Внутренние дефлаграционные взрывы
Характеристика внутреннего дефлаграционного взрыва
Наиболее часто случающиеся взрывы - это дефлаграционные взрывы, происходящие внутри помещений. Они отличаются многообразием проявлений, поскольку различны планировки жилых, служебных и производственных помещений.
| Для дефлаграционного взрыва необходимо наличие горючего газа или пара и воздуха, перемешанных в такой пропорции, чтобы эта смесь находилась между нижней и верхней концентрационными пределами взрываемости (НПВ и ВПВ). Наиболее оптимальной для взрыва является стехиометрическая смесь, в которой горючей компоненты и воздуха ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания. Данные по концентрациям наиболее часто встречающихся смесей приведены в табл. 1. ( стх-стехиометрическая концентрация; нпв - нижний предел взрываемости; впв - верхний предел взрываемости ) |
Табл.1. Физ.-хим. хар-ки ряда горючих смесей |
Основными физическими параметрами взрывающейся газопаровоздушной смеси являются:
• нормальная скорость горения Uн - скорость горения по частицам смеси:
• коэффициент расширения горючей смеси при взрывном горении e - это отношение плотности исходной смеси к плотности продуктов взрыва.
Чтобы понять, что происходит при взрывах внутри помещений, рассмотрим ряд простых случаев, комбинациями которых являются реальные аварии.
Взрыв в замкнутом сооружении, выдерживающем взрывное давление
Если воспламенить горючую смесь, в центре воспламенения образуется огненный шар, состоящий из раскаленных до 1600-1800°С продуктов взрыва паров воды, углекислого газа и азота. Между огненным шаром и стенками сооружения находится исходная горючая смесь. еще не успевшая сгореть. Поскольку пламя внутри сооружения распространяется (в зависимости от вида горючей смеси) со скоростью всего 8-20 м/с, а скорость звука, с которой передаются возмущения (в данном случае повышение давления), составляет 340 м/с и более, то за счет многократных пробегов звуковой волны давление во всех точках внутри помещения выравнивается практически мгновенно. Такой процесс называется квазистатическим. К концу взрывного горения избыточное давление в прочном сооружении становится примерно равным 700-800 кПа и определяется по очень простой формуле
Dр=р0(e-1)кПа, (1)
где р0 - атмосферное давление, равное 101,3 кПа.
Конечно, ни одно сооружение, кроме специальных бункеров для испытания ВВ, не может выдержать такое огромное давление. Обычно при дефлаграционных взрывах внутри жилых и производственных помещений (благодаря наличию в них легкоразрушающегося остекления окон и дверных полотен) давление равно 10-15 кПа. В рассмотренном случае важным фактором является квазистационарность взрывного процесса, когда все конструкции загружаются практически одновременно и наиболее слабые начинают разрушаться раньше, тем самым снижая давление и предотвращая разрушение несущих конструкций.
Взрыв в помещении, сообщающемся через открытый проем с атмосферой
В этом случае одновременно с развитием огненного шара начинается процесс истечения из помещения через проем сначала исходной смеси, а затем и продуктов взрыва. Расчеты и опыт показывают, что при этом из помещения выбрасывается в атмосферу около 85% горючей смеси и только около 15% сгорает внутри помещения, точнее 1/e ее части. Таким образом, если бы помещение было загазовано всего на 15% от своего объема, эффект взрыва внутри помещения был бы тот же самый, что и при полной загазованности. Процесс взрывного горения и здесь является квазистатическим. Однако в данном случае он намного сложнее. Это видно даже из формулы, по которой рассчитывается избыточное давление внутри помещения в самом простом случае, когда проем велик и давление внутри помещения не превышает 10-15 кПа:
| (2) |
где: rj - плотность газа, истекающего через открытый проем (индекс 1 относится к свежей смеси, 2 - к продуктам сгорания);
Dр - избыточное давление;
Uн - нормальная скорость горения;
e - коэффициент расширения смеси при горении;
a - коэффициент интенсификации взрывного горения при истечении исходной смеси и продуктов взрыва;
µ - коэффициент расхода при истечении исходной смеси и продуктов взрыва;
S(t) - площадь поверхности пламени в процессе горения;
Sотв площадь проема, через который происходит истечение.
