Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальные проблемы прогнозирования и снижения взрывоопасности технологических процессов, в которых обращаются легковоспламеняющиеся и взрывчатые материалы 14
1.1. Оценка потенциальной взрывопожароопасности горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей, обращающихся в металлургическом и коксохимическом производствах 14
1.2. Причины и условия возникновения взрывов на коксохимических объектах 25
1.3. Характеристики взрывоопасности горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей, обращающихся на металлургических предприятиях 32
1.4. Анализ нормативной документации, регламентирующей вопросы обеспечения взрывобезопасности на металлургических объектах, и практики ее использования 36
1.5. Характеристика взрывчатых и термитных материалов, обращающихся на металлургических объектах, и причины возникновения аварий при их изготовлении и применении 45
1.6. Обеспечение взрывобезопасности как одна из задач модернизации систем управления промышленной безопасностью и охраной труда 54
Глава 2. Прогнозирование условии образования взрывоопасной парогазовоздушной среды многокомпонентными легковоспламеняющимися и горючими жидкостями и газами 59
2.1. Разработка программы расчета основных параметров пожаровзрывоопасности многокомпонентных ЛВЖ 59
2.2. Разработка методики расчета температурных пределов распространения пламени 69
2.3. Разработка программы расчета параметров горения и взрыва газопаровоздушных смесей 72
2.4. Разработка методики и программы расчета концентрационных пределов распространения пламени 84
2.5. Концентрационные пределы распространения пламени смесей горючих газов и паров с воздухом, содержащих инертные газы 93
2.6. Концентрационные пределы распространения пламени смесей горючих газов и паров с воздухом при повышенных температурах 96
Глава 3. Оценка параметров и последствий взрывов многокомпонентных парогазовых смесей 103
3.1. Разработка методики расчета максимального давления взрыва парогазовоздушных смесей 103
3.2. Определение количества и состава паровой фазы многокомпонентных ЛВЖ 112
3.3. Оценка состава и количества вредных выделений при взрывах и пожарах легковоспламеняющихся и горючих жидкостей 114
3.4. Изучение роли инертных газов в процессах горения и взрыва парогазовоздушных смесей 120
3.5. Совершенствование методики категорирования помещений и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности 125
3.6. Корректировка методики категорирования технологических блоков по взрывоопасности 133
3.7. Перспективные направления обеспечения взрывобезопасности технологических процессов, в которых образуются многокомпонентные парогазовоздушные смеси 147
Глава 4. Прогнозирование и снижение взрывоопасности технологических процессов, на которых обращаются взрывчатые материалы 150
4.1. Методические основы прогнозирования возможности перехода горения в детонацию 150
4.2. Роль флегматизирующих добавок в предотвращении перехода горения в детонацию 152
4.3. Методика определения детонационных и ударных волн электромагнитным методом 162
4.4. Особенности определения ударных адиабат электромагнитным методом 171
4.5. Экспериментальное и расчетное определение параметров взрыва флегматизированных зарядов взрывчатых веществ 181
4.6. Использование флегматизированных ВВ при разработке технологии дробления крупногабаритных металлических материалов. 202
4.7. Исследование роли образования паровоздушных смесей в возникновении взрыва пироксилинового пороха 211
4.8. Оценка потенциальной взрывоопасности технологических процессов, в которых обращаются органические перекиси 214
4.9. Разработка методики расчета составов термитов с заданным составом продуктов горения, обеспечивающих снижение взрывоопасности и вредных выделений 233
Глава 5. Актуальные проблемы совершенствования системы управления промышленной безопасностью и охраной труда взрывоопасных объектов 244
5.1. Методика внедрения требований нормативных документов по
обеспечению взрывобезопасности 244
5.2. Специфические задачи аудита системы управления промышленной
безопасностью и охраной труда и экспертизы промышленной
безопасности взрывоопасных объектов 255
5.3. Подготовленность и информированность персонала 260
Выводы 266
Список литературы 271
Приложение 300
- Причины и условия возникновения взрывов на коксохимических объектах
- Разработка программы расчета параметров горения и взрыва газопаровоздушных смесей
- Изучение роли инертных газов в процессах горения и взрыва парогазовоздушных смесей
- Методика определения детонационных и ударных волн электромагнитным методом
Введение к работе
В последние десятилетия существенно изменилось отношение мирового сообщества к вопросам обеспечения промышленной безопасности. К сожалению, это произошло только после ряда крупнейших катастроф, связанных, прежде всего, с пожарами и взрывами, которые в ряде случаев сопровождались значительными выбросами токсичных соединений и привели к гибели и поражению десятков тысяч людей. Правительства, общественные организации и предприниматели осознали, что дальнейшее расширение производства и технический прогресс не могут быть обеспечены без первоочередного решения проблем обеспечения безопасности на промышленных предприятиях и прилегающих к ним территориях.
