В последние годы участились случаи крупных аварий на объектах химической промышленности, ядерной энергетики и хранилищах токсичных и взрывчатых веществ. Это может быть объяснено отчасти большей открытостью информации некогда запретных тем, возросшей халатностью персонала и не соблюдением сроков регламентных работ и замены выработавшей ресурс техники. Наиболее пристальное внимание общественности в последние годы стали привлекать масштабные аварии боеприпасов, сопровождающиеся взрывами, пожарами и разлетом артиллерийских снарядов и ракет с места инцидента.

Имеются небезосновательные подозрения, что кроме безответственности и технической безграмотности военнослужащих подобные происшествия порой являются фактически несанкционированными ликвидациями устаревшей и не кондиционной техники и вооружений, хранящихся на военных складах и базах.

Повышенная опасность подобных происшествий возникает из-за того, что аварийные объекты, как правило, расположены либо внутри, либо на окраинах населенных пунктов. В случае комплексной аварии, включающей в себя взрывы и пожары, жертвы среди населения могут быть достаточно внушительными. Приведем примеры некоторых наиболее типичных подобных аварий, ставших достоянием гласности из-за невозможности их утаить — слишком много шума и свидетелей было при инцидентах.

При пожаре цеха оснащения турбореактивных снарядов пороховыми зарядами арсенала боеприпасов рядом с Владивостоком практически все жители семисоттысячного города были вынуждены первого, а затем во второй раз второго мая 1992 года эвакуироваться за его пределы. Пожар в цехе возник по не установленной причине (по одной из версий от окурка, брошенного матросом), неожиданно стали взрываться болванки с порохом. Раскаленные осколки и ударные волны инициировали пожары в двадцати других закрытых хранилищах боеприпасов. Всего же на территории этого арсенала Тихоокеанского флота кроме закрытых хранилищ имелось более сорока площадок с различными снарядами, пиротехническими компонентами и порохами. Авиационные бомбы, реактивные и обычные снаряды, гранаты и патроны хранились в количествах, исчисляемых сотнями вагонов. Хорошо, что из-за штилевых условий пожар ограничился примерно половиной боезапасов арсенала. Пострадало в этот раз удивительно малое количество людей: офицер и двое матросов были ранены, еще двоих оглушило…

Повторно под Владивостоком по не выясненным до сих пор причинам возник пожар на базе артиллерийского вооружения и боеприпасов Тихоокеанского флота 14 мая 1992 года и несмотря на все усилия военных пожарных не был погашен.

К утру 15 мая выгорело девять из тридцати одного хранилища и семь из двадцати площадок открытого хранения.

14 мая 1994 года в третий раз за последние два года возник пожар небывалого масштаба на военных складах Дальнего Востока — объединенных складах вооружений и боеприпасов тыла ВВС Тихоокеанского флота. Склады площадью шестьдесят гектаров находятся в пятидесяти километрах от Владивостока в окрестностях поселка Смоляниново Шкотского района Приморского края. Пожар, как обычно, начался не известно от чего. Охрана склада разбежалась, а огонь охватил лежавшие в канонирах боеприпасы. Осколки от взрывающихся снарядов разлетались в радиусе десяти километров, мощными сейсмическими и воздушными взрывными волнами были выбиты стекла и повреждены ветхие строения в близлежащих поселках Романовка и Новонежино. Удачное расположение склада во впадине между тремя сопками позволило избежать больших потерь при этой аварии, однако все шестьсот тридцать жителей окрестных населенных пунктов, а затем и две с половиной тысячи жителей более отдаленных городов Партизанск и Большой Камень были эвакуированы. Пожар, начавшийся утром, не прекратился до самой ночи. Спонтанно возникали очаги повторного возгорания и взрывы боеприпасов мелкого калибра. Лишь утром следующего дня героическими усилиями пожарных пожар был ликвидирован.

Воздушная разведка показала, что более половины территории складов подверглось полному разрушению, из восьмисот вагонов боеприпасов полностью уничтожено более двухсот, в том числе около тысячи шестисот тонн фугасных бомб, противопехотных мин, ракет различного класса, снарядов. Саперам, стянутым со всего Дальнего Востока, предстояла опасная и продолжительная работа по обследованию и ликвидации неразорвавшихся боеприпасов. По одной из версий причиной столь крупного инцидента послужило возгорание травы на территории склада.

Более суток громыхал разрывами арсенал Тихоокеанского флота, расположенный на окраине Владивостока 15 и 16 октября 2002 года. На арсенале планово уничтожали отжившее свое боеприпасы, и по чьей-то нерадивости или злому умыслу там возник пожар, а затем взрывной разлет изделий. В штабе Тихоокеанского флота и региональном управлении МЧС выдвинуты две версии развития событий. Одна — от брошенной спички или незатушенного окурка и вторая — от попадания в эшелон с боеприпасами раскаленного осколка подорванного боеприпаса. Всего, по данным [174], сгорело 12 из 17 вагонов с боеприпасами, подлежащими утилизации, — около трех тысяч снарядов.

Этот пожар был пятым за предыдущие десять лет (с 1992 г.) на складах боеприпасов Тихоокеанского флота. Позже склады горели в 1996 и 1997 годах. Всего же за эти годы было 18 пожаров на армейских и флотских арсеналах, в пламени которых погибли 29 военнослужащих.

Конечно взрываются и горят склады не только на Дальнем Востоке. Эта беда одинаково характерна для любого региона, на котором хранятся боеприпасы.

1992 году на арсенале «Вторая речка» неизвестно откуда взявшимся огнем разметало тысячи снарядов, которые до сих пор находят в окрестностях.

Гигантский пожар, причины которого выясняются до сих пор, возник на складах седьмой армии Вооруженных сил СНГ вблизи села Балаовит под Ереваном. Почти двое суток бушевал огонь. Пожар был ликвидирован только после применения спецсамолета ИЛ-76, оснащенного емкостями с пламягасящей жидкостью. В результате пожара были ликвидированы два тепличных хозяйства и выбиты стекла в жилых домах, где проживало сто двадцать тысяч жителей Еревана. На время пожара их пришлось временно размещать в зданиях городских кинотеатров и дворцов культуры. Значительная часть неразорвавшихся снарядов, мин и гранат, а также других боеприпасов взрывными волнами были разбросаны на большие расстояния.

В начале июня 1998 года в поселке Лосином, в 50-и км от Екатеринбурга, произошла трагедия на складе инженерных войск, повлекшая за собой гибель 13 военнослужащих. По официальной версии Министерства обороны России при ударе молнии начался пожар лесного массива, а затем складского помещения, в котором хранились десятки тысяч тонн взрывоопасных изделий — в основном противотанковых и противопехотных мин. На воздух взлетело около 500 вагонов взрывчатых веществ. От такого количества прореагировавшей взрывчатки, в состав которой входят токсичные вещества, произошло химическое заражение почвы и воздуха соединениями азота, хлора, фосфора, серы, а также различными кислотами.

Тысячи тонн этих соединений, попавших в природные среды, вызвали болезненные симптомы у населения пострадавших поселков — тошноту, головную боль, слабость и т. п.

Следует отметить, что российские солдаты при тушении пожара в Лосином проявили подлинный героизм, а 13 человек пожертвовали жизнью ради спасения жителей пострадавших поселков.

По неполной информации с 1977 по 1995 год на складах боеприпасов России произошло более 40 крупных пожаров, в ходе которых уничтожено более 10 тысяч вагонов боеприпасов или около 200 тысяч тонн. Это огромная цифра, но не менее впечатляет цифра подлежащих в ближайшее время утилизации боеприпасов. Они содержат в тысячах тонн следующие взрывчатые вещества:

— 70 — плавких ВВ на основе тротила;

— 20 — плавких ВВ, содержащих гексоген (тротил-гексоген, тротил-гексоген-алюминий);

— 7 — неплавких ВВ — А — IX–I (флегмантизированный гексоген);

и А — IX — 2 (смесь флегмантизированного гексогена с алюминием);

— 3 — прочих ВВ (жидких, пластичных, октогенсодержащих и др.)

Всего около 100 тысяч тонн. Происходят инциденты и на гражданских производствах, но не в таких ужасающих масштабах.

Другими источниками повышенной опасности являются арсеналы химического оружия и объекты ядерной энергетики. Несомненно на них происходят аварии, но их, как правило, стараются не предавать гласности. Мелкие аварии — проектные устраняются своими силами, о крупных страна узнает через некоторое время — иногда весьма отдаленное от времени происшествия. Например, об авариях в хранилищах химического оружия или о авариях на атомных станциях и производствах.

30 сентября 1996 года произошел пожар на одном из сооружений арсенала военно-химического оружия в г. Камбарка Удмуртской Республики с выходом в атмосферу не зафиксированного количества отравляющего вещества (от полутоны до нескольких тонн). Пожар удалось ликвидировать силами хранилища, и население оповещено не было.

Можно не сомневаться, что список чрезвычайных происшествий, подобных описанным выше, будет неумолимо расти…

Анализ наиболее крупных аварий, происшедших на взрыво— и пожароопасных объектах, позволяет сделать выводы об основных воздействиях, угрожающих здоровью и жизни персонала и населения. Начинается такая авария обычно мелким возгоранием или взрывом, инициирующим вторичные один или несколько мощных взрывов большого количества взрывчатого вещества с последующим пожаром. Комплексная авария включает в себя взрыв и пожар. В общем случае после взрыва возникает поднимающийся в атмосфере объем нагретого газа, содержащий наряду с газообразными продуктами взрыва вовлекаемый воздух, жидкие и твердые частицы и куски грунта а также элементов конструкции аварийного объекта. Кроме того ударные волны, вызванные взрывами, при распространении в почве приводят к механическим разрушительным воздействиям на строения: разбиваются стекла в окнах, перекашиваются косяки дверей, разрушаются некапитальные постройки.

