Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и обоснование технического решения для защиты зданий и сооружений при внутреннем аварийном взрыве газо-паровоздушных смесей 16
1.1. Назначение предохранительных противовзрывных конструкций 16
1.2. Анализ существующих конструктивных решений предохранительных конструкций 20
1.2.1 Стекла глухого остекления 20
1.2.2.Вращающиеся предохранительные конструкции с остеклением 22
1.2.3. Распашные предохранительные конструкции 25
1.2.4. Стеновые панели 26
1.3. Теоретическое обоснование требований и особенности конструктивного решения легковскрываемого противовзрывногоустройства 30
Выводы по главе 35
ГЛАВА 2. Математические модели динамики горения газовоздушных смесей в полузамкнутых объемах 36
2.1. Краткий анализ литературных источников 36
2.2. Математическая модель динамики горения газовоздушных смесей в полузамкнутых объемах НТЦ «Взрывоустойчивость» 47
2.3. Упрощенная формула динамики горения в полузамкнутых объемах и обоснование ее применимости 49
2.4. Математическая модель взрывного горения в помещениях, оборудованных предохранительными противовзрывными устройствами 54
2.5. Математическая модель взрывного горения в помещениях, оборудованных легковскрываемыми противовзрывными устройствами 60
Выводы по главе 65 Стр.
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования работы лег ковскрываемого противовзрывного устройства 66
3.1. Подготовка к проведению эксперимента на макете легковс крываемого противовзрывного устройства 66
3.1.1. Подготовка макета для проведения эксперимента 66
3.1.2. Методика проведения эксперимента 78
3.1.3. Точность проведения эксперимента 79
3.2. Результаты экспериментальных исследований легковскрывае мого устройства по проверке его эффективности для обеспечения безопасных нагрузок на строительные конструкции зданий 81
3.2.1. Результаты предварительных экспериментальных исследований 81
3.2.2. Эксперименты по исследованию взрывного горения во взрывной камере с поворотной створкой различной инерционности
3.2.3. Экспериментальные исследования взрывного горения при различных значениях давления вскрытия поворотной створки 90
3.2.4. Эксперименты по исследованию работы легкосбрасы-ваемого противовзрывного устройства 93
3.3. Доработка макета по результатам испытаний и экспериментальные исследования доработанного макета легковскрывае мого устройства 96
3.3.1. Анализ недостатков исходного макета противовзрывного устройства и предложения по их устранению 96
3.3.2. Доработанный макет легковскрываемого противовзрывного устройства 96
3.3.3. Результаты экспериментальных исследований доработанного макета легковскрываемого противовзрывного устройства 107
Выводы по главе 115
ГЛАВА 4. Разработка и обоснование рекомендаций по применению легковскрываемых про тивовзрывных устройств 116
4.1. Анализ результатов экспериментальных исследований процесса дефлаграционного горения и определение адекватности предложенной математической модели 117
4.2. Методика расчета параметров легкосбрасываемых противо-взрывных устройств
4.2.1. Исходные данные 123
4.2.2. Определение необходимого времени вскрытия поворотной створки 124 Стр.
4.2.3. Расчет параметров поворотной створки и упругого элемента 124
4.3. Рекомендации по применению легковскрываемого противо взрывного устройства 128
4.3.1. Монтаж легковскрываемого предохранительного устройства 130
4.4. Подход к оценке эффективности предохранительных конструкций 136
4.5. Расчет сравнительной экономической эффективности предохранительных конструкций 139
Выводы по главе 145
Заключение 146
Список использованной литературы
- Стекла глухого остекления
- Упрощенная формула динамики горения в полузамкнутых объемах и обоснование ее применимости
- Результаты экспериментальных исследований легковскрывае мого устройства по проверке его эффективности для обеспечения безопасных нагрузок на строительные конструкции зданий
- Определение необходимого времени вскрытия поворотной створки
Введение к работе
В настоящее время повысились требования к обеспечению взрывоустойчиво-сти и взрывобезопасности существующих и строящихся взрывоопасных промышленных, транспортных и энергетических объектов Это связано с необходимостью повышения уровня безопасности для персонала и оборудования на предприятиях и объектах в случае техногенной аварии и возникновением новых внешних угроз для потенциально опасных объектов, таких как атаки террористических организаций и вандализм
К взрывоопасным объектам относятся нефтеперерабатывающие предприятия, объекты, использующие в технологических процессах взрывоопасные вещества, в частности, сжиженные углеводородные газы (СУГ), автозаправочные станции, тешо - электростанции, объекты газового хозяйства и др
К особой группе взрывоопасных объектов относится газифицированный жилой фонд Статистика показывает, что в настоящее время только в Москве газифицированными остаются 1952244 квартиры (это чуть больше 25 тысяч домов, то есть 80% всего жилого фонда)
Существует два основных направления обеспечения взрывобезопасности объектов, на которых возможен аварийный взрыв газопаровоздушных смесей (ГПВС)
профилактические мероприятия, направленные на предотвращение образования газопаровоздушной смеси взрывоопасной концентрации и ее воспламенения,
мероприятия, обеспечивающие устойчивость строительных конструкций при аварийном взрыве ГПВС
В настоящее время большое внимание уделяется профилактическим мероприятиям, которые снижают вероятность образования взрывоопасных смесей и их поджига Но они не могут полностью исключить возможность реализации аварийного взрыва ГПВС