Расширение и интенсификация производства приводит к накоплению и вовлечению в технологические процессы все большего количества пожаровзрывоопасных энергоносителей различного типа, к внедрению новых технологий и материалов, потенциальная взрывоопасность которых недостаточно изучена и зачастую трудно прогнозируема. Повышение ответственности операторов опасных технологий и усложнение управления подобными технологическими процессами в силу необходимости максимального ускорения переработки информации и принятия решений, особенно в аварийных ситуациях, приводят к увеличению роли человеческого фактора в системах обеспечения безопасности. Реакция промышленно развитых стран на такое стечение обстоятельств заключалась в разработке международных доктрин и национального законодательства, определяющих общепризнанные требования к производственной безопасности, в модернизации системы управления промышленной безопасностью и охраной труда (СУПБиОТ) на основе международных стандартов и спецификаций. В
этих странах существует практика независимого аудита и сертификации деятельности СУПБиОТ авторитетными организациями.
В нашей стране эта работа началась с большим опозданием. В значительной мере ее интенсификации способствовала разработка и реализация Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [1]. Следует отметить, что из 11 видов таких объектов, перечисленных в законе, 6 являются взрывоопасными. В металлургическом и коксохимическом производствах имеются все виды объектов, на которых обращаются потенциально взрывоопасные материалы; горючие газы, жидкости, пыли, взрывчатые вещества, экзотермические и пиротехнические составы, расплавы металлов [2-4]. Научные работы в области прогнозирования и обеспечения взрывобезопасности металлургических объектов, выполненные в последние годы, посвящены, прежде всего, предотвращению взрывов дисперсных металлических материалов и содержащих их составов, а также жидких металлов [5, 6]. Специфическим проблемам обеспечения взрывобезопасности опасных производственных объектов металлургических предприятий, на которых обращаются горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости, а также взрывчатые материалы, уделялось заметно меньшее внимание. До некоторой степени это связано с гораздо большей изученностью характеристик пожаровзрывоопасности и механизма возникновения и развития их взрывов и наличием развитой теории горения и взрыва газовоздушных и паровоздушных смесей, а также практики взрьшопредупреждения и взрывозащиты в других отраслях промышленности.
Однако обстоятельства и последствия ряда взрывов на коксохимическом производстве поставили под сомнение адекватность существующих способов определения характеристик пожаровзрывоопасности и параметров взрывов многокомпонентных смесей горючих газов и жидкостей, а также методики прогнозирования последствий взрывов и категорирования помещений и зданий
по взрывопожарной и пожарной опасности и технологических блоков по
взрывоопасное. Кроме того, анализ состояния и практики обеспечения
взрывобезопасности на опасных производственных объектах
металлургического производства выявил существенные недостатки в отношении выполнения требований нормативных документов, регламентирующих мероприятия в области взрывобезопасности, и внедрения изложенных в них методик анализа взрывоопасных ситуаций и поддерживающих его расчетных методов. Все это показало необходимость корректировки методических подходов к прогнозированию и обеспечению взрывобезопасности технологических процессов и создания соответствующего программного обеспечения для расчета параметров, определяющих условия возникновения взрывов многокомпонентных парогазовоздушных смесей.
Расширение использования мощных взрывчатых веществ (ВВ) в металлургии и внедрение новых технологий обработки металлов взрывом, а также применение взрывоопасных термитных и экзотермических составов потребовали разработки эффективных мероприятий по обеспечению промышленной безопасности при обороте таких материалов на металлургических предприятиях.
Таким образом, можно сделать вывод, что обеспечение взрывобезопасности производственных объектов металлургических и коксохимических предприятий, где технологические процессы связаны с использованием горючих газов и жидкостей, а также взрывчатых материалов является крупной научной проблемой, имеющей важное социальное и хозяйственное значение.
Целью настоящей работы является разработка методических основ прогнозирования и обеспечения взрывобезопасности технологических процессов металлургического и коксохимического производств, в которых обращаются легковоспламеняющиеся и взрывчатые материалы.
