7,25 т ТНТ. При этом доля участия паров во взрыв

составляет 4,2%, что согласуется с результатами оценки други

подобных взрывных явлений. Из приведенной таблицы видн

что наибольшее воздействие ударной волны было в южнс

направлении, где остекление выбито в зданиях, удаленных <

эпицентра на расстояние 2,5 км; в то же время в других н

правлениях подобный разрушающий эффект наблюдался

расстояниях ж 1,5 км. Полагают, что это обусловлено отрая

нием падающей ударной волны от насыпной железнодорожи

' „л. *

Дамбы высотой около 7 м, расположенной в западной стороне.

В материалах расследования описанной аварии приведен-

ный ТНТ эквивалент Ц7=15 т представляется завышенным и

не соответствует наблюдаемым разрушениям. Взрыв облака

паров циклогексана в подобных условиях во Фликсборо был

эквивалентен 18 т и наблюдались значительно большие

масштабы разрушений; достоверность же эквивалента взрыва

во Фликсборо подтверждается приведенными выше и многими

известными зарубежными исследованиями.

Один из крупных выбросов углеводородов произошел в

г. Гриффите (штат Индиана, США) в 1974 г. при раскрытии

трубопровода диаметром 0,4 м, подсоединенного к подземной

емкости вместимостью 45 000 м

с жидким бутаном под дав-

лением 19,6 кПа. Сжиженный газ выбрасывался вертикально

вверх в течение 7 ч. После загорания пламя быстро распрост-

ранилось к месту истечения, образовался мощный факел без

генерации ударной волны.

При утечках горючих газов, паров и сжиженных газов воз-

можно другое развитие событий. В 1966 г. в Фейзене (Фран-

ция) произошел взрыв облака пропана, образовавшегося при

случайном открытии кранов для спуска скопившегося в сфе-

рическом резервуаре вместимостью 1700 м

сжиженного

пропана. Полагают, что в резервуаре находилось 450 т жидко-

го пропана при температуре окружающей среды 0°С. Через

открытые нижние спускные краны жидкий пропан выливался

в течение 35 мин до момента воспламенения образовавшегося

облака от проходящей поблизости автомашины. ПогОда была

безветренная и облако распространялось над поверхностью

земли во всех направлениях. После воспламенения облака на

хранилище возник пожар, от которого прогревались стенки

раскрытого и других резервуаров. При этом вследствие повы-

шения давления на резервуарах открылись предохранительные

клапаны, через которые выходил газообразный пропан, созда-

вая горящие факелы высотой 30—40 м. Взрыв одного резервуа-

ра произошел спустя 1 ч 30 мин после воспламенения облака

(через 2 ч после начала утечки).

В дальнейшем происходили взрывы четырех других сфери-

ческих резервуаров с жидким пропаном, сопровождавшиеся

образованием огненных шаров. По утверждению многих специа-

листов одной из основных причин аварии было отсутствие

дистанционного управления арматурой на спускной линии

резервуара, что вынуждало обслуживающий персонал выпол-

нять ежесуточные технологические операции по спуску воды

открытием запорных устройств в опасной зоне. Оператор от-

крыл оба крана на спускном штуцере и неожиданно через них

хлынул поток жидкости. Закрыть краны было невозможно, так

как единственный ключ, надетый на нижний кран, упал ка

землю и поднять его было нельзя. Кроме того, движение авто-

мобильного транспорта в зонах возможного распространения

* ' щ

паров углеводородов должно было быть запрещено. Невозмож-

ность откачки сжиженного пропана из аварийного резервуара

в другие хранилища (емкости) также была одной из причин

аварии.

Катастрофические взрывные явления паровых облаков, про-

исходящие в промышленности, связаны с многотонными выбро-

сами горючих сред в атмосферу. Поэтому некоторые специа-

листы пришли к выводу о существовании некоторой критичес-

кой массь- горючего вещества в облаке. В частности, имеются

сообщения о том, что при разливе массы горючих <2000 кг и

>100 кг разрушающие взрывы наблюдаются лишь для водоро-

да. смеси водорода и оксида углерода, метанола, этилена. Для

остальных горючих веществ разрушения при взрыве наблю-

даются лишь при утечке энергоносителя в количестве, превы-

шающем 2000 кг.

