Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

взрывных явлений аэрозолей

макс

, МПа

йР\а т, МП а/с

св

, К

МВСК. %

(об)

Яу, МДж/м'

макс

МДж/МПа

0,630

690

9,5

2,12 13,5

590 37

753—773

15,5

1,1

7,4

710 25

723

14,5

0.35

7,4

700

0.35

2,02

660

908

12,5

2,02

740

32,5

906

0,2

1,08

750

37,5

897

0,2

1,08

780

34,0 630

10,5 0,8

4,02

800

67,0 599

10,5

1,93

9,64

724 (922)

637

11,5 1,33

7,51 (5,9)

1000

62,0 711

— 2,65 10.6

230

25,0

663

—

1,47

29,1

1130

72,7 914

—

885

0,1

651

1073

0,26 1.63

750 (993)

144 955

0,42 2,25(1.7)

0,56

713 (811)

1098

0,69 3,37 (3,4)

406

0,51

478

11,0 (7)

0,019

0,185

830 (1100)

7,3

470

3,0 1,75

8,42 (6.36

в камере \

—

I м

ннй Я

макс

, приведенных в скобках.

этого оптимального состава, так же как и отклонения от сте-

хиометрического соотношения газовых смесей, приводят к сни-

жению объемной плотности энерговыделения и соответственно

к снижению параметров ударных волн. В табл. 8.1 приведены

значения максимальной плотности энерговыделения, давления

и скорости его нарастания и других параметров при взрывах

аэрозолей некоторых веществ. Близостью этих параметров и

IX зависимости от массы и объемов горючих сред обусловлена

адекватность разрушений от промышленных взрывов аэрозо-

1ей и газовоздушных смесей.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями раз-

штия взрыва в аэрозолях установлено, что с увеличением объ-

281

ема реакционного сосуда максимальное давление взрыва воз-

растает, а скорость нарастания давления снижается. Для мак-

симального давления взрыва найдена эмпирическая формула

Ллакс = 1§350К

(8.1)

(где V — объем сосуда). С увеличением объема сосуда рост

давления достигает своего предела, а темп нарастания давле-

ния снижается. На примерах некоторых пылевоздушных смесей

показано, что снижение темпа нарастания давления подчиняет-

ся кубическому закону подобия, согласно которому для каждо-

го вида пыли произведение скорости нарастания давления

взрыва на объем взрывного сосуда (облака) в степени '/з есть

величина постоянная:

(ЙР/Л)

мам

. УЧ*^К. (8.2)

Закон кубического корня выполняется для объемов У>

;

при взрывах в меньших объемах наблюдаются отклонения. На

рис. 8.10 представлены зависимости темпов нарастания давле-

ния от объема реакционного сосуда для веществ с различными

значениями К. Пылевзвеси различных веществ классифициру-

ют по значениям этого параметра на четыре группы: /(=^0;

420</С^30; /С^эЗО. Таким образом, для оценки и

прогнозирования возможных масштабов разрушений от взры-

вов аэрозолей также может быть применимо моделирование по

принципу кубического корня.

Для оценки уровня взрывоопасности аэрозоля в помещении

(аппаратуре) необходимо определить энергетический потенциал

взрыва по формуле

Е-яУ, (8.3)

где <?у —- объемная плотность энерговыделения, кДж/м

; V--объем пылевоз-

душного облака, м

При положительном балансе кислорода в аэрозоле значе-

ния и рассчитывают как теплоту сгорания всего вещества е

1 м

смеси; при отрицательном балансе, когда часть твердо?

горючей массы в смеси при взрыве останется несгоревшей,

рассчитывают по наличию имеющегося кислорода с учетом егс

минимального взрывоопасного содержания (МВСК).

В общем случае для технологического блока со взрывоопас

ними аэрозолями по аналогии с газовыми смесями можно опрс

делить тротиловый эквивалент, используя для этого энергет]

ческий баланс ударной волны, представляемый выражением

Ус^гг' = 0,9(/

и7, (8

где V — объем аэрозоля, м

; с — концентрация дисперсной горючей среды

смеси, кг/м

; <? теплотворная способность твердой фазы, кДж/кг; г — I

сгорания твердой фазы; г' — доля энергии взрыва пыли, расходуемой на (

мирование ударной волны (может приниматься но аналогии с газовыми

сями).