Из формулы (2) следует, что основным параметром, определяющим значение избыточного давления, является отношение площади пламени к площади проема. Давление на стене, противоположной проему, всегда выше, чем на других стенах, вследствие прибавления реактивной силы от истекающей струи. Если проемов несколько, то имеет значение место расположения проемов.
Взрыв в помещении, сообщающимся через проем с другим помещением
В этом случае происходит так называемый двухстадийный взрыв. После начала взрыва горючая смесь начинает истекать во второе помещение через проем. При этом происходит сильная турбулизация смеси, вызывающая резкое увеличение площади горения во втором помещении. В результате если даже второе помещение сообщается с атмосферой, давление в нем оказывается в 2-3 раза выше, чем в первом, и начинает передаваться назад. Именно по этой причине рекомендуется защищать технологические проемы между производственными помещениями прочными дверями и предусматривать шлюзование, чтобы одновременно не оказывались открытыми обе двери. Еще лучше по возможности избегать устройства проемов между взрывоопасными помещениями. Двухстадийные и трехстадийные взрывы (например, кухня-коридор-гостиная) наиболее часто происходят при авариях.
Взрывы в помещениях, имеющих остекленные оконные проемы
Остекленные проемы в производственных взрывоопасных помещениях используются как предохранительные конструкции (ПК), способствующие снижению давлений при аварийных взрывах до значений, при которых несущие ограждающие конструкции остаются целыми. Естественно стремление, чтобы остекление ПК разрушалось как можно раньше, при меньших давлениях в помещении. Расчеты и опыт показывают, что для этого следует устанавливать тонкие стекла, а пролеты между рамами делать большими. Понятно, что остекление при этом должно выдерживать нагрузки от сильного ветра и удерживать тепло в холодное время года. Эти противоречивые требования согласуются после проведения многовариантных оптимизационных расчетов с привлечением теории определения нагрузок, теории работы остекления и теории работы строительных конструкций при внутренних дефлаграционных взрывах. Строительные нормы, к сожалению, сильно отстают оттребований практики и научных рекомендаций в области обеспечения взрывеустойчивости. Нормы требуют, чтобы на 100 м3 объема помещения приходилось 5 м2 предохранительных конструкций (ПК), а также чтобы минимальная площадь стекла в одной ячейке была не менее 1 м2 Таким образом, в зависимости от объема помещения площадь ПК согласно нормативному требованию может оказаться как достаточной, так и недостаточной с точки зрения взрывоустойчивости.
Взрыв в помещении с установленным в нем оборудованием
В помещениях, загроможденных установленным в них оборудованием, огненный шар правильной формы не возникает, профиль движения продуктов взрыва больше похож на профиль гидравлического потока, переливающегося через плотину; роль плотины здесь играют препятствия на пути пламени. Горючая смесь сильно турбулизируется, что приводит к повышению интенсивности взрывного горения и, как следствие, к увеличению нагрузок на строительные конструкции. Для того, чтобы оценить такие взрывные нагрузки, приходится прибегать к моделированию, так как аналитический расчет в этом случае дает весьма приближенные результаты.
Взрывы в коммуникационных туннелях и трубах
Кроме помещений загазованными нередко оказываются всякого рода каналы, к которым относятся трубы, потерны, галереи, туннели, коридоры, штольни, шахтные стволы. шахты лифтов, дымоходы, газоходы и т.п. Опытные взрывы, проведенные в трубах, показали резкое отличие взрывного горения в них и в помещениях. В таком канале взрывное горение ускоряется и при достаточной его длине возможен переход дефлаграции в детонацию. Опыты также показали резкое различие в механизме распространения взрывного горения в трубах при воспламенении горючей смеси у за крытого и открытого торцов. При воспламенении у закрытого торца пламя взрыва непрерывно ускорялось и на расстоянии, равном 60-70 диаметрам трубы, дефлаграционный взрыв переходил в детонационный. Вследствие шероховатости стенок перед фронтом пламени исходная горючая смесь сильно турбулизировалась и это приводило к ускорению пламени.
