Параметры аварийных взрывов

На железнодорожном транспорте взрывы чаще всего возникают при авариях и крушениях поездов, возгорании подвижного состава, а также на местах погрузки, выгрузки, путях стоянки вагонов с опасными грузами или ликвидации аварийных ситуаций с ними.

Аварийные взрывы, как правило, сопровождаются пожарами. При этом взрыв может быть как причиной, так и следствием пожара.

Взрыв - это быстропротекающий процесс физических и химических превращений веществ, сопровождающийся освобождением значительного количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная привести или приводящая к возникновению техногенной чрезвычайной ситуации (ГОСТ Р22.0.05-94).

Основным поражающим фактором взрыва является ударная волна, которая представляет собой зону сильно сжатого воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Передняя граница зоны сжатого воздуха имеет наиболее высокое давление и называется фронтом ударной волны.

Рис. 3.1. График изменения давления в фиксированной точке пространства в зависимости от времени прохождения ударной волны: 1 - фронт ударной волны; 2 - кривая изменения давления

Ударная волна имеет фазу сжатия и фазу разряжения. В фазе сжатия давление выше атмосферного P₀, а в фазе разряжения - ниже. На рис. 3.1 показано изменение давления воздуха в любой точке пространства при

В момент прихода ударной волны давление мгновенно повышается от нормального (атмосферного) до максимального во фронте ударной волны . По мере прохождения ударной волны давление в точке падает

ниже атмосферного.

Основными параметрами ударной волны, определяющими ее поражающее действие, являются: избыточное давление , давление скоростного напора и время действия ударной волны

Избыточное давление во фронте ударной волны - это разница

между максимальным давлением воздуха во фронте ударной волны и атмосферным давлением:

Избыточное давление обладает разрушительным действием,

выводя из строя устойчивые, крупногабаритные массивные сооружения, жесткие конструкции с фундаментами (здания, защитные сооружения, опоры мостов, водонапорные башни и т.п.). Эти сооружения противостоят смещению, поэтому время обтекания их фронтом ударной волны будет значительным, хотя составляет доли секунды. Фронт ударной волны, дойдя до передней стенки сооружения, отражается от нее. В результате этого избыточное давление, действующее на переднюю стенку сооружения, быстро возрастает, увеличиваясь в несколько раз (создается давление отражения). По мере прохождения фронта ударной волны избыточное давление, действующее на переднюю стенку сооружения, быстро падает до значения давления в ударной волне (до отражения). Затем ударная волна охватывает все стороны сооружения, создавая разрушительную статическую нагрузку путем всестороннего сжатия (рис. 3.2).

 

 

Рис. 3.2. Действие ударной волны на устойчивое сооружение:

а - фронт ударной волны достиг передней стенки и создал максимальное давление;

б - фронт ударной волны прошел до половины ширины сооружения

(давление на переднюю стенку упало);

в - фронт ударной волны миновал сооружение

(все стороны сооружения испытывают одинаковое давление).

 

При небольших размерах и обтекаемой форме сооружения величина избыточного давления действует на него в течение очень короткого времени. В этом случае степень разрушения сооружения зависит, главным образом, от скоростного напора воздуха в ударной волне, время действия которого намного больше, чем избыточного давления (при ядерном взрыве может составить несколько секунд).

Скоростной напор действует на сооружение в виде динамической нагрузки, смещая, опрокидывая или отбрасывая малогабаритные, быстро обтекаемые и малоустойчивые сооружения, такие как. опоры контактной сети и электропередач, мостовые фермы, станки, транспортные, технические средства и аппаратуру (вагоны, краны, автомобили, шкафы с оборудованием СЦБ).

Наибольший метательный эффект скоростного напора проявляется в местах с избыточным давлением более 50 кПа, где скорость перемещения воздуха более 100 м/с.

Избыточное давление и скоростной напор измеряются в Па, кПа, кгс/см² (1 кгс/см²» 100 кПа).

Существует зависимость величины скоростного напора Δ Р_ск, кПа, от избыточного давления Δ Р_ф:

Характер зависимости представлен на рис. 3.3.

(3.1)

 

 

Как и максимальное избыточное давление ударной волны, максимальный скоростной напор уменьшается с увеличением расстояния от центра взрыва.