282

По массе тротила или его энергетическому эквиваленту ме-

тодом моделирования по принципу кубического корня могут

быть определены масштабы и уровень разрушений.

При моделировании взрывов аэрозолей в аппаратуре и дру-

гих замкнутых объемах для оценки характера и масштабов

разрушений могут применяться принципы моделирования

взрывных процессов газовых сред с учетом их реальной гео-

метрической формы, объема и энергетического потенциала.

В отличие от газовых смесей образование взрывоопасного

облака аэрозоля в помещении может происходить в процессе

самого взрыва; взрыву в большинстве случаев предшествуют

локальные хлопки в оборудовании и воспламенение в отдель-

ных участках здания, что вызывает встряхивание пыли, осев-

шей на полу, стенах и других строительных конструкциях и

оборудовании. Это приводит к образованию взрывоопасных

концентраций пыли во всем объеме, взрыв которой вызывает

сильные разрушения. В других случаях облако пыли образует-

ся не сразу в объеме помещения, а непосредственно перед

фронтом пламени, распространяющегося над твердыми поверх-

ностями; осевшая пыль при этом быстро переходит во взвешен-

ное состояние, а ускорение распространения пламени в объеме

свежей смеси приводит к формированию ударной волны и даль-

нейшему образованию больших объемов пылевзвеси,

8.2. ОЦЕНКА УРОВНЯ ВЗРЫВООПАСНОСТИ

ПЫЛЕОБРАЗУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Основные принципы количественной оценки взрывоопасно-

сти технологических объектов приведены в приложении 1 «Об-

щих правил взрывобезопасности для взрыво- и пожароопасных

химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих про-

изводств», однако они касаются преимущественно объектов с

горючими газами и жидкостями. Процессы же образования и

ззрыва пылевоздушных смесей имеют другие закономерности

\ требуют уточнения методологии оценки взрывоопасности пы-

1еобразующих объектов и разработки соответствующего мате-'

этического аппарата.

Используя основные положения указанных Правил, можно

формулировать общие подходы к решению этой задачи. Уро-

ень взрывоопасности пылеобразующего технологического бло-

а (объекта) характеризуется энергией сгорания суммарного

эличества взрывоопасной пылевоздушной смеси, способной

эразоваться внутри оборудования, в объеме производственно-

) помещения и наружной установки в результате отклонения

• норм технологического режима или возникновения аварий-

.IX ситуаций, связанных с разгерметизацией системы. Грани-

1ми технологического блока могут быть автоматические пла-

ютсекатели, секторные затворы, шнековые питатели и другие

ханизмы, обеспечивающие надежное запирание блока при

повышенных давлениях в условиях внутреннего взрыва. Общий

энергетический потенциал блока составляет

Е = ОЧ, (8.5)

где О — общая масса дисперсного продукта, участвующая в образовании взры-

воопасной пылевоздушной смеси, кг; § — удельная энергия сгорания дисперс-

ного продукта, кДж/кг.

Значение О рассчитывают с учетом возможности возникно-

вения аварийной ситуации с максимально тяжелыми послед-

ствиями, которая характеризуется образованием наиболее бла-

гоприятной для взрыва концентрации смеси, наиболее небла-

гоприятным стечением обстоятельств и предельно возможными

границами развития.

Учитывая специфические особенности аварий в производст-

вах, где возможно образование пыли и, следовательно, возник-

новение вторичных взрывов пылевоздушных смесей, образую-

щихся в результате взвихрения пылевых отложений, можно вы-

делить три составляющие О:

0 = 0

+ 0

. (8.6)

О] — масса взвешенной пыли в аппаратуре технологического

блока, которая определяется по формуле

= У

авС

с, (8.7)

где Упк — суммарный объем пылевоздушной смеси во всех связанных между

собой аппаратах и трубопроводах технологического блока, м

; с — концентра-

ция пылевоздушной смеси, наиболее выгодная для взрыва, кг/м

При отсутствии экспериментальных данных можно пользо-

ваться стехиометрической концентрацией

ст

= 8,6-Ю-з (М/я), (8.8)

где М — молекулярная масса дисперсного вещества; п — число молекул кис

лорода, необходимое для полного сгорания молекулы вещества.

