Разрушения будинків при аварійних вибухи побутового газу

Разрушения будинків при аварійних вибухи побутового газа

проф., д.т.н А. А. Комаров.

Московский Державний Будівельний Університет.

Для зменшення наслідків аварійних вибухів всередині газифікованих житлових будинків необхідно визначити основні чинники, що визначають їх стійкість при вплив вибухових навантажень.

Обусловлено це тим, що, як свідчить аналіз наслідків аварійних вибухів, найбільше кількість травм і жертв викликано саме заваленням будівельних конструкцій.

Очевидно, у будинку буде стійким за умови, що вибухові навантаження менше допустимих. У разі перевищення рівня вибуховий навантаження над реальної несучою здатністю будинку (приміщення) відбувається його повне чи часткове завалення. Тому забезпечити стійкість будинку можна двома шляхами: зниженням вибухових навантажень до припустимого для даного будинку рівня або посиленням основних будівельних конструкцій, тобто. збільшенням несучою здібності будинку.

Для вироблення рекомендацій зниження вибухових навантажень до безпечного рівня необхідно розглянути фізичні аспекти розвитку вибуховий аварії, і математичні моделі, адекватно описують динаміку формування вибуховий навантаження.

Во-первых, слід зазначити, що аварійні вибухи усередині будинків і приміщень характеризуються не детонационным, а дефлаграционным типом вибухового перетворення, що накладає певні особливості на способи прогнозування вибухових навантажень і методи зменшення наслідків аварійних вибухів.

Дефлаграционный вибух — це швидке горіння (швидкий пожежа) газо-повітряної суміші, концентрація пального на якою між нижнім і верхнім концентраційними межами запалення, тобто. суміші, підготовленої до горінню. На мал.1 наведено залежності швидкості нормального горіння від концентрації пального на суміші. Наведено дані про пропану і метану, т.к. в побутових цілях використовуються саме ці речовини.

.

Рис. 1 Залежності швидкості нормального горіння від концентрації пального на суміші.

Из мал.1 слід, що максимальне значення швидкості нормального горіння Uн спостерігається за певного процентний вміст пального газу суміші. При горінні продукти вибуху розширюються в раз. Полум’я рухається зі швидкістю Uн щодо продуктів вибуху. Тому видима швидкість полум’я представляє собою суму швидкостей розширення суміші і швидкості нормального горіння. У початкові моменти вибуху видима швидкість полум’я дорівнює Uн. Для пропаноі метановоздушных сумішей початкова швидкість полум’я становить близько 3м/с. Т.к. швидкість поширення полум’я значно коротші швидкості звуку, при дефлаграционном вибуху реалізується принцип квазистатичности надлишкового тиску, який залежить від незалежності вибуховий навантаження від просторової координати. Інакше кажучи, тиск, чинне у цей час про всяк конструктивний елемент огорожі (стіни, стелю, підлогу, вікна, дверцят і т.д.), однаково переважають у всіх точках приміщення.

Избыточное тиск при внутрішньому дефлаграционном вибуху у замкненому обсязі сягає 700…900кПа. При вибухи усередині будинків і водоканалізаційних споруд, надлишкове тиск не повинна перевищувати значень, перевищують несе здатність будівельних конструкцій. Максимальне тиск, яке здатні витримати будівлі і споруди, досить мало. Наприклад, для цегельних стін вона становить 2−4кПа, а бетонних типових перекритий надлишкове тиск вибуху на повинен перевищувати значень 8−10кПа. Дещиця надлишкового тиску з порівнянню з атмосферним тиском зумовлює домінуючу роль газодинамических потоків, супроводжуючих вибух, формування області вибухового горіння, в розвитку аварійного вибуху, і рівні надлишкового тиску. Для зниження надлишкового тиску до безпечного рівня приміщеннях використовують запобіжні конструкції (ПК): засклені віконні отвори чи легкосбрасываемые конструкції (ЛСК).

При підході полум’я до сбросному прорізу відбувається різку зміну щільності спливання газів. Це спричиняє появі в тимчасовій залежності тиску першого максимуму. Другий пік тиску відповідає максимальної площі фронту полум’я при що встановилася процесі закінчення через сбросные отвори продуктів згоряння. На мал.2 приведено типова осциллограмма вибухового тиску.

.

Рис. 2. Типова осциллограмма надлишкового тиску при дефлаграционном вибуху в кубічному обсязі.

