Анатолий Валерьевич Рыбаков – АГЗ «МЧС России»,
e-mail: anatoll_rubakov@mail.ru
Евгений Вячеславович Иванов – к. т. н., АГЗ «МЧС России»,
e-mail: linia-zhizni@yandex.ru
Александр Юрьевич Лебедев – к. т. н., АГЗ «МЧС России»,
e-mail: a.lebedev@amchs.ru
Аннотация. В работе представлен подход к оценке взрывоустойчивости зданий. Рассматриваемое решение основывается на комплексном применении существующих методик с учетом физических особенностей процессов, предшествующих и протекающих в момент аварийных взрывов. Для оценки состояния объектов, подвергшихся воздействию воздушной ударной волны осуществлялось проведение численного моделирования на основе метода конечных элементов, с практически измеренными значениями изменений жесткости.
Ключевые слова: аварийные взрывы, моделирование чрезвычайной ситуации, деформация конструкции, взрывоустойчивость.
Введение
В настоящее время, несмотря на принимаемые меры, полностью исключить риск возникновения аварийных взрывов на объектах топливно-энергетического комплекса нельзя, об этом в частности свидетельствует статистика, приводимая в отчетах Ростехнадзора [1‒5]. Из общего количества аварий в период 2012‒2017 гг. взрывы занимают одну из лидирующих позиций (рисунок 1).
С другой стороны, проведенный анализ отчетных документов показал, что действие такого поражающего фактора как воздушная ударная волна стало причиной только одного несчастного случая со смертельным исходом за период с 2013 по 2018 годы [1‒5].
Однако, помимо непосредственно погибших и травмированных в результате аварийного взрыва сотрудников, при оценке ущерба необходимо учитывать и ущерб зданиям и сооружениям, расположенным на территории опасного производственного объекта.
Данные обстоятельства обуславливают необходимость проведения расчетов по оценке взрывоустойчивости зданий и сооружений при аварийных взрывах на опасных производственных объектах.
Порядок проведения оценки в настоящее время регламентируется положениями [6]. Результаты расчетов зон поражения, разрушения (последствий взрыва) и показателей риска взрыва применяются при выборе технических мероприятий по защите объектов и персонала от ударно-волнового воздействия облаков топливно-воздушных смесей (далее – ТВС) [7].
В настоящее время для проведения такой оценки применяется ряд методик [6, 8‒10].
При этом разные методики применяют разные подходы, дающие разный конечный результат, что в итоге затрудняет проведение объективной оценки взрывоустойчивости зданий.
Целью статьи является описание подхода к оценке взрывоустойчивости зданий на основе комплексного применения существующих методик с учетом физических особенностей процессов, предшествующих аварийным взрывам и протекающим непосредственно в момент воздействия аварии.
Постановка задачи
В качестве объекта исследования в статье рассматриваются резервуарные парки. По типу размещения резервуары подразделяются на надземные, подземные и подводные [11].
Пожар в резервуарном парке со светлыми нефтепродуктами обычно начинается со взрыва паровоздушной смеси в газовом пространстве резервуара и срыва крыши или с горения паровоздушной смеси в газовом пространстве резервуара без срыва крыши, но с нарушением ее целостности в наиболее слабых местах [12].
Кроме того, одним из возможных сценариев является разрушение емкости с нефтепродуктами с последующим растеканием по подстилающей поверхности и воспламенением топливно-воздушной смеси.
Таким образом, при проведении расчетов будем исходить из двух наиболее вероятно реализуемых сценариев:
• взрыв происходит во внутреннем пространстве резервуара (будет определяться по наихудшему сценарию, когда весь объем резервуара (номинальный) заполнен топливно-воздушной смесью);
• взрыв происходит на открытом пространстве за счет воспламенения, образовавшемся вследствие испарения со свободной поверхности облака топливно-воздушной смеси (поверхность испарения принимается как площадь обваловки).
В дальнейшем производится расчет значений параметров воздушной ударной волны, как основного поражающего фактора аварийного взрыва, воздействующей на рассматриваемый объект.
Основываясь на сведениях о характеристиках объекта воздействия и найденных значениях параметров воздушной ударной волны, делается вывод о состоянии объекта оценки.
Решение
Для определения массы паров нефтепродуктов, участвующих во взрывном превращении, применяется часть методики, изложенная в [13].