При воспламенении с открытого торца трубы такая большая скорость пламени никогда не достигалась. Это объясняется тем, что видимая скорость пламени складывается из скорости потока горючей смеси и скорости распространения пламени по частицам. При воспламенении с открытого торца трубы перед фронтом пламени горючая смесь практически неподвижна, так как этой смеси некуда двигаться. Из фактов, приведенных выше, следует, что во взрывоопасных помещениях нужно принимать меры, предотвращающие или снижающие возможность образования большой степени турбулизациии потока свежей смеси, используя для этой цели различного рода обтекатели, не допускать установки оборудования и конструкций с острыми кромками. При взрывах внутри каналов, имеющих на боковых стенках открытые или легкооткрывающиеся проемы, наблюдалось истечение продуктов взрыва через эти проемы, в результате чего повышения давления и значительного ускорения пламени не происходило.
Взрывы внутри помещений, имеющих лабиринтные перегородки
В 1980 г. в Смоленской области решили использовать подвал строящегося здания для хранения архивов. Поперечные капитальные стены в подвале располагались в виде лабиринтных перегородок. Стены стали красить красками, разведенными на растворителе, который быстро испарялся. Для освещения использовался переносной электрический фонарь, соединенный с электросетью кабелем. Когда окраска была окончена, маляр на выходе из подвала споткнулся, лампа разбилась и от этого воспламенилась смесь растворителя с воздухом. В результате дефлаграционного взрыва перекрытие над подвалом было вспучено, а частично построенные стены первого этажа разрушены. Конфигурация плана подвала соответствовала сооружению, называемому специалистами "детонационным ящиком". Каждый поворот приводил к дополнительной турбулизации смеси, а следовательно, к повышению давления при взрывном горении. Если бы воспламенение произошло в глухом торце подвала, детонация и полное разрушение здания были бы неизбежными.
Особенности работы строительных конструкций и остекления при внутренних дефлаграционных взрывах
В 1974 г. на Минском радиозаводе в цехе шлифовки корпусов радиоприемников произошел взрыв накопившейся в вентиляционной системе древесной пыли. Это произошло сразу после обеденного перерыва. Один из работников цеха опаздывал с обеда. Когда он подходил к цеху, то увидел такую картину: здание вдруг начало как бы вспухать, потом раздвинулись стены и приподнялась крыша, из под которой вырвалось пламя взрыва, затем крыша рухнула вниз. Человек от увиденного потерял сознание...
Обычно здания и сооружения рассчитываются на действие внешних вертикальных и горизонтальных (ветровых) сил, направленных внутрь сооружения. При внутреннем взрыве значительные нагрузки действуют в обратном направлении. Специалисты по взрывоустойчивости зданий и сооружений рекомендуют предусматривать прямые и обратные связи между конструктивными элементами взрывоопасных зданий и сооружений. Во взрывоопасных помещениях остекление оконных проемов рассматривается как основная предохранительная конструкция, снижающая взрывные нагрузки до приемлемого безопасного для несущих конструкций уровня, хотя кроме этого предлагаются еще и разнообразные легкосбрасываемые конструкции (ЛСК), быстро освобождающие проемы в самом начале возникновения взрывных нагрузок.
