Введение к работе
Актуальность.
Возможным вариантом развития аварии на промышленных и шергетических объектах является выброс внутрь здания горючих веществ s последующим образованием газопаровоздушной смеси (ГПВС). Значительную опасность для персонала, технологического эборудования и строиггельных конструкций зданий представляет ззрывной режим превращения горючей смеси. Аналогичная ситуация ложет возникнуть при утечке природного газа в жилых и эбщественных зданиях, особенно при расположении газовых соммуникаций и оборудоваїгая в подвальных помещениях. Таких зданий только в Москве примерно 25% от общего числа газифицированных.
"В 1996 г. на промышленных объектах России произошло 42 шарии, связанные с утечкой газа. В них погибло 8 человек. В жилых помещениях за это же время и по тем же причинам произошло 120 нгцидентов, в которых пострадали 180 человек, из которых 75 погибли" АиФ N849).
Особенно велика вероятность взрыва ГПВС на объектах тефтехимическои и химической промышлетюсти, где хранятся и используются значительные объемы взрывоопасных газов и жидкостей. В їюссии доля таких аварий невероятно велика (почти 96%). Не намного гучше обстоят дела в химической и нефтеперерабатывающей громышленности за рубежом. По данным международной страховой сомпашга (IRI) в США основной ущерб (~80%) приходится на долю шарий со взрывами ГПВС. Американская страховая ассоциация (АІА) іровела анализ почти 1000 крупных аварий за последние двадцать лет. їго итог: в 38% случаев ущерб обусловлен взрывом ГПВС, в 25% случаев оцерб нанесен совместным действием взрыва и пожара.
Безусловно, основными мерами, направленными на снижение іварийньгх взрывов, являются меры по их предупреждению. Однако все чмшия, предпринимаемые в этом направлении, не могут дать ітопроцентной гарантии взрывобезопасности промышленных и ражданских объектов. Даже в атомной промышленности, где аварии гогут привести к катастрофическим последствиям (достаточно іспомнить аварию на Чернобольской АС), вероятность аварийной :итуации с тяжелыми последствиями оценивается как 10"6 1/год. Іозтому кроме мер, направленных на снижение вероятности юзшгкновения аварийной ситуации, актуальными остаются меры по ювышению взрывоустойчивости зданий и сооружений взрывоопасных (бъектов промьшшеїгаости, жилых и общественных зданий.
Анализ взрывов на промышленных и гражданских объектах показывает, что взрывные нагрузки могут в 3-12 раз превосходить прогнозируемые. Причина заключается в несовершенстве нормативных документов, используемых при проектировании и реконструкции взрывоопасных объектов. В их основу были положены упрощенные представления о дефлаграционном горении ГПВС, не учитывающие реальный характер взрывного превращения горючей смеси. Следствием этого является существеїшое различие в площадях сбросных проемов, регламентируемых нормативными документами разных стран. Например, для помещений категории А с объемом 1000м3 в России необходимой считается площадь - 50м . Для аналогичных помещений, содержащих горючие смеси повышенной взрываемости, по нормативным документам США - 220м2, а в Англии - 330м2.
Учитывая, что решение проблемы горения ГПВС связано с сохранением человеческих жизней и большим материальным ущербом, она является достаточно актуальной и ей уделяют большое внимание во всех экономически развитых странах.
Впервые к решению этой проблемы приступили в прошлом веке в связи с участившимися взрывами метановоздушных смесей в угольных шахтах - Faraday.
В бывшем СССР исследованию газовой дефлаграции уделялось
достаточно серьезное внимание как на академическом уровне
(В.В.Азатян, В.СБабкин, Г.И.Баренблатг, Б.Е.Гельфанд,
ЮАТостинцев, А.А.Григорян, С.Б.Дорофеев, Б.В.Замышляев, Я.Б.Зельдович, В.П.Карпов, В.А.Левин, А.Д.Махвиладзе, В.А.Попов, Д.А.Франк-Каменецкий, С.А.Цыганов, А.НЛерноплеков, Г.Г.Черный, К.И.Щелкин и др.) так и в прикладном.
