Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу - [20]
В случае аварии на радиационноопасном объекте к перечисленным выше опасностям следует добавить факторы радиационного облучения и световой вспышки. О поражающих воздействиях этих факторов много писалось в печати, поэтому они здесь не обсуждаются.
Приведенный выше сценарий комплексной аварии взрыво— и пожароопасного объекта в общем отражает реально наблюдаемые картины. Реализуемые на практике аварии, включая в себя основные описанные выше элементы, отличаются лишь деталями, соответствующими их специфике.
Ниже будут рассмотрены физические характеристики и опасные проявления аварий в виде взрыва, пожара и токсичного выброса.
2.1. Взрывы
Одними из типов катастроф на промышленных объектах являются взрывы. Под взрывом понимают мгновенное расширение газовоздушной смеси, в результате которого происходит скачок давления или ударная волна. Основное отличие между пожарами и взрывами состоит в скорости выброса энергии. Во время пожара энергия освобождается медленно, в то время как при взрыве происходит одномоментный выброс энергии, обычно в течении микросекунд. В результате взрывов создаются опасные условия для жизни человека и окружающей природной среды. Взрывы часто приводят к частичному или полному разрушению объекта, ранениям или гибели людей.
Различают два типа взрывов: физические взрывы и химические. При физическом взрыве высвобождающаяся энергия является внутренней энергией сжатого или сжиженного газа. Сила таких взрывов зависит от внутреннего давления, а разрушения могут быть вызваны ударной волной от расширяющегося газа или осколками разорвавшегося резервуара. Масса образующихся паров и скорость парообразования при этом определяется по материальным и тепловым балансам двух возможных аварийных ситуаций: 1) тепловыделение с парообразованием происходит при постоянном объеме; 2) за тепловыделением при сохранении объема следует расширение с сохранением теплового равновесия.
К физическим взрывам относят также явления физической детонации, при которых возникает смешение горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, вливание расплавленного металла в воду). Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающем в некоторых случаях тысяч атмосфер [103].
При химических взрывах энерговыделение обусловлено экзотермической реакцией между горючим и окислителем.
К опасным факторам взрыва (ОФВ), характеризующим его разрушительность, относят [104]:
• давление во фронте ударной волны;
• избыточное давление взрыва;
• среднюю и максимальную скорость нарастания давления при взрыве;
• дробящие или фугасные свойства взрывоопасной среды.
• Основными параметрами, характеризующими поведение процесса взрыва, являются:
• температура окружающей среды;
• давление в окружающей среде;
• состав взрывчатого вещества;
• физические свойства взрывчатого вещества;
• природа источника воспламенения: тип, энергия и длительность;
• геометрия окружающей среды: ограниченная или неограниченная;
• количество горючих материалов;
• время перед воспламенением;
• скорость выброса горючего вещества.
Поведение взрыва очень трудно охарактеризовать. Было принято много подходов к решению этой проблемы, включая теоретические, полуэмпирические и эмпирические исследования. Несмотря на эти попытки, поведение процесса понято еще не полностью. Поэтому в настоящее время используется подход, основанный на использовании экстраполяции результатов и обеспечивающий подходящий «запас безопасности».
К основным параметрам, характеризующим разрушающую способность взрывной волны, относят избыточное давление и импульс взрыва [77, 103]. В момент прихода взрывных волн t>a давление среды повышается до максимального. Затем за время t>a+Т>+ снижается до давления окружающей среды Р>o и продолжает снижаться до величины Р>o— Р>->s, а потом за общее время t = t>a + Т>+ + Т возвращается к исходному давлению Р>o. Области взрывных волн, давление в которых превышает давление окружающей среды, называют положительными фазами, их продолжительность t>+. Области, где давление ниже исходного, называют отрицательными фазами или фазами разряжения с продолжительностью t>- и амплитудой Р>->s.
Важнейшими параметрами взрывной волны являются положительные i>+>s и отрицательные i>->s удельные импульсы, определяемые как функции времени амплитуд избыточного давления, отнесенного к единице поверхности [77, 103]:
В большинстве случаев определяют параметры взрывной волны, связанные с положительной
фазой. Однако, иногда (например, при взрывах сосудов со сжатыми газами и протяженных источниках взрыва) параметры отрицательной фазы достигают высоких значений и важны при оценке разрушающей способности взрывной волны.
В области положительной фазы используются и такие важные параметры ударных волн, как плотность ρ и массовая скорость газа u за волной, скорость ударной волны u, динамическое давление
Последний показатель наиболее важен для оценки разрушающей способности ударной волны.
Параметры воздуха (газовой смеси) перед ударной волной и за ней определяются следующими уравнениями:
