Газовоздушные смеси

Газовоздушные смеси (ГВС) образуются на ряде производств в нормальных или аварийных условиях и могут стать источником очень мощных взрывов. Наиболее опасны взрывы смесей с воздухом углеводородных газов (метана, пропана, бутилена, бутана, этилена и др.), а также паров воспламеняющихся жидкостей.

Взрывы ГВС могут происходить во внутренних полостях оборудования и трубопроводов, в помещениях (зданиях) в результате утечки газа, в емкостях для хранения и транспортировки взрыво- и пожароопасных веществ (резервуарах, газгольдерах, цистернах, грузовых отсеках танкеров) или на открытом пространстве при разрушении газопроводов, разливе и испарении жидкостей. Взрывы горючих газов с воздухом с тяжелыми последствиями происходят на шахтах.

Вероятность взрыва ГВС и его опасность определяются:

-пределами взрывной концентрации паров жидкостей и газов (при которых может возникнуть детонация) в процентах к объему ГВС, например, пропан 3-7%; пропилен 3.5-8.5%; этан 4.0-9.2%;

-температурой воспламенения - нижним пределом температуры, при которой возможно их воспламенение от постороннего источника зажигания (ацетон -18°С, спирт 13°С, бензол -1 1°С);

-плотностью паров и газов по отношению к плотности воздуха (ацетон 2, ацетилен 0,9, метан 0,55, бутан 2);

-температурой самовоспламенения (ацетон 610°С, бензин 150°С, этиловый спирт 465°С);

-минимальной энергией зажигания или эквивалентом критической энергии электрической искры, необходимой для инициирования детонации.

Вероятность взрыва ГВС зависит от целого ряда обстоятельств. Статистика показывает, что при авариях с образованием облака ГВС на открытом пространстве, случаи взрыва, случаи возникновения только горения (пожаров) и случаи отсутствия воспламенения равновероятны.

Воспламенение облака ГВС происходит при наличии источника зажигания. Первоначально скорость распространения пламени относительно не велика и составляет для большинства углеводородных газов 0.32-0.40 м/с. При столь малых скоростях горения образования взрывной волны не происходит. Однако в реальных условиях на процесс горения оказывают влияние множество факторов, вызывающих турбулизацию фронта пламени и ускорение его распространения.

Применительно к случайным промышленным взрывам при достижении скоростей распространения пламени 100-300 м/с возникает дефлаграционное горение, при котором генерируются взрывные волны с максимальным избыточным давлением 20-100 кПа. Продолжительность горения до достижения взрывного режима для газов составляет около 0.Iс. При дальнейшем ускорении горения дефлаграционые процессы могут перерасти в детонационные, скорость распространения которых значительно превышает скорость звука в воздухе и достигает 1-5 км/с.

Переходу к детонации способствуют различные препятствия на пути распространения пламени (строения, предметы, пересеченная местность). детонация ГВС может произойти и без стадии дефлаграционного горения, однако в этом случае необходим соответствующий источник энергетического воздействия (достаточный электрический разряд, взрыв детонатора и др.).

При больших объемах горючих газовых смесей, наличии источников турбулизации фронта пламени и отражении детонационной волны от препятствий давление за очень короткий промежуток времени (~мс) достигает высоких значений (~1.5 МПа).