О недостаточности только профилактических мероприятий свидетельствует статистика аварийных взрывов как у нас в стране, так и за рубежом К сожалению, в нашей стране ввиду износа оборудования на объектах газовой и химической промышленности количество аварийных ситуаций, связанных со взрывным горением ГПВС, возрастает из года в год В последнее время участились случаи взрывов газа в жилых домах Достаточно отметить один из последних случаев взрыва бытового газа, произошедший в Москве (ул Годовикова, 6) с человеческими жертвами и большим материальным ущербом
Несмотря на это, законодательная и нормативная база России по обеспечению взрывобезопасности и взрывоустойчивости промышленных, энергетических и транспортных объектов имеет существенные недостатки
Парадоксальная ситуация сложилась с декларациями по безопасности промышленных объектов Ни в одной из них не отражен вопрос о нагрузках при взрыве газопаровоздушной смеси Однако в 90 случаях из 100 нагрузки превышают безопасный уровень в 3 12 раз, что приводит к разрушению зданий, оборудования и гибели людей
Значительный ущерб вызван взрывами бытового газа в жилых зданиях, особенно тех, в которых окна оборудованы современными стеклопакетами Однако газифицированные жилые здания не проектируются с учетом их взрывобезопасности и взрывоустойчивости
Одним из самых эффективных мероприятий, снижающих взрывные нагрузки до безопасного уровня, как в России, так и за рубежом, является устройство сбросных проемов оборудованных предохранительными конструкциями Задача этих конструкций состоит в том, чтобы превратить замкнутое пространство в полузамкнутое и не дать давлению в помещении превысить 1 3 кПа (0,03 кг/см2 или 300 кг/м2) Именно при таком давлении человек не получает каких-либо серьезных травм, и воздействие на организм такого взрыва не выходит за рамки психологического В подавляющем большинстве случаев, а в жилом фонде - в 100 % случаев, задачи легко-сбрасываемой конструкции возлагаются на окна
Предохранительные конструкции (ПК), в частности, легкосбрасываемые конструкции (ЛСК), применяются на взрывоопасных промышленных объектах Но в виду того, что нормативы по их применению носят рекомендательный характер, не учитывающий физические процессы вскрытия ПК, они не всегда обеспечивают взрывоустойчивость зданий и сооружений
Проектирование и строительство новых взрывоопасных объектов, подразумевает под собой использование новых современных материалов и строительных конструкций Например, в северных районах установка остекления в виде пластиковых стеклопакетов для обеспечения надежного теплосбережения является необходимостью Однако, согласно нормативным документам, такое остекление не может выступать в качестве предохранительных конструкций в виду его высокой прочности
Степень предыдущей разработки
Проблема горения газопаровоздушных смесей тесно связана с человеческими жизнями, большим материальным ущербом, поэтому она актуальна и ей уделяют большое внимание во всех экономически развитых странах
В нашей стране исследованию газовой дефлаграции уделялось достаточно серьезное внимание как на академическом уровне (В В Азатян, В С Бабкин, Г И Баренблатт, А А Григорян, Я Б Зельдович, В П Карпов, Д А Франк-Каменецкий, Шмелев В М и др ) так и прикладном
В приложении к решению практических задач газовая дефлаграция изучалась в нескольких научных и учебных заведениях Среди них следует выделить Московский государственный строительный университет, основоположниками школы в котором являлись Н А Стрельчук и Г Г Орлов Наряду с ними данное направление исследований развивали П Ф Иващенко, А А Комаров, В В Казенное, А В Мишуев, Л П Пилюгин, и др Начиная с 70-х годов в проблему взрывобезопасности активно включился ВНИИПО МЧС России (АЛ Корольченко, В В Мольков, И А Болодьян, Ю Н Щебеко и др )
В ходе анализа существующих способов обеспечения взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций и проведенного патентного исследования было выявлено наиболее перспективное техническое решение, разработанное под руководством Стрельчука Н А , принцип действия которого послужил основой для разработки легковскрываемого противовзрывного устройства Предлагаемое техническое решение представляет собой устройство для аварийного открывания оконного проема, включающее одинарный поворотный переплет с горизонтальным шарниром, закрепленным в верхней части проема В нижней части проема устройство снабжено пружинным механизмом с предварительно сжатыми пружинами, которые высвобождают свою энергию при открывании запора, связанного с датчиком давления, который срабатывает при малом изменении давления в начальной стадии взрыва
Предложенное устройство обладает рядом недостатков при срабатывании пружин переплет испытывает значительный динамический удар, что ставит под сомнение выполнение переплета свегопрозрачным,
рамная конструкция может открываться только наружу и тем самым становится непригодной для жилых газифицированных зданий, для которых по условию безопасности переплет должен открываться внутрь помещения,
использование верхнего горизонтального шарнира, обязывает учитывать инерционность рамной конструкции, связанной с ее весом,
пружинный механизм может открыть переплет лишь на незначительный угол (не более 25%), дальнейшее вскрытие происходит под действием нарастающего избыточного давления, что может привести к разрушающим здание нагрузкам,