Следует відзначити, що видима швидкість полум’я сповільнюється убік стін без сбросных отворів і збільшується убік стін зі сбросными прорізами. Зміна швидкості полум’я пов’язані з впливом кордонів (стін), у яких виконується умова не перебігу, тобто. швидкість свіжої суміші (вітру) на жорстких стінках дорівнює нулю.

Величина надлишкового тиску нічого для будь-якого моменту часу визначається темпом зростання тиску, викликаного виділенням продуктів згоряння на фронті полум’я, і темпом зниження тиску або, внаслідок закінчення газу (свіжої суміші чи продуктів згоряння) через відкритий проём.

Если сбросной проём остеклен, він у процесі вибухового горіння розкривається. У цілому цей момент виникає локальний за часом максимум тиску, потім спостерігається спад, після чого тиск починає зростати, доки вигорить вся газовоздушная суміш (ГВС). Величина максимального тиску в будинках з глухим заскленням залежить тиску початку руйнації засклення (рис.3), що залежить від розмірів одиничної осередки скла та її товщини.

.

Рис. 3. Вибухова тиск у приміщені, з остекленными вікнами.

При використанні як ПК легкосбрасываемых конструкцій (ЛСК) величина максимального тиску переважно залежить від характерних розмірів приміщення і інерційності ЛСК (рис.4).

.

Рис. 4. Вплив інерційності ЛСК на рівні вибухових навантажень.

Вследствие закінчення не прореагировавшей суміші через відкритий чи вскрывшийся проём лише частина спочатку яка була суміші встигає прореагувати при внутрішньому дефлаграционном вибуху. Решта суміші викидається через проём в атмосферу. Тому, за часткової загазованості приміщення (понад 15−20%) вибухові навантаження близькі до навантажень, які у повністю загазованих приміщеннях.

Большую небезпеку становлять випадок, коли загазованное приміщення з'єднується через проём з іншим навіть незагазованным приміщенням. І тут відбувається двухстадийный вибух. Максимальне тиск у суміжних приміщеннях можливо, у кілька разів більше, аніж за вибуху щодо одного ізольованому одному приміщенні із проёмами назовні (див. мал.5).

.

Рис. 5. Фотографія вибуху пропановоздушной суміші в суміжних камерах.

На динамічні характеристики внутрішнього дефлаграционного вибуху великий вплив надає турбулизация свіжої суміші, яка веде до підвищення нормальної швидкості горіння і різкого збільшення видимої швидкості полум’я. Інтенсифікація процесу горіння під час розрахунків зазвичай враховується запровадженням коефіцієнта інтенсифікації .

Интенсификация процесу горіння при взаємодії полум’я з різноманітних перешкодами ілюструє (див. мал.6).

.

Рис. 6. Вплив перешкод, розташованих по дорозі полум’я, на вибухові навантаження.

Происходит різке збільшення притоку продуктів вибуху, т.к. збільшується як загальна площа горіння, а й відбувається істотна турбулизация суміші в слід за тілом. Наслідком значного збільшення припливу продуктів вибуху є зростання вибухового тиску.

Рассмотрим математичні моделі і рівняння, описують надлишкове тиск при внутрішніх дефлаграционных вибухи.

При математичному описі процесу вибухового горіння з промисловою і громадянських будинках необхідно виходити із те, що допустимі рівні вибухових навантажень усередині будинків нічого не винні перевищувати Pдоп=10−15кПа. При тисках, великих Pдоп, основні будівельні конструкції більшості будинків руйнуються.

Невысокие рівні надлишкового тиску дозволяють доповнити математичну модель ряд спрощень. По-перше, вважатимуться, що швидкість нормального горіння, ступінь розширення продуктів згоряння щільність свіжої суміші є величинами постійними. По-друге, дотримуватися принципу квазистатичности надлишкового тиску, коли тиск є функцією лише координат та залежною від часу, тобто. час вирівнювання тиску значно перевищує час зміни параметрів системи.

Динамика зміни тиску (навантажень) у разі то, можливо описана співвідношенням:

(1).

