8.5.1 Методики розрахунків
Вибухом називають швидке екзотермічне хімічне перетворення вибухонебезпечного середовища, що супроводжується виділенням енергії і утворенням стислих газів, здатних проводити роботу.
Основними факторами середовища, що характеризують небезпеку вибуху для приміщень і обладнання, є:
- максимальний тиск вибуху;
- максимальна температура вибуху;
- швидкість наростання тиску при вибуху;
- тиск у фронті ударної хвилі.
До небезпечних і шкідливих факторів, що впливають на працюючих в результаті вибуху, відносять:
- обрушуються конструкції, обладнання, комунікації, будівлі і споруди та їх розлітаються частини;
Одним з найбільш важливих параметрів вибухопожежної небезпеки суміші газів, легкокипящих рідин і пилу з повітрям або іншими окислювачами є створюване під час вибуху надлишковий тиск вибуху DР.
Надмірний тиск вибуху для індивідуальних горючих речовин (горючих газів, парів легкозаймистих і горючих рідин), що складаються з атомів С, Н, О, N, Cl, Br, I, F, визначається за формулою, кПа
де - максимальний тиск вибуху стехіометричної газоповітряної або пароповітряної суміші в замкнутому об'ємі, яке визначається експериментально або за довідковими даними (при відсутності даних допускається приймати = 900 кПа); - початковий тиск, кПа (при розрахунках допускається приймати рівним 101 кПа); m - маса горючого газу або парів легкозаймистих і горючих рідин, що вийшли в приміщення в результаті порушення технологічного режиму або аварії, кг; Z - коефіцієнт участі горючої речовини у вибуху (приймати по табл. 8.19); - вільний об'єм приміщення (незайнятий обладнанням та меблями), який визначається через реальний обсяг приміщення. м 3
- щільність газу або пари горючої речовини при розрахунковій температурі. обчислюється за формулою, кг / м 3.
- молярна маса горючої речовини, кг / кмоль; - молярний об'єм, рівний 22,413 м 3 / кмоль; - розрахункова температура, о С.
В якості розрахункової температури слід приймати максимально можливу температуру повітря в даному приміщенні у відповідній кліматичній зоні або максимально можливу температуру повітря за технологічним регламентом з урахуванням можливого підвищення температури в аварійній ситуації. Якщо такого значення розрахункової температури з яких-небудь причин визначити не вдається, допускається приймати її рівною 61 о С; - стехіометрична концентрація горючих газів або парів легкозаймистих і горючих рідин за об'ємом, що обчислюється за формулою,%:
- стехиометрический коефіцієнт кисню в реакції згоряння; - число атомів вуглецю, водню, кисню і галоідов в молекулі горючої речовини; - коефіцієнт, що враховує негерметичність приміщення і неадіабатичність процесу горіння. При розрахунках допускається приймати = 3.
Таблиця 8.19. Значення коефіцієнта участі горючої речовини у вибуху
- теплоємність повітря, кДж / (кг × К). При розрахунках допускається приймати = 1,017 кДж / (кг × К); Z - коефіцієнт участі зваженої пилу у вибуху, який розраховується за формулою:
F - масова частка частинок пилу розміром менш критичного, з перевищенням якого аеровзвесь стає вибухобезпечної, т. Е. Нездатною поширювати полум'я. Значення параметра може бути знайдено за спеціальною методикою. За відсутності можливості отримання відомостей для розрахунку величини F допускається приймати Z = 0,5.
Досить часто на виробництві відбуваються аварії, що супроводжуються вибухом посудини, що містить стиснений газ. При цьому виникає проблема розрахунку потужності вибуху.
Потужність вибуху судини, заповненого стисненим газом, можна визначити за формулою, Вт:
де - робота вибуху, Дж; - час вибуху, с.
Роботу, яку здійснює стиснений газ під час вибуху, орієнтовно можна визначити за формулою, Дж:
де - обсяг судини зі стисненим газом, м 3; - тиск середовища, де знаходиться посудина, Па; - абсолютний тиск стисненого газу в посудині, Па; m - показник політропи розширення стисненого газу. При розрахунках приймають m = 1,2.
Гранично допустимий тиск РДОП. МПа, для бака повітрозбірника визначають за формулою:
де внутрішній діаметр безшовної труби D В. м; товщина стінки dс. мм; тиск, на яке розрахований матеріал повітрозбірника Ст20, Sдоп. МПа; температура зовнішнього повітря 293 К.
Основною небезпекою для судин повітряно-компресорних установок і повітропроводів є утворення вибухонебезпечних сумішей парів масла і повітря, а також утворення на внутрішній, поверхні повітропроводів окисної плівки масла.
Якщо концентрація парів масла в середовищі стисненого повітря достігает6 ... 11%, ця суміш може вибухнути при температурі близько 200 ° С і навіть при більш низькій температурі, коли застосовується низькоякісне компресорне масло.
Якщо в повітропроводах утворюються перекисні сполуки, вибух може статися при температурі приблизно +60 о С, а також від удару і струсу.