Время действия ударной волны t_yB в какой-либо точке пространства зависит, главным образом, от мощности взрыва (массы взрывоопасного материала), его вида, удаления от центра взрыва и измеряется в секундах.

Рис. 3.3. Зависимость скоростного напора Δ Рск, от избыточного давления Δ Рф

На малых расстояниях от центра взрыва продолжительность фазы сжатия весьма незначительна; по мере распространения ударной волны она увеличивается.

 

 

Чем больше время действия ударной волны (при одном и том же значении избыточного давления), тем больше ее разрушительный эффект.

Для различных видов взрывоопасных материалов одинаковой массы при аварийных взрывах значения параметров ударной волны на одинаковом удалении от центра взрыва будут различными.

Это объясняется различной природой и характером взрыва взрывчатых материалов (ВМ), горючевоздушных и газовоздушных смесей.

При любых взрывах принято выделять три круговые зоны (рис. 3.4): I - зона детонационной волны; II - зона действия продуктов взрыва; III -юна воздушной ударной волны.

Зона детонационной волны (зона I) находится в пределах облака взрыва. Радиус этой зоны r₁, м, зависит от массы Q т, продукта взрыва и приближенно может быть определен по формуле:

, (3.2)

где k - коэффициент пропорциональности;

Рис. 3.4. Зоны очага взрыва: I - зона детонационной волны; II - зона действия продуктов взрыва; III - зона действия воздушной ударной волны; - радиусы внешних границ соответствующих зон

Для горючевоздушных смесей (ГВС) и углеводородных газов (УВГ) коэффициент к может быть принят равным 17, 5.

В пределах зоны I действует постоянное избыточное давление (для ГВС

и УВГ 1700 кПа).

Зона действия продуктов взрыва

(зона II) охватывает всю площадь разлета продуктов взрыва, где избыточное давление постоянно падает и на внешней границе зоны составляет примерно 300 кПа. Радиус этой зоны

В зонах I и II все здания и наземные сооружения разрушаются практически полностью.

В зоне действия воздушной ударной волны (зона III) формируется фронт ударной волны, распространяющийся по поверхности земли. Значения параметров воздушной ударной волны в этой зоне при одной и той же массе взрывоопасных веществ на одинаковом удалении от центра взрыва зависят от вида взрывоопасных веществ. Основными взрывоопасными веществами являются: взрывчатые материалы (ВМ), горючевоздушные смеси (ГВС), углеводородные газы (УГВ).

Взрывчатые материалы - это соединения или смеси, способные к быстрому, самораспространяющемуся химическому превращению (взрыву) с образованием газов и выделением значительных количеств тепла. Такое превращение, возникнув в какой-либо точке под действием соответствующего импульса (нагрев, механический удар, взрыв другого взрывчатого материала), распространяется со сверхзвуковой скоростью по всей массе взрывчатого материала. Быстрое образование значительных объемов газов и нагрев последних за счет теплоты реакции до высоких температур обусловливает внезапное развитие в месте взрыва очень больших давлений.

В отличие от горючевоздушных и газовых смесей реакция взрывчатых материалов протекает без участия кислорода воздуха.

Взрывчатые материалы можно разделить на три группы:

· инициирующие, обладающие огромной чувствительностью к внешним воздействиям (удар, накол, нагрев) и использующиеся для возбуждения детонации* основного заряда взрывчатого материала;

· бризантные (дробящие при взрыве соприкасающиеся предметы) -менее чувствительны к внешним воздействиям, имеют повышенную мощность и подрываются в результате детонации;

· метательные - пороха, основной формой химического превращения которых является горение.

При взрывах взрывчатых материалов зоны I и II распространяются в воздухе на небольшие расстояния. Так, например, зона действия продуктов взрыва ограничивается в воздухе радиусом, равным 15-20 радиусам заряда взрывчатого материала.

В зоне действия воздушной ударной волны зависимость давления Δ Р_ф, Мпа.от расстояния R, м, и массы заряда Q, кг, имеет вид:

(3.3)

 

где - приведенный радиус, м,;

 

Формулой (3.3) удобно пользоваться при компьютерных расчетах.

Иногда используют в расчетах табличные значения Δ Р_ф=f(R) приведенные в прил. 1 для ряда значений мощности взрыва.