пружинный механизм имеет открытый доступ, и может сработать при случайном на него воздействии,
механизм не может быть использован в помещениях с повышенной влажностью, т к пружины подвергаются коррозии, что значительно повышает коэффициент трения при их срабатывании
Разработка предохранительной конструкции нового типа позволила исключить все вышеперечисленные недостатки
Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена аварийными взрывами газовоздушных смесей внутри зданий и помещений объектов различного назначения, следствием которых являются человеческие жертвы и большой материальный ущерб, а также отсутствие на сегодняшний день в полной мере технических систем позволяющих значительно снизить ущерб от дефлаграционных взрывов и одновременно с этим удовлетворяющих таким требованиям современного строительства как прочность, энергонезависимость, надежность, теплоизоляция и использование современных строительных материалов
Таким образом, актуальной является научная задача по выработке на основе теоретических и экспериментальных исследований решений, направленных на совершенствование технической системы обеспечения взрывоустойчивости зданий различного типа при взрывах газо-паровоздушных смесей
Целью работы является снижение ущерба при взрыве газо-паровоздушных смесей на взрывоопасных объектах и разработка практических рекомендаций по использованию технических систем, обеспечивающих взрывоустойчивость взрывоопасных объектов
Предметной областью исследования является совокупность технических средств обеспечения взрывоустойчивости строительных конструкций зданий при внутреннем аварийном взрыве газопаровоздушных смесей
Объектом диссертационного исследования являются способы обеспечения взрывоустойчивости зданий различного типа при внутреннем дефлаграционном взрыве
В работе применялись теоретические, экспериментальные и патентные исследования, положения теории дефлаграционного взрыва, методы математического моделирования
Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании решены следующие задачи:
Проведен анализ существующих способов обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий, на основе которого определены роль и место предохранительных конструкций в области защиты зданий и сооружений от разрушения при внутреннем дефлаграционном взрыве
На основании современных требований к остеклению жилых и общественных зданий, а также взрывоопасных помещений разработаны требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий в стучае внутреннего взрыва ГПВС
Разработано техническое решение, направленное на обеспечение взрывоустойчивости зданий разчичного типа при внутренних дефлаграционных взрывах
Проведен анализ решений, предложенных рядом ученых, определяющих функциональную зависимость избыточного давления от времени при взрыве ГПВС в помещении, сбросные проемы которого оборудованы предохранительными конструкциями На основе этого анализа разработана математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами (ЛПУ) и доказана ее адекватность
Разработан макет помещения, оборудованного легковскрываемым противо-взрывным устройством
На основе экспериментальных исследований на макете взрывного горения ГПВС уточнены расчетные парамегры легковскрываемого противовзрывного устройства
Разработана методика расчета параметров легковскрываемых противовзрыв-ных устройств
Разработаны рекомендации по применению легковскрываемых противо-взрывных устройств для обеспечения взрывоустойчивости сооружений при внутреннем взрыве газопаровоздушных смесей
Определен подход к оценке эффективности предохранительных конструкций и произведен расчет экономической эффективности предлагаемого предохранительного устройства
Решение перечисленных выше задач позволило впервые получить следующие научные результаты, составляющие научную новизну диссертационной работы
1 Разработаны требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий, в случае внутреннего взрыва ГПВС
Предложено техническое решение, обеспечивающее взрывоустойчивость зданий различного типа при внутренних дефлаграционных взрывах, состоящее в создании независимого от давления вскрытия и инерционности легковскрываемого про-тивовзрывного устройства, которое обеспечивает вскрытие сбросных проемов за определенный промежуток времени при заданном избыточном давлении внутри помещения с надежностью не ниже, чем у применяемых предохранительных конструкций
Разработана математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами, и экспериментально доказана ее адекватность
4 Разработана методика расчета параметров легковскрываемого противо-
взрывного устройства в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения
Экспериментально и теоретически доказано, что использование ЛПУ обеспечивает неразрушающие нагрузки на строительные конструкции помещений при внутреннем дефлаграционном взрыве
Разработаны рекомендации по применению легковскрываемого противо-взрывного устройства для обеспечения взрывоустойчивости взрывоопасных сооружений при внутреннем взрыве газопаровоздушной смеси
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволити разработать техническую систему нового поколения, предназначенную для обеспечения неразрушающих нагрузок на строительные конструкции зданий при внутреннем дефлаграционном взрыве, подготовить практические рекомендации по их применению для обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений взрывоопасных объектов
На защиту выносятся следующие основные положения.
Математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами
Теоретические и экспериментальные исследования легковскрываемого про-тивовзрывного устройства
Методика расчета параметров легковскрываемого противовзрывного устройства в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения
Рекомендации по применению легковскрываемого противовзрывного устройства для обеспечения взрывоустойчивости зданий и сооружений при внутреннем взрыве газопаровоздушной смеси
Публикации По теме диссертации опубликовано 15 научных трудов, из них 11 печатных
Апробация работы- Основные результаты исследования доложены на VII Международном форуме «Высокие технологии XXI века», г Москва 2006 г, Второй международной конференции и выставке «Алюминий в строительстве», г Москва
2006 г , VI Международном салоне инноваций и инвестиций, г Москва 2006 г, Меж
дународной конференции «Технологии безопасности сисгемы, решения рынки» в
рамках XI Международного форума «Технологии безопасности», г Москва 2006 г,
IV выставке «Москва - город науки», г Москва 2006 г, 7-й специализированной вы
ставке «Изделия и технологии двойного назначения Диверсификация ОІЖ», г Мо
сква 2006 г, научно-практической конференции в академии ФСБ, г Москва 2006 г,
трех военно-научных конференциях АГЗ МЧС России, на двух научных конференци
ях профессорско-преподавательского состава АГЗ МЧС России - Новогорск АГЗ
МЧС России, 2005 и 2006 годы
Результаты исследований реализованы
при выполнении 3-х НИР
«Разработка и полигонные испытания противовзрывных устройств на основе легко сбрасываемых конструкций, обеспечивающих взрывобезопасность и взрыво-устойчивость промышленных и энергетических объектов при взрыве газопаровоздушных смесей» (работа выполнялась на основании Тематического плана развития науки и технологий в интересах г Москвы на 2005 г),
«Обследование взрывопожароопасных сооружений города Москвы и разработке компенсирующих мероприятий по их противовзрывной защите», (работа вы-потнялась на основании городской среднесрочной целевой программы «Пожарная безопасность города Москвы на 2005-2007 годы»,
«Разработка мероприятий по обеспечению взрывоустойчивости зданий газифицированного жилищного фонда», (работа выполнялась на основании городской среднесрочной целевой программы «Пожарная безопасность города Москвы на 2005-
2007 годы»,
На основании результатов исследования получено решение о выдаче патента на изобретение «Способ защиты зданий и сооружений от разрушения при взрыве газопаровоздушной смеси и устройство для обеспечения взрывобезопасности помещения» Заявка № 2005126983/03(030229) Приоритет полезной модети 26 августа 2005 г
Рамки исследования
режим взрывного горения - дефлаграция (видимая скорость горения газовоз-душной смеси ип = 1 100 м/с), вытянутость помещения (отношение наибольшего линейного размера к наименьшему) не более 5
Структура и объем работы. Структурно работа состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объемом 158 стр, включая список литературы из 48 наименовании, 49 рисунков, 7 таблиц, 1 приложение
Стекла глухого остекления
Величина избыточного давления и темп его нарастания в помещении при взрыве ГПВС зависит от целого ряда факторов. Наиболее важными из них являются [1]: 1) объем и форма взрывоопасного помещения; 2) вид горючей смеси, образующейся во взрывоопасном помещении в аварийных ситуациях, и степень загазованности помещения ГПВС к моменту ее воспламенения; 3) загроможденность взрывоопасного помещения строительными конструкциями (колонны, стропильные фермы, этажерки и т.п.) и оборудованием; 4) общая площадь и места расположения в наружном ограждении взрывоопасного помещения проемов, перекрываемых ПК; 5) вид ПК, их геометрические и физические параметры.
