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, Б і В.

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

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 (ΔР_ф), швидкісний натиск повітря (ΔР_шнп) і час їх дії; осколкового поля – кількість осколків на одиницю площі, їх кінетична енергія і радіус розльоту. За одиницю вимірювання ΔР_ф 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 ΔР_ф 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 (ΔР_ф) швидко знижується до атмосферного і тоді вибух сприймається як потужний звуковий імпульс. Для розрахунків ΔР_ф використовуються узагальнені дані зміни надмірного тиску, виходячи з відстані, вираженої в частках від радіусу зони детонації (R₂/R₁) і максимального тиску (P_max) 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 (R ₁₀₀) і надмірним тиском на зовнішній межі ΔР_ф1 = 100 кПа; сильних зруйнувань (R ₅₀) відповідно з ΔР_ф2 = 50 кПа; середніх зруйнувань з ΔР_ф3 = 20 кПа (R ₂₀), слабких зруйнувань з ΔР_ф4 = 10 кПа і безпечну зону з ΔР_ф5 = 6−7 кПа (R ₆₋₇). За міжнародними нормами безпечна для людини ударна хвиля є така, що має ΔР_ф = 7 кПа.

Таблиця 2.2.12

Фізико-хімічні і вибухонебезпечні властивості деяких речовин

Потім, визначивши P_max (табл. 2.2.12) для даної вибухонебезпечної суміші, у табл. 2.2.13 для прийнятих зон з ΔР_{ф 1} = 100 кПа, ΔР_{ф 2} = 50 кПа, ΔР_{ф 3} = 20 кПа, ΔР_ф5 = 7 кПа, знаходять числове значення відношення R_n/R₁ і, отже, радіуси (R_n):

, (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 (P_max, 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 R_n/R₁ у табл. 2.2.13 для ΔР_ф1 = 100 кПа, ΔР_ф2 = 50 кПа, ΔР_ф3 = 20 кПа, ΔР_ф4 = 10 кПа та ΔР_ф5 = 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 ΔР_{ф 1} = 100 кПа, ΔР_{ф 2} = 50 кПа, ΔР_{ф 3} = 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 P_max= 860 кПа ≈ 900 кПа.

3. У табл. 2.2.13 для P_max і ΔР_ф знаходять значення відношень R_n/R₁: ΔР_ф1 = 100 кПа, R₂/R₁= 1,8 (R₁₀₀/R₁ = 1,8), ΔР_ф2 = 50 кПа, R₃/R₁ = 2,9 (R₅₀/R₁ = 2,9), ΔР_ф3 = 20 кПа, R₄/R₁ = 5 (R₂₀/R₁ = 5) та ΔР_ф4 = 7 кПа, R₅/R₁ = 10 (R₇/R₁ = 10).

4. Застосовуючи формулу 2.2.2, розраховують радіуси зон зруйнувань:

R₁₀₀= 1,8 R₁= 1,8·33=60 (м); R₅₀= 2,9 R₁= 2,9·33=95 (м);

R₂₀= 5 R₁= 5·33=165 (м); R₇= 10 R₁= 10·33=330 (м).

Примітка. Радіуси зони сильних (R_c) і слабих зруйнувань (R_сл) та R₁ визначаються за допомогою табл. 2.2.14 при Q = 10т і P_max = 900 кПа: R = R₅₀ = 95м, R_сл= 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 (ΔР_ф1 ), який приймається постійним: ΔР_ф1 = 1700 кПа.

Зона дії продуктів вибуху (зона II) – охоплює всю площу розльоту продуктів детонації. Радіус цієї зони становитиме 1,7 R₁, 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 (ΔР_ф3). В залежності від відстані до центру вибуху він може бути оцінений за допомогою співвідношень:

ΔΡ_ф =700 / [3(1+29,8· х ³)^0,5−1] при (х =0,24 R/R₁)≤ 2:

ΔΡ_ф =22 / [ х (lg x +0,158)^0,5] при (х =0,24 R/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 (ΔР_ф> 50 кПа ).

Таблиця 2.2.13

Значення ΔР_ф в зоні детонації як функції R_n/R₁ і ΔР_max

Таблиця 2.2.14

Радіуси зон сильних і слабких зруйнувань

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:

ΔР_ф = (М_г Q_г P₀ Z)/(V_в ρ_п С_п Т₀ К₁), (2.2.3)

де М_г – маса горючого газу, що потрапив у приміщення в результаті аварії, кг;

Q_г – 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);

V_в – вільний обсяг приміщення − 80% від повного (V_п) обсягу приміщення, м³ .

Ρ_п – густина повітря до вибуху, кг/м³. При температурі повітря до вибуху − Т₀, в розрахунках пропонується приймати ρ_п – 1,225 кг/м³ (табл. 2.2.12);

С_п − питома теплоємність повітря, Дж/(кг·⁰К); приймають, що С_п = 1,01·10³ Дж/(кг·⁰К) (табл. 2.2.12);

К₁ – коефіцієнт, що враховує негерметичність приміщення та неадіабатичність процесу горіння, К ₁ = 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:

ΔР_ф = (М_г Q_г P₀ Z)/(V_в ρ_п С_В Т₀ К₁)

1. М_г = ρ_п V_в;

2. V_в = 0,8 V_п = 0,8·10·2,5 = 20 (м³);

3. М_г = V_в · ρ_п /К₁ = (20 ·1,225)/2 = 12,2 (кг).