5.5. ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПЕРЕГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ

В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ

Выбросы перегретой горючей жидкости столь же опасны,

если они происходят в течение длительного времени и ее пары

заполняют замкнутые объемы помещений, овраги, лощины и

другие малопроветриваемые участки. Например, на технологи-

ческой установке канифольно-экстракционного завода вследст-

вие разрушения прокладки нижнего выгрузного люка экстрак-

тора образовалось отверстие длиной 43 см и шириной 0,2 см

(площадь проходного сечения 8,6 см

). Через это отверстие в

течение 35 мин происходило истечение перегретого бензина

давлением 0,75 МПа и температурой 140 °С со скоростью

0,25 м

/с (начальная температура кипения бензина 80°С) в

производственное помещение размерами 25x42x18 м (сво-

бодный объем составил 15 000 м

). При этих условиях в поме-

щение до взрыва было выброшено около 10 650 кг перегретогс

бензина, а мгновенно испарилось «4019 кг жидкости; значи

тельная часть жидкости в сложившихся условиях (майски*

жаркий день) диспергировалась и испарилась в помещении

Соответственно общая масса образовавшихся паров могл.

несколько превышать 4 т. Кроме перегретой жидкости в поме

щение могли выходить и пары бензина, которые в систему эк

стракции непрерывно подавались со скоростью 4—6 т/ч.

Образовавшееся в помещении ^и^гсако паров бензина, ка

полагают, могло воспламениться от вентиляторов невзрыве

защищенного исполнения, электрооборудования и зарядов ст;

тического электричества, возникших на выходе из отверст*

парожидкостной эмульсии бензина. Все эти и другие предпол

гаемые источники воспламенения располагались вблизи пола

стен здания экстракции, что свидетельствует о том, что взр1

бензовоздушной смеси произошел по модели взрыва сферы п|

зажигании у ее края. Одинаковый уровень разрушений здан

Рис. 5.10. Вид здания канифольно-экстракционного производства после взрыва

паров бензина (съемки с восточной стороны)

экстракции с восточной и северно-западной стороны (рис. 5.10),

а также расположенных вблизи его других зданий и сооруже-

ний (рис. 5.11) свидетельствуют о симметричности распростра-

нения ударных волн во всех направлениях от взрыва, подоб-

ного взрыву сосредоточенного заряда конденсированного ВВ.

В результате взрыва полностью разрушены заполнения стен

с трех сторон здания основного корпуса экстракции. В нем

полностью разрушена кровля, все межэтажные перекрытия,

площадки под оборудование, несущие балки; технологическое

оборудование было сорвано с фундаментов и деформировано,

металлоконструкции деформированы. Значительно разрушено

пятиэтажное здание котельной (рис. 5.12), находящееся в 43 м

от корпуса экстракции и в 51—55 м от места предполагаемого

эпицентра взрыва. Серьезные повреждения получили одноэтаж-

ные здания, расположенные вблизи здания экстракции (см.

рис. 5.11), в том числе здания ЦЗЛ, КИП, заводоуправления.

По общей оценке уровней наблюдаемых разрушений в об-

ластях высоких давлений [определяемых радиусами #

= 51—

55 м (/С-5,8); /?з = 80—86 м (Л>9,6)] (см. рис. 5.11) взрыв

был эквивалентен массе 1600—1800 кг ТНТ. При этом доля

участия паров во взрыве соответствовала 2«9%. По уровню

и характеру разрушений взрыв не имел существенных принци-

пиальных отличий от эквивалентных взрывных явлений паро-

вых облаков в незамкнутом пространстве и конденсированных

ВВ в областях средних давлений.

Для сравнения с описанной выше аварией (взрывом паров

бензина) рассмотрим взрыв этилена в здании компрессорного

пипыпуупции

_ частичное разрушение элементов

строительных конструкций

_лсгкие повреждения малопрочных

конструкций

Рис. 5.11. План-схема уровней разрушения от взрыва паров бензина в поме

щении канифольно-экстракционного производства:

—

здание канифольно-экстракционного производства; 2

—

эстакада бензопроводов; 3 -

котельная (За

—

электрощитовое помещение); 4 — ЦЗЛ;

5 —

ремонтно-строительный

«—пристройка у бензоловушки; 7

—

цех КИП; «

—

административное здание;

установки разрушенного экстрактора

цех;

—

место

Рис. 5.12. Вид здания котельной после взрыва паров бензина в канифольн

экстракционном производстве (съемки с юго-восточной стороны)