О2 — масса взвешенной пыли в пылевоздушной смеси, об

разующейся в объеме помещения или наружной установки I

результате выброса продукта из разрушенного внутренню

взрывом оборудования и поступления пылеобразующих тех

нологических потоков к разгерметизированному участку и

смежного оборудования. Согласно ОНТП 24—86 МВД ССС1

=(0

+ П

%)К

, (8.<

где О а—масса горючей пыли, выбрасываемой из разгерметизировавшего

аппарата (блока), кг; П„ — интенсивность пылящего технологического пото!

кг/с; т — время, необходимое для отключения этого потока, с; Кп — коэфф

циент пыления, представляющий собой отношение массы взвешенной в возд>

пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппарата в помещение.

При дисперсности пыли >350 мкм рекомендуется прии

мать

/Сп

= 0'5, при дисперсности <350 мкм — /Сп=1. Суще'

вуют и другие подходы в определении К

• Так, рекомендует

при высоте возможного выброса 5 м принимать

7С

3 м—0,3; 2 м —0,1; 1 м —0,03. Однако оба эти подхода уел'

ад 4

ны и дают значительные погрешности при расчете количества

горючего продукта в пылевоздушной смеси и энергетического

потенциала блока (объекта), приводящие к необоснованным

решениям по стабилизации и противоаварийной защите объ-

ектов.

8.3. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА ПЫЛИ

И ЕГО РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Более точные результаты можно получить, применив ме-

тоды расчета, учитывающие совокупность основных факторов,

определяющих степень пыления дисперсных материалов при

выбросе из технологического оборудования (плотность, дис-

персность частиц, высота пылевого облака, интенсивность и

время пылевыделения). Закономерности изменения количества

взвешенной пыли в пылевоздушной смеси, образовавшейся при

поступлении пылеобразующих потоков из смежного оборудова-

ния О

, могут быть описаны следующей системой уравнений:

= Л

т-0

ос

; (8.10)

Я?

ос

= С

(»

ое

/Я) А, (8.11)

где Оос — количество пыли, осевшей из пылевоздушной смеси за время т; а

ос

—

линейная скорость оседания частиц, м/с; Н — высота пылевого облака, м.

Выполнив некоторые преобразования, получим:

Лгп=[Л

-Сп<»оо/Я)]Л. (8.12)

Решение этого уравнения дает: /

= П

(Н/У

ос

) (1 -е-°°°

). (8.13)

Количество пыли С

в пылевоздушной смеси, образовав-

шейся при выбросе продукта из аварийного аппарата (блока),

равно

= О

(1-с

осТ

/Я). (8,14)

Суммарное количество пыли в пылевоздушной смеси

= О

+ О

= 0

(1 - е

ос

т/Н) + П

<///„,ос) (1 - е~"о°

т/Н

). (8,15)

Графическая зависимость С

от т представлена на рис.

8.11. Первое слагаемое в приведенной выше формуле имеет

положительное значение и

влияет на общее количество

пыли в пылевоздушной сме-

си только при т<Я/и

с; если

т^Я/Уос, то оно в расче-

ис. 8.11. Зависимость Количества вы-

бившейся из аппаратуры пыли Сц

1Т времени отключения пылеобразую-

щих потоков V

285

те не учитывается. При вычислении энергетического

потенциала должно приниматься максимальное значение

, достигаемое в течение всего времени пылевыделения т и

соответствующее моменту времени т

акс- Проанализировав пер-

вую (С

')) и вторую (С

") производные функции 0

от т, за-,

пишем следующие зависимости для ее максимального значе-

ния:

1) т<ЯК-

;

при /7

< С

Кс/Я);

(8.16)

(8.17)

при

<О

Кс/Я);

