Фізичні вибухи: розрахунок параметрів вибуху BLEVE

У виробничих технологіях часто доводиться умисно стискати як інертні, так і горючі гази, витрачаючи при цьому електричну, теплову або інші види енергії. При цьому стиснений газ (пар) знаходиться в герметичних апаратах різних геометричних форм і обсягів, і мас поряд з цим великий запас потенційної енергії. Розгерметизація апарату веде до вивільнення його потенційної енергії і вибуху. Внаслідок цього виникають сильні ударні хвилі, утворюється велика кількість осколків, що призводить до серйозних руйнувань і травм обслуговуючого персоналу.

Може статися ситуація, коли герметичний резервуар опиняється в осередку пожежі. В цьому випадку відбувається нагрівання його вмісту до температури, що істотно перевищує нормальну температуру кипіння, з відповідним підвищенням тиску. За рахунок нагріву незмочених стінок посудини зменшується межа міцності їх матеріалу, в результаті чого за певних умов виявляється можливим розрив резервуара з виникненням хвиль тиску і утворенням "вогняної кулі".

Розрив резервуара в осередку пожежі з утворенням хвиль тиску отримав у світовій практиці назву BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion – вибух пари, що розширюється, закипаючої рідини).

Можливість виникнення вибуху BLEVE для конкретної речовини, що зберігається в замкнутій ємності, залежить від багатьох параметрів. На першому етапі розрахунку визначається можливість виникнення при пожежі вибуху BLEVE, для чого визначається параметр 8 за формулою:

(3.8)

де С – питома теплоємність рідини в ємності, кДж/(кг К);

Тн – температура рідини, що відповідає температурі насиченої пари при тиску спрацьовування встановленого запобіжного клапана, К;

Tкип – температура кипіння рідини при атмосферному (нормальному) тиску, К;

Qвип – питома теплота випаровування рідини при температурі кипіння Ткип, кДж/кг.

Значення теплоти випаровування, температури кипіння і питомої теплоємності середовища в рідкій фазі при нормальному тиску наводяться в довідниках, або ж вони можуть бути взяті для деяких речовин за табл. 3.6.

Якщо в результаті розрахунку отримуємо, що 6<0,35, вибуху BLEVE не відбувається. В іншому випадку, при 6>0,35, ймовірність виникнення даного явища велика.

При руйнуванні стінок посудини з перегрітою рідиною тиск різко падає – від тиску в посудині Р (або тиску спрацьовування запобіжного клапана) до атмосферного тиску Р0. У результаті відбувається адіабатичне розширення середовища. Перегріта рідина починає різко випаровуватися з переходом у пару і з утворенням її у великої кількості, що викликає хвилю тиску. Параметрами хвилі тиску, що утворюється при вибуху BLEVE, є надлишковий тиск ∆Рв позитивній фазі хвилі тиску і безрозмірний імпульс і+ позитивної фази хвилі. Надлишковий тиск може бути знайдений за формулою М.О. Садовського:

(3.9)

Імпульс хвилі тиску знаходиться через приведену масу за формулою

(3.10)

де Р0 – атмосферний тиск, кПа. При розрахунках допускається приймати Р0 = 101,3 к Па;

r – відстань від геометричного центру газопароповітряної хмари до об'єкта, що розглядається м.

Теплофізичні властивості речовин при тиску 101,3 кПа

NON MULTA, SED MULTUM

Михайло Олександрович Садовський (1904–1994) – радянський геофізик-сейсмолог, спеціаліст з фізики вибуху, перший науковий директор Семипалатинського полігону. Учасник створення радянської атомної бомби. Член-кореспондент (1953), дійсний член АН СРСР (1996), з 1991 року- РАН. Більш як 30 років М.О. Садовський керував Інститутом фізики Землі АН СРСР, потім з 1989 року був його почесним директором. Чотириразовий лауреат Сталінської премії (1948,1949,1951,1953), лауреат Ленінської премії (1962), Герой Соціалістичної праці (1949).

Приведену масу рідкої фази речовини Мпр, кг, у формулах (3.9) і (3.10), яка бере участь у вибуху, визначають за формулою

де QА – теплова енергія, що виділяється при адіабатному розширенні рідини, що знаходиться в резервуарі, кДж;

(і0 – константа, що дорівнює 4,52 103 кДж/кг.

Величину енергії, що виділяється при вибуху, кДж, можна розрахувати за формулою

де Мж – маса рідини в резервуарі, кг;

СЕФ – константа, що дорівнює 0,5 кДж/(кг К);

Т – температура речовини в резервуарі в момент його вибуху, К;

Ткип – температура кипіння рідини при атмосферному тиску, К.

За наявності в резервуарі встановленого запобіжного клапана температуру речовини Тн, К, допускається розраховувати за формулою:

(3.11)

(3.12)

(3.13)

де А, В, СА – константи рівняння Антуана для даної речовини, які наведені в табл. 3.6;

Рк – тиск спрацювання запобіжного клапана, кПа. Константа А повинна відповідати тиску, вираженому в кПа.

ПРИКЛАД.

При пожежі в цеху в зоні осередку горіння виявився балон, в якому знаходилося 24 кг бензолу. В результаті нагрівання оболонка балона не витримала і зруйнувалася. Бензол випарувався, і його пара вибухнула. Температура пари бензолу в момент вибуху склала 500 К. Визначити, чи належить даний вибух до вибуху BLEVE? Який надлишковий тиск в позитивній фазі хвилі тиску створився на відстані 10 м від балона?

Розв'язання.

1. Визначимо, чи відноситься даний вибух до вибуху ВLEVЕ, для чого знайдемо параметр б за формулою (3.8):

де взяті з табл. 3.6 для бензолу при атмосферному тиску.

Оскільки параметр б = 0,623> 0,35, то станеться вибух ВLEVЕ.

Визначимо значення енергії, кДж, що виділяється при вибуху, за формулою (3.12):

де у відповідності з вихідними даними і рекомендаціями, наведеними вище, прийнято: Мж = 24 кг; СЕФ = 0,5 кДж/(кг-К); Т = 500 К.

3. Приведену масу бензолу, що бере участь у вибуху, кг, визначимо за формулою (3.11):

4. Знайдемо за формулою (3.9) надлишковий тиск в позитивній фазі хвилі тиску, кПа, який утворився на відстані 10 м від балона в момент його вибуху: