Методические указания по оценке устойчивости ОНХ при взрыве на территории объекта

Одной из причин крупных производственных аварий и ката­строф являются взрывы, которые на промышленных предприятиях обычно сопровождаются обрушениями и деформациями сооруже­ний, пожарами, выходами из строя энергосистемами.

Наиболее часто наблюдаются взрывы котлов в котельных, га­зов, аппаратов; продукции и полуфабрикатов на химических пред­приятиях; паров бензина и других компонентов топлива, лакокра­сочных паров, нередки взрывы бытового газа.

Причинами взрывов газа, промышленной (угольной, древес­ной, мучной) пыли, газовоздушных смесей могут служить: откры­тый огонь, электрические искры, в том числе от статического элек­тричества.

Поражающим фактором любого взрыва является ударная вол­на. Действие ударной волны на элементы сооружений характеризу­ется сложным комплексом нагрузок: прямое давление, давление от­ражения, давление обтекания, давление затекания, нагрузка от сейсмовзрывных волн.

Действие ударной волны принято оценивать избыточным дав­лением во фронте ударной волны, обозначаемым ∆Р_ф (кПа). Избы­точное давление ∆Р_ф используется как характеристика сопротивляе­мости элементов сооружения действию ударной волны и для опре­деления степени их разрушений и повреждения.

Степень и характер поражения сооружений при взрывах во время производственных аварий зависит от:

— мощности (тротилового эквивалента) взрыва;

— технической характеристики сооружений объекта (конструк­ция, прочность, размер, форма - капитальные, временные, на­земные, подземные и др.);

— планировки объекта, характера застройки;

— характера местности;

— метеорологических условий.

При прогнозировании последствий возможного взрыва рас­сматриваются три круговые зоны:

I - зона детонационной волны;

II - зона действия продуктов взрыва;

III - зона воздушной ударной волны.

Зона детонационной волны находится в пределах облака взрыва газовоздушной смеси. В пределах зоны I действует избыточ­ное давление, которое можно принимать постоянным Р_I= 1700 кПа. Радиус зоны может быть определён по формуле:

r_I = 17,5 (^м) (зона I),

где Q - количество сжиженного углеводородного газа, т.

Зона действия продуктов взрыва охватывает всю площадь разлёта продуктов газовоздушной смеси в результате её детонации. Радиус этой зоны:

r _{I I} = 1,7 r _I (м) (зона II)

Избыточное давление в пределах зоны II (∆Р_II) изменяется от 1350 кПа до 300 кПа.

Для любой точки, расположенной в зоне II:

∆P_II=1300(r_I/r)³+50 (кПа),

где r = R- расстояние от центра взрыва до рассматриваемой точки в зоне II, м:

r_I ≤ r ≤ r_II

В зоне действия воздушной ударной волны (зона III) форми­руется фронт ударной волны, распространяющийся по поверхности земли. Избыточное давление в этой

Таблица 4. Соотношение шкал Рихтера и М8К-64

Таблица 3

.Характеристика силы землетрясения по 12-ти бальнойшкале М8К-6

зоне, в зависимости от расстоя­ния до центра, может быть определено по графику, таблицам или рассчитано по формулам.

Для этого предварительно определяется относительная вели­чина:

ᴪ = 0,24 r _II / r _I = 0,24 R/ r _I ,

где r _I - радиус зоны I;

r _III - радиус зоны III или расстояние от центра взрыва до точки, в которой требуется определить избыточное давление воздушной ударной волны, кПа(R > r _II);

при ᴪ ≤ 2

при ᴪ > 2

Для определения избыточного давления от центра взрыва необходимо знать количество взрывоопасной смеси, хранящейся в ёмкости или агрегате.

Одновременно с прохождением ударной волны происходит перемещение воздуха с большой скоростью. Динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха, называется скоростным напором, измеряемого в тех же единицах давления, что и измеряемое давление.

Сопротивляемость зданий и сооружений к воздействию ударной волны зависит от их конструкции, размеров и других параметров.

Наибольшим разрушениям от ударной волны подвергаются здания и конструкции больших размеров с лёгкими несущими конструкциями, значительно возвышающиеся над поверхностью земли, а так же немассивные бескаркасные сооружения с несущими стенами из кирпича и блоков.

Здания антисейсмической конструкции, а также массивные малоразмерные здания и сооружения с жёсткими несущими конструкциями обладают значительной сопротивляемостью к ударной волне.

При воздействии ударной волны здания, сооружения, оборудование и коммунально-энергетические сети (КЭС) объекта могут быть разрушены в различной степени.

Разрушения принято делить на полные, сильные, средние и слабые.

