водств, интенсификацией производственных процессов, отставанием техники безопасности и методов защиты зданий от разрушений при взрыве горючих смесей, темпов развития технологии и насыщенности промышленных объектов веществами, способными образовывать взрывоопасные смеси с воздухом.

Основным признаком взрыва является мгновенное изменение давления, зависящего от температуры и объема продуктов горения. Если давление, возникающее в замкнутом объеме, полностью заполненном взрывоопасной смесью, и при полном ее сгорании при стехиометрической концентрации, обозначить рв, а начальное зна чение р0, то избыточное давление, возникшее в замкнутом объеме после взрыва, определится по уравнению

Лрв = р„-Ро, (22.1)

а при частичном загазовании по уравнению

Лрв=(Рв-Ро)-- . (22.2)

WnoM

где WCM - объем взрывоопасной смеси при стехиометрической концентрации, м3; WnoM - объем помещения, м3.

Абсолютное давление, воздействующее на ограждающие конструкции при взрывном горении смеси в замкнутом объеме, определяется по уравнению, выведенному Я. Б. Зельдовичем:

Р = Ро+(Рв-Ро) • (22-3>

wnoM

Если взрывоопасная смесь стехиометрической концентрации с числом молей п находится в замкнутом объеме при см- =1,

WnoM

то при поджигании смеси ее давление по сравнению с первоначаль-m Т„

ным увеличится в -• - раз: п Тн

(22.4)

р0 п Тн

где Тв - температура продуктов горения при взрыве, К; Т„ - начальная температура смеси, К.

Из уравнения (22.4) следует:

Рв=Ро- ~ . (22.5)

п Тн

Подставив в уравнение (22.2) полученное значение р„ имеем:

Ар.= Р.(- V""1 )-~- • (22.6)

\ п Ти J WnoM

В уравнении (22.6) величины тип определяются из реакции горения.

Пример. Определить максимально возможное избыточное давление на ограждающие конструкции помещения при взрывном горении метановоздушной и аце-тиленовоздушной смесей стехиометрических концентраций. Температуру продуктов горения при взрыве принять для метана равной 2235°С, ацетилена 2417°С. Температура в помещении до момента взрыва составляла 20°С.

Решение. Составляем реакции горения и определяем по ним значения m и п.

Для метана:

CH4+202+2-3,76N2 = C02+2H20+2-3,76N2; n = m.

Для ацетилена:

C2H2+2,502+2,5-3,76N2 = 2C02+H20+2,5-3,76N2; п==12,9 молей, т=12,4 молей.

Из уравнений (22.6) следует, что максимально возможное избыточное давле-

ние в замкнутом объеме следует ожидать при-2И =1. С учетом исходных

** пом

данных определяем его значения.

Для метановоздушной смеси:

Ар-10»( 2235+273 -1 W-lCma. Нв \ 20+273 /

Для ацетиленовоздушной смеси:

v* \ 12,9 20+273 /

Как видно из примера и анализа уравнения (22.6), возникающая при взрыве нагрузка на ограждающие конструкции может достигать сотен тысяч паскалей. Допустимое же давление для конструкций, при котором они сохраняют несущую или ограждающую способность, значительно меньше давления, развиваемого при взрыве. Данные, характеризующие степень разрушения конструкций и конструктивных элементов в зависимости от избыточного давления, возникающего при взрывах в производственных помещениях, приведены в табл. 22.1.

Таблица 22.1

Избыточное давление на конструкции, Па

Степень разрушения конструкций

Дрв<5-103 5-103<Дра<5-104

5-10*<Дрв<105

Др„>106

Разрушение остекления, легких перегородок, вскрытие легкосбрасываемых конструкций, дверей, ворот

Разрушение плит покрытия, перекрытий, кровли, кирпичных стен толщиной до 51 см, бетонных стен толщиной до 26 см

Разрушение зданий со стальным каркасом, кирпичных стен толщиной до 64 см, бетонных стен толщиной до 36 см

Полное разрушение кирпичных и железобетонных зданий

По степени разрушения строительные конструкции можно разделить на слабые, средние и сильные. Слабые разрушения наступают при нагрузках до 5 • 103 Па и характеризуются тем, что основные строительные конструкции не разрушаются. Происходит разрушение остекления, отрыв дверей, ворот, образуются трещины на внутренних перегородках, незначительно повреждаются технологическое оборудование, вентиляционные короба, сдвигается незакрепленное оборудование. При этом возможна эксплуатация здания после незначительного ремонта. Средние разрушения вызываются нагрузкой 5-Ю3 - 5-104 Па и характеризуются частичным разрушением несущих строительных конструкций, возникновением остаточных деформаций в несущих конструкциях; эксплуатация зданий возможна после проведения восстановительных работ. Сильные разрушения вызываются нагрузками, превышающими 5-104 Па.

При обеспечении взрывозащиты зданий необходимо стремиться к тому, чтобы избыточное давление, возникающее при взрыве, не превышало допустимого для конструкций. Снизить давление при взрывах в производственных помещениях до величин, безопасных для прочности и устойчивости основных несущих конструкций зданий, позволяет применение легкосбрасываемых конструкций. Схема изменения давления при взрыве в замкнутом объеме и при наличии легкосбрасываемых конструкций приведена на рис. 22.1. Скорость нарастания давления зависит от физико-химических свойств взрывоопасных смесей и объема помещения. Допустимое избыточное давление для конструкций при взрыве АРД0П может быть определено экспериментально или расчетом. Если применение легкосбрасываемых конструкций обеспечивает снижение нагрузок до 5-103 Па, то проверка несущей способности при взрыве существующих основных конструкций не нужна. При ДРД0П> >5-103 Па необходимо проводить расчет взрывоустойчивости конструкций, предусматривая в случае необходимости их усиление.

