Виявлення та оцінка інженерної обстановки при зруйнуванні пожежа та вибухонебезпечних об'єктів
Пожежа та вибухонебезпечними є об'єкти, на яких виробляються, зберігаються, транспортуються вибухонебезпечні матеріали та речовини, що за певних умов здатні до спалаху або вибуху.
За ступенем вибухової, вибухо-пожежної і пожежної небезпеки всі об'єкти поділяють на шість категорій: А, Б, В, Г, Д і Е. Особливо небезпечними вважаються такі, яким присвоєні категорії А, БіВ.
До категорії А належать нафтопереробні заводи, хімічні підприємства, трубопроводи та склади нафтопродуктів.
Категорія Б обіймає цехи виробництва і засоби транспортування вугільного пилу, пилу деревини, цукрової пудри, борошна.
Пожежа і вибухонебезпечні об'єктикатегорії В − це деревообробні, столярні та лісопильні виробництва.
Виникнення пожеж залежить від ступеня вогнестійкості будівель і споруд, яка поділяється на п'ять груп.
Ступінь вогнестійкості будівель і споруд визначається мінімальними межами вогнестійкості будівельних конструкцій і займистістю матеріалів, з яких вони виготовлені, а також часом незаймистості.
Всі будівельні матеріали, а отже, і конструкції з них діляться на три групи: такі, що не згоряють, важко спалимі і такі, що згоряють.
Такі, що не згоряють − це матеріали, які під впливом вогню або високої температури не спалахують, не тліють і не обвуглюються.
Таблиця 3.2.11
Ступінь вогнестійкості будівель і споруд, години
| Ступінь вогнестійкості | Частини будівель і споруд | |||
| Несучі сходових кліток | Сходові майданчики і марші | Несучі конструкції перекриттів | Елементи перекриттів | |
| I | З год, не згоряє | 1 год, не згоряє | 1 год, не згоряє | 0,5 год, не згоряє |
| II | 2,5 год, не згоряє | 1 год, не згоряє | 0,25 год, не згоряє | 0,25 год, не згоряє |
| III | 2 год, не згоряє | 1 год, не згоряє | 0,25 год, не згоряє | згоряє |
| IV | 0,5 год, важко спалимі | 0,25 год., важко спалимі | 0,25 год, важко спалимі | згоряє |
| V | Такі, що згоряють |
Важко спалимі − матеріали, що під впливом вогню або високої температури важко спалахують, тліють або обвуглюються і продовжують горіти за наявності джерела вогню.
Такі, що згоряють − це матеріали, які під впливом вогню або високої температури спалахують або тліють і продовжують горіти і тліти після видалення джерела вогню.
Пожежі на великих промислових підприємствах і в населених пунктах поділяються на окремі, масові та вогняний шторм. Окремі пожежі мають місце при горінні поодинокої будівлі або споруди. Масові пожежі − це сукупність окремих пожеж, що охопили більше 25% будинків або споруд. Масові пожежі за певних умов можуть перейти у вогняний шторм, коли під впливом потужного вітру або за інших причин вогонь швидко передається від об’єкту до об’єкту.
Пожежа і вибухонебезпечні явища характеризуються такими чинниками:
· повітряною ударною хвилею, що виникає при різного роду вибухах газоповітряних сумішей, ємностей з перегрітою рідиною і резервуарів під тиском;
· тепловим випромінюванням полум’я і уламками конструкцій, що розлітаються;
· дією токсичних речовин, які застосовувалися в технологічному процесі або утворилися в ході горіння або інших аварійних ситуацій.
Плануючі заходи щодо боротьби з аваріями, треба враховувати, що в своєму розвитку вони проходять п'ять характерних фаз:
перша − накопичення відхилень від нормального процесу;
друга − ініціація аварії;
третя − розвиток аварії, під час якої проявляється негативна дія шкідливих, небезпечних та уражаючих факторів на людей, природне середовище і об'єкти народного господарства;
четверта − проведення рятувальних і інших невідкладних робіт, локалізація і ліквідація аварії;
п'ята − відновлення життєдіяльності після ліквідації аварії.
В різних галузях промисловості України експлуатуються більше 1200 пожежа і вибухонебезпечних об'єктів. За даними МНС України найбільша кількість людей страждає унаслідок пожеж і вибухів в шахтах, в будівлях і будинках житлового та соціально-побутового призначення.
