Защита населения от спонтанного взрыва

1.6. Защита населения от спонтанного взрыва на газопроводах

и вблизи складов хранения взрывчатых веществ

1.6.1. Особенности защиты населения от спонтанного взрыва

 на газопроводах

Известно, что спонтанные взрывы на газопроводах могут произойти при разгерметизации данных газопроводов.

В современных условиях аварии при разгерметизации газопроводов сопровождаются следующими процессами и событиями: истечением газа до срабатывания отсекающей арматуры (импульсом на закрытие арматуры является снижение давления продукта); закрытием отсекающей арматуры; истечением газа из участка трубопровода, отсеченного арматурой.

В местах повреждения происходит истечение газа под высоким давлением в окружающую среду. На месте разрушения в грунте образуется воронка. Метан поднимается в атмосферу (легче воздуха), а другие газы или их смеси оседают в приземном слое. Смешиваясь с воздухом, газы образуют облако взрывоопасной смеси.

Статистика показывает, что примерно 80% аварий сопровождается пожаром. Искры возникают в результате взаимодействия частиц газа с металлом и твердыми частицами грунта. Обычное горение может трансформироваться во взрыв за счет самоускорения пламени при его распространении по рельефу и в лесу.

Итак, взрывное горение при авариях на газопроводе может происходить по одному из двух режимов – дефлаграционному или детонационному. При оперативном прогнозировании принимают, что процесс развивается в детонационном режиме.

Рекомендуемые материалы

Рассмотрим расчетную схему к определению давлений при аварии на газопроводе, приведенную на рис.1.4.

        

Рис. 1.4. Расчетная схема к определению давлений при аварии на газопроводе

DР_g -  давление в зоне детонации; DРф - давление во фронте воздушной ударной волны; r₀ - радиус зоны детонации; R - расстояние от расчетного центра взрыва; 0 - центр взрыва; 1 - зона детонации;  2 - зона воздушной ударной волны (R>r₀)

При этом дальность распространения облака взрывоопасной смеси в направлении ветра L определяется по эмпирической формуле

                                           , м,                                     (1.15) где:   М -  массовый расход газа, кг/с;

25 - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность м^3/2/кг^1/2;

W - скорость ветра, м/с.                                                               

Тогда граница зоны детонации, ограниченная радиусом r_о, в результате истечения газа за счет нарушения герметичности газопровода, может быть определена по формуле

                                           , м.                                          (1.16)

Массовый секундный расход газа М из газопровода для критического режима истечения, когда основные его параметры (расход и скорость истечения) зависят только от параметров разгерметизированного трубопровода, может быть определен по формуле

                                          , кг/с,                               (1.17)

где:  Y - коэффициент, учитывающий расход газа от состояния потока (для звуковой скорости истечения Y=0,7);

F - площадь отверстия истечения, принимаемая равной площади сечения трубопровода, м2;

m  - коэффициент расхода, учитывает форму отверстия  (m = 0,7 . . . 0,9), в расчетах принимается m = 0,8;     

Рг - давление газа в газопроводе, Па;

Vг - удельный объем транспортируемого газа, определяемый по формуле

                                Vг = R₀, м³ / кг,                                              (1.18)

здесь: Т - температура транспортируемого газа, К;

R_о - удельная газовая постоянная, определяемая по данным долевого состава газа qк  и молярным массам компонентов смеси из соотношения.

                           R₀ = 8314, Дж/(кг×К),                                 (1.19)

где: 8314  - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль´К);

m_к     - молярная масса компонентов, кг/кмоль;

n       - число компонентов.

В зоне действия детонационной волны давление принимается равным 1,7 МПа. Давление во фронте ВУВ на различном расстоянии от газопровода определяется с использованием данных табл. 1.17.

Таблица 1.17

Давление во фронте воздушной ударной в зависимости от отношения R/20

Вдоль газопровода обычно определяют четыре зоны разрушения, расположенные симметрично относительно линейной части:

зону полных разрушений (DP_ф ³ 50 кПа);

зону сильных разрушений (30 £ DP_ф < 50 кПа);

зону средних разрушений (20 £ DP_ф < 30 кПа);

зону слабых разрушений (10 £ DP_ф < 20 кПа).