Основные задачи, решение которых было сочтено необходимым для достижения поставленной цели, включали:
анализ нормативных документов, регламентирующих мероприятия по прогнозированию и обеспечению взрывобез опасности опасных производственных объектов металлургического и коксохимического производств, оценку уровня использования положений теории горения и взрыва при разработке поддерживающих их расчетных и аналитических методов и устранение имеющихся недоработок и противоречий;
разработку теоретических и методических основ расчета концентрационных пределов распространения горения многокомпонентных смесей горючих газов и паров с воздухом и определение влияния на них инертных газов и температуры;
разработку метода расчета температурных пределов распространения горения горючих газов и жидкостей, обращающихся в металлургическом и коксохимическом производстве, и их смесей;
анализ и корректировку методов расчета давления во фронте воздушной ударной волны в зависимости от энергии взрыва и расстояния от его эпицентра и границ зон разрушений определенного уровня;
создание программного обеспечения методов расчета характеристик пожаровзрывоопасности, оценки последствий взрывов и категорирования помещений, установок и технологических блоков по взрывопожароопасности;
компоновку смесей термитного типа с регулируемым составом и свойствами металлической и шлаковой фазы продуктов горения, отвечающих требованиям промышленной и экологической безопасности;
разработку методов и проведение оценки эффективности влияния
флегматизирующих добавок на возможность перехода горения в детонацию и
детонационную способность взрывчатых материалов, используемых для
дробления крупногабаритных металлических материалов и обработки металлов давлением.
Научная новизна:
1. Установлено, что смеси паров различных органических жидкостей с
воздухом на нижнем и верхнем концентрационных пределах распространения
пламени имеют практически одинаковые расчетные адиабатические
температуры горения, причем температура, развивающаяся на стадии
образования оксида углерода на нижнем пределе распространения пламени
(НКПР), близка к максимальной температуре горения на верхнем пределе
(ВКПР). Показано практическое постоянство адиабатических температур
горения предельных смесей при различных начальных температурах среды и
введении в смеси инертных газов. Эти факты использованы для разработки
методики расчета НКПР и ВКПР многокомпонентных парогазовых смесей,
образующихся в металлургических и химических технологиях.
2. Доказана возможность расчета температурных пределов
распространения пламени в смесях паров органических жидкостей с воздухом с
использованием того же методического подхода, что и при расчете температур
вспышки и воспламенения, и определены необходимые константы.
3. Установлено, что максимальное давление взрыва смесей горючих газов
и паров горючих жидкостей с воздухом достигается при концентрации
горючего выше стехиометрической, дано объяснение этой закономерности, и
разработан метод расчета максимального давления взрыва.
4. На основе анализа последствий аварий показано, что выброс и
диспергирование части горючей жидкости при разрушении оборудования в
результате взрыва внутри него паровоздушной смеси может существенно
увеличивать энергию взрыва и его разрушительные последствия. Разработана
методика расчета прироста давления при взрыве в помещении, учитывающая
возможность частичного диспергирования жидкой фазы.
5. Выявлено, что влияние диоксида углерода и паров воды, используемых
в качестве флегматизиругащих и огнетушащих материалов, на
концентрационные пределы распространения пламени, а также на температуры
горения и взрыва и давление взрыва не ограничивается, как это считалось
ранее, только поглощением тепла, но связано также с их участием в реакциях,
протекающих в зоне горения.
Разработана методика и программа расчета количества и состава паровой фазы многокомпонентных жидкостей в зависимости от времени испарения, что необходимо как для оценки параметров ее пожаровзрывоопасности, так и для определения параметров взрыва.
Установлено, что введение флегматизирующих добавок в мощные ВВ существенно снижает их склонность к переходу горения в детонацию, причем их влияние проявляется значительно сильнее, чем это определяется снижением теплоты взрыва и связанных с ней параметров детонации.
Впервые экспериментально определены ударные адиабаты ряда органических веществ, используемых в качестве флегматизаторов в составе мощных взрывчатых смесей, и предложена методика расчета параметров их ударного сжатия.
Установлены общие закономерности влияния флегматизатора на параметры детонации мощных взрывчатых веществ, и предложено физико-математическое описание процесса, учитывающее реальные потери энергии на разгон, сжатие и разогрев инертной добавки.
10. Впервые установлена детонационная способность и определены
параметры горения и взрыва некоторых пероксидов органических соединений.