Вибух– це процес звільнення великої кількості енергії в обмеженому обсязі за короткий проміжок часу. За видом вибухової речовини (ВР) розрізняють вибухи конденсованої ВР (тротилу, гексогену, гептилу, пороху і т. п.), вибухи газоповітряних сумішей і вибухи аерозолів − пило-порохоповітряних сумішей.
На вибухонебезпечному об’єкті можливі такі види вибухів:
· неконтрольоване різке вивільнення енергії за короткий проміжок часу і в обмеженому просторі (вибухові процеси);
· утворення хмар паливо-повітряних сумішей або інших хімічних газоподібних і порохоподібних речовин, їх швидкі вибухові перетворення (об'ємний вибух);
· вибухи трубопроводів, ємностей, що знаходяться під великим тиском або з перегрітою рідиною, перш за все резервуарів із краплинним вуглеводневим газом.
В результаті вибуху утворюються такі фактори ураження: детонаційна та повітряна ударні хвилі, потік продуктів вибуху, осколкові поля, що утворюються в наслідок руйнування об'єктів. Основними параметрами факторів ураження вибуху є : для детонаційної та повітряної ударної хвиль – надмірний тиск у їх фронті (ΔРф), швидкісний натиск повітря (ΔРшнп) і час їх дії; осколкового поля – кількість осколків на одиницю площі, їх кінетична енергія і радіус розльоту. За одиницю вимірювання ΔРф в системі SІ прийнятий Паскаль (Па), позасистемна одиниця – кгс/см2 : 1 Па = 1 Н/м2 = 0,102 кгс/см2; 1 кгс/см2= 98,1 кПа ≈ 100 кПа.
Досвід ліквідації наслідків аварій в нашій країні і за кордоном, пов’язаних з вибухом, свідчить про те, що найскладніша обстановка утворюється в зонах вибуху газо- і порохоповітряних сумішей, парових хмар нафтопродуктів, мастил і інших небезпечних речовин. При виникненні таких аварій можливі два варіанти розвитку події: детонаційний вибух і дефлаграційне (або вибухове) горіння.
В зоні детонаційного вибуху швидкість поширення полум'я значно перевищує швидкість звуку. При цьому ΔРф в детонаційній хвилі досягає 1000−2000 кПа, а температура продуктів вибуху становить 1500−3000 0C. В таких умовах можливе повне зруйнування будівель і споруд, загибель людей, виникнення суцільних пожеж. Повітряна ударна хвиля, що формується в зоні детонації, може поширюватися на десятки, сотні і навіть тисячі метрів від центру вибуху.
При дефлаграційному (або вибуховому) горінні швидкість розповсюдження полум'я не перевищує 100−200 м/с, а тиск – 20−100 кПа. При такому горінні утворюється небезпечна пожежна обстановка.
З метою отримання даних щодо розмірів зони надзвичайної ситуації, перед проведенням інженерної розвідки здійснюється її прогнозування з використанням методик, розроблених для таких умов:
вибуху конденсованих вибухових речовин (тротилу, гексогену, димного пороху, піроксиліну і ін.);
вибуху газо- і пароповітряних сумішей вуглеводних речовин;
вибуху порохоповітряних сумішей і аерозолів.
Оскільки для вибухонебезпечних об’єктів найбільш характерні викиди газо- і пароповітряних сумішей вуглеводних речовин з утворенням умов детонаційних вибухів, то й розглянемо методики виявлення та оцінки параметрів зон зруйнувань саме для цих випадків.
Більшість з відомих на даний час методик визначають параметри факторів ураження, що утворюються при вибуховому перетворенні газо і пароповітряної суміші вуглеводних речовин, спираючись на принципи подібності Хопкинсона і підпорядкованість закону “кубічного кореня”.
В практиці широко застосовуються дві з них.
Перша − передбачає поділ осередку ураження (вибуху) надві зони: зону детонації і зону поширення (дії) ударної хвилі.