Полные разрушения. В зданиях и сооружениях разрушены все основные несущие конструкции и обрушены перекрытия. Восстановление не возможно. На КЭС и технологических трубопроводах разрывы кабелей, разрушение трубопроводов, опор воздушных линий электропередач и т.д.

Сильные разрушения. В зданиях и сооружениях значительные деформации несущих конструкций, разрушена большая часть несущих конструкций и стен. Оборудование и механизмы большей частью разрушены.

На КЭС и трубопроводах разрывы и деформации на отдельных участках подземных сетей, деформация опор воздушных линий электропередачи и связи.

Средние разрушения. В зданиях и сооружениях разрушены, главным образом, несущие второстепенные конструкции (лёгкие стены, перегородки, крыши, окна, двери). Возможны трещины в наружных стенах и завалы в отдельных местах. Перекрытия и подвалы не разрушены, часть помещений пригодна для эксплуатации. Деформированы отдельные узлы оборудования и техники. Техника вышла из строя и требует капитального ремонта. На КЭС деформированы и разрушены отдельные опоры линий воздушных передач. Для вос­становления объекта, получившего средние разрушения, требуется капитальный ремонт.

Землетрясения - аналоги ядерных взрывов по степени разруше­ний элементов ОНХ отображены в таблице 2.

Таблица 2.

Землетрясения - аналоги ядерных взрывов по степени разрушений элементов объекта (избыточному давлению).

- уничтожающие: 10 баллов;

- катастрофические: 11 баллов;

- сильно катастрофические: 12 баллов.

Профессор Калифорнийского технологического института Ч.Рихтер в 1935 году создал шкалу магнитуд (М) - условных величин (некоторых условных чисел), характеризующих общую энергию упру­гих колебаний, вызванных землетрясениями или взрывами. Ч.Рихтер определил магнитуду как число, пропорциональное десятичному ло­гарифму амплитуды (выраженной в микрометрах) наиболее сильной волны, записанной сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения. Она может изменяться от 0 до 8,8. Если магнитуда оказывается больше на единицу, это означает, что амплитуда волн данного землетрясения возросла в 10 раз.

Сильными по шкале Рихтера считаются землетрясения, магни­туда которых равна 5-6 единицам. Согласно измерениям, сделанным западными учёными, магнитуда землетрясения в Армении составляла 6,9 балла по этой шкале; в Мехико в 1985 году - 8,1; в Сан-Франциско в 1906 - 8,5, а в 1989 году - 7,1 балла.

Глубина очага может колебаться в различных сейсмических районах от 0 до 740 км. Очаг, т.е. точка под землёй, является источни­ком землетрясения и называется гипоцентром.

Прямо над ней на поверхности земли находится так называемый эпицентр. Расположенная вокруг него эпицентральная область испы­тывает наисильнейшие толчки.

По установившейся международной практике размеры выде­ляемой энергии, степень разрушения и причинённого ущерба при сти­хийных бедствиях обычно расцениваются в сравнении с характером разрушений при мегатонных ядерных взрывах.

В работе «Природные аналоги ядерного взрыва» указывается, что при взрыве ядерного заряда мощностью 1 Мт выделяется энергии в 4,186 *10²² эрг, а при землетрясении с амплитудой 4,07м -10¹⁹ эрг.

Энергия, выделяемая при землетрясениях, во много раз превы­шает энергию мегатонных ядерных взрывов, а разрушения аналогич­ны разрушениям в очаге наземного ядерного взрыва.

Слабые разрушения. В зданиях и сооружениях разрушены часть внутренних перегородок, двери и остекление. Оборудование имеет незначительные деформации второстепенных элементов. На КЭС имеются незначительные разрушения и поломки конструктив­ных элементов.

Анализ аварий и расчеты показывают, что подавляющее большинство производственных зданий и сооружений получают слабые разрушения при избыточном давлении от 10 до 20 кПа, средние - при 20... 30 кПа, сильные - при 30... 50 кПа, полные - при 50 кПа и более. При оценке ударной волны на действие этой силы.

Нагрузка от ударной волны на отдельную часть элемента за­висит от положения их относительно направления распространения ударной волны.

Действие нагрузки от ударной волны, распространяющейся вдоль поверхности земли, можно разделить на нагрузки обтекания, определяемые, главным образом, максимальным избыточным дав­лением в ударной волне, и нагрузки торможения, возникающие под действием скоростного напора.

При расчетах устойчивости элементов объекта больших раз­меров определяющий воздействующей нагрузкой является нагрузка обтекания, т.е. та сила, которая стремится сдвинуть сооружение в направлении действия ударной волны.