Практическая значимость. Разработанные методики и программы расчета характеристик пожаровзрывоопасности и параметров взрыва многокомпонентных смесей горючих жидкостей и газов обеспечивают возможность прогнозирования условий возникновения и последствий взрывов
на опасных металлургических и химических объектах, на которых обращаются эти материалы. Полученные результаты позволили сформулировать существенные уточнения и дополнения к действующим нормативам по категорированию помещений и наружных установок по взрывопожарной опасности и категорированию технологических блоков по взрывоопасно сти. Разработано программное обеспечение для расчетов, необходимых для проведения категорирования технологических блоков по взрывоопасное, которые до настоящего времени на металлургических предприятиях практически не выполнялись вследствие их трудоемкости.
Результаты разработок по прогнозированию и обеспечению пожаровзрывобезопасности объектов, на которых обращаются многокомпонентные жидкости и газы, использованы для обеспечения промышленной безопасности на ОАО «Северсталь». Разработанные флегматизированные взрывчатые составы нашли применение при разработке технологии дробления крупногабаритных металлических отходов во ФГУП ГосНИИ «Кристалл». Методика расчета параметров детонации флегматизированных веществ использована при формировании программно-методического комплекса определения характеристик ВВ «Модель», используемого специализированными организациями. Экспериментальные данные, полученные в работе, и предложенные рекомендации использованы для разработки мероприятий по обеспечению взрывобезопасности при обращении с гиперизом и пероксидами циклогексанона и бензоила на ОАО «Ярсинтез». Результаты работы использованы при создании или обновлении программ и конспектов лекций по курсам «Управление промышленной безопасностью», «Производственная безопасность ч. 1. Взрывоопасность веществ и материалов», «Физико-химические основы использования энергетических материалов в режиме детонации», читаемых в РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Апробация работы и публикации. По материалам работы было сделано более 30 докладов на 11 международных, всероссийских и всесоюзных научных конференциях и семинарах, в том числе на VI Международной научно-практической конференции «Пожаровзрывобезопасность и системы управления промышленной безопасностью и охраной труда в металлургии» (Череповец, 2001), VII Всероссийской научно - практической конференции «Техносферная безопасность» (Туапсе, 2002), Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2002), Международном семинаре «Промышленная безопасность коксохимического производства» (Москва, 2003), VI и VII Международных семинарах «New Trends in Research of Energetic Materials» (Pardubice, 2003 и 2004 г.г.), Международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение систем управления промышленной безопасностью и охраной труда» (Череповец, 2003), Международной конференции по химии органических и элементоорганических пероксидов (Москва, 2003), XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), VII международной научно-практической конференции «Проблемы промышленной безопасности и охраны труда в металлургии» (Москва, 2003), 2-ой Международной конференции «Образование и устойчивое развитие» (Москва, 2004).
По результатам диссертации опубликовано более 70 работ. Результаты исследований в области детонации конденсированных взрывчатых систем использованы при составлении 3-х методических пособий с участием автора, используемых в учебном процессе в РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Причины и условия возникновения взрывов на коксохимических объектах
Описанию причин и условий возникновения пожаров и взрывов на объектах коксохимических производств и мерам пожарной безопасности на них посвящена книга [10]. Анализ результатов статистических исследований, выполненных во ВНИИПО МВД СССР, позволил ее авторам сделать заключение, что во всей технологической схеме наиболее взрывопожароопасными являются бензольные отделения цехов улавливания химических продуктов коксования и ректификации сырого бензола.
В состав цеха улавливания химических продуктов коксования входят следующие отделения: конденсации, машинное, сульфатное, аммиачное и бензольное [7-9]. В состав отделения конденсации входят осветлители для отделения воды и механических примесей от смолы, первичные газовые холодильники для охлаждения прямого коксового газа и выделения из него смолы и воды, электрофильтры для тонкой очистки газа от смоляного тумана.
В машинном отделении располагаются газодувки-нагнетатели, отсасывающие прямой коксовый газ из газосборников коксовых печей и осуществляющие дальнейшую транспортировку его через улавливающую аппаратуру к потребителям.
В сульфатном отделении улавливаются аммиак и пиридиновые основания. В аммиачном отделении можно получать концентрированную аммиачную воду или безводный аммиак, направляемый на пиридиновую установку или в газопровод, подведенный к установке, вырабатывающей сульфат аммония.
В бензольном отделении из прямого коксового газа поглотительным маслом улавливаются бензольные углеводороды (сырой бензол). Газ после выделения из поглотительного масла направляется на дальнейшую переработку. В этом отделении проводится также регенерация поглотительного масла.