Воздушные ударные волны также приводят к сотрясению отдельных элементов конструкции объектов, дроблению стекол, сносу кровли у близко стоящих строений. Осколки, куски грунта и фрагменты разрушающихся объектов под действием ускоряющего импульса ударной волны вылетают из очага взрыва и разлетаются на большие расстояния. Они могут привести к тяжелым травмам персонала аварийного объекта и населения близлежащих домов.

Немаловажным опасным фактором при подобной аварии может быть разнос ветровым потоком и воздушной ударной волной горящего материала (кусков древесины, пластмассы, твердого топлива и т. п.). Попадая на деревянные строения, эти вещества могут вызвать вторичные пожары.

Необходимо отметить, что при взрыве и горении большинства современных изделий химических производств и складов, возникают высокотоксичные газообразные и аэрозольные вещества. Поднимаясь в виде облаков под действием силы плавучести, они представляют собой опасность химического загрязнения близлежащей территории. Загрязнение может реализоваться как в виде диффундирующей в ветровом потоке газовой примеси, так и в виде жидкокапельных выпадений. Ветровой поток приводит иногда к переносу загрязняющих выпадений на многие десятки километров от места аварии.

В случае аварии на радиационноопасном объекте к перечисленным выше опасностям следует добавить факторы радиационного облучения и световой вспышки. О поражающих воздействиях этих факторов много писалось в печати, поэтому они здесь не обсуждаются.

Приведенный выше сценарий комплексной аварии взрыво— и пожароопасного объекта в общем отражает реально наблюдаемые картины. Реализуемые на практике аварии, включая в себя основные описанные выше элементы, отличаются лишь деталями, соответствующими их специфике.

Ниже будут рассмотрены физические характеристики и опасные проявления аварий в виде взрыва, пожара и токсичного выброса.

 

2.1. Взрывы

Одними из типов катастроф на промышленных объектах являются взрывы. Под взрывом понимают мгновенное расширение газовоздушной смеси, в результате которого происходит скачок давления или ударная волна. Основное отличие между пожарами и взрывами состоит в скорости выброса энергии. Во время пожара энергия освобождается медленно, в то время как при взрыве происходит одномоментный выброс энергии, обычно в течении микросекунд. В результате взрывов создаются опасные условия для жизни человека и окружающей природной среды. Взрывы часто приводят к частичному или полному разрушению объекта, ранениям или гибели людей.

Различают два типа взрывов: физические взрывы и химические. При физическом взрыве высвобождающаяся энергия является внутренней энергией сжатого или сжиженного газа. Сила таких взрывов зависит от внутреннего давления, а разрушения могут быть вызваны ударной волной от расширяющегося газа или осколками разорвавшегося резервуара. Масса образующихся паров и скорость парообразования при этом определяется по материальным и тепловым балансам двух возможных аварийных ситуаций: 1) тепловыделение с парообразованием происходит при постоянном объеме; 2) за тепловыделением при сохранении объема следует расширение с сохранением теплового равновесия.

К физическим взрывам относят также явления физической детонации, при которых возникает смешение горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, вливание расплавленного металла в воду). Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающем в некоторых случаях тысяч атмосфер [103].

При химических взрывах энерговыделение обусловлено экзотермической реакцией между горючим и окислителем.

К опасным факторам взрыва (ОФВ), характеризующим его разрушительность, относят [104]:

• давление во фронте ударной волны;

• избыточное давление взрыва;

• среднюю и максимальную скорость нарастания давления при взрыве;

• дробящие или фугасные свойства взрывоопасной среды.

• Основными параметрами, характеризующими поведение процесса взрыва, являются:

• температура окружающей среды;

• давление в окружающей среде;

• состав взрывчатого вещества;

• физические свойства взрывчатого вещества;

• природа источника воспламенения: тип, энергия и длительность;

• геометрия окружающей среды: ограниченная или неограниченная;

• количество горючих материалов;

• время перед воспламенением;

• скорость выброса горючего вещества.

Поведение взрыва очень трудно охарактеризовать. Было принято много подходов к решению этой проблемы, включая теоретические, полуэмпирические и эмпирические исследования. Несмотря на эти попытки, поведение процесса понято еще не полностью. Поэтому в настоящее время используется подход, основанный на использовании экстраполяции результатов и обеспечивающий подходящий «запас безопасности».

К основным параметрам, характеризующим разрушающую способность взрывной волны, относят избыточное давление и импульс взрыва [77, 103]. В момент прихода взрывных волн ta давление среды повышается до максимального. Затем за время ta+Т+ снижается до давления окружающей среды Рo и продолжает снижаться до величины Рo— Р-s, а потом за общее время t = ta + Т+ + Т возвращается к исходному давлению Рo. Области взрывных волн, давление в которых превышает давление окружающей среды, называют положительными фазами, их продолжительность t+. Области, где давление ниже исходного, называют отрицательными фазами или фазами разряжения с продолжительностью t- и амплитудой Р-s.

Важнейшими параметрами взрывной волны являются положительные i+s и отрицательные i-s удельные импульсы, определяемые как функции времени амплитуд избыточного давления, отнесенного к единице поверхности [77, 103]:

В большинстве случаев определяют параметры взрывной волны, связанные с положительной

фазой. Однако, иногда (например, при взрывах сосудов со сжатыми газами и протяженных источниках взрыва) параметры отрицательной фазы достигают высоких значений и важны при оценке разрушающей способности взрывной волны.

В области положительной фазы используются и такие важные параметры ударных волн, как плотность ρ и массовая скорость газа u за волной, скорость ударной волны u, динамическое давление .

Последний показатель наиболее важен для оценки разрушающей способности ударной волны.

Параметры воздуха (газовой смеси) перед ударной волной и за ней определяются следующими уравнениями:

Здесь индекс «s» относится к параметрам воздуха непосредственно за ударной волной, а абсолютное давление Рs = Р+s + Р0.

Моделирование взрывов основано на закономерностях подобия, в основу которых может быть положен принцип «кубического корня» [1, 103]. Этот принцип заключается в том, что если два заряда одного и того же ВВ одинаковой формы, но разного размера взрываются в одной и той же атмосфере, то подобные взрывные волны будут наблюдаться при одинаковом значении параметров расстояния:

K = R/E1/3 ’ (2.5)

где

R — расстояние от центра заряда, Е — полная энергия взрыва.

Для количественной оценки разрушающей способности ударных волн от взрывов парогазовых сред может использоваться количественный показатель m — масса горючего вещества, приведенная к единой энергии сгорания 46000 кДж/кг, равной удельной теплоте сгорания большинства углеводородов.

На основании результатов исследований последствий крупномасштабных промышленных взрывов паров углеводородов в незамкнутом пространстве для определения безопасного для людей расстояния RB от источника взрыва в виде парового облака массой m выведена формула [1]:

RB=(30–50)m⅓. (26)

которая соответствует принципу подобия взрывов неорганизованных паровых облаков в области низких давлений.

Разрушающая способность ударных волн в значительной мере зависит от скорости энерговыделения в источнике. Если в сферическую область конечного размера энергия подводится очень медленно по сравнению со временем распространения звука в сфере, то давление не повышается и взрывной волны не будет. Если же энергию подводят очень быстро, то это приводит к росту давления и взрыву. Причем способ и скорость энерговыделения в источнике оказывают существенное влияние на уровень избыточного давления АР и импульс взрыва / [103].

Далее рассматриваются наиболее часто встречающиеся и наиболее разрушительные типы взрывов, описанные в литературных источниках[1, 77, 103, 105, 106, 108].

Взрыв парового облака в ограниченном пространстве

Так характеризуют процесс быстрого химического превращения (горения) газа или пара, происходящий в пространстве, имеющем материальные границы (отдельные аппараты, помещения, здания) и сопровождающийся образованием ударной волны. Причиной взрыва может стать утечка газа, произошедшая внутри здания, или проникновение газового облака, образовавшегося вне здания.

Взрыв парового или газового облака является результатом быстрого выделения энергии в окислительно-восстановительной реакции. При этом газ нагревается, и в условиях ограниченного пространства происходит увеличение давления (в некоторых случаях восьмикратное) [1, 105].

Для взрыва газо-воздушной смеси необходимы следующие условия:

— присутствие горючего газа;

— присутствие кислорода, причем для любого газа существует определенный уровень концентрации кислорода;

— наличие источника инициации химической реакции.

При взрыве возникает фронт пламени, который продвигается под воздействием расширяющихся продуктов сгорания газа. Видимая скорость пламени зависит от геометрии системы, в которой происходит взрыв.

