Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

системы. Через разрушенный участок фланцевого соединения

трубопровода со скоростью 336 л/мин выброшено 6000 кг бу-

тадиена, который разлился по всей поверхности пола площадью

530 м

. При сложившейся аварийной ситуации в помещении и

за его пределами образовалось паровое облако бутадиена об-

щей массой «3000 т. Расчетами найдено, что за счет тепла пе-

регрева бутадиена испарилось 900 кг, за счет теплоотдачи от

поверхности пола за первые 5 мин — 750 кг и с поверхности

разлитой жидкости за 25 мин — 350 кг. В результате пары бу-

тадиена проникли через неплотности в дверных и оконных про-

емах в помещении операторной, электрощитовой и лаборатории

ОТК, где они воспламенились от электрооборудования обще-

промышленного исполнения.

Из приведенных данных видно, что массы паров, образую-

щихся за счет энергии перегрева жидкости и теплоотдачи от

твердой поверхности, а также в результате длительного тепло-

и массообмена с воздухом по зеркалу испарения, сопоставимы,

что обусловлено следующими обстоятельствами: авария про-

изошла в зимний период, когда температура сжиженного бута-

диена в системе («10°С) была ниже равновесной температу-

ры, соответствующей давлению 0,4 МПа; температура поверх-

ности пола в помещении не превышала 10 °С; разрушенное

фланцевое соединение располагалось в ограниченном простран-

стве на нулевой отметке и было загромождено строительными

конструкциями и аппаратурой, в результате чего диспергиро-

вание сжиженного газа в пространстве было весьма ограничено;

после истечения жидкости на пол длительное время («25 мин)

происходило ее спокойное испарение с зеркала разлива при от-

крытых дверях. При температуре окружающей среды около

—7°С и спокойном парообразовании облако распространялось

на небольшой высоте от пола и поверхности земли за предела-

ми помещения. Взрыв последовал через несколько минут после

того, как была включена аварийная вентиляция, вызвавшая

перемещение газа в верхние этажи здания. При таких услови-

ях парообразование протекало в спокойном режиме, И до взры-

ва облако дискообразной формы распространялось за пределы

здания и в значительной мере рассеивалось в атмосфере. Этим,

а также длительным интервалом времени с момента аварийной

разгерметизации системы обусловлена сравнительно невысокая

доля участия во взрыве газового облака (0,12) с массой бута-

диена «2 т, что эквивалентно 1600 кг ТНТ. Рассчитанные и на-

блюдаемые для этих условий уровни разрушений приведены

ниже:

«1 К 2 Нз «1 Я 5

Я„, м 32 — — 200—300 600

ЯР, м 34 50 86 252 504

Сходимость наблюдаемых и расчетных значений уровней

>азрушения может быть использована для оценки возможных

071

последствий взрывов облака дискообразной формы в замкну-

тых объектах помещений и за их пределами при спокойных

режимах испарения горючих жидкостей в зимних условиях.

Глава 8

ПЫЛЕВОЗДУШНЫЕ СМЕСИ

В зарубежных источниках сообщается, что из 1120 взрывов

пылевоздушных смесей 540 произошло при работах с зерном,

мукой, сахаром и другими продуктами, 80 — с металлами, 63 —

с угольной пылью на установках дробления топлива, 33 — с се-

рой и 61—в химической и нефтеперерабатывающей промыш-

ленности. По данным страховых компаний, в ФРГ в среднем

происходит один взрыв в день. Число взрывов пыли в СССР

также высоко, причем в химической промышленности взрывы

пылей сопровождаются тяжелыми разрушениями, а иногда и

человеческими жертвами.

В декабре 1989 г. на производственном объединении «Омск-

химпром» произошел взрыв аэрозоля полистирола в отделении

его хранения. Хранилище полистирола было выполнено в виде

трех расположенных в ряд сваренных из листовой стали вер-

тикальных цилиндрических оболочек (диаметром 10 м и высо-

той 60 м) с наружной теплоизоляцией. По всей высоте храни-

лища проходили центральные шахты (трубы диаметром «1 м).

Межтрубное пространство (между шахтной трубой и оболоч-

кой) было разделено на секции (бункеры) объемом 100 м

пс

всей высоте хранилища. Каждая из секций в нижней части за

Канчивалась течкой, входящей в систему пневмотранспорта

Цилиндрические оболочки хранилищ на высоте 5 м от уровш

земли были установлены на железнодорожные плиты, опирав

шиеся на четыре опорных железобетонных фундаментных стол

ба, Под хранилищами на уровне земли располагалось однс

этажное здание воздуходувок и пневмотранспорта (36X12)

Х5 м), соединенное лестничными проёмами с центральным

шахтами.