Цех ректификации бензола служит для переработки сырого бензола, поступающего из цеха улавливания или привезенного с других коксохимических производств. Основными товарными продуктами являются чистый бензол и его гомологи: толуол, ксилол. На некоторых коксохимических производствах и заводах вырабатываются инден-кумароновые смолы, дициклопентадиен, пиридин и другие продукты. В цехе имеются следующие отделения: дистилляции сырого бензола, ректификации легких пиридиновых оснований, сернокислотной мойки или гидроочистки, регенерации серной кислоты.
Повышенная взрывоопасность отделений улавливания и переработки бензола была затем подтверждена возникновением в них двух крупных взрывов. В декабре 1990 года произошел взрыв на складе бензольных продуктов цеха ректификации бензола Нижнетагильского металлургического комбината [38], в результате которого были разрушены три отсека здания склада и большая часть оборудования, и погибли два человека. В январе 1994 года на том же предприятии произошел взрыв открыто расположенных емкостей поглотительного масла «бензине» и «дебензине» в отделении улавливания бензольных углеводородов, в результате которого погибли три человека и еще трое получили ожоговые травмы [39].
В обоих случаях взрывы произошли при проведении ремонтных работ. Взрыв на складе бензольных продуктов произошел в двух горизонтальных цилиндрических емкостях диаметром 3 м и объемом 52 м , в которых находились остатки ксилольной фракции, причем высота слоя жидкости составляла 50-60 см. При взрыве оторваны торцевые стенки обеих емкостей со стороны, обращенной к железобетонной перегородке между отсеками склада, разрушены наружные стенки и перегородки, отделяющие его от соседних отсеков, а также перекрытия. В двух соседних отсеках частично разрушены наружные стены и перекрытия. Такие разрушения произошли несмотря на то, что здание в соответствии с категорией взрывопожароопасности А имело развитую площадь оконных проемов и легкосбрасываемые конструкции на перекрытии, суммарная площадь которых отвечала требованиям Строительных норм и правил (СНиП) и составляла более 0,05 м на 1 м объема помещения. Причиной воспламенения взрывоопасной смеси паров бензольных углеводородов с воздухом, согласно выводам специального расследования и судебной экспертизы, являлся электрический разряд между фланцами трубопроводов и оборудования. Электрический ток на оборудование попал при проведении в соседнем отсеке электросварочных работ в результате ненадежного заземления сварочного аппарата или неисправности изоляции кабелей и короткого замыкания на металлические линии, электрически связанные с емкостями, в которых произошел взрыв.
В отделении улавливания бензола взрыв возник в двух соседних вертикальных емкостях диаметром и высотой 4 м, соединенных между собой в верхней части трубой диаметром 300 мм. Одна емкость к моменту взрыва была наполнена на 59% поглотительным маслом, насыщенным бензолом (емкость масла «бензине»), а другая - маслом, поступившим после отделения части паров бензола (емкость масла «дебензине»), которое занимало 50% объема емкости. При взрыве была сорвана, разорвана пополам и отброшена далеко в сторону крышка емкости масла «дебензине», оторвано днище емкости масла «бензине» и сорван воздушник, находящийся на крышке этой емкости, который имел ненадежное и негерметичное крепление. Наблюдался выброс горящего масла из емкости масла «дебензине». В результате взрыва погибли 3 человека.
Разработка программы расчета параметров горения и взрыва газопаровоздушных смесей
Выбор списка ЛВЖ и ГЖ для проведения этих и последующих расчетов производился таким образом, чтобы он включал все вещества, обращающиеся в металлургическом и коксохимическом производствах, а также охватывал различные классы химических соединений (парафины, предельные циклические и ароматические соединения, спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды и кетоны).
Показано также, что закономерность, описываемая формулой Блинова, выполняется не только для индивидуальных жидкостей, но и для их смесей. Это позволяет несколько упростить порядок расчета параметров пожаровзрывоопасности многокомпонентных смесей. Определив по этой формуле с использованием полученной в работе константы НТПР отдельных компонентов, по методике ГОСТ 12.1.044-89 можно рассчитать НТПР смеси (tump)- Затем рассчитать давление пара смеси при НТПР (Рнтпр) с учетом мольной доли каждого компонента и, путем совместного решения уравнения: где АБ = 280, 427 и 453 (соответственно для вспышки в закрытом тигле, открытом тигле, воспламенения) и уравнения Антуана, связывающего давление пара смеси с температурой, определить значения температур вспышки и воспламенения. При этом получаются практически те же значения параметров, что и при обычном порядке расчета.