Для массы взрывчатых материалов, равной 1000 т, характер изменения Δ Р_ф=f(R) представлен в табл. 3.1.

 

 

Таблица 3.1

Зависимость от расстояния до центра взрыва при = 1000 т

 

Избыточное давление Δ Рф кПа
Расстояние от центра взрыва ВМ (боеприпаса) R, м

Горючевоздушные смеси (ГВС)* представляют собой пары топлива в свободном объеме между поверхностью жидкого топлива и верхней частью резервуара. Инициирующим условием взрыва ГВС являются, как правило, открытый огонь, искрообразование, высокая температура. При взрыве ГВС в процесс взрыва вовлекается вся масса топлива, находящегося в резервуаре.

В табл. 3.2 приведен характер зависимости Δ Р_ф=f(R) в зоне действия ударной волны при взрыве ГВС с массой жидкого топлива 1000 т.

Таблица 3.2

Зависимость Δ Р_ф от расстояния до центра взрыва R при Q_гвс=1000 т

 

Избыточное давление Δ Рф, кПа
Расстояние от центра взрыва ГВС R, м

Углеводородные газы (метан, пропан, бутан, этилен, пропилен, бутилен и др.), соединяясь с воздухом, образуют взрыво- и пожароопасные газовоздушные смеси. Взрыв или возгорание этих смесей наступает при определенном содержании газа в воздухе. Например, взрыв пропана возможен при содержании в 1 м³ воздуха 21 л газа, а возгорание - при 95 л.

Углеводородные газы, обладающие высокой теплотворной способностью, используются в боеприпасах объемного взрыва.

Взрыв газовой смеси представляет собой процесс быстрого расширения продуктов сгорания, порождающий в окружающем пространстве ударную волну. В зоне детонации за несколько десятков микросекунд развивается температура более 2000 градусов.

Характер изменения избыточного давления при взрыве УВГ в зависимости от удаления от центра взрыва и массы газовоздушной смеси представлен на графиках рис. 3.5.

Анализ данных, приведенных в табл. 3.1; 3.2 и на рис. 3.5, показывает, что одинаковые значения избыточных давлений во фронте ударной волны при взрыве взрывчатых материалов возникают при значительно меньшем удалении от центра взрыва, чем при взрыве ГВС и УВГ, что объясняется особой природой и характером взрывов указанных смесей и газов.

Разница в удалении от центра взрыва фиксированных значений избыточных давлений при взрыве ГВС и УВГ невелика.

Для любого вида взрыва изменение избыточного давления воздушной ударной волны в зависимости от расстояния R от центра взрыва и массы взрывоопасного материала Q подчиняется закону подобия взрывов, который выражается для фиксированного значениясоотношением:

(3.4)

где R_m - табличное значение расстояния от центра взрыва для приведенной в таблице массы

R_фак - фактическое значение расстояния для фактической массы Q_фак.

Использование закона подобия взрывов (3.4) и данных табл. 3.1 и 3.2 позволяет определить ряд фактических значений расстояний при любой массе взрывоопасного вещества для фиксированных значениях и построить график зависимости Δ Р_ф=f(Q, R).

 

Рис.3.5. Графики изменения избыточных давлений в точках в зависимости

от расстояния до центра взрыва (L) для различной массы взрывоопасной

газовоздушной смеси, Q

Пример 3.1. Построить график изменения избыточного давления в зависимости от удаления от центра взрыва. Масса взрывчатого материала составляет 125 т.

Решение:

1. Задаемся значениями избыточного давления во фронте воздушной ударной волны. = 250; 200; 100; 50; 30; 20 и 10 кПа.

2. С использованием закона подобия взрывов (3.4) и табл. 3.1 определяем, на каком удалении от центра взрыва будут иметь место заданные избыточные давления:

 

3. Строим график зависимости Δ Р_ф=f(Q, R), рис. 3.6.

 

4. , кПа

Рис. 3.6. График зависимости

 

 

Построенные по приведенной методике графики по-зволяют определить величину избыточного давления на любом уда-лении от центра взрыва, а, следовательно, определить степень разрушения железнодорожных сооружений и устройств, расположенных от центра взрыва на известных расстояниях.