В процессе эксплуатации тонкодисперсная пыль полнел

рола скапливалась на строительных конструкциях, технолог

ческом оборудовании, Кабельных лотках, а также в не запо

ненных продуктом бункерах хранилищ в количествах, достато

ных для образования взрывоопасных концентраций в замкн

тых объемах бункеров. Первичный (локальный) взрыв аэр

взвеси пыли полистирола произошел в бункере хранилища,

котором проводились сварочные работы. Этот взрыв по систе

пневмотранспорта (возможно, по центральной шахте) расп{

етранился в помещение и в другие хранилища. При взрь

полностью разрушены части бункеров хранилищ, строительные

конструкции стен помещения воздуходувок и повреждены сис-

темы пневмотранспорта. Взрыв произошел из-за нарушения

элементарных требований техники безопасности: при наличии

пыли в помещении проводились сварочные работы, допускалась

работа неисправного силового электрооборудования, воздухо-

дувок, электросветильников, применялся металлический инстру-

мент при устранении забивок трубопроводов системы пневмо-

транспорта и выполнении ремонтных работ.

Причины и характер аварии свидетельствуют о том, что не

извлекались уроки из прошлых тяжелых событий. Ранее была

описана авария, связанная со взрывом пыли полиэфирной смо-

лы при подобных обстоятельствах, при которой погибло около

100 человек, работающих на шлифовальных и полировальных

станках корпусов радиоаппаратуры. Взрыв пыли произошел на

первом этаже в каналах, где располагались вентиляционные

системы и проходили воздуховоды от станков, установленных

на перекрытиях каналов (на втором этаже). Пыль от станков

по воздуховодам отсасывалась пылевыми вентиляторами и че-

рез рукавные фильтры отводилась в атмосферу. Вентиляцион-

ные подпольные каналы были местом скопления пыли на по-

лах, стенах, в воздуховодах. Источником воспламенения пыли

послужили короткое замыкание в электропроводке и искрение

от силового электрооборудования, находящегося в проходном

вентиляционном канале; в этих каналах допускалось и прове-

дение сварочных работ. Взрывом было полностью разрушено

большое производственное здание, погибла вся работавшая на

станках смена.

Обращает на себя внимание сходство условий и обстоя-

тельств этих двух аварий. В обоих случаях ошибочными пред-

ставляются конструктивные решения производственных зданий,

расположенных на пылевых каналах (помещений) и под техно-

логическим оборудованием (станками) с постоянными рабочи-

ми местами.

8.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОЦЕНКА

РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВОВ ПЫЛИ

Взрыв пыли происходит при мгновенном соединении горю-

чей части пыли с кислородом воздуха с выделением большого

количества тепла и газообразных продуктов, которые, нагрева-

ясь, расширяются и образуют взрывную волну. Сила и интен-

сивность взрыва пыли зависят от многих факторов и достигают

максимальных значений при соответствующем соотношении го-

рючей массы и кислорода. Процесс окисления кислородом про-

текает на поверхности твердых частиц пыли. В зависимости от

структуры и свойств исходного вещества и условий образова-

ния пыли ее частицы могут иметь различную форму, быть во-

локнистыми, гладкими, шероховатыми, иметь различные раз-

}8=1006

273

меры, что обусловливает воспламеняемость и взрываемость

пыли.

Скорость образования взрывоопасной смеси возрастает по

мере увеличения поверхности контакта воздуха и твердых час-

тиц пыли, поэтому опасность взрыва зависит от размера час-

тиц пыли и содержания кислорода в системе. Мелкодисперсная

пыль с сильно развитой поверхностью характеризуется большей

активностью, более низкой температурой самовоспламенения и

широким интервалом между нижним и верхним концентраци-

онными пределами взрываемости.

При "низких концентрациях пыли расстояние между части-

цами, находящимися во взвешенном состоянии, велико, перено-

са пламени от частицы к частице не происходит, следователь-

но, взрыв не распространяется на весь объем. Чрезмерно боль-

шое количество пыли также препятствует возникновению и

распространению взрывов, так как в этом случае в смеси со-

держится слишком мало кислорода для сгорания пыли.

Большая поверхность частиц обусловливает также высокую

степень адсорбции газов на их поверхности. Вследствие более

высокой температуры кипения кислорода по сравнению с азо-

том воздух, окружающий твердые частицы пыли, уплотняется

и обогащается кислородом, при этом его химическая актив-

ность, а следовательно, и взрывоопасность возрастают. Пыль,

осевшая на поверхности твердых предметов, имеет более низ-

кую температуру самовоспламенения, так как концентрация

частиц в ней возрастает и улучшаются условия аккумуляции

тепла.

Число твердых веществ, из которых могут образоваться

взрывоопасные пыли, чрезвычайно велико, причем в ряде слу-

чаев вещества, которые ранее считались безопасными, в новых

технологических процессах, в которых они соприкасаются с

другими веществами или с определенными источниками энер-

гии, могут стать опасными.

Взрывоопасные аэродисперсные системы могут возникнуть

спонтанно, например при встряхивании отложений пыли.

В замкнутом объеме технологического аппарата начавшееся

горение и распространение пламени в аэровзвеси приводит к

быстро нарастающему повышению давления, что может приве-

сти к разрыву аппарата, а затем к взрыву. Поэтому проблема

предотвращения и подавления взрывов пылевоздушных смесей

в технологическом оборудовании и производственных зданиях

является весьма актуальной.

Уровень опасности взрыва пыли, так же как и парогазовых

смесей, характеризуется концентрационными пределами вос-

пламенения, объемной плотностью энерговыделения, макси-

мальным давлением, возникающим при воспламенении, ско-

ростью распространения пламени и нарастания давления при

взрыве, максимально допустимым содержанием кислорода в

смеси пыли с воздухом, при котором пыль не воспламенится.

лт л

НКПР,г/м

Рис. 8.1. Зависимость взрывоопасных характеристик пыли от размеров частиц

горючего вещества:

а: 1 — полиакрилонитрил; 2—полиоксадиазол; 3 — сополимер стирола с дивиннлбензолом;

б: / — аммиак; 2 — эрициклин; 3 — диклоксациллин; 4 — линкомицин; в: I — ампиокс; 2 —

эрициклин; 3 — диклоксациллин; 4 — линкомицин

Пылевзвеси характеризуются весьма широким интервалом

концентрационных пределов распространения пламени — от де-

сятков граммов до килограммов в 1 м

воздуха. Верхние кон-

центрационные пределы распространения пламени (ВКПР)

пыли обычно достаточно велики, и достичь их в производствен-

ных помещениях даже при аварийных ситуациях практически

невозможно. Поэтому наиболее важен нижний предел, а также

более высокие концентрации, при которых достигается макси-

мальная объемная плотность энерговыделения.

Нижний концентрационный предел распространения пламе-

ни аэрозолей (НКПР)—это минимальное содержание горюче-

го вещества в смеси с окислителем, при котором возможно рас-

пространение пламени на любое расстояние от источника за-

жигания. Аэрозоли наиболее часто встречающихся горючих ор-

ганических веществ по значениям НК.Г1Р подразделяются на две

группы: 1) 2,3—15 г/м

; 2) 16—65 г/м

. Большой части неорга-

нических веществ (сера, фосфор) соответствуют значения

275

Рис. 8.2. Зависимость НКПР аэрозоля от влагосодержания частиц ш:

/ — л-гидроксибенэойная кислота; 2 — .и-аминобензойная кислота; 3 — норсульфчюл

Рис. 8.3. Влияние содержания талька с* на НКПР его смесей с другими веще-

ствами:

/ — уротропин; 2 стеарат кальция; 3 — левомицетин; 4 — лактоза

НКПР=14—32 г/м

. Аэрозоли сложных органических соедине-

ний, относящихся к группе пластических масс, имеют НКПР в

пределах 20—100 г/м

, пестицидов (С

—С12)—от 40 до

300 г/м

, органических красителей — 35—130 г/м

; антрахиноно-

вых красителей — 35—230 г/м

. Значение НКПР аэрозолей за-

висит от формы и характера поверхности частиц, их дисперсно-

сти, состава и влажности.

Зависимость НКПР от размера частиц приведена на рис. 8.1,

а, б. При увеличении размера частиц от 10 до 70—100 мкм

НКПР снижается, дальнейшее увеличение размера частиц при-

водит к его повышению. Это обусловлено тем, что мелкие час-

тицы вещества сгорают, как газ; при размерах «70—100 мкм

проявляется механизм, обеспечивающий обогащение зоны го-

рения горючим компонентом и, следовательно, приводящий к

снижению предельной концентрации горючего, еще способного

распространять пламя. НКПР вещества в дисперсном состоя-

нии (по сравнению с парогазовым) может снижаться более чем

в 2 раза. От размера частиц существенно зависит максималь-

ное давление взрыва аэрозоля (рис. 8.1, в). Форма и характер

поверхности частиц аэрозолей органических веществ не влияют

на взрывоопасность, поскольку они сгорают в газовой фазе.