При прогнозировании последствий случившейся аварии на газопроводе зону детонации и зону действия ВУВ принимают с учетом направления ветра. При этом считают, что граница зоны детонации распространяется от трубопровода по направлению ветра на расстояние 2r₀  (см. рис. 1.4). В случае заблаговременного прогнозирования, зона детонации определяется в виде полос вдоль всего трубопровода шириной 2r₀, расположенных с каждой из его сторон. Это связано с тем, что облако взрывоопасной смеси может распространяться в любую сторону от трубопровода, в зависимости от направления ветра. За пределами зоны детонации по обе стороны от трубопровода находятся зоны действия ВУВ. На плане местности эти зоны также имеют вид полосовых участков вдоль трубопровода.

         При проведении расчетов следует учитывать, что в зависимости от класса магистрального трубопровода, рабочее давление газа Рг может составлять: для газопроводов высокого давления - 2,5 МПа; среднего давления - от 1,2 до 2,5 МПа; низкого давления - до 1,2 МПа. Диаметр газопровода может быть от 150 до 1420 мм.

Температура транспортируемого газа может быть принята в расчетах t=40⁰С.  Состав обычного газа, при отсутствии данных, может быть принят в соотношении: метан (СН₄) - 90%; этан (С₂Н₆) - 4%; пропан (С₃Н₈) - 2%; Н-бутан (С₄Н₁₀) - 2%; изопентан - (С₅Н₁₂) - 2%.

При взрыве газопровода максимальное количество людей, вышедших из строя в зданиях, составляет

               ,                      (1.20)

где: N_пол.р , N_сил.р , N_ср.р  - количество людей, находящихся в зданиях, получивших соответственно полные, сильные и средние разрушения.

Кроме того, общее число вышедших из строя людей, размещенных на открытой местности, можно определить из выражения

                                      ,                                  (1.21)

где: d  - доля людей, которые в момент взрыва могут оказаться в опасной зоне вне зданий;

j - плотность людей, чел/км²;

F_i - площадь территории, где воздействует воздушная ударная волна с давлением DP_ф,i;

P_i - вероятность выхода из строя персонала находящегося в i-ой зоне воздействия ВУВ (см. табл.1.18)

Таблица 1.18

Вероятность выхода из строя персонала в зависимости от DP_ф

Общее число пострадавших людей определяется суммированием числа пострадавших, находящихся в зданиях и вне зданий. Безвозвратные потери могут составить 60% от общего числа пострадавших.

Защита населения вблизи газопровода должна проводиться по нескольким направлениям:

1. Снижение вероятности возникновения аварии. Этот фактор определяется надежностью технологического оборудования и возможностью контроля и поддержания его ресурса.

2. Уменьшение масштабов распространения физических полей воздействия от аварии в окружающем пространстве. С этой целью устраиваются специальные задвижки, позволяющие в случае аварии автоматически ожечь неисправную часть трубопровода. Необходимо также выполнять требования по удалению возможных источников воспламенения вблизи трубопровода.

3. Уменьшение масштабов поражения. В первую очередь речь идет о поражении людей, то есть технического персонала и населения. Населенные пункты должны быть размещены вне зоны действия возможного взрыва или пожара при аварии. Все объекты воздействия должны быть удалены на безопасное расстояние.

4. Обучение населения и персонала действиям при возможной аварии на трубопроводе, умению провести экстренную эвакуацию за зону возможного поражения и оказать медицинскую помощь пострадавшим.

Пример прогнозирования последствий взрыва при аварии на газопроводе

Исходные данные:

d=0,5 м; Рг=1,9 МПа; t= 40⁰С; W=1 м/с; m=0,8.

Расчет:

1. Дж/(кг×К);

2. м³/кг;

3.  кг/с;

4. r₀=м.

5. Зоны разрушения:

полные    r = 4 × 289 = 1158 м;  сильные r = 6 × 289 = 1734 м;

средние   r = 8 × 289 = 2312 м;   слабые   r = 12 × 289 = 3468 м.