при

Т Тмакс>

при

т ^ т

макс

'ос;

при

>А;

А при

где т

накс

= (Я/о

ос

) 1п (С

/Я

) (о

ос

/Я); (8.18)

А = 0

1п (0

/Я

) Кс/Я) + Яц (Я/у

ос

). (8.19)

Время отключения пылеобразующих технологических пото-

ков определяют, исходя из реальных условий с учетом тех-

нических данных запорных устройств, их надежности, наличия

резерва и т. д. Если оно превышает значения, рекомендован-

ные ОНТП 24-86 МВД СССР, или существенно влияет на

энергетический потенциал, должны приниматься меры по по-

вышению быстродействия запорных устройств.

Скорость оседания (витания) частиц «

с (м/с) можно под-

считать по интерполяционной зависимости между критериями

Рейнольдса и Архимеда:

Ке = Аг/(18 + 0,6"1/Аг); (8.20) Ке = 0

оС

(8.21)

АГ = ^

(Р-Рв)/(*

Рв). (8 22)

где й — диаметр частиц, м;

— кинетическая вязкость воздуха, м

/с; # — уско-

рение силы тяжести, м/с

; р — плотность частиц, кг/м

; р

— плотность воз-

духа, кг/м

Тогда Уос будет равна

8<Р (Р - Рв)

Рв

(18 + 0,6) У^(Р-Рв)/^Рв) '

(8.23)

Если частицы имеют несферическую форму, то в эту формулу

подставляется эквивалентный диаметр:

экв

/бУфг (8.24)

(где У

— объем частицы несферической формы).

Оз — это масса взвешенной пыли в пылевоздушной смеси,

образующейся в объеме помещения или наружной установки

за счет взвихрения пыли, осевшей на полу, оборудовании,

строительных конструкциях. В соответствии с ОНТП 24-86

МВД СССР

=(К

/Ку)(т1+т

), (8.25)

286

где Кг — доля горючей пыли в общей массе отложенной пыли; т\ — масса

пыли, оседающей на труднодоступных для уборки поверхностях за период

времени между генеральными уборками, кг; т

— масса пыли, оседающей на

доступных для уборки поверхностях за период времени между текущими убор-

ками, кг; К

— коэффициент эффективности уборки пыли (при сухой уборке он

равен 0,6, мокрой — 0,7, в случае уборки передвижными пылеуборочными

средствами — 0,8).

Значения гп\ и т

определяют в периоды максимального

пылевыделения. Для этого труднодоступные и доступные для

уборки поверхности условно разбивают на зоны (для обеспе-

чения достоверности результатов число зон должно быть не

менее 10) и в каждой из них устанавливают протвини с точ-

но измеренными площадью и массой. По истечении времени

опыта (не менее смены) определяют интенсивность Я (кг/ч)

отложения пыли:

Я=(М

-М

)/(т

оп

пр

), (8.26)

где М| и М

— массы чистого протвиня и противня с пылью, кг; т

п — время

опыта, ч; Р

пр

— площадь протвиня, м

Количество отложившейся пыли:

Щ ~ /7тр/

тр) ^трТт.у; (8.27)

Щ = &П

/п

)Р

, (8.28)

где й

тр

и п

— число протвиней, установленных в труднодоступных и доступ-

ных для уборки местах; /7

хр

и Я

— интенсивности пылеосаждения на этих

протвинях, кг/ч; Р

тр

и Р

— площади поверхностей, труднодоступных и доступ-

ных для уборки пыли, м

; т

и т

— периоды времени между генеральной и

текущей уборками, ч.

Для открытых установок в расчете учитываются только те

запыленные площади, которые находятся в пределах радиуса

с расчетной величиной импульса ударной волны предшеству-

ющего взрыва, достаточной для взвихрения осевшей пыли.