P (t) — поточне значення тиску; P — надлишкове тиск; S (t) — поточне значення площі поверхні фронту полум’я; P. S ін — сумарна площа сбросных отворів; і - щільність холодної газо-повітряної суміші (1) чи продуктів згоряння (2); - ступінь розширення суміші при згорянні, = 1/ 2; і - показник адиабаты свіжої суміші (1) чи продуктів вибуху (2); Uн — нормальна швидкість поширення полум’я; Vj — поточний обсяг свіжої суміші (V1) чи продуктів вибуху (V2); f (t, P) — функціональна залежність розтину запобіжних конструкцій (шибок в віконних прорізах, ЛСК тощо.); - коефіцієнт інтенсифікації процесу горіння; - коефіцієнт витрати, спливання через сбросной отвір газів.

Из (1) слід, що параметри, від яких темп наростання тиску (крім параметрів, характеризуючих пальну суміш Uн і) є: площа фронту полум’я, обсяг приміщення, щільність спливання через сбросные отвори газів і його площа сбросных отворів.

Из формули (1) в припущенні, що це продукти згоряння миттєво скидаються у атмосферу та за умов, що у сбросных прорізах відсутні запобіжні конструкції, слід спрощене співвідношення визначення поточного значення тиску:

(2).

где S (t) — поточне значення площі поверхні фронту полум’я.

Количественное визначення впливу параметрів запобіжних конструкцій (ПК) на рівні вибухових навантажень проходить за різними методиками залежно від цього, використовують у ролі ПК «глухе» засклення чи легкосбрасываемые конструкції (ЛСК).

Для визначення f (t, P) помешкань, обладнаних ЛСК, треба зазначити функціональну залежність усунення ЛСК від часу — x (t). Для її визначення рівняння (1) доповнюється системою з цих двох звичайних диференційних рівнянь:

(3).

где V (t) — швидкість переміщення ЛСК; — параметр, що характеризує інерційність легкосбрасываемых конструкцій; До — параметр, що характеризує місце розташування ЛСК (К=1 — при розташуванні ЛСК даху будинку, К=0 — при розташуванні ЛСК у будинку); g — прискорення вільного падіння; m — маса одиничної легкосбрасываемой конструкції.

Для підтвердження коректності описаної обчислювальної схеми провели порівняння результатів спокути перед експериментальними даними (див. мал.7). Отримане задовільний злагоду між результатами розрахунку експерименту дозволяє казати про застосовності розрахункової схеми для прогнозування вибухових навантажень на об'єктах, де серед запобіжних конструкцій використовуються ЛСК.

.

.

Рис. 7. Порівняння експериментальних і розрахункових осциллограмм тиску вибухом пропановоздушной суміші в кубічної камері (h = 305мм).

1 — відкриті проемы;

2,3 — отвори закриті пластинами, моделирующими ЛСК.

При визначенні динаміки вибухового тиску у приміщенні, обладнаному ПК з «глухим» заскленням, використовуються емпіричні залежності f (t, P), описують процес розтину (звільнення) віконного прорізу від скла.

Опираясь на викладений матеріал, розглянемо наслідки аварійних вибухів в житлових будинках. Основною причиною виникнення вибухонебезпечною ситуації у житлових будинках є витік газу. У цьому витікання газу можна підрозділити втричі групи: витік через не запалену конфорку; обрив (частковий чи повний) подводящего до стояка шланга чи відрив газової плити від стояка; коррозийный знос газових комунікацій чи нещільність у системі газопостачання.

Необходимо нагадати, що робочий тиск у газовій системі становить близько 100 мм.вод.ст. При аварійної ситуації першої групи приплив метану до приміщення визначається витратою газу через не запалені конфорки. Для однієї конфорки витрати газу становить близько qК=0.1м3/час. При неплотности у системі газопостачання витрата становить близько q=0.19м3/час S (мм2), де P. S — площа неплотности в мм2.

Учитывая, що з вибуху газо-повітряної суміші концентрація займистою компоненти у ній має перебуває між нижнім і верхнім концентраційними межами (мал.1), при аналізі про причини і наслідків аварійних вибухів в житлових будинках необхідно розглянути питання формування вибухонебезпечного хмари. Наприклад, метановоздушная суміш здатна вибухати при об'ємній змісті у ній метану від 5 до 15%, тобто. межі займистості метану становлять З 5−15%.

Распределение концентрації речовини за обсягом та її зміна у часі описується рівнянням дифузії:

, (4).

где З — об'ємна концентрація речовини в суміші; D — коефіцієнт дифузії для різних напрямів; Q=q-Lвент З — об'ємний витрата речовини; q — витрата метану через аварійне отвір; Lвент — вентиляційне витрата; v — швидкість повітряного потоку у приміщенні; x, y, z — просторові координати; t — час; Vсм — обсяг суміші.