4. За допомогою табл. 2.2.12 для пропано-повітряної суміші при Т₀ = 293 ⁰К визначають Q_г, яка дорівнює 2,8·10⁶ Дж/кг.

5. В розрахунках приймаються значення параметрів: Р₀ = 101 кПа; Z = 0,5; ρ_п = 1,225 кг/м³; С_п = 1,01·103 Дж/(кг·⁰К).

6. Підставивши ці значення параметрів у формулу (2.2.3), отримують

ΔР_ф1 = 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.

Практична частина заняття.

І. Виявлення та оцінка гідродинамічної обстановки на об’єкті господарювання.

Гідродинамічна обстановка – це сукупність факторів та умов, що склалися на території об’єкта господарювання в результаті зруйнування (аварії) на гідродинамічному об’єкті (греблі, дамбі, тощо), та прогноз їх динаміки.

При прогнозуванні (оцінюванні) гідродинамічної обстановки визначають:

· відстань від гідродинамічного об’єкту до населених пунктів;

· час приходу хвилі до створу об’єкту господарювання;

· висоту хвилі прориву (попуску);

· тривалість дії хвилі прориву (попуску) в межах об’єкту;

· зону затоплення (можливого затоплення).

Для планування аварійно-рятувальних та відновлювальних робіт у районі затоплення додатково визначають:

· необхідність евакуації населення та персоналу із районів можливого затоплення;

· обсяг аварійно-рятувальних та відновлювальних робіт у районі затоплення;

· обсяг режимно-обмежувальних заходів та охорона районів затоплення і окремих важливих об’єктів;

· наявність та можливості підрозділів цивільного захисту щодо виконання аварійно-рятувальних та відновлювальних робіт.

Вихідні дані:

· місце знаходження населених пунктів в створі русла річки (дивись схему, додаток 2.2.1);

· характеристики водосховища;

· розміри прорану;

· середня швидкість хвилі прориву (попуску);

· характеристика споруди об’єкта господарювання;

· гідро топографічна характеристика місцевості (дивись схему, додаток 2.2.1).

Порядок виявлення та оцінки обстановки:

1. На схемі місцевості (карті) визначають відстань R, яку проходить хвиля прориву (попуску) по руслу річки від прорану до населеного пункту БЕЛЬЦИ, R = 16 км.

2. Визначають час надходження хвилі прориву (попуску) до об’єкту t_під:

= 16·10³/5·3600 = 0,89 год. = 54 хв.

3. Оцінюють висоту хвилі прориву (попуску) h у створі об’єкту:

за допомогою табл. 2.2.6 або табл. 2 додатку 2.2.2 знаходять коефіцієнт m, як функцію відстані R, на який множать параметр Н, щоб отримати значення h, тобто:

h = (((((0,25 − 0,20)/25)·(25 – 16)) + 0,2)·50 = 10,9 м.

На схемі (карті) в створі об’єкту спеціальною позначкою показують напрям поширення та параметри хвилі прориву (попуску): перше число, у чисельнику – висота хвилі, друге, у знаменнику − час підходу до створу з моменту її утворення (див. додаток 2.2.1).

4. Визначають тривалість дії хвилі прориву (попуску) Т_хв в межах населеного пункту БЕЛЬЦИ:

· розраховують витрати води через 1 м прорану N, як функцію Н (табл. 1 додаток 2.2.2): Н = 50, тоді N = 350 м³/ м·с;

· оцінюють час витікання води з водосховища:

· за допомогою табл. 2 додатку 2.2.2 розраховують тривалість дії хвилі прориву в межах населеного пункту БЕЛЬЦИ:

Т_хв = ((((1,7 – 1,0)/25)16 + 1,0)0,56) = 0,81 год. = 48,7 хв.

5. Визначають зону можливого затоплення.

На схемі (карті) за допомогою топогеодезичних знаків вивчають характер коливання висоти місцевості в районі розташування водосховища. Дослідження свідчать про те, що на південь, південний захід і південний схід від греблі висота поверхні землі суттєво нижча за висоту іншої частини регіону. Це означає, що такі території можуть бути затопленими, а хвиля прориву та катастрофічне затоплення, як фактори ураження, будуть поширюватися заплавою річки на південний захід.

Результати даного дослідження відображають на схемі (карті) місцевості спеціальною позначкою (дивись додаток 2.2.1).

Термін затоплення місцевості (на південь від греблі водосховища) спокійними водами може коливатися від декількох годин до тижня.

Висновок:

1. Час надходження хвилі прориву (попуску) до створу об’єкту − 0,89 год.

2. Висота хвилі прориву (попуску) оцінюється у 10,9 м.

3. Час, на протязі якого вода витікає з водосховища − 0,56 год; тривалість дії хвилі прориву (попуску) у створі об’єкту − 0,81 год.

4. Місцевість, що розташована на південь від греблі водосховища (див. додаток 1), підлягає затопленню тривалістю від декількох годин до тижня. Ці райони не придатні для проживання до повної ліквідації надзвичайної ситуації у зв’язку з відсутністю питної води, продуктів харчування та джерел енергопостачання.

5. З метою запобігання ураження персонал підприємства підлягає терміновій евакуації (не пізніше ніж за 40 хвилин з моменту землетрусу) у північні райони, наприклад, у філії фірми, які знаходяться в населених пунктах САДИ та ДАЧІ.

Поиск по сайту: