"ВЫХОД" ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА ПАРОВОГО ОБЛАКА

12.4.5.2.

Под "выходом" понимается та часть химической энергии системы, которая высвобождается в виде энергии воздушной ударной волны (ВУВ). Уже давно известно, что энергия, выделяющаяся в результате сгорания обычных углеводородов, более чем в 10 раз превышает энергию взрыва обычного конденсированного ВВ.

___________________________________________________________________

В данной книге не рассматриваются с необходимой степенью подробности дефлаграционные процессы, за исключением случая ламинарного пламени, к которому, видимо, и следует отнести утверждение автора о "хорошей изученности" процесса дефлаграции. В применении к случаям взрывов при авариях промышленных предприятий под дефлаграцией обычно понимается горение парового облака с видимой скоростью порядка 100 - 300 м/с, которое приводит к появлению воздушных ударных волн с максимальной величиной избыточного давления порядка 20 - 100 КПа. - Прим. ред.

Сошлемся на цифры: тепловая энергия при горении пропана составляет примерно 5 ∙ 107 КДж/кг [Weast.1981], в то время как тепловая энергия, выделяющаяся при детонации ТНТ, составляет примерно 4,2 ∙ 106 КДж/кг [Kirk-0thmer,1980]. Однако строгое сравнение величин нежелательно, поскольку тепловая энергия, выделяющаяся, например, при возгорании ТНТ, намного больше энергии детонации и равна 1,5 ∙ 107 КДж/кг,* т. е. энергия детонации ТНТ составляет всего лишь 28% от тепловой энергии, выделяющейся при его сгорании. Из этого следует, что запас энергии углеводородного газа не может полностью перейти в энергию ВУВ. В действительности, чтобы принять данное соображение, необходимо также допустить существование идеального механизма преобразования химической энергии в механическую, в ходе которого конечная температура равна начальной и отсутствуют тепловые потери. Такой механизм до сих пор не обнаружен, несмотря на энергичные его поиски. Викема [Wiekema,1980] предполагает, что результаты, полученные в работе [Kogarko,1966], свидетельствуют о преобразовании 25% химической энергии в энергию детонационного взрыва. Это значение можно считать максимальным теоретическим "выходом" взрыва парового облака. Выраженная в единицах массы ТНТ, она составит примерно 2,5 - 3 т ТНТ на 1 т углеводорода.**

Фактически все эксперименты с дефлаграцией углеводорода массой менее 1 т продемонстрировали либо незначительные уровни избыточного давления, либо давление порядка нескольких сотен Па. С точки зрения "выхода" энергии эти экспериментальные исследования не дали каких-либо важных результатов. Однако известно немало примеров взрывов парового облака, в ходе которых имел место значительный "выход" энергии. В некоторых случаях оказалось возможным на основе анализа разрушений произвести ряд оценок и рассчитать ТНТ-эквивалент. В работе [Gugan.1979] представлены расчетные зависимости "выхода" энергии: от количества горючего материала и от характеристики, включающей термохимические свойства горючего материала (тепловыделение при сгорании, предел воспламенения и скорость горения). Явной корреляции результатов не наблюдалось, что можно объяснить неточностью данных (некоторые из них весьма сомнительны). Однако, используя зависимость "выхода" энергии от ТНТ-эквивалента, Викема [Wiekema.1984] обосновал зависимость увеличения "выхода" энергии от масштабов взрыва. В первом приближении такая оценка вполне справедлива, поскольку высвобождение незначительного количества энергии имеет нулевой "выход". Однако диаграмма Викема свидетельствует

*Автор имеет в виду энергию, выделяющуюся при полном сгорании ТНТ в кислороде, которая превышает энергию детонации вследствие недостатка молекулярного кислорода в ТНТ и других ВВ с отрицательным кислородным балансом. Из этого сравнения не следует правильное утверждение о том, что не весь запас энергии углеводорода в паровом облаке может перейти в энергию воздушной ударной волны. - Прим. ред.

**По современным представлениям [Борисов, 1986] максимально возможный КПД взрыва парового облака (т.е. отношение энергии воздушной ударной волны к химической энергии смеси) составляет около 40%. Остальная часть энергии остается в нагретых продуктах детонации и частично в разогретом ударной волной воздухе. Сравнение с ТНТ необходимо проводить отдельно по давлению и по импульсу ударной волны: соответствующие максимальные величины равны 5 и 8 т ТНТ на 1 т углеводорода. Такой выход вовсе не всегда достигается при авариях промышленных предприятий вследствие значительных отклонений локального состава облака от стехиометрического. - Прим. ред.