Изучение работы остекления показывает:
• остекление никогда не разрушается мгновенно. Это происходит постепенно по мере возрастания нагрузки. В первую очередь разрушаются стекла, имеющие различного рода дефекты. При малых нагрузках разрушается только часть остекления, наиболее близко расположенная к центру взрыва;
• для эффективной защиты несущих конструкций следует применять стекла с большими пролетами и площадями;
• лучшую защиту дает одинарное остекление и затем двойное. Разрушение остекления имеет вероятностный характер и подчинено распределению Вейбула. Тщательное экспериментальное и теоретическое исследование работы остекления проведено российскими учеными Л.П. Пилюгиными А.Н. Литвиным(МГСУ).
Внутренний дефлаграционный взрыв в жилом здании
Приводим описание характерной взрывной аварии, последствия которой могли бы быть менее тяжелыми, если бы архитекторы при проектировании проконсультировались со специалистами по обеспечению взрывоустойчивости зданий и сооружений. Речь идет о взрыве в доме № 5 по улице Академика Волгина 9 марта 1996 г.
| 1, 2 - остекленные лоджии 3,4,5- жилые комнаты 6 - кухня квартиры № 66 7 - прихожая квартиры № 66 8 - санузел квартиры № 66 9 - лифтовой коридор 10 - прихожая квартиры № 67 11 - санузел квартиры № 67 12 - кладовая 13 - кухня квартиры № 67 14 - жилая комната квартиры № 67 15 - шахта пассажирского лифта 16 - шахта грузового лифта 17 - тамбур №1 18 - аэрационная площадка 19 - тамбур №2 20 - лестничная площадка 21 - квартира № 69 22 - квартира № 68 23 - решетка аэрационного проема 24 - оконный проем на лестничной площадке 25, 26 - окна квартиры № 67 27 - железобетонные плиты, в пустотах которых произошел взрыв 28 - кабельный стояк |
1. Описание дома
Жилой дом №5 имеет 16 этажей (рис. 1). В каждом подъезде на этаже размещены 4 квартиры. Взрыв произошел в первом подъезде на третьем этаже. Подъезд имеет лестничную клетку 20. вход расположен со стороны улицы Академика Волгина. Имеются пассажирский 15 и грузовой 16 лифты. В лифтовый коридор 9 выходят двери всех четырех квартир №66, 67, 68.69, расположенных на этаже. Лифтовый коридор сообщается через тамбур 17 с двумя дверями с аэрационной площадкой 18. Площадка вентилируется через выходящий наружу аэрационный проем, прикрытый решеткой 23. В квартирах имеются лоджии. Кухни оборудованы электрическими плитами.
2. Развитие аварии
В прихожей 7 квартиры № 66 хранились два баллона с пропаном емкостью 27 и 5 л, приготовленные для дачи: 27-литровый баллон оказался неисправным и дал течь. Через некоторое время в прихожей раздался оглушительный хлопок (первый взрыв пропано-воздушной смеси), слышный во всех квартирах на всех этажах подъезда. В прихожей сразу начался пожар. Раненный и обоженный хозяин квартиры из-за пожара не мог попасть в комнату 5, где остались жена и ребенок. В панике он выбежал через лифтовый коридор 9 и два тамбура 17, 19 на лестничную площадку 20. Хлопок, создав избыточное давление в прихожей 7, выдавил большую часть пропано-воздушной смеси в смежные комнаты 5, 6, 8 и. по-видимому, в прихожую 10 квартиры № 67, а также через неплотности около водопроводных труб в санузле 8 в семнадцать пустот потолочных плит 27 (три плиты). Примерно через 2-5 мин. после начала пожара из-за разогрева взорвался 5-литровый баллон. Взрыв (самый сильный из всех) раздробил паркетный пол и проломил железобетонную плиту перекрытия над квартирой на втором этаже. Это был так называемый "физический взрыв сосуда, работающего под давлением". Для него необязательно, чтобы в баллоне был горючий газ: любой газ под высоким давлением даст тот же эффект. Однако пропан, освободившийся после взрыва, скоро смешался с воздухом и образовавшаяся смесь взорвалась в помещениях 7,5 и 6.