Взрыв парового облака в неограниченном пространстве

Определяется как процесс быстрого химического превращения (горения) облака горючего газа (пара), сопровождающийся возникновением взрывной волны в открытом (неограниченном) воздушном пространстве. Этот тип взрывов происходит, например, при разливе сжиженного горючего газа. Газ рассеивается и смешивается с воздухом, пока не происходит взаимодействие с источником возгорания. Взрывы такого типа происходят довольно редко, так как концентрация взрывоопасных веществ часто находится ниже нижнего предела возгорания из-за разбавления газовоздушной смеси и ее рассеивания. Однако они являются одними из наиболее разрушительных, поскольку в процесс вовлекаются большие объемы газа и большие площади.

Взрыв парового облака в неограниченном пространстве состоит из нескольких последовательных шагов:

1. Внезапный выброс огромного количества воспламеняемого пара. Обычно это происходит при разрушении емкостей, содержащих перегретые жидкости под давлением.

2. Распространение газа по территории и смешивание с воздухом.

3. Возгорание образовавшегося парового облака.

Классическим примером взрыва парового облака в неограниченном пространстве может служить авария в Фликсборо (Великобритания) [1, 103]. Внезапный разрыв трубопровода между реакторами привел к выбросу 30 тонн циклогексана. Паровое облако распространилось по территории завода и было подожжено неизвестным источником через 45 секунд после выброса. Завод был полностью разрушен, погибло 28 человек и еще 89 получили ранения.

Взрыв парового облака очень трудно охарактеризовать. В первую очередь из-за огромного числа параметров, необходимых для описания этого события. Аварии происходили при неконтролируемых обстоятельствах. Данные, собранные от различных аварий, большей частью ненадежны и плохо сопоставимы [1, 103, 105–108].

Некоторыми величинами, влияющими на поведение взрыва парового облака, являются:

• количество утекшего вещества,

• доля испарившегося вещества,

• вероятность возгорания облака,

• расстояние, которое прошло облако до возгорания,

• время задержки до возгорания облака,

• существование порогового количества вещества,

• эффективность взрыва,

• расположение источника возгорания по отношению к месту утечки.

Качественные исследования показали, что вероятность возгорания увеличивается с увеличением размера парового облака; паровое облако приводит к пожару намного чаще, чем ко взрыву; эффективность взрыва обычно мала — приблизительно 2 % энергии сгорания переходит в ударную волну; турбулентное перемешивание парового облака с воздухом и возгорание облака в точке, удаленной от места утечки, увеличивает влияние взрыва.

Почти не существует данных об уровне избыточного давления любого взрыва парового облака, полученных при помощи аппаратуры. Однако в ряде литературных источников доказывается, что хотя величина избыточного давления может быть невелика, но разрушающее воздействие ударной волны, по сравнению с взрывом обычного взрывчатого вещества, характеризующимся той же величиной избыточного давления, будет намного больше из-за гораздо большей длительности взрыва (или величины импульса).

Взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости

Это явление, происходящее при внезапном разрушении резервуара со сжиженным горючим газом и наличии источника воспламенения. Резкое падение давления (при разрушении резервуара) вызывает вскипание жидкости с образованием воздушной ударной волны, приводящей к разрушениям и появлению осколочного поля. Мгновенное воспламенение парового облака приводит к возникновению огневого шара.

Очень часто взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости происходит во время пожара и состоит из следующих стадий [105]:

1. Рядом с сосудом, содержащим сжиженный газ, начинается пожар.

2. Пламя накаляет стенки резервуара.

3. Стенки резервуара ниже уровня жидкости охлаждаются жидкостью, происходит увеличение температуры жидкости и давления в резервуаре.

4. Если пламя достигает стенок или крышки резервуара в том месте, где присутствует только газовая фракция и нет жидкости для отвода тепла, то происходит нагрев стенок сосуда, при котором происходит потеря их прочности.

5. Стенки сосуда разрушаются, происходит выброс сжиженного газа, который тут же испаряется.

6. Пары от мгновенного испарения жидкости зажигаются и образуют огневой шар.

Если взрыв паров расширяющейся жидкости произошел не в результате пожара, то после испарения сжиженного газа может произойти взрыв парового облака в неограниченном пространстве.

Объемный пылевой взрыв

Обычно возникает при воспламенении пылевоздушных смесей, содержащих мелкие горючие частички твердых веществ. Известны объемные взрывы на мукомольных, деревообрабатывающих, горнорудных предприятиях [1, 103, 105].

Для того, чтобы произошел взрыв пылевого облака внутри зданий и в оборудовании необходимо инициирующее внешнее воздействие при достаточно высокой, непереносимой человеком, концентрации пыли; эти объемы обычно непрозрачны. Такие облака могут сохранятся довольно длительное время внутри оборудования (например, элеватора и механизмов дробления), однако, они не могут существовать в течении длительного промежутка времени внутри зданий.

Взрывы пылевого облака опасны тем, что первоначальный инициирующий взрыв способствует возмущению и турбулизации пыли, что приводит к последующему более мощному взрыву. Поэтому взрыв, произошедший в оборудовании, может привести ко вторичному взрыву, который охватит все здание и вызовет намного больший ущерб.

Пылевые взрывы наиболее трудно классифицировать и привести к общей характеристике. Частички пыли сильно отличаются по величине и их размеры на несколько порядков больше, чем у молекул газа. К тому же на поведение частичек пыли большое влияние оказывает электростатическое притяжение.

Экспериментально установлено, что для того чтобы вызвать взрыв, пылевая взвесь должна обладать следующими характеристиками:

• частицы должны быть меньше определенного минимального размера (в литературе дается значение 76 мкм [105]);

• концентрация пыли должна находится в определенных границах. Верхние концентрационные пределы распространения пламени (ВКПР) обычно достаточно велики, и достичь их в производственных помещениях практически невозможно. Поэтому наиболее важен нижний предел, а также более высокие концентрации, при которых достигается максимальная объемная плотность энерговыделения;

• пыль должна быть примерно однородна.

Для большинства пылевых облаков нижний предел концентрации взрыва находится между 20 и 60 г/м3, а верхний предел между 2 и 6 кг/м3 [105].

Взрывы могут протекать в режиме детонации или в режиме дефлаграции; различие основано на скорости ударной волны, возникающей в результате взрыва. Если скорость распространения ударной волны выше, чем скорость звука в непрореагировавшей среде, то это детонация. Если же ниже, то — дефлаграция.

Взаимоотношения между фронтом ударной волны и фронтом реакции определяются режимом взрыва. При дефлаграции давление обычно увеличивается на несколько атмосфер. При детонации давление увеличивается в десятки раз. Существенно различаются и импульсные характеристики взрыва.

Существует два механизма, приводящих к детонации. В первом механизме — тепловом — происходит увеличение температуры реакционной смеси, приводящее к самоускорению скорости реакции. Во втором механизме — цепном разветвленном — происходит быстрое увеличение количества реагирующих свободных радикалов. Обычно этот процесс происходит, если в результате реакции от одного свободного радикала получается два.

Дефлаграция может переродится в детонацию. Это часто происходит в трубопроводах, но маловероятно в сосудах и на открытом пространстве.

В настоящее время не создана модель, позволяющая однозначно предсказать скорость взрывного превращения. В [106] рекомендуется для инженерной оценки использовать специальную экспертную таблицу института Химической Физики РАН.

В этой таблице представлены топлива, способные к образованию горючих смесей с воздухом, которые разделены на классы по чувствительности к инициированию взрывных процессов. Геометрические характеристики окружающего пространства также разделены на несколько классов в зависимости от степени их потенциальной опасности (степени загроможденности). В зависимости от типа вещества и степени загроможденности пространства можно определить наиболее вероятный режим взрывного превращения смеси.

Используя обобщенные экспериментальные исследования по взрыву определенных объемов газовоздушных смесей, как правило стехиометрического или близкого к нему состава, однородного по объему, с исходной геометрией, близкой к сферической и, в основном, с центральным поджиганием, получены [106] зависимости величины избыточного давления и импульса фазы сжатия для режима дефлаграции. Они записываются так:

где UF — скорость фронта пламени, v — степень расширения продуктов сгорания, а0 — скорость звука в воздухе.

EB — энергия взрывного превращения (количество реагирующего вещества умноженное на теплоту сгорания),

Ра — атмосферное давление,

R — расстояние от эпицентра взрыва,

I+а — импульс положительной фазы,

ΔР — избыточное давление.

Отметим, что использование этих данных для прогнозов эффектов поражения и разрушения при воспламенении плоских вытянутых углеводородных облаков и аварий на магистральных трубопроводах требует значительного уточнения.

 

2.2. Факторы рисков опасных воздействий взрывов

Горение парового облака, происходящее, как правило, в режиме дефлаграции со скоростью 250–300 м/с, формирует в окружающей среде воздушную волну избыточного давления. Ударная волна при производственных авариях может вызвать большие людские потери и разрушения элементов сооружений. Размеры зон поражения от взрывов возрастают с увеличением их мощности.

Действие ударной волны на здания и сооружения характеризуется сложным комплексом нагрузок: прямое давление, давление отражения, давление обтекания и давление затекания, нагрузка от сейсмовзрывных волн и т. д.

При моделировании уязвимости сооружений сопротивляемость их элементов воздействию ударной волны принято характеризовать величиной избыточного давления на фронте ударной волны (дРф). Степень и характер поражения сооружений при взрывах во время производственных аварий зависят от следующих параметров:

а) мощности (тротилового эквивалента) взрыва;

б) технической характеристики сооружений объекта (его конструкции, прочности, размеров, формы и др.);

в) планировки объекта (рассредоточенности сооружений) и характера застройки;

г) ландшафта местности (рельефа, грунта, растительности);

д) метеорологических условий (направления и силы ветра, влажности, температуры, наличия осадков) [109]. В Таблице № 2.1 представлены данные о избыточных давлениях на фронте ударной волны, вызывающих повреждение объекта разной тяжести.