Радіус зони детонації (дії детонаційної хвилі) R1 визначають за допомогою емпіричної формули:
, 3.2.1
де k – коефіцієнт, що характеризує обсяг газу або пари речовини, переведений у вибухонебезпечну суміш. Його значення коливається від 0,4 до 0,6;
Q– кількість речовини, що викинута у довкілля, т;
18,5 – емпіричний коефіцієнт, який дозволяє врахувати різні умови виникнення вибуху (характеристики газо і пароповітряної суміші вуглеводних речовин, стан атмосфери, геометрію хмари, потужність джерела запалювання, місце його ініціювання і ін.).
За межами зони детонації надмірний тиск ударної хвилі (ΔРф) швидко знижується до атмосферного і тоді вибух сприймається як потужний звуковий імпульс. Для розрахунків ΔРф використовуються узагальнені дані зміни надмірного тиску, виходячи з відстані, вираженої в частках від радіусу зони детонації (R2/R1) і максимального тиску (Pmax) в ній (табл. 2.2.12, 2.2.13).
Зону поширення (дії) ударної хвилі розбивають на п’ять (n) складових з радіусами смертельних уражень та суцільних зруйнувань (R100) і надмірним тиском на зовнішній межі ΔРф1 = 100 кПа; сильних зруйнувань (R50) відповідно з ΔРф2 = 50 кПа; середніх зруйнувань з ΔРф3 = 20 кПа (R20), слабких зруйнувань з ΔРф4 = 10 кПа і безпечну зону з ΔРф5 = 6−7 кПа (R6−7). За міжнародними нормами безпечна для людини ударна хвиля є така, що має ΔРф = 7 кПа.
Таблиця 2.2.12
Фізико-хімічні і вибухонебезпечні властивості деяких речовин
| Речовина | ρ, кг/м3 | КМВ з повітрям, % | Ρс, кг/м3 | Qг, МДж/кг |
| Метан | 0,716 | 5,0-16,0 | 1,232 | 2,76 |
| Пропан | 2,01 | 2,1-9,5 | 1,315 | 2,80 |
| Бутан | 2,67 | 1,8-9,1 | 1,328 | 2,78 |
| Ацетилен | 1,18 | 2,5-81 | 1,278 | 3,39 |
| Оксид вуглецю | 1,25 | 12,5-74,0 | 1,280 | 2,93 |
| Аміак | 0,77 | 15,0-28,0 | 1,180 | 2,37 |
| Водень | 0,09 | 4,0-75,0 | 0,933 | 3,42 |
| Етилен | 1,26 | 3,0-32,0 | 1,285 | 3,01 |
Потім, визначивши Pmax (табл. 2.2.12) для даної вибухонебезпечної суміші, у табл. 2.2.13 для прийнятих зон з ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, ΔРф5 = 7 кПа, знаходять числове значення відношення Rn/R1 і, отже, радіуси (Rn):
, (2.2.2.)
де n=1, 2, 3, 4, 5 – показник зони ураження;
– визначається за допомогою табл. 2.2.13.
При аварійному зруйнуванні газопроводів і ємностей з вуглеводним паливом, перезбагачена паливом суміш не детонує, а інтенсивно горить із зовнішньої поверхні, витягується і утворює вогнянну кулю, яка, підіймаючись, приймає грибоподібну форму. Уражаюча дія вогненної кулі характеризується її розмірами і часом теплової дії на об'єкти і людей. Їх величина залежить від загальної маси рідини в ємностях у момент вибуху.
Таким чином, алгоритм визначення розмірів небезпечних зон в районах вибуху газо- і пароповітряних сумішей у відкритій атмосфері можна представити так:
1. Знаходять величину максимального тиску в зоні детонації при вибуху заданої паливо повітряної суміші (Pmax, кПа) в повітряному просторі, використовуючи дані табл. 2.2.12.
2. Визначають радіус зони детонації R1 за допомогою формули (2.2.1).
3. Знаходять відношення Rn/R1 у табл. 2.2.13 для ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, ΔРф4 = 10 кПа та ΔРф5 = 7 кПа.
4. Розраховують радіуси зон R100, R50, R20, R10, , R7 за допомогою формули (2.2.2).
Приклад. В результаті розгерметизації ємності де зберігався краплинний пропан в кількості Q = 10 т, відбувся вибух пропано-повітряної суміші. Визначити радіуси зон зруйнувань для ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, R4 = 7 кПа, прийнявши К = 0,6.