Таким образом, произошли последовательно три взрыва в комнатах и семнадцать - в пустотах плит покрытия 27, куда горючая смесь была вдавлена через негерметично заделанные торцы. Через пустоты потолочных плит проходила скрытая электрическая проводка.
3. Разрушительные последствия взрывов
Квартиры № 66 и 67 подверглись наибольшим разрушениям. В них уничтожены все перегородки между комнатами, кухнями и другими помещениями. На схеме стрелками показаны направ ления движения взрывной волны. Выбиты не только стекла, но и рамы. Взрывной волной сорваны железобетонные ограждения лоджий размером 580х100 см. Обширные пятна копоти от взрывов и пожара имеются над лоджиями 3,4 и 5-го этажей.
Лифтовый коридор
Общая протяженность коридора около 15 м на каждом этаже, причем имеются два поворота по 90°. Такие протяженные коридоры с поворотами создают лабиринтный эффект, т.е. способствуют преобразованию волны сжатия в ударную волну, а отражения в углах поворотов и в тупиковых торцах вызывают повышение взрывной нагрузки. В конце коридора, примыкавшего к квартирам № 66 и 67, также происходил дефлаграционный взрыв, который привел к образованию волны сжатия. На этом участке коридор сильно закопчен, а в остальной части копоть отсутствует.
Пассажирский и грузовой лифты
После взрыва в коридоре 9 волна сжатия разрушила двери лифтов и ворвалась в лифтовые шахты, откуда затем распространилась по всем этажам подъезда. На всех этих этажах двери лифтов продавлены изнутри.
Тамбуры
Распространяясь по горизонтали, волна сжатия дошла до тамбура 17, который стал преградой для выхода волны в атмосферу через аэрационный проем. Сорванной дверью тамбура выбило металлическую решетку 23. Это позво ляет оценить интенсивность отраженной волны сжатия в 10-15 Па.
Квартира № 68
(на схеме обозначена цифрой 22)
Квартира не подверглась непосредственному воздействию пламени взрыва, но входная дверь в нее была разбита в щепки волной сжатия, которая ворвалась из лифтового коридора.
В это время в квартире находилась женщина. Повышение давления не причинило ей вреда и не вызвало болезненного ощущения в ушах. Это позволяет сделать вывод, что ворвавшаяся в квартиру волна была именно волной сжатия, в которой давление нарастает плавно, а не ударной волной. Барабанные перепонки способны выдерживать большое давление при его постепенном росте (ныряльщики за жемчугом испытывают давление до 300 кПа), но при воздействии ударной волны барабанные перепонки начинают рваться уже при 10-15 кПа.
Внешняя сторона здания
Со стороны ул. Академика Волгина остекление лестничной клетки подъезда № 1 разрушено на всех этажах волной сжатия, проникшей на лестничную клетку 20 через разрушенные двери тамбуров 17 и 19. Взрывной волной снесены лоджии квартир №66и 67, обращенные в сторону двора. Разрушено остекление квартир на всех этажах первого подъезда со стороны двора. Это может быть объяснено тем. что выдавленная наружу из квартир №66и 67 горючая смесь воспламенилась с внешней стороны здания от продуктов взрывов в помещениях, в результате чего произошел внешний дефлаграционный взрыв. Во дворе на расстояние до 80 м рассеяны осколки стекол, выброшенные из окон и дверей квартир № 66 и 67.
4. Заключение
Аварийный взрыв в доме № 5, начавшийся в одной квартире, привел к тому, что пострадал весь подъезд. Повышенный объем разрушений объясняется неудачным размещением лифтовых шахт и изоляцией лифтового коридора от лестничной клетки двумя тамбурами. В тех домах, где входы в лифты располагаются на площадках лестничной клетки, лифты при подобных взрывах остаются работоспособными и не переносят разрушительную волну сжатия на все этажи. Объем разрушений мог бы быть значительно меньшим, если бы лифтовые шахты имели хотя бы проемы (защищенные сетками), выходящими на лестничную клетку.
Статья опубликована на сайте: 03.08.2000