Вероятность достижения того или иного уровня ущерба можно рассчитать с помощью пробит функции [106, 107, 110].

В общем случае одно и то же воздействие различной физической природы (доза термической радиации, значение избыточного давления, ударный импульс и т. п.) может вызвать последствия различной тяжести, т. е. эффект поражения носит вероятностный характер. Величина поражения (Р измеряется в долях единицы или процентах) выражается функцией Гаусса

Таблица № 2.1.

Избыточное давление, вызывающее разрушение, (ΔРф), КПа.

в которой верхний предел интегральной функции является пробит-функцией, отражающей связь между вероятностью поражения и поглощенной дозой. Пробит-функция может быть вычислена по уравнению вида:

Pr = а + b ln(D), (2.13)

где а и b — константы для каждого вещества или процесса, характеризующие специфику и меру опасности его воздействия,

D — поглощенная субъектом доза негативного воздействия.

Вероятность малых повреждений зданий и сооружений можно оценить по соотношению:

Рг1 = 5–0,26 In S1, (2.14)

где влияние перепада давления в волне импульса фазы сжатия отражено фактором

Вероятность трудно реставрируемых повреждений зданий и сооружений можно оценить по соотношению:

Рг2 = 5–0,26 In S2, (2.16)

В этом случае фактор

Вероятность невосстанавливаемых повреждений зданий и сооружений (обрушение несущих стен) можно оценить пользуясь соотношениями:

Рг3 = 5–0,26 In S3, (2.18)

Следует отметить, что последствия взрыва представляют прямую и потенциальную опасность для человека. Люди могут получить повреждения от прямого воздействия (включая повышенное давление и тепловое излучение) и от косвенного (осколочное поражение, падение фрагментов изделий и т. п.).

Прямое или первичное поражающее действие взрывной волны связано с изменением давления в окружающей среде в результате прихода воздушной взрывной волны. Люди особо чувствительны к таким факторам взрыва, как избыточное давление в падающей и отраженных волнах, динамическое давление, скорость повышения давления до пикового значения после прихода взрывной волны и ее длительность, а также удельный импульс взрывной волны. Из других факторов, которые определяют степень поражения, нанесенного взрывной волной, можно назвать внешнее атмосферное давление, размеры и возраст человека. Органы тела, отличающиеся наибольшей разницей в плотностях соседних тканей, обладают наиболее высокой чувствительностью к первичному поражающему воздействию взрывной волны. Таким образом, ткани легких, наполненные воздухом, и ухо страдают от действия взрывной волны больше всего.

Общая характеристика воздействия избыточного давления на человека приведена в Таблице 2.2.

Отметим, что в случае нахождения людей в момент внешнего взрыва в зданиях, их поражение может наступить от механического воздействия за счет разрушения зданий (обрушения перекрытий и т. п.) уже при давлениях 0,3–0,5 бар. Ниже приводятся данные, позволяющие оценить вероятностные характеристики повреждений человека от аварийных негативных воздействий.

Таблица № 2.2.

Воздействие избыточного давления на человека

Вероятность летального исхода от прямого воздействия на людей избыточного давления определяется с помощью пробит-функции:

Вероятность разрыва легких оценивается по формуле:

где

P0 — начальное давление, m — вес живого организма, кг.

Нижний уровень контузии связан с повреждением органов слуха и зависит только от перепада давления в волне. Он определяется пробит-функцией:

Рг6 = 12,6–1,524 lnΔР. (2.24)

Существенным фактором опасности представляется разлет осколков и фрагментов оборудования и стекла. К числу объектов, потенциально опасных по осколочному фактору поражения, можно отнести работающие при повышенном давлении оборудование для хранения и транспортировки горючего, помещения и емкости для сжатых газов, химических соединений и т. д. Обычно подобное оборудование изготавливается из особых сортов сталей и при разрыве образуется сравнительно малое число осколков. Однако разлет объемных удлиненных элементов оборудования может сопровождаться истечением жидкого или газообразного рабочего тела, что придает фрагментам дополнительный импульс. При разрыве сосудов и аппаратов высокого давления, при отрыве специализированных легко сбрасываемых конструкций или разрушении вышибных мембран также образуются дискообразные элементы. Полет таких элементов определяется не только силами тяжести и инерции, но и находится под влиянием подъемной силы. Это обстоятельство заметно влияет на дальность разброса фрагментов. Массивные фрагменты способны отлетать на весьма большие расстояния от места образования (на открытом воздухе до 100 м и более) и вызывать тяжелые вторичные разрушения при столкновении с объектами промышленной и жилой застройки.

Особого внимания требует вопрос об осколочном действии разрушающихся стеклянных перегородок и окон. Как правило, газовоздушный и пылевой взрыв сопровождается разрушением остекления. Так при избыточном давлении 3 кПа будет разрушено 50 % оконных стекол. Основное значении при определении поражений имеет информация о скорости и дальности разлета стеклянных осколков. С учетом опытных данных скорость разлета осколков стекла при типичных внутрицеховых взрывах может быть оценена величиной 20 + 7 м/с [105]. Также на основе опытов считается, что масса кусков стекла после взрыва не превышает 100 г.

Для определения поражения людей осколки при авариях условно делят на две подгруппы [77, 107]:

— режущие осколки,

— ударные осколки.

Режущие осколки отличаются способностью пробивать кожный покров и проникать внутрь тела. Ударные осколки не пробивают кожный покров, а наносят удар по телу, так что основной фактор поражения связан с механическим повреждением внутренних органов от соударения. Различие этих подгрупп осколков связано с их скоростью полета и формой. При некоторой скорости полета осколка V > V50 его относят к режущим осколкам, а при V < V50 к ударным. Для оценки уровня V50 в м/с можно использовать выражение

V50 = 1247 (A/m) + 22, (2.25)

где А — площадь миделевого сечения осколка, м2, m — масса осколка, кг.

Вероятность тяжелых поражения людей разлетающимися режущими осколками с массой m < 0,1 кг оценивается по соотношению:

Рг7 = -29,15 + 2,1 In S7 (2.26)

где S7 = m V5’115 ’ (2.27)

Вероятность тяжелых поражений персонала разлетающимися ударными осколками с массой 0,1 кг < m < 4,5 кг оценивается по соотношению

Рг8 = -17,56 + 5,3 In S8 (2.28)

где S8 = 0,5m V2. ’ (2.29)

Для массивных ударных осколков при m > 4,5 кг вероятность тяжелых повреждений определяется только скоростью осколка и оценивается по соотношению

Рг9 = -13,19 + 10,54 In V. (2.30)

Как правило взрывная волна действует на человека не только через перепад давления. Вызванное скачком давления кратковременное перемещение воздуха способно отбросить человека с большой скоростью в направлении движения волны. Вероятность подобного события оценивается как:

Повреждения могут возникать либо на стадии ускорения, либо во время тормозящего удара. Степень повреждения, обусловленная тормозящим ударом, намного более значительна и определяется изменением скорости при ударе, а также временем и расстоянием, на котором происходит торможение, типом ударяющей поверхности и площадью соударения.

 

2.3. Пожары

Приведем описания пожаров различных видов в терминологии работ [1,112,113]. По условиям газообмена и теплообмена с окружающей средой все пожары подразделяются на два обширных класса [114]:

— на открытом пространстве;

— в ограждениях.

Пожары на открытом пространстве условно могут быть разделены на три вида:

— распространяющиеся;

— не распространяющиеся (локальные);

— массовые.

Пожары в заграждениях бывают двух видов:

— открытые;

— закрытые.

Пожар развивается на определенной площади или в объеме и может быть условно разделен на три зоны, не имеющих, однако, четких границ:

— горения;

— теплового воздействия;

— задымления.

Зона горения занимает часть пространства, в котором протекают процессы термического разложения твердых горючих материалов или испарение жидкостей, горение газов и паров в объеме диффузионного факела пламени. Зона горения может ограничиваться ограждениями здания (сооружения), стенками различных технологических установок, аппаратов, резервуаров и т. п.

В зависимости от агрегатного состояния горючего вещества различают три вида горения:

1. гомогенное горение газов и парообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя;

2. гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

3. горение взрывчатых веществ.

По скорости распространения пламени горение, протекающее с дозвуковыми скоростями, подразделяют на ламинарное и турбулентное.

При развитии пожара в здании приток воздуха в зону горения и удаление из нее продуктов сгорания происходят через проемы. Давление продуктов сгорания в верхней части здания (помещения) больше, а в нижней части меньше давления наружного воздуха. На определенной высоте давление внутри помещения равно атмосферному, т. е. перепад давления равен нулю. Плоскость, где давление внутри здания равно атмосферному, называется плоскостью равных давлений или нейтральной зоной.

Зоной теплового воздействия называется прилегающая к зоне горения часть пространства, в пределах которого протекают процессы теплообмена между поверхностью пламени, окружающими строительными конструкциями и горючими материалами. При этом передача тепла осуществляется тремя способами:

— конвекцией;

— излучением;

— теплопроводностью.