С уменьшением размеров элемента все более значение приоб­ретает нагрузка торможения. Небольшие элементы, размеры кото­рых (в плане) значительно меньше по сравнению с длиной ударной волны, например, опоры ЛЭП, антенны, измерительная аппаратура, мачты и т.п., почти не испытывают нагрузок обтекания, т.к. быстро охватываются волной. Действие скоростного напора воздушной ударной волны может привести к смещению, сваливанию (опроки­дыванию) и угону элементов, которые расположены на колесах, катках, что, в свою очередь, может привести к падению или удару элемента о встречные предметы.

Для некоторых элементов конструкций представляют опас­ность силы ускорения, имеющие место при ударе волны.

Ускорение зданий и сооружений не превосходят одного g (м/с²). Ускорение отдельных элементов оборудования, приборов мо­гут достигать нескольких десятков, а иногда и более сотни g (м/с²). И прибор внешне не повреждённый после удара волны будет иметь внутренние повреждения, которые произойдут при ударе волны за счёт инерционных сил, зависящих от ударного ускорения различных элементов оборудования.

Для выявления характера и степени ущерба и заблаговремен­ного проведения мероприятий, исключающих или ограничивающих масштабы повреждений и разрушений, проводится моделирование уязвимости объекта и его элементов.

Рассмотрим на конкретном примере воздействие взрыва на объект, возможный ущерб и проведение мероприятий по повыше­нию устойчивости.

Пример:

1. Сущность чрезвычайной ситуации:

На территории авторемонтной мастерской произошёл взрыв авто­цистерны Q = 5т. сжиженного пропана, расстояние до цеха R = 150м.

2. Характеристика авторемонтной мастерской:

a) Здание цеха с лёгким металлическим каркасом;

b) Технологическое оборудование:

- станки средние;

- краны и крановое оборудование;

с) Коммунально-энергетические сооружения и сети (КЭС):

- кабельные наземные линии.

Оценить устойчивость авторемонтной мастерской и вырабо­тать предложения по защите от последствий подобных аварий.

Решение.

1) Определяется радиус зоны детонационной волны (зоны I):

=17,5*1,71 = 30 (м).

2) Находим радиус зоны действия продуктов взрыва (зона II):

Землетрясения бывают тектонические, вулканические, обваль­ные, плотинные и др., моретрясения, а также землетрясения в резуль­тате падения метеоритов или столкновение нашей планеты с другими космическими телами. Чаще происходят тектонические землетрясе­ния.

Тектонические землетрясения происходят чаще всего; так как движения земной коры называются тектоническими движениями, то и землетрясения называются тектоническими.

Тектонические землетрясения представляют собой подземные толчки или колебания земной поверхности, вызванные происходящи­ми в толще земной коры разломами и перемещениями литосферных плит, при землетрясении образуется энергия огромной силы, распро­страняющаяся в виде упругих сейсмических волн.

Основными параметрами, характеризующими силу и характер землетрясений являются:

- интенсивность энергии на поверхности земли;

- магнитуда;

- глубина очага.

Интенсивность - мера величины колебания грунта; определяет­ся степенью разрушения построенных людьми зданий, характером изменений земной поверхности и данными об испытанных людьми ощущениях. Измеряется в баллах, существует несколько шкал бальности. С 1902 года в мировую практику вошла видоизмененная шкала, названная по имени итальянского вулканолога Меркалли, модифици­рованная шкала интенсивности (шкала ММ). Ею в настоящее время пользуются сейсмологи США и ряда других стран. В Японии приме­няется своя шкала.

В нашей стране и ряде европейских стран используется 12-бальная международная шкала М8 К-64. Условно землетрясения этой шкалой подразделяются на:

- слабые: 1 -3 балла:

- умеренные: 4 балла;

- довольно сильные: 5 баллов;

- сильные: 6 баллов;

- очень сильные: 7 баллов;

- разрушительные: 8 баллов;

- опустошительные: 9 баллов;

5) Определим степень разрушений всех элементов производства, оказавшихся в зоне III на удалении 150 м:

а) здание цеха - сильные разрушения;

б) станки средние - сильные разрушения;

в) краны и крановое оборудование - сильные разрушения;

г) кабельные наземные линии - средние разрушения;

д) всё оборудование и сооружения, оказавшиеся в зоне I

(r_I = 30 м и ∆Р_ф = 1700 кПа) и в зоне II (r_II =51м и ∆Р_ф > 300 кПа), будет полностью разрушено. Здание цеха, оказавшееся в зоне III, и находя­щиеся в нём станки получат сильные разрушения и ремонту не под­лежат; краны и крановое оборудование, кабельные наземные линии могут быть введены в строй после капитального ремонта.