Только при учете всех указанных факторов могут быть получены оптимальные решения по обеспечению взрывоустойчивости зданий и сооружений с помощью ПК при внутренних аварийных взрывах, или установлены случаи, когда применение ПК для обеспечения взрывоустойчивости зданий и сооружений нецелесообразно. В таком случае для обеспечения взрывоустойчивости зданий могут быть предложены другие способы: увеличение площади сбросных проемов, перепланировка взрывоопасного помещения и др.
Игнорирование и даже недостаточно полный учет отдельных из указанных выше факторов могут приводить к весьма негативным последствиям, связанным со значительными разрушениями зданий и сооружений со взрывоопасными помещениями при внутренних аварийных взрывах [29].
С помощью ПК избыточное давление, возникающее при аварийном взрыве ГПВС во взрывоопасном помещении, может быть снижено до определенного безопасного уровня. В СНиП 2.09.02-85 «Производственные здания» согласно пункта 2.42: «В помещениях категорий А и Б следует предусматривать наружные легкосбрасываемые ограждающие конструкции.
В качестве легкосбрасываемых конструкций следует, как правило, использовать остекление окон и фонарей. При недостаточной площади остекления допускается в качестве легкосбрасываемых конструкций использовать конструкции покрытий из стальных, алюминиевых и асбестоцементных листов и эффективного утеплителя. Площадь легкосбрасываемых конструкций следует определять расчетом. При отсутствии расчетных данных площадь легкосбрасываемых конструкций должна составлять не менее 0,05 м2 на 1 м3 объема помещения категории А и не менее 0,03 м2 - помещения категории Б. 1. Оконное стекло относится к легкосбрасываемым конструкциям при толщине 3, 4 и 5 мм и площади не менее (соответственно) 0,8, 1 и 1,5 м . Армированное стекло к легкосбрасываемым конструкциям не относится. 2. Рулонный ковер на участках легкосбрасываемых конструкций покрытия следует разрезать на карты площадью не более 180 м2 каждая. 3. Расчетная нагрузка от массы легкосбрасываемых конструкций покрытия должна составлять не более 0,7 кПа (70 кгс/м2)».
Как мы видим, СНиП рекомендует подбирать площадь легкосбрасываемых конструкций исходя из объема помещения, при этом абсолютно не учитываются особенности физических процессов взрывного горения газопаровоздушных смесей. Такой подход к устройству предохранительных конструкций зачастую приводит к тому, что избыточное давление внутри помещения может превысить в 3-12 раз [30] допустимый уровень 5кПа (5кПа - это уровень избыточного давления, исходя из которого проектировщики рассчитывают прочность строительных конструкций в большинстве взрывоопасных зданий). Для того чтобы действительно обеспечить взрывоустойчивость зданий и сооружений, оборудованных ПК, необходимо учитывать реальные особенности помещений и физику взрывного горения.
Высокая надежность и независимость вскрытия ПК являются основными показателями, которые рассматриваются при анализе конструктивных решений предохранительных конструкций. В настоящее время в качестве основных ПК применяются стекла глухого остекления, вращающиеся ПК о остеклением, распашные ПК и стеновые панели [1,34]. Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных видов предохранительных конструкций.
Стекла глухого остекления являются основным и наиболее простым видом предохранительных конструкций. Основными достоинствами данного вида ПК являются: использование площади сбросных проемов для освещения помещений в дневное время, простота эксплуатации и низкая стоимость.
Если сбросной проём остеклен, то в процессе взрывного горения он должен вскрываться. Величина максимального давления в зданиях с глухим остеклением, кроме всего прочего, зависит от относительной площади вскрывшегося проёма (освобожденного от стекла), которая зависит от отношения величины избыточного давления к давлению начала разрушения остекления. Давление начала вскрытия остекления зависит от размеров единичной ячейки стекла и его толщины.
Упрощенная формула динамики горения в полузамкнутых объемах и обоснование ее применимости
Уравнение (2.1) предполагает: горение происходит в сферическом объеме при нормальной скорости распространения пламени; смесь хорошо перемешана и находится в спокойном состоянии; воспламенение смеси осуществляется в центре объема; сферическая симметрия пламени не нарушается гидродинамической неустойчивостью и естественной конвекцией; теплопотери отсутствуют; процесс горения квазистатический; расширение газов происходит адиабатически; сбросные отверстия открыты и расположены по всей сферической поверхности равномерно; сферическая форма пламени не нарушается на протяжении всего времени горения ГВС.