Состояние же поверхности частиц металлов оказывает сущест-

венное влияние на параметры взрывоопасности, так как реак-

ция горения протекает на поверхности частиц.

НКПР аэрозолей органических веществ с увеличением вла-

госодержания частиц всегда повышается (рис. 8.2). В области

276

Рис. 8.4. Зависимость давления взрыва Р-10~*хП&

аэрозолей от концентрации твердой

фазы с:

1 — полиэтилен; 2 — полибензооксазолон; 3 —

полиоксазолон

влагосодержания до 15% (мае.)

НКПР возрастает почти по ли-

нейной зависимости; дальнейшее

повышение влажности резко из-

меняет НКПР, и при содержании

воды ж20—25% (мае.) аэрозо-

ли становятся невзрывоопасны-

ми. Присутствие в горючих пы-

лях других инертных компонен-

тов также повышает НКПР. На О № 300 с,г/м

-рис. 8.3 показана закономерность повышения НКПР с увеличе-

нием содержания в пыли дисперсного инертного вещества.

Под максимальным давлением взрыва аэрозолей понимает-

ся наибольшее давление, возникающее при дефлеграционном

взрыве а замкнутом сосуде при атмосферном начальном давле-

нии смеси. Приращение давления за определенный интервал

времени называют обычно скоростью нарастания давления или

импульсом взрыва. Максимальные давления взрывов для раз-

личных веществ составляют от 700 до 1200 кПа. Максимальное

давление взрыва аэрозолей и скорость его нарастания сущест-

венно зависят от концентрации горючего вещества в смеси и

объемной плотности ее энерговыделения. На рис. 8.4 приведены

экспериментально полученные зависимости давления взрыва

аэрозолей полимерных материалов от концентрации твердой

фазы. На начальных участках кривых в интервале концентра-

ций, равных 1—3 НКПР, наблюдается практически линейное

увеличение давления взрыва с ростом концентрации твердых

частиц. Этому участку кривой соответствует почти полное вы-

горание горючего вещества. Дальнейшее увеличение концентра-

ции твердой фазы приводит к незначительному повышению дав-

ления и, наконец, к некоторому его снижению. В этой области

начинает сказываться недостаток окислителя, приводящий к

замедлению скорости горения и снижению температуры зоны

горения. Аналогичная зависимость давления от концентрации

твердой фазы приведена для аэрозоля шерсти на рис. 8.5.

Максимальное давление взрыва органических веществ до-

стигает 0,7 МПа, а для некоторых веществ значения этого по-

казателя могут возрастать в режиме дефлеграционного горения

до 0,8 и даже до 0,9 МПа. Оптимальная концентрация твердой

фазы, при которой достигается максимальное давление взрыва,

составляет для полимерных материалов 200—400 г/м

, волокон

шерсти 350—700 г/м

, вискозы 350 г/м

, нитрона 230—470 г/м

277

(йР!йг)®*кПф

Рис. 8.5. Зависимость давления

взрыва от концентрации аэрозоля

шерсти (фракции 100—160 мкм)

/ — 0,1% (мае.); 2 — 3,72% (мае.); 3-

0 0,2 0,4 0,6 0,8 с,кг/м

и.» 70 *

—70

7,25% (мае.); 4 — 13,75% (мае.)

при различной влажности:

50 100 150 200 с,ф

Рис. 8.6. Зависимость скорости нарастания давления при взрыве аэрозолей

антрахинона и его производных от .концентрации твердой фазы:

1 — антрахинон; 2 — 1,4-диаминоантрахинон; 3 — 1-аминоантрахинон; 4 — 1,5-диамнноан-

трахинон; 5 — 2-аминоантрахинон

При взрывах аэрозолей со стехиометрическим соотношени-

ем (расчетном) твердого вещества и воздуха в отличие от взры-

вов газовых смесей не достигается максимальное избыточное

давление. Максимальные параметры ударных волн наблюда-

ются при значительном избытке воздуха и концентрации твер-

дой фазы, в 3—4 раза превышающей НКПР, что обусловлено

неполнотой ее сгорания. Однако при этом объемная плотность

знерговыделения во многих случаях близка к значениям пока-

зателя для газовых смесей стехиометрического состава; такая

сходимость наблюдается и по значениям отношения ^у/Рмакс

равным 2—5 для взрывов аэрозолей.

Скорости нарастания давления (импульс взрыва) сущест

венно различны для различных веществ: 8—40 МПа/с— дл:

пластмасс, 6—14 кПа/с — для лекарственных препаратов, 0,03—

0,05 — для неорганических веществ, 30—70 МПа/с — для орга

нических красителей. Максимальная скорость нарастания дав

ления наблюдается в основном в условиях, при которых дот

гается максимальное давление. Для примера на рис. 8.6 и 8.