В принципе, по расчетным значениям НТПР и ВТПР можно рассчитать по уравнению Антуана давление пара при этих температурах, что позволяет определить НКПР и ВКПР расчетным путем. В разработанной программе учтена такая возможность. Сопоставление значений НКПР и ВКПР, полученных таким способом для 80 ЛВЖ и ГЖ, с экспериментальными значениями дало средние отклонения 10,8% и 15,75%, соответственно, что не превышает погрешность расчетных методов отклонения концентрационных пределов распространения пламени, гарантированную для методики, регламентированной ГОСТ 12.1.044-89 (20%). Однако в отношении именно тех 80 жидкостей, для которых рассчитаны пределы, значение НКПР определяется менее точно, чем по стандартному методу, при применении которого отклонение составляет около 4%. Кроме того, такой метод расчета, как и стандартный, в случае многокомпонентных смесей требует использования принципа Ле-Шателье, который, как. показано в ряде экспериментальных работ, не всегда выполняется. В связи с этим была поставлена задача разработки метода расчета НКПР и ВКПР, основанного на использовании фундаментальной характеристики процессов горения - адиабатической температуры горения смесей предельных составов. Разработка программы расчета параметров горения и взрыва газопаровоздушных смесей
Преимущества расчетных методов над экспериментальными, помимо приведенных выше соображений о невозможности с помощью последних осуществления мониторинга характеристик пожаровзрывоопасности многокомпонентного состава, изменяющихся в течение технологического процесса или при испарении многокомпонентной жидкости, заключаются еще и в том, что, ввиду ограниченности объема экспериментальных установок, возможно занижение параметров взрыва или сужение диапазона концентраций, в котором он может возникнуть, в результате существенного влияния теплоотвода из зоны реакции. Это влияние должно быть наиболее сильным при относительно невысоких скоростях горения, характерных для предельных смесей отходящих металлургических газов, содержащих инертные компоненты. Для обеспечения уверенности в том, что результаты могут быть перенесены на реальные объемы парогазовых смесей, обращающихся в технологических процессах, необходимо моделирование адиабатических условий распространения горения.
Расчет фундаментальных характеристик горения парогазовых смесей -температур горения и взрыва и давления взрыва — необходим не только для прогнозирования условий возникновения взрывоопасных смесей, но и для оценки последствий взрыва. Наиболее известная и апробированная программа термодинамических расчетов Real не имеет пользователей на металлургических предприятиях, т.к. ее применение связано с определенными трудностями. В частности, нет возможности непосредственного ввода в программу состава смесей, выраженного в объемных процентах, и построения графиков зависимости параметров процесса от начального состава смеси. В связи с этим разработана упрощенная программа для расчета состава продуктов горения и взрыва и параметров этих процессов для соединений, состоящих из С, Н, О и N, названная Fire. Предполагалось, что в продуктах горения достехиометрических смесей содержатся только С02, Н20 и N2, а в продуктах горения сверхстехиометрических смесей еще и СО, С, Н2 и СН4. Таким образом, упрощение состояло в том, что не учитывалась возможность образования других продуктов горения, диссоциации продуктов, а также участия азота в реакциях с продуктами горения. В принципе, использование такого допущения обосновано относительно низкими значениями температур горения предельных составов.
Изучение роли инертных газов в процессах горения и взрыва парогазовоздушных смесей
Распространенным приемом предотвращения образования взрывоопасной среды в технологическом оборудовании является использование инертных газов; они применяются также для тушения пожаров. Для оценки эффективности применения инертных газов для взрывопредупреждения необходимо оценить степень их влияния на характеристики пожаровзрывоопасности газовоздушных смесей. Наиболее важным параметром является температура горения, от которой зависят скорость горения, концентрационные пределы распространения пламени и давление взрыва. Таким образом, чем в большей степени тот или иной инертный газ снижает температуру горения при одинаковых объемных концентрациях, тем больше его эффективность.
Известно, что инертные газы существенно отличаются по своему влиянию на взрывоопасность горючих газов. В соответствии с диаграммой воспламеняемости инертные газы в порядке снижения флегматизирующего действия расположены в следующем порядке — СО2, НгО, N2. Считалось, что действие инертных газов связано только с поглощением тепла и их эффективность тем больше, чем больше теплоемкость [32, 66].
Результаты расчета температур горения смесей метана и водорода с воздухом при различных концентрациях инертных газов в смеси, выполненные в предположении только физического влияния газов, показали, что наименьшее влияние на температуру горения оказывает разбавление азотом, но вода снижает ее заметнее, чем оксид углерода, что противоречит общепринятому мнению.