При превышении давления внутри объема над давлением в окружающей среде происходит истечение газов через сбросные отверстия. Объем газа, сброшенный в атмосферу под действием перепада давления, в общем случае зависит от: dVc =ffa S, Р, Ро, р, r)dt (2.2) где dVc - объем газа, истекающий через сбросные отверстия, м ; dt - элементарный промежуток времени, с; ju - коэффициент расхода газа при истечении; S - суммарная площадь сбросных отверстий, м2; Р,Р0 - соответственно давление в сосуде и давления в окружающей среде, Па; / - показатель адиабаты; р - плотность смеси при нормальных условиях, кг/м .
Считается, что объемный расход истекающего через сбросные отверстия газа в точности равен объемному расходу газов, выделившихся при горении, т.е. dVJdt=dVJdt. Полагая, что максимальный темп выделения продуктов сгорания реализуется при г=а (а - характерный радиус объема), из равенства выражений для dVJdt (2.1) и для dVJdt (2.2) можно определить безопасную площадь сбросных проемов или критерий безопасного "вентилирования"1 полузамкнутого объема. В частности, для РвскР Ратм {Рвскр- избыточное давление, при котором происходит вскрытие сбросных отверстий) критерий безопасного "вентилирования" имеет вид [2]: Аж-а2иЛе-\) M-S-C J-f - , (2.2а) V / атм где Со - скорость звука, м/с.
Область применения приведенного выше критерия весьма ограничена. Во-первых, критерий справедлив лишь для сосуда сферической формы с множеством сбросных отверстий на его поверхности, что требуется для соблюдения условия сферического распространения пламени вплоть до стенок. Во-вторых, рассматривается нарастание давления только при истечении свежей смеси, дальнейшего изменения давления не предполагается, что не позволяет проследить за динамическими характеристиками от момента вскрытия сбросных отверстий, оборудованных легкосбрасываемыми конструкциями или имеющими глухое остекление, до завершения горения. Поэтому представленное решение не позволяет объяснить ряд явлений, наблюдавшихся многими исследователями. Например, резкое понижение давления при начале истечения продуктов сгорания, что может привести в зависимости AP=f(t) к образованию двух максимумов (пиков) давления. Причем, в некоторых случаях именно второй пик определяет максимальное давление в сосуде, т.е. максимальное давление имеет место при истечении продуктов сгорания, а не свежей смеси. Указанные выше недостатки расчетной схемы, принятой в [2], частично исправлены в работах [3,4,5].
Для объема продуктов сгорания ЛУг предложено следующее выражение: 1 Термин, получивший широкое распространение за рубежом. АГ. =f,-a/. .,.,) .(«-Di (23) которое получено в предположении постоянства видимой скорости пламени Un=UHs и постоянства степени расширения продуктов сгорания - є. Последнее предположение в сущности правильное при рассмотрении объема в целом. Однако в данном случае оно приводит к ошибочному выражению (2.3), т.к. в действительности горение и соответственно увеличение объема происходит только на поверхности фронта пламени. Указанный недостаток был исправлен в [6], где приводится следующее выражение для dVe: dVs=4-7fUH-s2-(e-\)t2dt, (2.4) которое отличается от (2.3) тем, что содержит множитель є во второй степени. Опираясь на изотермическую связь между давлением и объемом, в [4] приводится следующее дифференциальное уравнение для определения динамики давления при взрывном горении ГВС в полузамкнутом объеме:
Уравнение (2.7) получено в предположении изотермического процесса сжатия и расширения газа, т.е. PV=const. Это справедливо при избыточном давлении в сосуде, существенно меньшем атмосферного давления, и при условии, что сбросные проемы в момент взрыва открыты. Первое условие вполне подходит для зданий и помещений взрывоопасных производств, т.к. большинство строительных конструкций разрушается при избыточном давлении 5...10кПа, что существенно ниже атмосферного. Принятие второго условия (изначально открытые сбросные проемы) приведет к занижению темпа роста давления в у раз, т.к. реальные здания имеют, как правило, остекленные сбросные проемы или проемы, оборудованные легкосбрасываемыми конструкциями. С этим можно примириться, если предложенную расчетную модель сферического горения можно было бы распространить и на объемы, имеющие прямоугольную форму - кубическую и особенно вытянутую. Как показано в [29] использование подобной модели для реальных зданий приводит к большим погрешностям.