Уравнение (4) вирішується при нульових початкових умовах і наступних граничних умовах: С=0 — на вільної кордоні; — на жорсткої кордоні. Швидкість повітря на приміщенні має визначитися заздалегідь, з умов зв’язку приміщення із зовнішнього середовищем.

Анализ рівняння (4), записаного в безрозмірному вигляді, показує, що характер його рішення залежить від співвідношень між и, де Vист — характерний розмір джерела речовини; L — характерний лінійний розмір приміщення, чи то з безрозмірного параметра. При щодо великих витратах чи малих значеннях коефіцієнта дифузії концентрація речовини у приміщенні значно залежить від просторової координати, а рішенні рівняння (4) присутній явно виражений максимум, розташований біля джерела. При малих витратах речовини концентрація речовини у приміщенні слабко від просторової координати.

На див. мал.8 наведено розподіл метану простором типовий кухні з мінімальними габаритами — 2.4×2.1м (площа — 5 м², обсяг — 12.6м3).

В розрахунках прийнято мінімальний коефіцієнт дифузії D=0.0005м2/с. Прийнято, що двері на кухню закрита й відсутня вентиляція Lвент=0м3/час, тобто. зв’язку із зовнішнього середовищем. Витрата газу — q=0.4м3/час відповідає продуктивності чотирьох газових конфорок.

.

Рис. 8. Розподіл концентрації метану З% приміщенням кухні через 2 години після початку витоку.

Вентиляция відсутня. Двері на кухню закрита.

При рівномірному розподілі концентрації метану простором приміщення (малих витоках газу чи то великих значеннях коефіцієнта дифузії) зміна концентрації у часі описується однозонной моделлю. У однозонной моделі приміщення замінюється однієї розрахункової осередком, має однорідні властивості (температура, концентрація, щільність тощо.) за всі координатам. У цьому зміна концентрації у приміщенні визначається з умов зв’язку даного приміщення коїться з іншими приміщеннями і з атмосферою.

Исходя з цих передумов, можна записати рівняння зміни концентрації в приміщенні від часу:

, (5).

где З — об'ємна концентрація метану, %; q — витрата метану; Lвент — вентиляційне витрата; D — коефіцієнт дифузії; Sпр — площа відкритого прорізу (дверцят і т.д.), Lпр — характерне відстань джерела витоку до відкритого прорізу; V — обсяг приміщення.

Из наведених вище співвідношень слід, що у формування вибухонебезпечних хмар сильно впливає вентиляція приміщення.

Рассмотрим кількісне вплив вентиляції на процес створення газовоздушного хмари у приміщенні.

Известно, що вентиляційне витрата залежить від часу діб. Так, близько 6−7 годині ранку вентиляційне витрата мінімальний. Вентиляція може у цей час доби відсутні або бути негативною (наприклад, під час міжсезоння, коли центральне опалення виключене). Далі відбувається збільшення вентиляційного витрати. Максимальний витрата зокрема у 18−19 годин, після чого починає знижуватися тощо., тобто. спостерігається циклічне зміна вентиляційного витрати протягом доби. Цей процес відбувається надає значний вплив на освіту вибухонебезпечною суміші при малих значеннях аварійного припливу газу приміщення.

Рассмотрим можливість формування вибухонебезпечною суміші при мінімальної вентиляції (дослідження свідчать, що мінімальний вентиляційне витрата у житловому приміщенні становить близько Lвент=5м3/час) і за рівномірному розподілі концентрації простором.

На див. мал.9 наведено зміна концентрації у часі для кількох значень аварійного витрати метану до приміщення кухні. Розмір витрати q=0.1м3/час відповідає продуктивності однієї конфорки типовий газової плити.

.

Рис. 9. Залежність від часу концентрації метану у приміщенні кухні при мінімальної вентиляції і різних витратах метану. Двері кухні закрита.

Расход метану: 1 — 0.02; 2 -0.04; 3 — 0.06; 4 — 0.08; 5 — 0.1м /годину.

Видно, що вибухонебезпечна концентрації кухні може реалізуватися при однієї не запаленою газової конфорці. У цьому час формування вибухонебезпечного хмари дуже багато і як, залежно від початку витоку, від 10 до 25 годин. При аварійному витратах метану q.