При замещении части воздуха инертным газом могут достигаться сверхстехиометрические концентрации горючего и при этом образуются продукты неполного горения, в которых возможно протекание реакций СО + Н20 СОг + Н2 и 2СО - С 4- СОг, сопровождающихся выделением тепла. Очевидно, что добавление в смесь оксида углерода или воды может сдвинуть положение равновесия этих реакций и тем самым повлиять на температуру горения. Результаты расчетов температур горения смесей метана с инертными газами, проведенные с учетом влияния различных инертных газов на температуру горения метана в результате их участия в химических реакциях, показали, что инертные газы по влиянию на температуру горения в этом случае расположились в том же порядке, как и по влиянию на флегматизирующую способность, что показано на рис. 3.11.
Введение С02 сдвигает равновесие указанных реакций влево, что подтверждают - результаты расчетов, приведенные на рис, 3.12, которые показывают, что для смесей, содержащих диоксид углерода, при горении выделяется наибольшее количество оксида углерода. При этом поглощается дополнительное количество тепла, что и объясняет высокую эффективность этого инертного газа.
Введение паров воды сдвигает вправо равновесие реакции водяного газа вправо, что снижает их флегматизирующее действие. Это видно, в частности, из результатов расчетов, приведенных на рис. 3.13 и 3.14, согласно которым при горении смесей, содержащих воду, образуется большее количество диоксида углерода и водорода, чем при горении смесей, содержащих азот. Таким образом, показано, что оксид углерода и вода участвуют в реакциях, происходящих в зоне горения, что необходимо учитывать при оценке эффективности их использования для взрывопредупреждения. Еще один вывод, вытекающий из результатов проведенных расчетов состава продуктов, заключается в том, что использование углекислотных огнетушителей приводит к образованию повышенных концентраций СО в помещениях. Возможно, что именно этим объяснятся отравления рабочего, попавшего в маслоподвал после тушения загорания с использованием оксида углерода на заводе «Серп и Молот».
Результаты расчетов, описанные в разделе 3.1, обосновали вывод о целесообразности использования при определении прироста давления в помещении, рассчитываемого по методике, приведенной в НПБ 105-03 и используемого для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности расчетного максимального давления взрыва. Как видно из результатов расчета прироста давления в помещении по этой методике, приведенных в таблице 3.5, при определенных условиях использование максимального расчетного давления взрыва паровоздушных смесей может привести к изменению категории помещения. Для взрывопожароопасных помещений расчетное значение прироста давления при взрыве превышает 5 кПа [46].
Однако даже использование при определении прироста давления в помещении при взрыве максимальных значений давления взрыва парогазовоздушных смесей не всегда позволяет правильно прогнозировать последствия взрыва и потенциальную взрывопожарную опасность помещений и зданий, что подтверждает пример упомянутого выше взрыва в здании мастерской по перекачке продуктов бензольной фракции на ОАО «НТМК». Характер разрушения здания свидетельствует о том, что при взрыве развилось давление, в 20 — 30 раз превышающее рассчитанное по методике, регламентированной НПБ 105-03. Это означает, что количество вещества, участвовавшего во взрывном процессе, значительно превышало массу пара, имевшегося к моменту взрыва в оборудовании и помещении. Это возможно только при диспергировании части жидкости, находящейся в емкостях, в процессе их разрушения и ее взрыве в объеме помещения.
Методика определения детонационных и ударных волн электромагнитным методом
Задачей настоящего этапа работы является количественная оценка влияния флегаатизатора на параметры детонации мощного ВВ, выявление факторов, определяющих это влияние, построение физико-математической модели процесса детонации смесевого ВВ, сравнительная оценка влияния различных по природе флегматизирующих добавок на детонационные характеристики мощных ВВ, позволяющая осуществить обоснованный выбор компонентов в наименьшей степени снижающих скорость детонации гексогена и октогена.
С помощью одного из наиболее современных методов исследования быстропротекающих процессов - электромагнитной методики — количественно определены параметры детонации смесей гексогена и октогена с флегматизирующими добавками разных типов (оксизин, церезин — стеариновый сплав, битум, фторопласт, коллоксилин) при их содержании в зарядах до 13% с размерами, близкими к используемым на практике, с плотностью от насыпной до близкой к максимально возможной, полученной прессованием под давлением 200 МПа. Кроме этого были получены ударные адиабаты для органических веществ, используемых в качестве флегматизаторов, и флегматизированных ВВ [157—159].