В горящем помещении излучение является основным способом передачи тепла от поверхности пламени к окружающим поверхностям горючих материалов, внутреннего интерьера и строительных конструкций по всем направлениям до момента, когда дым становится ослабляющей световой поток средой в результате поглощения и рассеяния лучистой энергии.

На стадии развившегося пожара в зданиях конвекцией передается значительно больше теплоты, чем при пожарах на открытом пространстве. Нагретые до высокой температуры газы способны вызвать возгорание горючих материалов по пути своего движения в коридорах, лифтовых шахтах, вентиляционных каналах, лестничных пролетах и т. д.

При пожарах на открытых пространствах теплота передается окружающим объектам главным образом излучением. Несмотря на то, что доля теплоты, передаваемой конвекцией, достигает 75 %, значительная ее часть передается верхним слоям атмосферы и не изменяет обстановки при пожаре.

Зоны задымления при пожаре в зданиях (сооружениях), внутри помещения и на открытых пространствах имеют свои особенности.

Внутри помещений объем зоны задымления зависит от условий распространения потоков продуктов горения и газообмена с окружением, а также от свойств горящих веществ и материалов.

На открытом пространстве объем и площадь задымления зависят главным образом от мощности источника горения, скорости выгорания материалов, разности температур окружающего воздуха и зоны горения и скорости движения газовых потоков.

Дым представляет собой дисперсную систему, твердые частицы которой, как и ядовитые газы, вредны для человека.

Опасными факторами пожара для людей являются:

— открытый огонь и искры;

— повышенная температура воздуха и предметов;

— токсичные продукты горения;

— дым;

— пониженная концентрация кислорода;

— обрушение зданий, сооружений;

— возможность взрыва.

Продолжительность пожара зависит от скорости выгорания материалов и скорости распространения пламени. Эти же величины, в свою очередь, зависят от состояния окружающей среды, которое характеризуется:

— метеорологическими параметрами (температурой, влажностью, давлением, степенью прозрачности атмосферы, скоростью и направлением приземного ветра);

— пожарной нагрузкой (горючестью, температурой самовоспламенения и воспламенения, влажностью и плотностью веществ и материалов, содержанием летучих веществ, критическим тепловым потоком, вызывающим их воспламенение или самовоспламенение от лучистой теплоты, взрывоопасностью, удельной пожарной нагрузкой и ее высотой, плотностью распределения горючих материалов по площади и в объеме);

— условиями газообмена и распространения пожара (расположением объектов горения, назначением и особенностями объемно-планировочных и конструктивных

— решений зданий и сооружений, площадью и взаимным расположением проемов, высотой помещения, расстоянием между центрами вытяжных и приточных проемов, этажностью, характеристикой имеющихся систем противодымной защиты);

— параметрами местности и застройки (рельефом и особенностями примыкающего к зданиям почвенного покрова, огнестойкостью и этажностью зданий и сооружений, противопожарными разрывами, шириной улиц, плотностью застройки, пожаро— и взрывоопасностью производств).

В качестве основных типов техногенных пожаров можно выделить [113]:

— пожар пролива или разлития;

— вспышечный пожар;

— струйный пожар;

— огневой шар.

Под пожаром пролива или разлития понимают горение пролитого вещества, испаряющегося с поверхности жидкости. Пожар разлития может иметь место при горении жидкости в резервуаре для хранения, когда резервуар остается без крышки, например в результате взрыва. При этом стенки верхней части резервуара (до уровня жидкости) могут оплавляться. В подобном случае четко определены границы и форма пожара. Пожар разлития может возникнуть также и в случае, когда горючая жидкость в результате аварии выбрасывается на поверхность земли, в водостоки или непосредственно в реки, озера или моря, где возможность распространения не ограничена. Именно так представляется ситуация при горении нефти на поверхности моря.

Вспышечным пожаром называется такой режим сгорания парового облака, при котором скорость перемещения фронта пламени значительно меньше звуковой. Он характеризуется пренебрежимо малым значением возникающего при этом избыточного давления.

Струйным пожаром является пожар такого типа, который возникает в результате горения газа и/или жидкости, вытекающих из замкнутого пространства под давлением.

Огневым шаром называют пожар, при котором масса сгорающего топлива или парового облака поднимается вверх над поверхностью земли. Подобный пожар заметно отличается от обычных пожаров. Горящий паро-газовый поток вытягивается вверх, образуя восходящее конвективное течение (вследствие чего этот тип пожара также называют конвективной колонкой). Часто в верхней части выброса возникает грибовидное облако. Конвективная колонка способна втягивать и поднимать отдельные предметы, зажигать их и разбрасывать на большие расстояния.

Помимо указанных выше типов техногенных пожаров встречаются и другие типы:

Огневой шторм образуется в результате слияния больших пожаров, возникающих в насыщенной топливом среде, в один громадный пожар. Он может сопровождаться появлением ветра ураганной силы и образованием смерчевых структур.

Анаэробный пожар — это пожар, при котором горение происходит без доступа воздуха. Он возникает в том случае, когда некоторые вещества при повышении температуры выше определенного критического уровня начинают интенсивно разлагаться с образованием окислителя. К таким веществам относятся, как правило, конденсированные взрывчатые вещества, в которых горючее и окислитель перемешаны на мольном или молекулярном уровнях.

 

2.4. Расчеты физических характеристик пожара

а) Пожары пролива или разлития Модель пожара пролива формируется с учетом следующих факторов:

— скорость горения;

— размеры разлития;

— высота пламени;

— наклон и увеличение пламени по направлению ветра;

— мощность излучающей поверхности;

— геометрический фактор;

— атмосферная проводимость;

— тепловой поток, воспринимаемый объектом. Тепловое воздействие на окружающую природную среду при горении различных жидкостей на поверхности разлития рассматривается в работах [106, 115].

В методике МЧС [115] предложен порядок оценки последствий пожара разлития, вызванного аварийными ситуациями на объектах по хранению, переработке и транспортировке горючих жидкостей. Приведем его основные положения.

При разрушении трубопровода объем вытекшей жидкости определяется по формуле:

V = 0,79 D2L, (2.33)

где D — диаметр трубопровода, м;

L — длина отрезка между соседними отсека-телями, м.

При свободном растекании диаметр разлития определяется из соотношения:

где d — диаметр разлития, м; V — объем жидкости, м3.

Величина теплового потока q на заданном расстоянии х от горящего разлития определяется по формуле:

q = 0,8Q0 e−0,33x , (2.35)

где Q0 — тепловой поток на поверхности факела, кВт/м2, значения которого для некоторых веществ приведены в Таблице 2.3,

х — расстояние до фронта пламени, м.

Расстояние х, на котором будет наблюдаться тепловой поток с заданной величиной q, определяется по формуле:

x 33 ln(0,8 Q 0/ q) =. (2.36)

Величина индекса дозы теплового излучения I определяется из соотношения:

I = 60 q4/3, (2.37)

Возможность воспламенения различных материалов представлена в Таблице 2.4 При величине теплового потока более 85 кВт/м2 воспламенение происходит через 3–5 с.

Таблица № 2.3.

Тепловой поток на поверхности факела от горящих разлитий.

Таблица № 2.4.

Тепловые потоки, вызывающие воспламенения некоторых материалов.

Методика расчета характеристик горения, предложенная в работе [106], включает следующие основные предположения и эмпирические соотношения.

1. Горение рассматривается как диффузионное (т. е. непосредственно зависящее от режима эжекции воздуха в зону горения) и происходит с открытой поверхности (в самом резервуаре при срыве перекрытия или при разлитии в пределах защитного ограждения).

2. Высота (длина — L) видимой части пламени (излучающей определенную долю тепла) определяется гидродинамическими факторами и наиболее достоверно может быть рассчитана по эмпирической формуле Томаса [116] с учетом влияния ветра на скорость сгорания, а следовательно, и на длину пламени

где m — массовая скорость выгорания с поверхности, кг · м -2 · с-1;

ра — плотность воздуха, кгкм-3;

D — эквивалентный диаметр очага горения, м;

W0 — скорость ветра, мкс-1;

рπ — плотность паров топлива при температуре поверхности раздела фаз (для кипящих сжиженных газов — температура кипения при атмосферном давлении), кг/м3.

Эмпирические коэффициенты в формулах Томаса (а1 = 55; = 0,67; с1 = -0,21) получены по результатам экспериментов, выполненных для широкого диапазона параметров

применительно к самым различным горючим жидкостям и сжиженным газам.

3. Пламя рассматривается как оптически «серый» монохроматический поверхностный излучатель.

4. При расчете внешнего излучения сложная, изменяющаяся во времени геометрическая форма пламени рассматривается как цилиндрическая поверхность с сохранением реальных значений высоты и (эквивалентного) диаметра основания пламени.

Количество теплоты q, излучаемое факелом в направлении смежного объекта или сооружения [114], рассчитывается по формуле

q = I0 ехр(-βг)ΦFΦ /(πг2), (2.40)

где I0 — интенсивность излучения факела, Вт/м2;

Р — коэффициент ослабления среды, м1;

г — расстояние от излучающей поверхности до облучаемого объекта, м;

FΦ— площадь излучающей поверхности в направлении смежного объекта, м2;

Φ — коэффициент облученности.

Интенсивность излучающей поверхности факела определяют по закону Стефана — Больцмана. Эта величина сильно зависит от температуры пламени, т. к. теплоизлучение пропорционально температуре в четвертой степени.