1.6.2. Защита населения вблизи складов хранения

взрывчатых веществ

При размещении складов взрывчатых веществ (ВВ), а также ведении взрывных работ вблизи населенных пунктов, промышленных объектов, автомобильных и железнодорожных магистралей необходимо учитывать возможные поражения людей и разрушение сооружений от действия ВУВ и сейсмического действия взрыва.

При выборе безопасных расстояний исходят из вместимости наибольшего хранилища на складе. В хранилищах со средствами взрывания (капсюли-детонаторы, электродетонаторы, детонирующий шнур (ДШ), снаряженные взрывателем и запалом) учитывается, что каждый капсюль-детонатор (электродетонатор) содержит 1,5 г. ВВ, тол есть один метр ДШ – 10 г. ВВ.

Расстояния (м), на которых колебания грунта, вызываемые однократным взрывом сосредоточенного заряда ВВ, становятся безопасными для зданий и сооружений, определяются по формуле

                                     ,                                      (1.22)

где: r_с  - расстояние от места взрыва до охраняемого здания (сооружения), м;

К_r - коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемого здания (сооружения);

К_с - коэффициент, зависящий от типа здания (сооружения) и характера застройки;

a - коэффициент, зависящий от условий взрывания;

Q - масса заряда, кг.

Значения коэффициента К_r

Скальные породы плотные, ненарушенные …………………………5

Скальные породы нарушенные, неглубокий слой

мягких грунтов на скальном основании ……………………………..8

Необводненные песчаные и глинистые грунты

глубиной более 10 м ………………………………………………….12

Почвенные обводненные грунты и грунты

с высоким уровнем грунтовых вод ………………………………….15

Водонасыщенные грунты ……………………………………………20

В тех случаях, когда характеристика грунта не в полной мере соответствует приведенной выше или известна ориентировочно, следует принимать для расчета ближайшее большее значение коэффициента К_r.

Значения коэффициента К_с

Одиночные здания и сооружения производственного назначения с железобетонным или металлическим каркасом ……………………………1

Одиночные здания высотой не более двух-трех этажей с кирпичными и подобными стенами …………………………………………………..……1,5

Небольшие жилые поселки ………………….………………………………2

При взрывании на расстоянии менее 100 м от зданий или сооружений сейсмическое действие взрыва имеет локальный характер, и поэтому определенная с помощью формулы (5) предельно допустимая масса заряда получается заниженной. Допускается при необходимости увеличение этой массы.

Значения коэффициента a

Камуфлетный взрыв и взрыв на рыхление ………………………….1

Взрыв на выброс ………………………………………………………0,8

Взрыв полууглубленного заряда ……………………………………..0,5

При размещении заряда в воде или в водонасыщенных грунтах значения коэффициента следует увеличить в 1,5-2 раза. При взрыве наружных зарядов на поверхности земли сейсмическое действие не учитывается.

Сейсмическая безопасность зданий и сооружений при взрывах предполагает отсутствие повреждений, нарушающих нормальное их функционирование (вероятность появления в отдельных зданиях и сооружениях легких повреждений составляет около 0,1).

Безопасные расстояния по действию ВУВ при взрыве ВВ на земной поверхности для зданий и сооружений r_в  рассчитываются по формулам

                                         , м;                                     (1.23)

                                         , м,                                      (1.24)

где: r_в - безопасное расстояние, м;

Q - масса заряда ВВ, кг;

К_в, к_в - коэффициенты пропорциональности, значения которых зависят от условий расположения и массы заряда, а также от степени допускаемых повреждений зданий или сооружений (см.табл.1.19)

Если защищаемый объект расположен непосредственно за преградой (на опушке густого леса, у подножия холма), стоящей на карте распространения ВУВ, то безопасное расстояние может быть уменьшено, но не более чем в 2 раза.

При производстве взрыва в узкой долине (ущелье), безопасное расстояние должно быть увеличено в 2 раза. Если за местом взрыва имеются прочные преграды, в виде стен, валов, безопасные расстояния должны быть увеличены в 1,4 раза.

Таблица 1.19

Расчетные формулы для определения безопасных расстояний

Для уменьшения поражающего действия ВУВ могут быть использованы следующие способы: устройство обвалованных хранилищ; закрывание оконных проемов прочными ставнями; защита мешками или ящиками, заполненными песком.