Для прецизионного определения параметров детонационных и ударных волн использован современный метод исследования быстропротекающих процессов - электромагнитный. Этот метод, созданный по идее Е.К. Завойского [160], в настоящее время достаточно широко используется в практике научно-исследовательских работ, в основном, благодаря трудам А.Н. Дремина и его сотрудников [161]. Непосредственно в эксперименте определяется скорость движения продуктов взрыва за фронтом, а также скорость распространения детонационной или ударной волны. Использование основных соотношений гидродинамической теории детонации позволяет по этим параметрам производить расчет давления в детонационной волне, степени сжатия среды и показателя политропы продуктов взрыва. Дополнительную информацию о форме фронта детонационной волны и ширине зоны химической реакции можно получить, исследуя осциллограммы, отображающие изменение скорости движения продуктов взрыва за фронтом детонационной или ударной волны во времени.
В некоторых случаях электромагнитный метод оказывается единственно приемлемым, поскольку при распространении ударных волн умеренной амплитуды в конденсированных веществах свечение на фронте волны, как правило, отсутствует, что делает невозможным использование традиционных методов, основанных на регистрации самосвечения ударного фронта [162], для изучения таких процессов.
Учитывая то, что метод достаточно подробно изложен в учебном пособии [163], ограничимся кратким описанием принципиальных основ метода и тех особенностей проведения эксперимента, которые позволили использовать электромагнитный метод для решения задач настоящей работы.
Заряд с датчиком П-образной формы помещается в постоянное магнитное поле (рис. 4.4). Датчик представляет собой тонкую полоску металла, согнутую в форме буквы "П", перекладина которой является рабочей площадкой. При прохождении детонационной волны по заряду рабочая площадка датчика вовлекается в движение продуктами взрыва. Измеряется скорость движения продуктов взрыва. Датчик выполняется из алюминия, чтобы приблизить плотность материала датчика (ро лі = 2,7 г/см3) к плотности продуктов взрыва (р„а = 2,2-2,6 г/см3). Толщина датчика должна быть минимальной, но все же достаточной для того, чтобы он мог сохраняться в детонационной волне в течение 5-15 мкс. При движении проводника в магнитном поле в нем наводится Э.Д.С. индукции, которая связана со скоростью движения проводника, его длиной и величиной магнитной индукции простым соотношением:
Если величина магнитной индукции постоянна для рабочей площадки датчика, то Э.Д.С, возникающая на его концах, будет зависеть только от скорости датчика, которая, при определенных условиях, может совпадать со скоростью движения продуктов взрыва. Отклонение луча на экране осциллографа ОК-17М (С9-8) пропорционально возникшей Э.Д.С, и это. Постоянное и однородное магнитное поле создается электромагнитом с диаметром полюсов 200 мм и зазором между ними 185 мм. Катушки электромагнита полностью закрыты массивной стальной защитой, предохраняющей их от непосредственного действия продуктов взрыва. Электромагнит питается постоянным током от генератора ПН-175. Величина тока может регулироваться в небольших пределах с помощью реостата, включенного в обмотку возбуждения генератора постоянного тока. Величина магнитной индукции составляет 0,017 Тл при токе 10 А и 0,013 Тл при токе 8 А. Сигнал датчика по коаксиальному кабелю поступает на «вход-1» первого канала усилителя двухлучевого катодного осциллографа типа ОК-17М (С9-8).
Стабилизатор и блок питания обеспечивают нормальный режим работы осциллографа при включении в сеть переменного тока с напряжением 120-220 В и частотой 50 Гц. Для нанесения меток времени на "вход-П" осциллографа от генератора ГЧ-18а подаются синусоидальные колебания строго постоянной частоты 1 МГц, которые для удобства обсчета осциллограмм преобразуются с помощью двойной дифференцирующей цепочки в остроугольные импульсы той же частоты. Изображение, возникающее на экране осциллографа, фотографируется аппаратом «Зоркий» на аэрофотопленку с чувствительностью 1800 ед.
Перед проведением опыта регистрирующая система тарируется, что позволяет, в последующем, по величине отклонения луча на экране осциллографа рассчитать величину Э.Д.С., вызвавшую его отклонение, а, следовательно, и скорость движения продуктов взрыва по соотношению (4.1). В эксперименте определяется не только скорость продуктов взрыва на фронте детонационной волны, но и ее изменение во времени до тех пор, пока датчик не разрушится.