Рис. 22.1. Расчетная схема изменения давления при взрыве:

1 .. в замкнутом объеме; 2 - с легкосбрасы-ваемыми конструкциями

Легкосбрасываемые конструкции следует использовать в зданиях и помещениях с производствами категорий А, Б и Е. Их требуемая площадь определяется расчетом в соответствии с инструкцией по определению площади легкосбрасываемых конструкций, а при отсутствии расчетных данных - не менее 0,05 м2 на 1 м3 объема помещения с производствами категорий А и Е и не менее 0,03 м2 на 1 м3 объема помещения с производствами категории Б по пожарной опасности.

22.2 Расчет площади легкосбрасываемых конструкций

Различают фактическую площадь легкосбрасываемых конструкций F„.# и требуемую F„.Tp. Условия безопасности выполняются при

Fn"FB.Tp. (22.7)

Как правило, требуемая площадь легкосбрасываемых конструкций рассчитывается на единицу объема помещения. В этом случае общая требуемая площадь легкосбрасываемых конструкций определяется по уравнению

Fn.tp ==: Л.Трпом (22.8)

и будет предотвращать разрушение основных несущих и ограждающих конструкций только в том случае, если при расчете исходят из наиболее неблагоприятных условий с точки зрения обеспечения взрывобезопасности зданий. Например, скорость нарастания давле-

ния в помещении наблюдается наибольшей при горении стехиомет-рических концентраций взрывоопасных смесей и распространении фронта пламени по сфере. При этом полное время взрыва тв.п, при всех прочих равных условиях, будет наименьшим, а требуемая площадь легкосбрасываемых конструкций наибольшей, что будет удовлетворять во всех случаях заданным в расчете условиям без опасности.

В методике расчета приняты следующие теоретические предпо сылки и допущения:

предполагается, что взрывоопасная смесь равномерно распреде лена по всему объему помещения или его части с концентрацией, близкой к стехиометрической. Расчетный объем взрывоопасной смеси приводится к сферическому и определяется в соотвествиг с требованиями нормативных документов при стехиометрической концентрации. При отсутствии расчетных данных принимается, что весь свободный объем помещения заполнен взрывоопасной смесью:

инициирование взрывного горения смеси происходит в геометрическом центре объема помещения. Горение смеси распространяется по сфере;

до момента вскрытия легкосбрасываемых конструкций повыше ние давления внутри помещения определяется, как в замкнутом объеме;

изменение давления при взрыве в замкнутом объеме и при вскрытии легкосбрасываемых конструкций принимается в соответствии со схемой, приведенной на рис. 22.1. Принимается, что легко-сбрасываемые конструкции разрушаются мгновенно при достижении избыточного давления в помещении, равного Apaon. Процесс истечения газов из помещения через отверстия рассматривается как адиабатический.

При принятых расчетных условиях требуемая площадь легкосбрасываемых конструкций определяется из уравнения

Fa.rp = AWB/(v„CTTB), (22.9)

где AWB - избыточный объем продуктов горения, м3; v„CT - скорость истечения газов через отверстия, м/с; тв - расчетное время взрыва, с.

Удельная площадь легкосбрасываемых конструкций fn.Tp, отнесенная к единице объема помещения, определяется по уравнению

fn.TP = AWB/(vHCTTBWnoM). (22.10)

В уравнении (22.10) отношение величин AWB/WnoM представляет собой величину избыточного объема продуктов взрыва на единицу объема помещения AwB:

AWB/WnoM = AwB. (22.11)

В этом случае уравнение (22.10) представляется в следующем виде:

f«.Tp=AwB/(v«„TB). (22.12)

Уравнение (22.12), а также анализ предыдущих рассуждений показывают, что для определения требуемой площади легкосбрасываемых конструкций необходимо располагать следующими исходными данными: избыточным объемом продуктов горения при взрыве, отнесенным к единице объема помещения AwB, температурой продуктов горения при взрыве Тв, скоростью истечения газов через отверстия лгнот и расчетным временем взрыва тв.

Избыточный объем продуктов взрыва. За исходную формулу по определению избыточного объема продуктов взрыва примем уравнение (22.3). Разделив почленно левую и правую части этого уравнения на величину р0, получим:

Р-=1 + f.E« i ij см , (22.13)

ро \ Ро J WnoM

где р - абсолютное давление при частичной загазованности помещения, Па.

В соответствии с указаниями по определению категорий производств по взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности принимаем свободный объем производственного помещения равным 80% геометрического объема помещения. В этом случае уравнение (22.13) представляется в следующем виде:

L =1+ f-Ei-l ) WoM---. (22.14)

Ро \ Ро / 0,8 WnoM

Истечение газов при вскрытии легкосбрасываемых конструкций происходит в среду с давлением р0. В этом случае, пользуясь уравнением газового состояния, можно записать:

-.- =1+ ) w:; , (22.15)

0,8 WnoM V Ро ) 0,8 WnoM

где WB - объем продуктов взрыва при давлении, равном р0. Уравнение (22.15) преобразуется в следующий вид:

WB=0,8WnoM+ (- -1 ) W- (22.16)

С учетом допускаемого на конструкции давления объем газов,

0,8 WnoMPflon

остающихся в помещении, выражается отношением- ,

а избыточный объем продуктов взрыва определяется по уравнению