В приложении к решению практических задач газовая дефлаграция изучалась в нескольких научных и учебных заведениях. Среди учебных заведений следует выделить бывший Московский инженерно-строительный институт (ныне МГСУ), возглавляемый ректором Н.А.Стрельчуком, известным ученым в области горения. В коллективе, созданном им, работали: В.А.Горев, П.Ф.Иващенко, А.В.Мишуев, Г.Г.Орлов, Л.П.Пилюгин, В.С.Румянцев, В.АЛчелинцев и др. В бывшей инженерной пожарно-техішческой школе МВД СССР (пыле институт) вопросами газовой дефлаграции занимались: И.М.Абдурагимов, В.В.Агафонов и др.
Ряд научно-исследовательских институтов активно занимались вопросами дефлаграционного горения. Во всесоюзном научно-исследовательском институте техники безопасности в химической промышленности (ВНИИТБХП) над этой проблемой работала группа ученых, возглавляемых В.И.Водяником и А.В.Грановским. В лаборатории
взрывобезопасности (ЦНИИПромзернопроект), руководимой
Л.И.Семеновым, уделялось большое внимание вопросам горения пылей.
Начиная с 70-х годов, в проблему взрывобезопасности активно
включился ВНИИПО МВД СССР, где за последнее время выполнено
много высококлассных работ такими учеными и специалистами как
А.И.Баратов, И.А.Болодьян, М.Г.Гаджелло, Л.Я.Корольчснко,
В.М.Макеев, В.В.Мольков, С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко и др.
В нашей стране проблеме взрывобезопасности уделяется самое пристальное внимание. В частности, настоящая работа явилась составной частью общей проблемы «Безопасность», работы по которой возглавляют академик РАН К.В.Фролов и член-корреспондент РАН Н.А.Махутов. Большое внимание работе было оказано со стороны Госгортехнадзора России, особенно его специалистами Е.А.Маловым, А.А.Шаталовым, М.В.Бесчастновым и В.П.Ивановым.
За рубежом проблеме дефлаграционного горения также оказывается самое серьезное внимание. Следует отметить работы таких ученых и специалистов как W.Bartknecht, D.Bradley, S.Crescitelli, G.Elbe, T.Hirano, J.H.S.Lee, B.Lewis, G.H.Markstejn, A.Mitcheson, R.V.Moen, HJ.Pasman, D.B.L.Spalding, C.Yao, R.G.Zalosh.
Основная задача, которая стоит перед учеными, заключается в обеспечении взрывозащиты и взрывоустойчивости технологического оборудования, аппаратов и зданий взрывоопасных производств. Наиболее эффективным способом обеспечения взрывоустойчивости зданий и помещений является использование предохранительных конструкций, вскрытие которых должно снизить давление до безопасного уровня. Однако выбор необходимой площади сбросных проемов, способ их размещения на ограждающих конструкциях здания зависит от такого количества факторов, что на сегодняшний день нельзя с уверенностью сказать, что проектируемые и эксплуатируемые здания взрывоопасных производств являются взрывоустойчивыми. Об этом свидетельствуют многочисленные аварии, сопровождаемые разрушением зданий и гибелью людей.
Настоящая работа выполнена в МГСУ и традиционно придерживается школы МИСИ - от вьіявлеїшя физической сущности явления (эксперимент) к теории и разработке инженерных способов расчета.
Цель работы - изучение закономерностей дефлаграциогаюго горения газовоздушных смесей (ГВС) в полузамкнутых объемах (объемы, имеющие на боковой поверхности сбросные проемы) при относительно низких избыточных давлениях (hP < 20кПа) для создания способов защиты промышленных и гражданских зданий (помещений) от разрушения при аварийном взрыве внутри них газовоздушных смесей.