Масса паров нефтепродуктов при испарении со свободной поверхности в резервуаре определяется по формуле:
mv=Gv∙τE, (1)
где τE – время поступления паров из резервуара, с (Расчет проводится для времени испарения со свободной поверхности равным 3600 секундам [14]);
Gv – расход паров ЛВЖ, кг/с, который определяется по формуле:
Gv=FR∙W, (2)
где FR – максимальная площадь поверхности испарения ЛВЖ в резервуаре, м2 (принимается равной площади основания резервуара для расчета взрыва внутри резервуара, и равной площади в пределах обваловки для расчета взрыва на открытой местности);
W – интенсивность испарения легковоспламеняющейся жидкости, кг/м2с (определяется в соответствии с разделом VIII приложения 3 приказа № 404).
Интенсивность испарения W для ненагретых жидкостей определяется по формуле:
W=10–6∙η∙M0,5∙PH, (3)
где η – коэффициент, принимаемый для помещений по таблице 1 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения. При проливе жидкости вне помещения допускается принимать η=1;
М – молярная масса жидкости, кг/кмоль;
PH – давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, кПа.
Давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости находится по формуле Антуана [15].
Lg PH = –A/T+B, (3)
где T – температура (К);
A и B – константы.
Константы A и B, а также молекулярный вес в формуле (3) могут быть взяты из [16].
Для резервуаров принимаем, что в случае, если температура окружающего воздуха достаточна для образования топливно-воздушной смеси с верхним концентрационным пределом взрываемости, то расчет массы вещества ведем в соответствии с указанным критерием. Если нет, то рассчитывается максимальное количество вещества, находящегося в парогазовой фазе. Если метеорологические условия таковы, что концентрация топлива в топливно-воздушной смеси не достигает нижнего концентрационного предела взрываемости, то расчеты по взрыву емкости не производим.
Для бензина:
• верхний концентрационный предел взрываемости 5,2 %;
• нижний концентрационный предел взрываемости 0,75 %.
Для дизельного топлива:
• нижний концентрационный предел взрываемости 1,1 % [17].
Объёмная доля паров горючей жидкости φ определяется из соотношения:
φ = PH / P0, (4)
где P0 – атмосферное давление, Па;
PH – давление насыщенных паров, Па.
При разных значениях температуры окружающей среды (3) рассчитываются разные значения давления насыщенных паров.
Масса горючего, участвующего во взрывном превращении составит:
m = ((φ Vрез) / Vм) М, (5)
где Vрез – объем резервуара, Па;
Vм – объем молярный (принимается 22,4 м3/кмоль);
М – молекулярная масса (принимаем 114 кг/кмоль (по октану));
PH – давление насыщенных паров, Па.
Топливно-воздушные смеси, способные к образованию горючих смесей с воздухом, по своим взрывоопасным свойствам разделены на четыре класса [10].
Вид окружающего пространства выбирается исходя из степени загроможденности (применимо к рассматриваемым объектам – 3, средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк) [10].
Диапазон скорости взрывного превращения выбирается согласно классу опасности горючего вещества и вида окружающего пространства.
При расчетах принимаем: для дизельного топлива диапазон скорости взрывного превращения – 5, для бензина – 4 [10].
После того как найдена масса нефтепродуктов, участвующих во взрывном превращении, энергозапас горючей смеси определяется выражением (6):
E = m∙qг, (6)
где m – масса горючего вещества в облаке, участвующая в создании поражающих факторов взрыва, кг;
qг – удельная теплота сгорания горючего вещества, Дж/кг (принимается равным 44∙β МДж/кг, где β=1 [10]).
При расчете дефлаграции гетерогенного облака ТВС (в дальнейшем расчеты ведутся именно по этому типу взрывного превращения), эффективный энергозапас (6) помножается на коэффициент 0,75.
Для вычисления параметров воздушной ударной волны необходимо определить безразмерное расстояние, которое зависит от величины энергозапаса топливно-воздушной смеси и удаленности объекта, для оценки устойчивости которого осуществляются расчеты.
Формула для проведения расчетов выглядит следующим образом:
Rx = r / (E/ P0)1/3, (7)
где E – величина энергозапаса горючей смеси, Дж;
r – расстояние от центра облака, м;
P0 – атмосферное давление (принимается 101 325 Па).
