ТЕОРИЯ ВЗРЫВА ПАРОВОГО ОБЛАКА

  Главная      Учебники - Промышленность     Основные опасности химических производств (Маршал В.К.) - 1989 год

 поиск по сайту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

12.4.3.

ТЕОРИЯ ВЗРЫВА ПАРОВОГО ОБЛАКА

12.4.3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Устойчивое, т. е. имеющее постоянный объем, пламя не вызывает значительного изменения давления. Однако это совсем не означает, что не происходит никаких явлений, связанных с изменением давления, хотя такие явления и не велики по масштабам и неспособны произвести какие-либо разрушения или привести к человеческим жертвам. Из-за действия сил плавучести поле давлений вокруг пламени не может быть абсолютно симметричным. В изображенном на рис. 12.3 вертикальном разрезе пламени видно, что силы давления в нижней части пламени направлены внутрь пламени, в то время как в верхней его части они направлены в сторону от пламени.

Рис. 12.3. Направления потоков вблизи пламени.

Используя уравнение сохранения энергии

Р = 0,5 ∙ q ∙ V2

где Р - сила давления на единицу площади, q - плотность газа, V - скорость газа, получим значение давления при максимальной скорости пламени, равной 6 м/с:

Р = 0,5 ∙ 0,2 ∙ 62 = 3,6 Па

Это равенство справедливо для значений скоростей, меньших скорости звука. При больших скоростях может значительно возрасти сжимаемость воздуха (или любого другого газа). На рис. 12.4 представлена зависимость между скоростью и давлением воздуха при скоростях, меньших скорости звука.

В статье [Brossard,1984], рассматривающей зажигание стехиометрических воздушных смесей ацетилена, этилена и пропана в специальных камерах, показано, что скорость пламени находится в пределах 11-16 м/с, а давление может достигать уровня, соответствующего зависимости, представленной на рис. 12.4. В цитируемой работе также показано, что, если взорвать аналогичные смеси с помощью заряда твердого ВВ, можно достичь уровня давления, на порядок превышающего ранее полученное значение. Данное положение более подробно рассмотрено ниже. Осознание того факта, что значительный уровень избыточного давления в неограниченном объеме обусловлен такими значениями ускорения пламени, которые не соответствуют современным представлениям, привело ряд исследователей к поиску альтернативного решения. В приложении к работе [Gugan,1979] достаточно подробно рассмотрены такие решения и те трудности теоретических изысканий, с которыми столкнулись исследователи при их поиске.

Рис. 12.4. Зависимость давления от скорости воздуха.

Позже от поиска решений отказались в основном благодаря растущей убежденности* в отсутствии такого явления, как полностью неограниченный взрыв парового облака.

 

 

12.4.3.2.

ВЛИЯНИЕ ОГРАНИЧЕННОСТИ ПРОСТРАНСТВА НА ВЗРЫВ ПАРОВОГО ОБЛАКА

При ограничении пространства, а также при условии, когда пламя охватывает значительную часть резервуара, могут происходить явления, характеризующиеся высоким уровнем избыточного давления. Таков, например, ранее рассмотренный газовый взрыв в ограниченном пространстве. В противном случае значение скорости пламени должно быть больше, чем та величина, которая указана в справочной литературе (например, для углеводородных газов она равна примерно 4 м/с). Проблема, связанная с взрывами парового облака, состоит в том, что они происходят на открытых пространствах и при этом пламя охватывает объем, незначительный по сравнению с объемом окружающих предметов (сооружений). Поэтому будет разумным ожидать, что объем пламени может свободно расширяться; по мнению специалистов, данное явление может происходить, на первый взгляд не вызывая значительного уровня избыточного давления даже при скорости пламени, большей 4 м/с.

____________________________________________________________________________________

*Отметим, что убежденность, о которой говорит автор, не имеет под собой достаточных оснований. - Прим. ред.

И наоборот, чтобы при взрыве парового облака скорость изменения объема (dV/dt) облака пара значительно увеличилась, что привело бы к высокому уровню избыточного давления, скорость пламени должна достигать скорости звука.