Розв’язання завдання:
1. Визначають радіус зони детонації: 
м.
2. У табл. 2.2.12 для пропану знаходять Pmax= 860 кПа ≈ 900 кПа.
3. У табл. 2.2.13 для Pmax і ΔРф знаходять значення відношень Rn/R1: ΔРф1 = 100 кПа, R2/R1= 1,8 (R100/R1= 1,8), ΔРф2 = 50 кПа, R3/R1 = 2,9 (R50/R1 = 2,9), ΔРф3 = 20 кПа, R4/R1 = 5 (R20/R1 = 5) та ΔРф4 = 7 кПа, R5/R1 = 10 (R7/R1 = 10).
4. Застосовуючи формулу 2.2.2, розраховують радіуси зон зруйнувань:
R100=1,8R1=1,8·33=60 (м); R50=2,9R1=2,9·33=95 (м);
R20=5R1=5·33=165 (м); R7=10R1=10·33=330 (м).
Примітка. Радіуси зони сильних (Rc) і слабих зруйнувань (Rсл) та R1 визначаються за допомогою табл. 2.2.14 при Q = 10т і Pmax = 900 кПа: R = R50 = 95м, Rсл= R20=165 м і R1=33 м.
Друга методика розрахунку параметрів зонивибуху паливо-повітряної суміші передбачає поділ осередку ураження на 3 зони: зону детонації; зону дії продуктів вибуху та зону повітряної ударної хвилі.
Зона дії детонаційної хвилі (зона I) знаходиться в межах хмари паливо-повітряної суміші. Радіус цієї зони R1 визначається за допомогою формули:
,
де Q − маса вибухонебезпечної речовини, що зберігається в ємності, т.
В межах зони I діє детонаційна хвиля з надмірним тиском (ΔРф1 ), який приймається постійним: ΔРф1 = 1700 кПа.
Зона дії продуктів вибуху (зона II) – охоплює всю площу розльоту продуктів детонації. Радіус цієї зони становитиме 1,7R1, тобто 
.
Надмірний тиск в межах зони II змінюється від 1350 до 300 кПа згідно закону:
,
де R – відстань від центру вибуху до об’єкту, м.
В зоні дії повітряної ударної хвилі (зона III) – формується фронт ударної хвилі, що поширюється над поверхнею землі. Радіус зони ІІІ R3 − це відстань від центру вибуху до об’єкту, в якому визначається надмірний тиск повітряної ударної хвилі (ΔРф3). В залежності від відстані до центру вибуху він може бути оцінений за допомогою співвідношень:
ΔΡф=700 / [3(1+29,8·х3)0,5−1] при (х=0,24R/R1)≤ 2:
ΔΡф=22 / [х(lgx+0,158)0,5] при (х=0,24R/R1)≥ 2.
Приклад. Визначити надмірний тиск в районі механічного цеху при вибуху суміші пропану в кількості Q = 100 т з повітрям, якщо відстань від ємності до цеху − 300м.
Розв’язання завдання:
1. Визначають радіус зони детонації (зони I):
м.
2. Обчислюють радіус зони дії продуктів вибуху (зони II):
R2 = 1,7R1 = 1,7·80 = 136 (м).
3. Знаходять радіус зони дії повітряної ударної хвилі (зони III) R3 = 300 (м).
4. Порівнюючи відстані від механічного цеху до центру вибуху (R3 = 300 м) із знайденими радіусами зони I (R1 = 80 м ) і зони II (R2 = 136 м), можна стверджувати, що цех знаходиться в межах дії повітряної ударної хвилі (в зоні III).
5. Визначають відносну величину:
x= 0,24 R3/R1= 0,24·300/80=0,9.
Тобто x <2.
6. Надмірний тиск повітряної ударної хвилі у механічному цеху буде:
ΔΡ=700 / [3(1+29,8· x 3)0,5–1] = 60 кПа.
Висновок. Механічний цех знаходитиметься в зоні повних зруйнувань (ΔРф>50 кПа).