защиты промышленных и гражданских зданий (помещений) от разрушения при аварийном взрыве внутри них газовоздушных смесей. Для достижения указанной цели решались следующие задачи: - анализ существующих математических моделей, описывающих динамику дефлаграционного горения газовоздушных смесей в замкнутых и полузамкнутых объемах;
- анализ нормативных и ведомственных документов,
определяющих нагрузки на строительные конструкции зданий
взрывоопасных производств;
- выявление факторов, влияющих на интенсификацию горения ГВС;
развитие общих принципов физического моделирования динамических характеристик дефлаграционного горения ГВС;
создание инженерных формул, оггределяющих изменение давления во времени в полузамкнутых объемах произвольной формы;
разработку математической модели для описания распространения фронта пламени дефлаграционного горения ГВС в полузамкнутых свободных объемах произвольной формы и в объемах с препятствиями;
создание компьютерных программ для расчета перемещения фронта пламени и избыточного давления в полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы;
проведение широкой серии экспериментальных исследований в полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы без препятствий и при наличии последних для выявления влияния различных факторов на динамику горения газовоздушных смесей в них;
обоснование надежности теоретической модели, описывающей положение фронта пламени в полузамкнутых объемах путем сравнения расчетных данных с результатами экспериментальных исследований, представленных в настоящей работе, а также в отечественной и зарубежной литературе;
разработку способов снижения уровней взрывных нагрузок на строительные конструкции зданий взрывоопасных производств.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили приблизиться к решению проблемы - повышение взрывоустойчивости промышленных, жилых и общественных зданий путем научно и экспериментально обоснованных методов определения динамических характеристик дефлаграционного горения газовых смесей в полузамкнутых объемах различной формы с учетом интенсификации горения, вызванной наличием технологического оборудования и строительных конструкций.
Научпая новизпа.
Для условий квазистатичности и адиабатичности процесса цефлаграционного горешія, исходя из законов несжимаемой жидкости, что следует из малости избыточного давления (АР<20кПа), отвечающего условию взрывоустойчивости строительных конструкций здания, с использованием теории источников и стоков разработана математическая модель, позволяющая следить за распространением фронта пламени и изменением давления во времени в полузамкнутых эбъемах кубической и вытянутой формы, свободных и при наличии в них технологического оборудования и строительных конструкций.
Численным методом решена задача по определению изменения азбыточного давления в случае использования в качестве предохранительных конструкций стекол глухого остекления.
Определены критерии моделирования динамических характеристик цефлаграционного горения ГВС, позволяющие переносить результаты лабораторных экспериментов на натурные здания и помещения.
Экспериментально выявлены закономерности протекания процесса дефлаграционного горения в полузамкнутых свободных объемах кубической и вытянутой формы со степенью вьгтяігутости (отношение длины здания к его высоте или ширине) не более десяти. При этом тсследовалось влияіше на процесс горения множества факторов. А тменно: влияние площади сбросных отверстий; влияние размещения сбросных отверстий на боковых поверхностях (одной или нескольких) эбъема: равномерно по поверхности или сосредоточенно; влияние взаимного положения источника воспламенения смеси и сбросных этверстий; влияние степени загазованности здания; влияние гегкосбрасываемьгх конструкций и ряд других факторов.
Получило дальнейшее развитие физическое представление о [урбулизации горения при наличии в объеме различных тел, при вменении поперечного сечения объема, при изменении направления его тродолыгой оси.
Экспериментально определено взаимное влияние тел на штенсификацию горения.
Практическая значимость.
Найдены и обоснованы способы снижения взрывных нагрузок щ строительные конструкции зданий и помещений взрывоопасных производств. К ним относятся: оптимальное размещение сбросных іроемов на ограждающих конструкциях взрывоопасного здания; чтгимальное размещение технологического оборудования; оптимальный іьібор членения стекол глухого остекления и др. В результате шределено оптимальное объемно-планировочное решение здания, в
котором взрывные нагрузки при данной площади сбросных проемов оказываются минимальными.