Для проведения дальнейших расчетов определяются значения безразмерных величин давления Px и импульса фазы сжатия Ix следует проводить с учетом агрегатного состояния детонирующей смеси. Смесь считается гетерогенной.
Для случая детонации облака гетерогенной смеси:
Px1 = 0,125/Rx + 0,137/Rx2 + 0,023/Rx3, (7)
Ix1 = 0,022/Rx (8)
Px2 = Vг/C 0∙ (((σ‑1)/σ) ∙ ((0,83/Rx) – (0,14/Rx)) (9)
Ix2 = Vг/C 0∙ (((σ‑1)/σ) ∙ (1–0,4) ∙ (σ‑1) ∙Vг/(σ∙C 0)) (10)
где Rx – величина приведенного расстояния;
Vг – скорость фронта пламени, м/с (Vг = k∙m1/6 (k принимается равным 43));
C 0 – скорость звука в воздухе (335 м/с);
σ принимаем равной 4 [10].
За окончательную величину безразмерных давления и импульса, по которым проводятся дальнейшие расчеты принимается минимальное из значений (7) и (9); (8) и (10) соответственно.
После определения безразмерных величин давления и импульса фазы сжатия, вычисляются соответствующие им размерные величины:
P = Px∙P0, (11)
I = Ix∙P02/3∙E 1/3 (12)
Соответственно для разных реализуемых сценариев аварийных взрывов будут свои значения избыточного давления и импульса (рисунок 2).
Оценка взрывоустойчивости зданий к определенным параметрам воздействия воздушной ударной волны проводится путем расчета напряжено-деформационного состояния конструкций, возникающих от воздействия ударной волны.
Для расчета напряженно-деформационного состояния конструкций, осуществлялось проведение численного эксперимента, который включал в себя последовательное осуществление ряда операций:
- Построение модели объекта нагрузки (при построении моделей каркасных объектов учитывались только свойства несущих элементов, вследствие слабой несущей способности материалов обшивки);
- Приложение ранее рассчитанной нагрузки, вызываемой действием поражающего фактора (воздушной ударной волны) к построенной модели (для каждого объекта, в соответствие с ранее рассматриваемыми сценариями по наихудшему или наиболее вероятному варианту развития событий);
- Определение величины перемещений (деформаций) для несущих элементов объекта при каждом рассматриваемом сценарии.
На основе полученных значений перемещений узлов и несущих элементов конструкции делается вывод о его устойчивости (степени разрушения).
Расчетные схемы объектов моделируются в трехмерном пространстве с шестью степенями свободы в узле. Расчет производится методом конечных элементов.
В расчетной модели учитываются характеристики сечений элементов, модуль упругой деформации, массовые и прочностные характеристики материала элемента. Нагрузка от избыточного давления принимается в соответствии с ранее проведенными расчетами параметров воздействия воздушной ударной волны (избыточное давление и импульс фазы сжатия).
В качестве примера можно привести результат численного эксперимента, проведенный для модульного здания каркасного типа (расчет для нагрузки в 10 кПа) (рисунки 3, 4).
Максимальные величины предельных перемещений относительно начальных состояний (сравниваются с предельными величинами перемещений, характеризующими разные степени разрушения) составляют более 1 сантиметра, что позволяет судить о разрушении слабой и средней степени (при этом разрушение оконных блоков и остеклений будет полным).
Аналогичные расчеты осуществляются для всех рассматриваемых объектов и по каждому сценарию строится модель и задается рассчитанная нагрузка.
Результаты оценки позволяют сделать вывод о состоянии объекта, в случае реализации аварийного взрыва.
В работе представлен подход к оценке взрывоустойчивости зданий, расположенных на территории резервуарных парков. В основе подхода лежит комплексное применение существующих методик с учетом физических особенностей процессов, предшествующих аварийным взрывам и протекающим непосредственно в момент воздействия поражающих факторов аварийного взрыва на объект воздействия.
Для определения состояния объекта, при реализуемых сценариях аварийных взрывов применялось численное моделирование на основе метода конечных элементов, с практически измеренными значениями изменений жесткости.
Полученные результаты могут служить основой для обоснования объемов инженерно-технических мероприятий, направленных на повышение взрывоустойчивости зданий, расположенных на опасном производственном объекте.
Безусловно, в дальнейшем необходимо проводить исследования по возможности учета выявленных факторов, которые приводят к расхождениям результатов эксперимента и практики.