Для определения критических расстояний между очагом пожара и окружающими объектами необходимо знать площадь поверхности факела, обращенного в сторону облучаемой поверхности, степень черноты факела, коэффициент облученности, температуру факела, среднюю скорость сгорания материалов, а также критические тепловые потоки.

В Таблице № 2.5 с учетом различных режимов горения приведены значения критических тепловых потоков для некоторых горючих материалов.

Отметим, что площадь поверхности факела, обращенного в сторону облучаемого объекта, приближенно определяют как произведение основания факела на его высоту, делая поправку на форму (очертание) поверхности.

б) Расчет параметров пожара при возникновении огневого шара [106].

Возникновение огневого шара характеризуется совокупностью таких физических процессов, как:

Таблица № 2.5.

Критические тепловые потоки, вызывающие воспламенение и самовоспламенение некоторых материалов.

— взрывное вскипание углеводородных жидкостей в резервуарах высокого давления;

— выброс содержимого резервуара в окружающее пространство с образованием быстро сгорающего аэрозольного облака (огневого шара) и ударной волны;

— разрушение сосуда и разлет его осколков.

Для возникновения огневого шара необходимы следующие предпосылки:

1. жидкость, хранящаяся в герметичном сосуде под давлением, к моменту вскипания (за счет сброса давления) должна быть «термодинамически перегретой» выше некоторого характерного предела относительно состояния насыщения при атмосферном давлении;

2. в результате аварийной разгерметизации несущего корпуса (либо неправильной работы предохранительных клапанов или разрывных мембран) должно произойти резкое падение давления над поверхностью раздела жидкой и паровой фаз.

Тепловая мощность Р сгорания огневого шара [117] массой М может быть найдена из уравнения:

где QH — теплота сгорания, МДж/кг;

τ — время существования объекта, с.

Вещества, часто приводящие при авариях к образованию огневого шара, имеют теплоту сгорания QH порядка 45–48 МДж/кг.

Для оценки опасности огневых шаров необходимо уметь предсказывать их размер и время существования. В частности, радиус огневого шара R (м) и время его существования т (с) могут быть найдены по эмпирическим формулам работы [115].

При оценке последствий воздействия огневых шаров было принято, что в диапазоне между нижним и верхним пределами воспламенения в период существования огневого шара находится около 60 % массы газа (пара) в облаке и что эта масса более 1000 кг.

Вероятность поражения людей тепловым потоком зависит от индекса дозы теплового излучения I, который определяется из соотношения:

I = t(Q0R2 /Х2)4/3 (2.42)

где X — расстояние от центра огневого шара (X > R), м;

Qa — тепловой поток на поверхности огневого шара, кВт/м2, значения которого для наиболее распространенных веществ приведены в Таблице № 2.6.

Воздействия огневых шаров на здания и сооружения, не попадающие в пределы самого огневого шара, определяются наличием возгораемых веществ и величиной теплового потока q, которая определяется по формуле:

q = Q0R2/X2, (2.43)

при этом время жизни огневого шара принято равным 15 с.

Таблица № 2.6.

Значения теплового потока на поверхности огневых шаров различных газов диаметром более 10 м.

 

2.5. Методика расчета температурного режима пожара в помещении

Пожар в помещении представляет собой сочетание специфических процессов, сопровождающихся изменением состава и параметров газовой среды, заполняющей помещение.

Основными среднеобъемными термодинамическими параметрами, характеризующими состояние газовой среды при пожаре [118, 119] являются:

среднеобъемная температура Тm, К;

среднеобъемная плотность рm, кг/м3;

среднеобъемное давление рm, Па;

средние концентрации компонентов газовой смеси xi (например, 02, СO2, СО и др.).

Газовую среду при пожаре с достаточной точностью можно рассматривать как смесь идеальных газов. Среднеобъемные термодинамические параметры состояния газа в каждой точке пространства связаны между собой уравнением Клапейрона.

Уравнения математического описания пожара, отражающие изменения среднеобъемных параметров состояния газовой среды в процессе развития пожара, выводятся с учетом основных законов физики:

— закона сохранения массы;

— закона сохранения энергии (первого закона термодинамики).

Математическое описание пожара в помещении [118, 119] включает:

усредненное уравнение состояния газовой среды (уравнение Клапейрона)

где Rm — усредненная газовая постоянная;

V — объем помещения, м3;

τ — время, с;

GB — расход воздуха поступившего в помещение, кг с1;

ψ — скорость выгорания (количество сгораемого материала, перешедшего в газообразное состояние), кг с1;

Gg — расход газов, покинувших помещение, кг* с"1;

k — показатель адиабаты (к = Ср /Су);

QHP — теплота сгорания, кДж кг1;

Qw —количество теплоты, ушедшее в ограждающие конструкции, кДж с1;

iB, in, iG — энтальпия соответственно наружного воздуха, продуктов сгорания и уходящих газов, кДж кг1;

х1У х2, х3 — среднеобъемные концентрации кислорода, рассматриваемого продукта горения и инертного газа в помещении, соответственно;

х1В, х2В, хав — концентрации кислорода (х1В ≈ 0,23), продукта горения и инертного газа в окружающей среде соответственно;

n1 = х1G / Х1 ≤ 1,

где

х1G — концентрация кислорода в уходящих газах, которая может незначительно отличаться от среднеобъемной;

η — коэффициент полноты сгорания;

L1 — масса кислорода, необходимая для сгорания единицы массы горючего материала;

n2 = х2G / Х2 ≥ 1,

где

х2G — концентрация продукта в уходящих газах;

L2 — количество продукта, образующееся в результате сгорания единичной массы вещества;

n3 = х3G/х3 — коэффициент, учитывающий различие концентраций инертного газа в уходящих газах и в помещении.

Начальными условиями для приведенных выше дифференциальных уравнений являются параметры состояния газовой среды (отмеченные индексом «0») в помещении перед пожаром. Они записываются следующим образом:

при τ = 0

Тm = Тm0

Pm = Рm0

pm = рm0

xt = xt0

Приведенные выше уравнения содержат переменные: Тm; Рm; рm; х1, х2; х3. Число неизвестных равно числу уравнений, следовательно математическое описание пожара в помещении имеет замкнутый характер.

При решении практических задач система уравнений может быть упрощена. Допускается также использование различных эмпирических зависимостей, описывающих теплообмен очага пожара со строительными конструкциями.

Расширить область применения способа моделирования позволяют зональные методы. Исследуемый объем разбивается на зоны, для которых можно использовать интегральные модели. Зоны выбираются таким образом, чтобы в пределах каждой из них газовую среду в очаге пожара можно было достаточно точно описать усредненными параметрами.

В зависимости от характера решаемой задачи для каждой из зон составляют систему уравнений математической модели. В условиях локальных пожаров используется разбиение на зоны горизонтальными плоскостями, при котором разделяются области, занимаемые продуктами горения и воздушной средой.

В условиях развитой стадии пожара и при объемных пожарах объем разбивается на зоны вертикальными плоскостями. Количество зон определяется задачами исследования и размещением пожарной нагрузки в помещении.

Моделирование температурного режима при пожаре в помещении в общем случае включает следующие основные этапы:

анализ конструктивно-планировочных характеристик помещений;

определение вида, количества и размещения пожарной нагрузки;

определение вида возможного пожара; выбор определяющих характеристик пожара; выбор метода расчета и проведение расчета; решение практических задач пожарной профилактики.

В общем случае в результате решения системы дифференциальных уравнений определяются изменения по времени развития пожара: среднеобъемной температуры; средней температуры поверхностей перекрытия, стен и пола;

теплового потока, выделяющегося при горении пожарной нагрузки;

теплового потока, поглощаемого строительными конструкциями;

теплового потока, уходящего из очага пожара с продуктами горения;

теплового потока, уходящего из очага пожара с излучением через проемы.

Эти данные являются исходными для решения практических задач по оценке пожарной опасности.

 

2.6. Факторы рисков опасных воздействий пожаров

Тепловое излучение может вызывать у человека негативные реакции кратковременного и долгосрочного характера. Физиологическими обратимыми реакциями являются увеличение сердечного ритма, потение, повышение температуры тела.

Патологические эффекты связаны с появлением ожогов вследствие воздействия теплового излучения на кожу. Термическое воздействие на человека связано с прогревом и последующими биохимическими изменениями верхних слоев кожного покрова. Человек ощущает сильную («едва переносимую») боль, когда температура верхнего слоя кожного покрова (~0,1 мм) повышается до 45 °C. Время достижения порога боли (в сек) связанно с интенсивностью теплового воздействия (кВт/м2) зависимостью [106]:

t = (35/g)1’33, (2.50)

Степень повреждения кожи при воздействии более высоких температур зависит от величины и длительности теплового излучения. При относительно слабом тепловом излучении будет повреждаться только верхний слой (эпидермис) на глубину ~1мм. Более интенсивный тепловой поток может привести к поражению не только эпидермиса, но и дермы (нижний слой), а излучение еще большей интенсивности будет воздействовать и на подкожный слой.

Эти три уровня в целом качественно соответствуют установленным категориям ожогов 1-й, II — й и III — й степеней.

При достижении поверхностным покровом кожи температуры 55 °C появляются волдыри.