Разработана инженерная методика расчета взрывных нагрузок в зданиях и помещениях взрывоопасных производств, что позволяет определить необходимую (безопасную) площадь сбросных проемов.
Результаты исследований, представленных в диссертационной работе, внедрены на АООТ "Московский нефтеперерабатывающий завод", Новоуфимский НПЗ, Очаковский и Бескудниковский филиалы Российского государственного предприятия по транспортировке и реализации нефтегазов, ряд объектов АО "Росгазификация" и ПТ "Мосгаз". В итоге определены взрывные нагрузки во взрывоопасных зданиях и помещениях указаїшьіх выше предприятий и объединений и даны рекомендации по их снижению до безопасных (неразрушающих).
Исследования, проведенные на ряде взрывоопасных промышленных объектов г.Москвы, послужили основой для выхода постановления Правительства Москвы (№723 от 29 августа 1995г.) и Комиссии правительства Москвы по чрезвычайным ситуациям (протокол N8 от 23.11.95г.). Для нужд Главного Управления ГО и ЧС при Правительстве Москвы разработаны методические указания по определению степени взрывоустойчивости проектируемых и существующих зданий и сооружений при аварийных дефлаграционных взрывах.
Для руководящего и технического состава ГП "Мосгаз" созданы постоянно действующие курсы: "Основы взрывного горения газовоздушных смесей и способы снижения последствий аварийных взрывов". Часть материала читается автором настоящей работы на основе его исследований.
Выполненный комплекс работ позволил получить лицензшо Госгортсхнадзора России (№110-99/4669 выдана 23.07.96) на проведение технической экспертизы взрывоустойчивости потенциально опасных объектов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на V
Всесоюзном семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутский ВЦСО АН СССР, 1990), XI (Всесоюзной) и ХШ (Всероссийской) научно-практических конференциях (Балашиха, 1991, 1995), Всесоюзном Симпозиуме "Газодинамика взрывных и ударных волн детонационного и сверхзвукового горения" (Алма-Ата, 1991), Научно-практической конференции "Спасение, защита, безопасность -новое в науке, технике, технологии" (Москва, 1995), I и II Международном семинаре "Пожаровзрывобезопасность веществ и
взрывозащита объектов" (Москва, 1995, 1997), Международном конгрессе "Анализ и оценка природного и техногенного риска в строительстве" (Москва, 1995), Международном конгрессе "Экологические проблемы больших городов: инженерные решения" (Москва, 1996), 3-ей Международной конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды" (Москва, 1997), Второй Всероссийской научно-практической конференции "Защита населения и территорий при чрезвычайных ситуациях в мирное и военное время как составная часть национальной безопасности России" (Москва, 1997).
Публикации.
Всего опубликована 71 работа. По теме диссертации - 36 работ.
На защиту выносятся:
-
Теоретические разработки, расширяющие представление о діпіамикс горения газовоздушных смесей в замкнутых и полузамкнутых объемах произвольной формы.
-
Математическая модель для описания поведения фронта пламени дефлаграционного горения газовоздушной смеси в полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы.
-
Критерии моделирования динамических процессов дефлаграционного горения в полузамкнутых объемах.
-
Экспериментальное и теоретическое обоснование закономерностей, свойственных дефлаграционному горению ГВС в свободных полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы.
-
Методика определения интенсификации дефлаграционного горения в полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы, основанная на рассмотрении параметров турбулентного следа за различного рода препятствиями. Экспериментальные зависимости интенсификации горения на препятствиях, при изменении поперечного сечения вытянутого объема и изменении направления его продольной эси.
-
Инженерные формулы для оценки избыточного давления дефлаграционного горения в полузамкнутых свободных объемах и эбъемах с телами.
-
Способы снижения взрывных нагрузок на строительные конструкции зданий и помещений взрывоопасных производств.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, изложенных на 126 страницах, включая 172 рисунка, 13 таблиц, библиографии из 239
наименований и документов, подтверждающих практическую значимость работы.