о почти 60%-ном "выходе", что в два раза превышает оценку явления детонации!*

Проблема лишь частично состоит в сложности действительно научной оценки ТНТ-эквивалента. Применительно к составлению характеристики разрушения трудности связаны с оценкой размеров утечки, определением объема паровой фазы утечки и количества пара, уровень концентрации которого находится в пределах воспламенения, а также количества пара, участвующего в быстром превращении.

На примере аварии 19 июля 1974 г. в Декейторе (шт. Иллинойс, США) (разд. 13.16) раскрыты некоторые из трудностей, а также показано, к каким обманчивым выводам можно прийти, если не проанализировать критически имеющиеся данные. Для грубой оценки, основанной на опыте автора настоящей книги, можно предположить, что при содержании 10 - 40 т горючего вещества в облаке пара энергия взрыва составит 4 - 6% энергии тепловыделения при сгорании. Данная величина эквивалентна примерно 0,5 т ТНТ на 1т углеводорода.

12.4.5.3. МАКСИМАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

Очень важно оценить вероятное значение максимального уровня избыточного давления, которое может быть достигнуто в результате взрыва парового облака. В статье [Marshall,1976] взрыв парового облака охарактеризован как нечетко центрированный взрыв, при этом максимальный уровень избыточного давления полагается равным 0,1 - 0,2 МПа. В последующей работе [Marshall,1976a] оценка максимального уровня избыточного давления снизилась до 0,1 МПа. Другие исследователи также рассматривали данные вопросы, что привело к появлению различных оценок. Так, в работе [Gugan,1979] полагается, что для разрушения двух резервуаров в случае аварии в Фликсборо уровень избыточного давления должен был составлять 1,5-1,7 МПа. Там же приведена диаграмма максимальных уровней избыточного давления, согласно которой при аварии в Фликсборо уровень составил 4,4 МПа. Данная информация вызвала резкое несогласие [Ale,1980; Fu,1980]. Авторы первой работы считают, что любое выведенное значение уровня избыточного давления, отражающее конечную стадию адиабатического состояния паровоздушной смеси при неизменном объеме и превышающее примерно 0,8 МПа, нарушает законы термодинамики. Данное утверждение не совсем верно. Существует достаточно доказательств, и теоретических, и эмпирических, согласно которым в результате детонации можно достичь уровня избыточного давления порядка 1,8 МПа [Bradley,1978]. К тому же это утверждение не согласуется с давно известным и хорошо изученным явлением "нагнетания давления", когда при постепенном уменьшении объема можно достичь уровня давления, в четыре раза превышающего значение, полученное при дефлаграции в резервуаре, к которому примыкает данный объем (вопрос подробно освещен в [Fitt,1981]).

______________________________________________________________

*Доля энергии, перешедшей в воздушную ударную волну при дефлаграции, в дальней зоне всегда меньше, чем при детонации. Так, для видимой скорости горения порядка 200 м/с она составляет около 30%. - Прим. ред.

Как отмечается в статье [Phillips,1981], законы термодинамики позволяют рассчитать максимальное среднее значение давления всей системы, а не максимальный уровень давления какой-либо ее части. Автор цитируемой статьи критикует точку зрения Гугана, однако неподвергает сомнению положения авторов работы [А1е,1980]. Он считает ошибочным методы, примененные Гуганом для вычисления уровней давления, достаточных для разрушения резервуаров. Однако Филлипс полагает, что внутри облака отрицательная фаза ударной волны, вновь проходящая через центр взрыва, вызывает взаимоналожение волны. Это приводит к появлению ограниченных зон повышенного давления, в которых может происходить разрушение покрытия; такие разрушения, по мнению Ругана, возможны при уровне избыточного давления больше 1 МПа.

В материалах [АСМН.1979] выражено мнение, согласно которому здания, находящиеся в непосредственной близости от возможных взрывов парового облака, должны выдерживать воздействия избыточного давления порядка 0,07 МПа продолжительностью до 20 мс.

В работе [Giesbrecht,1981] максимальный уровень избыточного давления на границе облака полагается равным примерно 0,03 МПа. Тот же уровень избыточного давления пара считается максимально достижимым при средней реактивности вещества [Wiekema.1984].

Вопросы, связанные с защитой зданий, детально рассматриваются в

гл. 20.

содержание .. 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 ..