Результаты экспериментальных исследований легковскрывае мого устройства по проверке его эффективности для обеспечения безопасных нагрузок на строительные конструкции зданий
Макет ЛПУ для проведения эксперимента по проверке его эффективности для обеспечения безопасных нагрузок на строительные конструкции зданий различного типа представляет собой совокупность устройств и контрольно-регистрирующей аппаратуры. В состав макета входят следующие элементы: легковскрываемое устройство; взрывная камера; система заполнения камеры горючим газом и его взрыва; система измерения избыточного давления взрыва; аппаратура, регистрирующая изменение избыточного давления во времени; аппаратура, регистрирующая угол открытия створки ЛПУ во времени.
Разгрузочные отверстия на верхней грани макета предназначены для обеспечения безопасности проведения эксперимента в случае отказа механизма вскрытия створки.
В случаях, когда механизм вскрытия поворотной створки не использовался (во время проведения трех первых этапов экспериментов), отверстие для установки механизма вскрытия поворотной створки герметично закрывалось шторкой.
На рисунке 3.1.1 дан схематический чертеж макета (вид сверху), где показаны основные детали макета ЛПУ.
Взрывная камера предназначена для приготовления горючей смеси и ее взрыва. Для этого под верхней гранью камеры установлена система равномерного распределения горючего газа по объему камеры (8 на рисунке 3.1.1). Для воспламенения горючей смеси (газ + воздух) в камере располагаются электроды, через которые проскакивает искра (рисунок 3.1.2). 1- взрывная камера. 2- поворотная створка. 3- запорная петля. 4-упругий элемент. 5-механизм вскрытия поворотной створки. 6-шток. 7-мембрана. 8-газораспределитель. 9-петля. 10-разгрузочное отверстие Рисунок 3.1.2 - Газораспределитель для подачи газа в камеру
Для наблюдения процесса горения газовоздушной смеси и проведения кино и видео съемки камера выполнена прозрачной, для чего использовалось листовое органическое стекло толщиной 10 мм.
Камера имеет форму близкую к кубической с размерами ребер 680x680x690 мм. На одной из боковых поверхностей камеры выполнено сбросное отверстие высотой 540 мм и шириной 300 мм для сброса холодной смеси и продуктов взрыва (1 на рисунке 3.1.3). Площадь сбросного отверстия может меняться с помощью листов из органического стекла, вставляемых в вертикальные пазы внутренней поверхности передней грани.
На боковых поверхностях камеры имеются отверстия для установки датчиков давления 2, подачи электрического напряжения 3 на источник воспламенения газовоздушной смеси, подачи горючего газа и отверстие для установки механизма вскрытия створки 4 (на рисунке 3.1.3).
Легковскрываемое про і и вон фы внос устройство Легковскрываемое противовзрывное устройство состоит из поворотной створки и механизма её вскрытия. Поворотная створка выполнена из дюралюминия толщиной 1 мм, её размеры 570x280 мм (рисунок 3.1.4). 1- сбросное отверстие. 2-отверстия для установки датчиков давления. 3-источник воспламенения газовоздушной смеси. 4-ответстие для установки механизма вскрытия поворотной створки
Створка имеет вертикальное шарнирное крепление. Осями крепления петель служит упругий элемент (торсион), выполненный из прутковой стали диаметром 5 мм, прошедшей специальную термообработку. При закрытии своркой сбросного отверстия в камере торсион закручивается, в результате чего создается крутящий момент, который при срабатывании запорного механизма раскрывает створку.
В механизм вскрытия створки (рисунки 3.1.5, 3.1.8) входит мембрана (3), выполненная из высокопрочной ткани, к которой присоединен шток (2). Корпус (1) механизма вскрытия крепится болтами Мб к стенке взрывной камеры с отверстием под корпус. С внутренней стороны створки шарнирно закреплена запорная петля (1 на рисунке 3.1.4) с отверстием ё=7мм. Шток, прикрепленный к мембране, другим своим концом входит в отверстие запорной петли, тем самым фиксируя створку в закрытом положении (рисунок 3.1.6). 1 - запорная петля. 2-ребра жесткости (уголки). 3-створка При определенном давлении в камере, создаваемом взрывом газовоздушной смеси, мембрана прогибается вне камеры, увлекая за собой шток. Шток выскакивает из отверстия запорной петли. Крутящий момент торсионов распахивает створку за заданное время.
Определение необходимого времени вскрытия поворотной створки
В процессе работы был произведен анализ недостатков первоначального макета и поиск оптимального конструкционного решения противовзывного устройства. Вследствие проведенных исследований было принято решение отказаться от старой модели устройства и разработать новую, полностью лишенную выявленных недостатков.