Обсуждение в гл. 8 огневых шаров ясно показало, что быстрое сгорание большого количества горючих веществ при определенных обстоятельствах может происходить, не вызывая высоких уровней избыточного давления. Используя приведенные в той же главе формулы для определения радиуса и длительности существования огневого шара, а также допуская, что воспламенение произошло в центре облака, получим среднее значение скорости пламени примерно равным 29/3,8, что составляет приблизительно 8 м/с. Эта величина ненамного отличается от значений скорости пламени углеводородных газов, приведенных в справочной литературе, но гораздо меньше тех значений, при которых достигается высокий уровень избыточного давления.

Из перечисленных соображений можно сделать следующий вывод: взрыв парового облака происходит только при ограничении пространства в достаточной степени, чем достигается требуемый уровень избыточного давления.

В работе [Pikaar.1984] сделано заключение: "Поведение парового облака в первую очередь определяют сооружения, попадающие в зону распространения облака... Для облаков пыли, перемещающихся вблизи поверхности земли, влияние сооружений еще более важно по сравнению с облаками, переносимыми воздушными потоками..." Далее приведены сведения, полученные из экспериментов, проводимых на открытой местности, после чего говорится следующее: "Основной вывод состоит в том, что, если поджечь облако сжиженного природного газа или паров пропана, перемещающееся по открытому пространству, процесс сгорания будет сопровождаться незначительным изменением давления (порядка сотен Па)... последние данные подтверждают мнение, согласно которому возбуждение детонации обусловлено эффектами, связанными с потоками в непосредственной близости от фронта пламени; так происходит, например, при частичном ограничении пространства, в результате чего несгоревшие пары проталкиваются через преграды и препятствия".

В работе [Zeeuwen,1984] представлены результаты экспериментов, в ходе которых на пути перемещения парового облака, содержащего 1 т пропана, помещались различные препятствия. В ходе экспериментов отмечалось следующее: ни вертикальное препятствие, в данном случае коллекторный трубопровод, ни горизонтальное не оказали существенного воздействия на изменение уровня давления при воспламенении. Однако, после того как вертикальный ряд коллекторных трубопроводов был покрыт стальными листами, скорость пламени достигла 66 м/с, а давление - примерно 2 КПа.

Продолжительность положительной фазы взрывной волны составила 200 - 450 мс.* При выходе пламени из зоны ограничения наблюдалось замедление его скорости. Таким образом, скорость пламени и давление вполне соответствуют значениям, отмеченным в некоторых случаях аварий.

В работе [Wiekema.1984] сделано следующее заключение: "Необходимым условием инициирования детонации при взрыве является наличие домов, сооружений, стен и т. д. Другими словами, наличие препятствий формирует необходимые условия для ускорения пламени".

Исследования, проведенные нами для других целей [Marshall, 1980], также подтверждают то, что наличие зданий и установок может усилить воздействие взрыва парового облака. В данном исследовании при сравнении зон разрушений в двух авариях: 19 июля 1974 г. в Декейторе (шт. Иллинойс, США) и 1 июня 1974 г. в Фликсборо (Великобритания) - оценивалось предположение, согласно которому результаты взрыва в Декейторе в 10 раз превышали масштаб разрушений такого хорошо изученного случая аварии, каким является авария в Фликсборо.

Анализ этих двух случаев аварий приведен в следующей главе, однако для целей данной главы необходимо обратить внимание на рис. 13.22, на котором представлена модель зоны разрушений в Фликсборо. Согласно рисунку, зона представляет собой грубый эллипс, большой радиус которого, направленный на северо-восток, в 2,4 раза больше малого радиуса, направленного на юго-запад. Из рис. 9.9 видно, что наибольшая плотность оборудования и установок на предприятии в Фликсборо характерна для северо-восточного направления от места утечки, в то время как в юго-западном направлении существовало "окно" относительно свободной территории предприятия.

В дополнение, для подтверждения основного предположения о том, что частичное ограничение пространства приводит к усилению взрыва парового облака, можно отметить, что цепь реакторов на предприятии в Фликсборо образовала каскад (рис. 12.5). Данный каскад был смонтирован на железобетонной основе, которая значительно ограничивала пространство снизу. Однако предположение о том, что наличие некоторых ограничений пространства является необходимым условием развития взрыва парового облака, еще не доказано. Оно будет рассмотрено в заключительных разделах данной главы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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