приведены зависимости импульса взрыва аэрозоля от конце!

трации твердой фазы.

Повышение влажности твердой фазы и содержания инер

ных компонентов в аэрозоле приводит к снижению импулы

взрыва пыли (рис. 8.8). Скорость нарастания давления, так и

как и максимальное давление взрыва аэрозолей, уменьшает

278

Рис. 8.7. Зависимость максимальной скорости нарастания давления при взры-

ве смесей пыли шерсти и нитрона при различной дисперсности частиц от со-

держания нитрона:

/ — 100 мкм; 2 — 100—160 мкм; 3 — 160—200 мкм; 4 — 200—315 мкм

Рис. 8.8. Зависимость максимальной скорости нарастания давления при взрыве

аэрозоля шерсти от его концентрации (для фракций 100—160 мкм) при раз-

личной влажности:

/-0,1% (мае.); 2-3,72% (мае.); 3 — 7.25% (мае.); 4 — 13,75% (мае.)

с понижением содержания кислорода в пылевоздушной смеси

(рис. 8.9). Минимальное взрывоопасное содержание кислорода

для многих аэрозолей органических веществ составляет 10—

15% (об.).

Температура самовоспламенения аэрозолей изменяется в

широких пределах (600—950 °С), так же как минимальная энер-

гия зажигания (Е

„

— 4—220 мДж) и другие параметры. Взры-

Рис. 8.9. Зависимость максимального давления взрыва от концентрации кис-

лорода:

/ — полиоксазол (концентрация 186 г/м

); 2 — полибензооксазол (концентрация 233 г/м');

? —сополимер стирола с дивиннлбензолом (концентрация 233 г/м

); 4 — поли-о-оксамид

(концентрация 418 г/м')

>ис. 8.10. Зависимость скорости нарастания давления взрыва от объема реак-

ционного сосуда для некоторых пылесодержащих смесей:

— уголь (АС»8,5 МПа/с); 2 — алюминий (К=5,54 МПа/с); 3 — органический пигмент

(К=2,86 МПа/с); 4 -декстрин (К^ 2,0 МПа/с)

277

Таблица 8.1. Параметры

Материал Ч, МДж/кг

Дисперс-

ность. мкм

НКПР, г/м»

МДж

Полимерные материалы

Полиэтилен низкого дав-

ления •

Полистирол

Полиакрилонитрил

Метилцеллюлоза

ПолиоКсадиазол

Красители

Дисперсный синий 7-74

Органический фиолето-

вый 2К

Пигмент дневной флуо-

ресцентный желтый

Пигмент дневной зеленый

флуоресцентный Н)8а

Антрахинон

Антрахиноновые краси-

тели

Жирорастворимый ярко-

синий антрахиноновый

Пигмент бордо антрахи-

ноновый на полиэтилене

Пигмент бордо антрахи-

ноновый С

Нафталин

Фталевый ангидрид

Медирепараты

Уротропин (гексамети-

лентетрамян)

Бензойная кислота

Адипяновая кислота

Аминобензойная кисло-

та

Норсульфазол

Неорганические вещества

Сера

Алюминий

47 100 250

45,0

—

(пе этилену)

20-70

45,0

39 800

20-70

27.5

—

30 150

27.5

11 800 850

30,0

18 000

30,0

2430 Дж/кг

10—25

82,0

—

22 375

5—10

35,0

5,5

42 860

3—10

45,0

5,4

30 200

35 660 5-50 74,0

—

42 860

1-20 39,0

—

80 121

39 900

100

2,5

21 000

12,6 15

28 100

75 15,0

25 300 22,0

19 700

850

35,0

25 000

20 400

8200 8,5

2.3

30 130 58,0

маКс

, приведенные в скобках, получены эксперимента.

2, Значения Чу1Р

НЛкс

, приведенные в скобках, определены для зна

йоопасность аэрозолей (как и газовых смесей) может характ»

ризоваться удельной объемной плотностью энерговыделени

являющейся количественным показателем разрушающей сп

собности ударных волн.

Для данного твердого горючего вещества всегда могут сс

даться оптимальные условия взрыва аэрозоля в воздухе, п

которых достигаются максимальные значения параметров удг

ной волны (давления и скорости его нарастания). При проч

равных условиях этому соответствует оптимальное соотноиш

твердой фазы и кислорода, при которых достигается мак

мальное удельное объемное тепловыделение. Отклонения