Вероятность получения ожогов [106, 110] первой степени можно оценить по соотношению

Pr1 = -39,83 + 3,0186 ln(Δt q4/3). (2.51)

Вероятность достижения ожогов второй степени устанавливается по формуле

Рг2 = -43,14 + 3,0188 ln(Δt q4/3). (2.52)

Смертельный исход для людей, незащищенных специальной одеждой, наступит с вероятностью

Pr3 = -36,38 + 2,56 ln(Δt q4/3). (2.53)

Для персонала в защитной одежде вероятность летального исхода будет

Рг4 = -37,23 + 2,56 ln(Δt q4/3). (2.54)

В соотношениях (2.51 — 2.54) время действия светового импульса Δt выражается в секундах, а интенсивность теплового потока q в Вт/м2

При вспышках в форме огненного шара с учетом конечности времени действия радиусы зон ожогов первой, второй и третьей степени можно соответственно оценить как

R1t = (5,2+0,2) М5/12,

R2t = (3,7+0,2) М5/12,

R3t = (2,6+0,2) М5/12.

Кроме прямой опасности воздействия теплового излучения на кожу человека существует и опасность возгорания легковоспламеняющихся веществ, находящихся в зоне пожара, что в принципе может привести к дальнейшему разрастанию аварии и переходу ее в стадию каскадного развития. К тому же воздействие, оказываемое термическим излучением на строительные конструкции при повышении температуры выше предельных значений, приводит к значительному снижению их прочностных характеристик.

 

2.7. Токсичные выбросы

В отличие от пожаров и взрывов разных типов, имеющих много общего в возникающих источниках загрязнения атмосферы, выбросы токсичных веществ сильно различаются как по характеру поступления рабочего тела в окружающее пространство, так и по возникающим в атмосфере источникам загрязнений, физической картине их развития, интенсивности и продолжительности.

Токсичные выбросы, в соответствии с [1], можно определить как неконтролируемое системами обеспечения безопасности объекта поступление в окружающую среду токсичного (ядовитого) вещества.

Токсичное вещество — химическое соединение, при попадании которого в организм с водой, пищей, через кожу или органы дыхания, происходит его повреждение или наступает смерть.

Рассматриваемые в данном разделе токсичные выбросы, ограниченные временем поступления веществ в атмосферу не более часа [1], связаны с типичными аварийными ситуациями и не могут вызвать профессиональных заболеваний у персонала промышленного объекта. Они могут быть подразделены на залповые и продолжительные. Залповые выбросы возникают, когда в результате аварии (как правило, взрывного характера) в атмосферу «мгновенно» или краткосрочно поступает компактная порция токсичного вещества. В зависимости от того, в какое (ограниченное или безграничное) пространство оно поступает, формируется либо гомогенный токсичный объем, либо паровой клуб или облако.

В общем случае токсичный выброс может поступать в окружающую среду в виде парогазового объема и пролива (разлития), при испарении которого возникает вторичный источник загрязнения атмосферы. Продолжительные токсичные выбросы, кроме того, могут служить источниками струй (для жидкостей и тяжелых газов), токсичных туманов, задымлений и запылений.

Рассмотрим особенности формирования и развития этих выбросов.

Паровой клуб или облако возникают при краткосрочном выходе в атмосферу легкоиспаряющегося токсиканта, плотность которого в газообразном состоянии ниже плотности атмосферного воздуха. При этом в зависимости от интенсивности высвобождения внутренней энергии рабочего тела в атмосфере формируется газообразный объем в виде клуба или термина. В случае продолжительного напорного выхода токсиканта в атмосфере возникает выброс струйного типа. Математические модели и алгоритмы нахождения физических характеристик этих объектов описаны в Главе 4 этой книги.

Если паровой клуб или облако, струя, а также гомогенный токсичный объем состоят из взрыво— или пожароопасного вещества, то их поведение в атмосфере и характеристики аварийного развития не отличаются от соответствующих характеристик выбросов горения или взрыва. Для их определения можно воспользоваться формулами предыдущих разделов.

В соответствии с [1] разлитие (пролив) — это выброс жидкости, возникающий при ее истечении из технологических установок в случаях нарушения их целостности. Причем формирование атмосферного выброса из разлития существенным образом зависит от их летучести, особенностей фазового перехода и теплофизических свойств.

Различают [1] четыре категории жидкостей. К первой относят «криогенные жидкости». Они имеют критическую* температуру ниже температуры окружающей среды и могут быть сжижены только после охлаждения с последующим сжатием.

Напомним, что при температурах больших, чем критическая, вещество не может находиться в жидком состоянии. При соответствующем этой температуре давлении имеется возможность сжижения газообразной фазы.

Примерами таких жидкостей служат сжиженный природный газ (смесь метана с другими углеводородами), атмосферные газы (азот, кислород).

Ко второй категории относятся жидкости, у которых критическая температура выше, а точка кипения ниже температуры окружающей среды. Они легко сжижаются простым сжатием и при разгерметизации сосудов частично «мгновенно» испаряются, а оставшаяся часть охлаждается до точки кипения при атмосферном давлении. При этом возникают паровые клубы или облака. Так ведут себя сжиженные нефтяные газы, пропан, бутан, аммиак, хлор и др. Эти жидкости являются газами при температуре окружающей среды и хранятся в сосудах под давлением.

К третьей категории отнесены вещества, являющиеся жидкостями при атмосферном давлении и испаряющиеся значительно медленнее, чем жидкости первых двух категорий. Их испарение определяется главным образом состоянием атмосферы (в основном ветром). Примером служит бутан, этиленоксид и другие вещества.

К четвертой категории относятся те же вещества, что и к третьей, но содержащиеся при подводе тепла и при давлениях, превышающих критическое. При разгерметизации сосудов они ведут себя как сжиженные газы (перегретый водяной пар и циклогексан).

Токсичные выбросы, возникающие из проливов жидкостей первой категории в атмосфере, представляют собой паровые клубы или облака и рассчитываются по известным [8,46,39,73] методикам.

При проливах жидкостей второй категории в случае мгновенного испарения можно получить некоторые характеристики атмосферного выброса, если предположить, что возникший парообразный объем состоит только из вещества пролива, а воздух в него не вовлекся [1]. Считается, что испаряющийся пар движется со звуковой скоростью от мгновенно испаряющейся жидкости пролива.

На практике возникший выброс будет состоять из смеси токсиканта и воздуха, кроме того, звуковая скорость не будет достигнута, и жидкость превратится в смесь пара, газа, пены и воздуха, а выбрасываемые капли при бурном процессе распада могут выходить далеко за пределы теоретически рассчитанной паровой оболочки. Корректной оценки возникающего атмосферного выброса из известных нам литературных данных не существует.

Если выброс разлития состоит из невзрывоопасного и непожароопасного вещества (жидкости третьей категории), то на месте пролива возникает локальный ареал загрязнений («лужа»). Ее конфигурация и площадь определяются теплофизическими свойствами вещества (вязкость, температура, теплота испарения), а также рельефом местности и метеоусловиями (наличие ветра, температура атмосферы, влажность и т. п.).

Токсичное воздействие такого выброса локализовано в пределах площади пролива и при условии своевременного сбора и нейтрализации загрязнений приводит к минимальному ущербу для природных сред. При большой площади разлития и определенных атмосферных условиях вещество пролива интенсивно испаряется, что может привести к токсичным туманам и выпадениям токсичных дождей.

Испарение определяется [127] как процесс перехода вещества из твердого или жидкого состояния в пар. В случае перехода из твердого состояния непосредственно в парообразное этот процесс чаще называют сублимацией. Термин испарение обычно означает все процессы парообразования, за исключением особо оговоренных случаев (например, испарение воды через ткани живых растений называют транспирацией).

Интенсивность испарения Е, по результатам исследований Дальтона [123], а затем Солднера [124], может быть описана формулами:

Здесь — функция средней скорости ветра;

Еb — интенсивность испарения при точке кипения в сухом воздухе при атмосферном давлении Р (т. е. при давлении насыщенного пара при температуре точки кипения);

I*s — давление насыщенного водяного пара при температуре водной поверхности;

Iа — давление пара в воздухе.

Связь давления насыщенного водяного пара с температурой описывается формулой:

I* = Р— ехр[-(250+ Тb — Т)— (Тb — Т)/ 6976],

где Тb — температура кипения при атмосферном давлении Р

Дальнейшим развитием и углублением проблемы были работы Вайленмана [125]. Он выразил интенсивность испарения в виде линейной функции от средней скорости ветра и и дефицита насыщенного воздуха:

В этой формуле:

Aw и Bw — постоянные, /*а — давление насыщенного пара при температуре воздуха.

Соотношения (2.56) и (2.55а) эквивалентны лишь при равенстве температуры воздуха и воды.

Наконец, Штеллинг [126], объединяя уравнение Дальтона (2.55) и уравнение Вайленмана (2.56), получил уравнение, корректно решающее проблему

Здесь

As и Bs — эмпирические постоянные.

Отмечается [127], что уравнение (2.57) получено эмпирическим путем, и в литературе опубликовано бесчисленное множество значений As и Bs, пригодных для разных условий. Однако эта формула не решала проблему в целом.

Дальнейшее развитие теории испарения произошло при изучении явлений переноса в газах и жидкостях. Фик [128] опытным путем обнаружил, что локальный удельный поток субстанции примеси в невозмущенной сплошной среде, являющийся результатом только молекулярного переноса, пропорционален градиенту ее концентрации. Современное развитие теория испарения получила в работах Брат-серта [121], Берлянда М.Е. [129], Будыко М.И. [130].