Используя универсальный закон подобия, предложенный

Саксом, согласно которому безразмерное давление Р=Р/Ро и

импульс взрыва

/(Е

*Р

)

(Р

и а

— давление и ско-

рость звука в окружающей среде) являются функциями одно-

го аргумента — безразмерного расстояния

Я = (8.29)

а также зависимости I от В для взрывающихся сфер и зави-

симости уноса твердых частиц от импульса волны сжатия,

можно построить диаграмму для определения радиуса расчет-

ной зоны через приведенную к единой удельной энергии сго-

рания (46-10

кДж/кг) массу взвешенной пыли, участвующей

в предшествующем взрыве (рис. 8.12).

Суммарное значение С

п С

в объеме помещения не долж-

но превышать У

св

ст

(где У

в — свободный объем помещения).

Потенциал взрывоопасности технологического блока (объ-

екта) определяется в соответствии с общими правилами взры-

вобезопасности по формуле

<г

= (1/16,534)-КЁ. (8.30)

287

Рне. 8.12. Зависимость радиуса расчетной

зоны взвихривания пылевых отложений от

приведенной массы пыли, участвующей во

взрыве (т„

)

Последствия взрывов внутри

аппаратуры и на открытых уста-

новках оценивают с учетом троти-

лового эквивалента и радиусов ин-

тенсивности воздействия ударной

волны. Вместе с тем необходимо

иметь в виду, что особую опас-

ность представляют взрывы в объ-

еме производственного помещения,

способные привести к полному

разрушению зданий и сооружений

даже при относительно невысоких энергетических параметрах

взрывов. Оценка такой опасности производится по величине

избыточного давления взрыва в помещении. Тротиловый экви-

валент взрыва пылевоздушной смеси составляет

Г = 0,45 (8/8т)гС, (8.31)

где- й'т — удельная энергия сгорания тротила, кДж/кг; г — доля участия взве-

шенного дисперсного продукта во взрыве; при отсутствии экспериментальных

данных допускается принимать 2=0,5.

Для определения радиусов зон интенсивности воздействия

ударной волны при взрыве пылевоздушной смеси можно ис-

пользовать зависимость от приведенную в общих пра-

вилах взрывобезопасности:

я. = к

~№/[ 1 + (3180/1Г)

]

, (8.32)

в которой К/ — коэффициент пропорциональности, соответст-

вующий определенной зоне интенсивности ударной волны. Зо-

ны интенсивности воздействия ударной волны приведены

ниже:

Избыточное

Зона

давление на

фронте удар-

Степень разрушения сооружений

и зданий

Травмирующве

воздействие на

ной волны,

Степень разрушения сооружений

и зданий

людей

кПа

1 3,8 >100

Полное разрушение Смертельное

И 5,6 70

Частичное разрушение

ш 9,6 28

Здания непригодны для оби- Тяжелое

тания

IV 28,0

Разрушение остекления, двер- Средней тяжести

ных и оконных переплетов

56,0

Разрушение до 5% остекления Легкое

288

Избыточное давление взрыва АР (кПа) пылевоздушной

смеси в объеме помещения рассчитывают по формуле, приве-

денной в ОНТП 24-86 МВД СССР:

= > (в.38)

где Р« — начальное давление в помещении (101 кПа); У

» — свободный объем

помещения, м

; р

— плотность воздуха (1,29 кг/м

); с

— теплоемкость воз-

духа [1,01 кДж/(кг-К)]; Т

— начальная температура воздуха в помещении;

Л'н —• коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатич-

ность процесса горения (допускается принимать К

= 3).

Взрыв в помещении не должен приводить к обрушению зда-

ния. При получении опасных значений АР следует принимать

специальные меры по его снижению. Если это невозможно по

условиям технологии, пылеобразующий объект необходимо

вынести за пределы помещения.

8.4. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ УЧЕТ ФАКТОРОВ ОПАСНОСТИ

ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЗРЫВОВ ПЫЛИ

Оценку вероятности возникновения взрыва ныли проводят

с учетом количественных показателей состояния основных фак-

торов безопасности (частных коэффициентов), для определе-

ния которых могут быть использованы принципы, изложенные

в Общих правилах взрывобезопасности.