Основным недостатком исходной модели была зависимость усилия, необходимого для перемещения штока, от площади мембраны и давления внутри камеры. С целью обеспечения независимости работы мембраны и штока была использована мощная пружина, служащая для перемещения штока, т.е. для вскрытия створки. Пружина взводится заранее, вручную. Упругость пружины рассчитана на усилие 16 кг.
Мембрана стала использоваться с целью вскрытия защелки, которая удерживает пружину в сжатом состоянии. При этом площадь мембраны существенно снизилась. Так же появилась возможность более точной тарировки устройства с помощью изменения параметров защелки пружины.
Для предотвращения «закусывания» штока в направляющей втулке использовалась система подшипников. При этом на шток вместо силы трения скольжения стала действовать существенно меньшая сила трения качения.
Доработанный макет легковскрываемого противовзрывного устройства, как и в предыдущем случае, является неотъемлемой частью взрывной камеры.
Общий вид доработанного макета в момент взрыва ГПВС представлен на рисунке 3.3.1, где показаны взрывная камера; створка легковскрываемого устройства с вертикальным шарниром (передняя грань); анероидное устройство, вытяжной механизм и рычажно-шарнирный механизм вскрытия (боковая грань). На рисунке 3.3.2 дан схематический чертеж макета (вид сверху), где показаны основные элементы легковскрываемого противовзрывного устройства.
Взрывная камера, система измерения избыточного давления взрыва, аппаратура, регистрирующая изменение избыточного давления во времени и аппаратура, регистрирующая угол открытия створки во времени остались без изменений и полностью соответствуют элементам первоначального макета ЛПУ (см. п. 3.1.1).
Легковскрываемое противовзрывное устройство состоит из поворотной створки и механизма её вскрытия. При закрытии своркой сбросного отверстия в камере пруток закручивается, в результате чего создается крутящий момент, который при срабатывании запорного механизма раскрывает створку.
В механизм вскрытия поворотной створки входит анероидное устройство, вытяжной механизм и рычажно-шарнирный механизм вскрытия. Рисунок 3.3.2 - Схематический чертеж макета легковскрываемого противовзрывного устройства 1-взрывная камера. 2-поворотная створка. 3-упругий элемент (торсион). 4-анероидное устройство. 5-шток. 6-направляющее устройство. 7-гибкий шланг. 8-петля. 9-сбросное отверстие. 10-газораспределитель. Анероидное устройство
Анероидное устройство служит для обеспечения срабатывания вытяжного механизма при заданном давлении. Работа анероидного устройства основана на принципе барометрического метода измерения давления.
При увеличении давления анероид за счет упругих свойств сжимается. Анероидное устройство установлено на нижней плате, в которой нарезана трехзаходная резьба, обеспечивающая перемещение втулки (рисунок 3.3.8). Эта втулка является основой для крепления всего анероидного устройства. Во втулку ввернут и законтрен при помощи гайки нижний центр анероида (чувствительного элемента).
На нижний центр анероида надета и привернута при помощи другой гайки с прокладкой дифференциальная шкала давления.
К верхней мембране анероида приварен верхний центр с запрессованным и дополнительно развальцованным упором, конец которого при выходе за верхнюю плоскость платы обеспечивает стопорение блокировочного рычага. Со стороны нижней плоскости нижней платы на втулке завальцовано и дополнительно заштифтовано регулировочное колесо. С этой же стороны нижний центр анероида законтрен относительно втулки винтом. 80 ,
Кинематическая схема легковскрываемого противовзрывного устройства. Вид сверху. 1-взрывная камера. 2-поворотная створка. 3-упругий элемент (торсион). 4-анероидное устройство. 5-шарнирно-рычажный механизм. 6-шток. 7-гибкий шланг. 8-петля. 9-рычаг. В меньшую выточку поставлена установочная шестерня, входящая в зацепление с установочным колесом. Установочная шестерня надета на квадрат переводного винта и закреплена специальным винтом, который контрится клеем БФ-4. Шкала давления видна в окно, расположенное в боковой стенке корпуса. Корпус анероидного устройства крепится металлической скобой к стенке взрывной камеры.
Первый вариант доработанного макета механизма вскрытия поворотной створки был дополнен рычажным устройством, которое с помощью нажимного механизма воздействовало на чувствительный элемент анероидного устройства. Дополнительное усилие на нажимном механизме создавалось за счет использования резиновой мембраны диаметром 100 мм, которая крепилась к боковой грани камеры и сообщалась с окружающей средой. Давление при взрыве воздействовало на мембрану, которая с помощью системы рычагов воздействовала на анероидное устройство. Опытная проверка показала работоспособность устройства. Во время проведения двадцати опытов устройство надежно срабатывало при избыточном давлении 0,7 кПа,