Для горючих и взрывающихся веществ проливов ситуация может усложниться потенциальной опасностью развития аварийной ситуации. При загорании разлития, испаряющегося с поверхности жидкости, возникает пожар разлития, характеризующийся параметрами, описываемыми в предыдущем разделе. Это относится и к нахождению физических характеристик загоревшегося парового клуба, возникшего от испарившегося пролива.

Дымления и пыления являются важными источниками поступления токсичных веществ в атмосферу в виде частиц в широком диапазоне размеров: от нескольких миллиметров до долей микрона. Аэрозольные частицы пыли и дыма в концентрациях выше предельно допустимых (ПДК) являются сильными токсикантами; кроме того, они служат центрами конденсации атмосферной влаги, приводя к образованию токсичных туманов и смогов. Естественные и антропогенные туманы, а также фотохимические смоги состоят из конденсирующихся аэрозолей, токсичность которых повышена по сравнению с сухими аналогами. Они под действием метеорологических факторов могут перемещаться на значительные расстояния.

Дымлением называется процесс образования разбавляемого воздухом объема мельчайших аэрозольных частиц в результате химических реакций неполного сгорания вещества выброса. Происходит дымление, как правило, при недостатке окислителя.

Процесс дымления на практике либо предшествует горению, либо следует после него. Выброс дымления, как и испарительный выброс, имеет нулевую начальную скорость выхода вещества и отличный от нуля начальный расход вещества.

При дымлении наряду с аэрозольными частицами, как правило, присутствуют жидкости в парообразном состоянии. Недоокисление топлива при дымлении дает химические соединения, обладающие высокой токсичностью (например, диоксин). Поэтому дымление, несмотря на его сравнительно малый вклад по времени в общий процесс горения, может дать высокие значения концентраций и доз загрязняющих и токсичных веществ в окрестности места возникновения этого выброса. Размер дымовых частиц — от 0,005 мкм до 0,5 мкм.

Пылевые частицы, определяемые как дисперсные аэрозоли [63,64], в основной своей массе имеют большие размеры. Многие процессы в промышленности, например, размол, дробление, просеивание, измельчение, шлифовка сопровождаются выделением в воздух пылевых частиц. Они также часто образуются при химических или термических процессах плавления твердых веществ, возгонке, обжиге.

Частицы пыли, находясь в воздухе рабочих помещений во взвешенном состоянии, могут попасть в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт. Они, попадая на слизистые оболочки глаз, могут вызвать конъюктивиты, заболевания кожи — различные дерматиты.

Вредное действие пыли на организм определяется ее химическим составом, размером частиц и их формой. Наибольшую опасность представляют мелкие частицы пыли размером до 5 микрон [63]. Такие частицы могут долго находиться во взвешенном состоянии и проникать глубоко в легкие. Вредное действие пыли зависит также от формы ее частиц. Наиболее вредными являются микродисперсные частицы пыли волокнистого или иглообразного строения, способные длительное время находиться в воздухе во взвешенном состоянии. Такие пылевые частицы, выделяющиеся в текстильной, асбестовой промышленности и в производствах стеклянного и минерального волокна, могут проникать глубоко в ткани легкого даже при размерах пылинок в 20–30 мкм.

Установлено, что наиболее вредными для здоровья людей являются пыли с размером пылинок от 2 до 8 микрон. Одной из особенностей пыли является чрезвычайно развитая поверхность, зависящая от величины частиц, что делает пыль значительно химически активнее, чем было твердое вещество до измельчения. Если пыль состоит из веществ, способных к окислению, то по своим свойствам воздушнопылевая смесь часто становится похожей на смесь воздуха с горючими парами, и в ряде случаев такие пылевоздушные смеси оказываются взрывоопасными. Известны случаи взрывов пыли алюминия, магния, цинка, сажи, угля, дерева, хлопка, смол и других легко окисляемых веществ. В пыли обитают плесневые грибки, микробы и пылевые клещи, являющиеся аллергенами. Остатки бытовых химикатов и металлы (в том числе такие токсичные, как свинец, кадмий, мышьяк) легко вступают в контакт с частицами и сохраняются в пыли годами.

Крупномасштабные запыления и задымления приземных слоев атмосферы могут возникать либо от местных антропогенных источников, либо доставляться воздушными потоками. Недостаточно изученной проблемой является жизненный цикл дыма в атмосфере, особенно при все возрастающих масштабах его выбросов. В начале XXI века суммарный по земному шару ввод дыма за год оценивается -200 Мт, что близко к оценкам дыма от пожаров ядерной войны. Основными источниками «мирного» дыма являются сжигания ископаемого топлива (нефть, уголь, газ), природные и антропогенные пожары. Эти дымы и условия их поступления в атмосферу отличаются от «военных» дымов рядом факторов, главным из которых является низкая интенсивность горения. В результате таких процессов большая часть дыма собирается в приземном и пограничном слоях атмосферы, т. е. в нижнем слое высотой — 1 км. Отсюда частицы дыма сравнительно быстро удаляются осадками — дождем и снегом. Благодаря тому, что ввод дыма осуществляется в разных местах и более или менее равномерно в течение года, он нигде не накапливается в количествах, которые могут заметно повлиять на термический режим атмосферы и на ее загрязненность. К тому же содержание токсичных соединений углерода в частицах дыма невелико, так как большая часть дыма образуется при сжигании древесины и других видов топлива в контролируемых условиях. Среднее по всей атмосфере время жизни частиц дыма около 10 дней. Одновременно в атмосфере находится всего примерно 5 Мт дыма, поэтому он слабо влияет на поглощение солнечного излучения и климат как отдельных регионов, так и глобально всей планеты. Однако есть все основания считать, что время жизни частиц дыма может заметно возрасти после введения больших количеств «военного» дыма. При ведении крупномасштабных боевых действий в военном конфликте с использованием современного оружия война продолжалась бы лишь несколько дней. На основе исторического опыта предполагается, что пожары в городах будут продолжаться примерно сутки и будут наиболее интенсивны в течение нескольких первых часов, а лесные пожары — в течение одной или нескольких недель. Такая скорость ввода в атмосферу дает возможность дыму накапливаться в значительных количествах даже при нормальных скоростях его выведения из атмосферы. К тому же дым от интенсивных пожаров и взрывов поднимется на значительные высоты за пределы пограничного слоя Земли. Как выше отмечалось, основным механизмом выведения аэрозоля из атмосферы является его вымывание осадками. В нормальных условиях большая часть осадков формируется в нижней половине тропосферы. Поэтому ввод больших дополнительных количеств дыма (~ 50 % от его массы или более) в верхнюю половину тропосферы (выше 5 км) или даже в нижнюю стратосферу существенно увеличит среднее время жизни дыма против обычных 5 — 10 дней. Кроме того, в условиях войны следует ожидать значительного уменьшения интенсивности влагооборота, что затруднит выведение дыма осадками просто потому, что их будет меньше, и они могут формироваться в более низких слоях тропосферы. Эти простые предположения нашли свое подтверждение в численных экспериментах на моделях общей циркуляции атмосферы.

Местными источниками пыли и дыма, как правило, служат площади оголенных грунтов, карьеры горных выработок, заводы, выпускающие некоторые строительные материалы (например, цементные), металлургические производства. При авариях на них в атмосферу поступает неконтролируемое количество таких загрязнений.

Наибольшую опасность представляют задымления и запыления, привнесенные в данное место извне, так как подобное вторжение является часто совершенно неожиданным. В литературных источниках имеются сообщения о таких случаях.

Например, 19 декабря 1985 г. в Ашхабаде наблюдалась [25] пыльная мгла при нулевой видимости. В это же время такое же явление наблюдалось во многих других районах Средней Азии, удаленных друг от друга на многие сотни километров (в Чарджоуской области, городах Кушка, Сарахс и ряде других). Мгла охватила территорию размерами 250 на 600 км в направлении с юго-запада на северо-восток. Используя данные спутников и аэросиноптические карты Северного полушария, удалось установить, что в указанные районы Средней Азии были воздушными массами перенесены огромные количества пыли с Аравийского полуострова.

Предполагается, что пыль поднялась в воздух ветром, затем струйными тропосферными потоками была перенесена на тысячи км, и благодаря нисходящим воздушным потокам на северо-восточных склонах среднеазиатских гор опустилась в приземные слои атмосферы.

Аналогичная ситуация наблюдалась 8 мая 1987 г. в Якутии. Там отмечалось помутнение воздуха типа дымки и выпадение снега со специфическим запахом. Измерения показали наличие небольших концентраций фосфорорганических отравляющих веществ, которые могли быть доставлены из Ирака и восточной Турции [25]. Этот источник загрязнений был установлен после анализа спутниковой информации и данных аэросиноптических материалов.

Подобные явления задымления с последующим выпадением «грязного» снега отмечались в некоторых пунктах Магаданской области. Территория, захваченная загрязнением, имела протяженность с запада на восток на 600 км и на 150 км с севера на юг. Местные источники подобных загрязнений отсутствуют. Анализ погодных условий показал, что наиболее вероятной причиной такого задымления явился перенос продуктов сгорания древесины при лесных пожарах из Читинской области, а также погодные условия, обусловившие подъем и транспортировку загрязняющих частиц на огромные расстояния.

Подобный региональный, а иногда и глобальный перенос токсичных пылевых и дымовых частиц возможен при авариях промышленных объектов.