Коэффициент К\, характеризующий основные опасности,

связанные с физико-химическими свойствами веществ и пара-

метрами процесса, должен учитывать следующие факторы:

дисперсность пыли или волокна (7 = 0,10); нижний концентра-

ционный предел распространения пламени (1=0,15); темпера-

туру среды в блоке или аппарате (•у = 0,10); избыточное давле-

ние среды (7 = 0,10); удельное объемное электрическое сопро-

тивление (^ = 0,10); минимальное взрывоопасное содержание

кислорода (7 = 0,15); температуру самовоспламенения (7 =

= 0,15); склонность к самовозгоранию (7 = 0,15). Здесь вели-

чина 7 представляет собой значимость (удельный вес) факто-

ра, в Правилах ей соответствует среднее значение экспертной

оценки. Конкретные значения того или иного параметра раз-

делены на 10 диапазонов, аналогично тому, как это сделано

в Правилах. Отсюда величина N^/10 представляет собой

вклад каждого параметра в обобщенный коэффициент К\

—номер диапазона).

Для расчета коэффициента К2. характеризующего опаснос-

ти, связанные с конструктивными особенностями и исполнени-

ем оборудования, рекомендуется учитывать наличие оборудо-

вания с движущимися частями (7 = 0,65) и без них (7=0,15),

средств транспортирования пыли, волокон и аэрозолей (7=

= 0,20). Номер диапазона определяется по числу единиц обо-

рудования.

19—1006

289

Коэффициенты Кз, Л4 и Кь. характеризующие соответст-

венно опасности, связанные с проведением тепломассообмен-

ных (сушка) реакционных процессов, возможными источника-

ми разгерметизации технологических систем, могут опреде-

ляться в соответствии с Общими правилами взрывобезопас-

ности.

Коэффициент Кб, характеризующий опасность возникнове-

ния объемных пылевых облаков в помещении (на открытой

площадке), а также опасности, связанные с возможностью

воспламенения пыли, должен учитывать следующие факторы:

наличие слоя осевшей взрыво- и пожароопасной пыли или во-

локон

("/

= 0,50); аппаратуры с огневым обогревом (^ = 0,15,

номер диапазона определяется по числу единиц оборудования);

внешних поверхностей аппаратов, нагретых до температур вы-

ше температуры самовоспламенения веществ (7 = 0,15, Д/д —

в зависимости от площади поверхностей); соударяющихся и

трущихся деталей (7 = 0,10, №

—по числу деталей); электрообо-

рудования (7 = 0,10, Ы

— по числу единиц и видам взрыво-

защиты).

Используя вероятностную модель аварии, можно записать:

ав

- (1 _ Кг) (1 - К

) (1 - К

) (1 -/С

) (1 - К„) (1 - К

)

Когда Р

ав

находится в интервале 1—0,5, процесс особо опас-

ный, 0,5—0,2 — опасный, 0,2—0,01 — повышенной опасности и

<0,01 — малоопасный.

В помещениях, где возможно выделение взрывоопасной

пыли, должен осуществляться систематический контроль со-

стояния запыленности. Концентрацию пыли (г/м

) можно оп-

ределить по формуле

С~НРС1/У, (8 34)

где Н—толщина слоя пыли на поверхности, см; Р — площадь твердых поверх-

ностей, покрытых пылью, см

;

— насыпная плотность пыли, г/см

; V — объем

помещения, м

Полученные расчетные значения концентрации не должны

превышать НКПР данной пыли. Этот метод расчета является

весьма ориентировочным, так как получение исходных данных

необходимой достоверности весьма сложная задача.

Вместе с тем разрушительными могут быть взрывы пыли

в локальных зонах помещений со значительно меньшим коли-

чеством горючего вещества по сравнению с рассчитанным по

приведенной выше формуле. Поэтому уровень опасности взры-

ва аэрозолей, так же как и газовых смесей, следует рассчиты-

вать по абсолютным (общим) значениям энергетического по-

тенциала, объемной плотности энерговыделения и основным па-

раметрам ударных волн, а возможную запыленность помеще-

ний определять при тщательном исследовании материальных

балансов технологических процессов.

Основным направлением предупреждения взрывов пыли

должна быть максимальная герметизация технологических си-

290