Таблиця 2.2.13
Значення ΔРф в зоні детонації як функції Rn/R1 і ΔРmax
| Максимальний тиск в зоні детонації (Рmax), кПа | Значення ΔРф, кПа на відстанях від центру вибуху в частках від R (Rn/R1) | |||||||||||||||
| 1,05 | 1,1 | 1,2 | 1,4 | 1,8 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 6,0 | 8,0 | |||||||
| 2,5 | 1,5 | 1,0 | ||||||||||||||
| 4,5 | 2,7 | 1,8 | ||||||||||||||
| 3,7 | ||||||||||||||||
Таблиця 2.2.14
Радіуси зон сильних і слабких зруйнувань
| Рmax, кПа | R50/R1 | R20/R1 | Радіуси зон сильних (Rc) і слабких (Rсл) зруйнувань, (м), навколо ємності з пара повітряною сумішшю Q, т | ||||||||||||||||||
| 1т | 10т | 100т | 1000т | 10000т | |||||||||||||||||
| R | Rc | Rсл | R | Rc | Rсл | R | Rc | Rсл | R | Rc | Rсл | R | Rc | Rсл | |||||||
| 1,9 | 3,5 | 15,6 | |||||||||||||||||||
| 2,9 | 5,0 | -“- | -“- | -“- | -“- | -“- | |||||||||||||||
| 5,3 | -“- | -“- | -“- | -“- | -“- | ||||||||||||||||
| 7,6 | -“- | -“- | -“- | -“- | -“- | ||||||||||||||||
Вибухи газо і пароповітряної суміші в замкнутих приміщеннях (в технологічній апаратурі, в приміщеннях промислових і житлових будівель) починаються пошаровим окисленням суміші з дозвуковою швидкістю поширення полум'я (дефлаграційне горіння). З підвищенням тиску і температури у приміщенні швидкість процесу збільшується й досягає значень в 1,5 − 2 рази більших, ніж при аналогічних вибухах у відкритому просторі.
Надмірний тиск ударної хвилі в приміщеннях можна визначити за формулою:
ΔРф = (Мг Qг P0 Z)/(Vв ρп Сп Т0 К1), (2.2.3)
де Мг – маса горючого газу, що потрапив у приміщення в результаті аварії, кг;
Qг – питома теплота згоряння газу, Дж/кг, (табл. 2.2.12);
P0 – початковий тиск в приміщенні (P0 = 101 кПа);
Z – частка горючого газу, що приймає участь у вибуху (при виконанні розрахунків Z = 0,5) (табл. 2.2.12);
Vв – вільний обсяг приміщення − 80% від повного (Vп) обсягу приміщення, м3 .
ρп – густина повітря до вибуху, кг/м3. При температурі повітря до вибуху − Т0, в розрахунках пропонується приймати ρп – 1,225 кг/м3 (табл. 2.2.12);
Сп − питома теплоємність повітря, Дж/(кг·0К); приймають, що Сп = 1,01·103 Дж/(кг·0К) (табл. 2.2.12);
К1 – коефіцієнт, що враховує негерметичність приміщення та неадіабатичність процесу горіння, К1 = 2 або 3;
Т0 – початкова температура повітря в приміщенні, 0К.
Приклад. В результаті витоку побутового газу пропану в кухні з площею 10 м2 і заввишки 2,5 м при температурі 200С утворилася рівноважна пропано-повітряна суміш. Розрахувати надмірний тиск вибуху такої суміші при К1 = 2 і К1 = 3.
Виконання завдання:
ΔРф = (Мг Qг P0 Z)/(Vв ρп СВ Т0 К1)
1. Мг = ρп Vв;
2. Vв = 0,8Vп = 0,8·10·2,5 = 20 (м3);
3. Мг = Vв· ρп /К1 = (20 ·1,225)/2 = 12,2 (кг).
4. За допомогою табл. 2.2.12 для пропано-повітряної суміші при Т0 = 293 0К визначають Qг, яка дорівнює 2,8·106 Дж/кг.
5. В розрахунках приймаються значення параметрів: Р0 = 101 кПа; Z = 0,5 ; ρп= 1,225 кг/м3; Сп = 1,01·103 Дж/(кг·0К).
6. Підставивши ці значення параметрів у формулу (2.2.3), отримують
ΔРф1 = 119 кПа при К1 = 2; та ΔРф1 = 80 кПа при К1 = 3.
Висновок: в першому випадку приміщення опиняється в зоні суцільних зруйнувань, у другому – в зоні сильних зруйнувань.