Розслідування аварій з судинами повітряно-компресорних установок показали, що правила безпечної експлуатації компресорних установок на тих підприємствах, де відбувалися аварії, не виконувалися, а саме:
а) мастило циліндрів компресорів проводилася маслом з низькою температурою спалаху (190 о С і нижче замість нормальної +240 о С), а в окремих випадках навіть неперевіреними маслом, незважаючи на пряму вказівку правил про необхідність перед застосуванням компресорного масла перевіряти його в лабораторії і охороняти від забруднень;
б) продування від масла повітрозбірників і масловіддільників проводилася нерегулярно, хоча правила зобов'язували проводити продування всіх судин компресорних установок кожну зміну;
в) через відсутність обвідних ліній і по виробничих умов збірники повітря не зупинялися і не очищалися періодично від масла, що має проводитися не рідше одного разу на півроку; теж не прочищають від масляних нашарувань повітропроводи і не проводилася промивка повітропроводів, розташованих між компресорами і ресиверами, що також повинно проводитися не рідше одного разу на 6 місяців;
г) в деяких випадках температура стисненого повітря внаслідок недостатнього охолодження в одноступінчатих компресорах перевищувала 160 ° С і в багатоступеневих +140 о С. Таким чином, температура стисненого повітря в повітропроводі мало відрізнялася від температури спалаху масла, хоча, згідно з правилами, ця різниця повинна бути не менш 75 ° С;
д) займання суміші парів масла з повітрям в компресорних установках іноді сприяла несправність фільтрів, пропускали з повітрям пил і іржу з труб підсосу повітря в компресор.
8.5.2 Завдання на розрахунок
Завдання 8.1. У складському приміщенні, розміри якого становлять А · В · Н, м 3. знаходиться в ємностях легкозаймиста рідина. В результаті розгерметизації однієї ємності з неї випливає в приміщення m. кг речовини, яка випаровується.
Таблиця. Початкові дані
8.5.3 Приклади виконання завдань
Завдання 8.1. У складському приміщенні, розміри якого становлять 10 · 8 · 4 м 3. знаходиться в ємностях легкозаймиста рідина - бензол. В результаті розгерметизації однієї ємності з неї випливає в приміщення 10 кг бензолу, який випаровується.
= 78,113 кг / кмоль; = 40576 кДж / кг.
При розрахунках було прийнято або розраховане:
= 900 кПа; = 101 кПа; m = 10 кг; Z = 0,3 (табл. 8.19);
= 0,8 × 10 × 8 × 4 = 256 м 3 (формула (8.57));
кг / м 3 (формула (8.58));
Надмірний тиск вибуху в приміщенні визначимо за формулою (8.56):
Завдання 8.2. Стався вибух повітрозбірника компресора, який має обсяг 0,3 м 3 і розрахованого на надлишковий тиск 0,5 МПа. Визначити потужність вибуху, якщо час дії вибуху склало 0,01 с при кінцевому тиску повітря в повітрозбірнику 1,2 МПа. Тиск атмосферного повітря становить 0,1 МПа.
Визначимо роботу стисненого повітря, вироблену в період вибуху, використовуючи формулу (8.64):
Тоді потужність вибуху повітрозбірника складе:
Завдання 8.3. Воздухосборник об'ємом 0,9 м 3. виготовлений з безшовної труби з внутрішнім діаметром D В = 0,3 м і товщиною стінки dс = 3 мм. Відомо, що компресор створює тиск РК = 0,8 МПа, змащується компресорним маслом М12 з температурою спалаху Тв = 489 К. При огляді повітрозбірника встановлено, що вибух стався не через ослаблення елементів конструкції.
При розрахунках для всіх варіантів прийняти: час вибуху tВЗ = 0,1 с; матеріал повітрозбірника Ст20; Sдоп = 400 МПа; температура зовнішнього повітря 293 К.
1. Визначаємо гранично допустимий тиск для бака повітро-збірки:
прийнявши мінімальний тиск вибуху РВЗ = 1,25Рдоп. отримаємо РСЗ = 8 × 1,25 = 10 МПа.
2. Розраховуємо потужність вибуху, прийнявши, що вся енергія витрачається на роботу вибуху (формула (8.63)), попередньо визначивши енергію стисненого газу АВЗ. Дж:
де t - час вибуху, с; m - показник адіабати, для повітря m = 1,41; РВЗ - тиск вибуху, МПа; V - об'єм повітрозбірника, м 3; Р0 - атмосферний тиск, 0,1013 МПа »0,1 МПа.
Можливими причинами вибуху можуть бути:
- завищення гранично допустимого тиску в посудині від джерела живлення. У нашому випадку це припущення не може служити причиною аварії, так як розраховане, що Рдоп = 8,0 МПа, а джерело живлення створює тиск всього 0,8 МПа, т. Е. В 10 разів менше допустимого;
- підвищення тиску за рахунок запалення масловоздушной суміші, викликаного підвищенням температури середовища, в зв'язку з несправністю системи охолодження компресора. Для перевірки даної пропозиції потрібно визначити температуру повітря після стиснення в компресорі
Т = 535 К, що більше температури спалаху масла Тв = 489 К.
Таким чином, тиск вибуху 10 МПа, потужність - 231 330 кВт. Найбільш імовірною причиною вибуху повітрозбірника є відмова системи охолодження компресора і підвищення температури середовища повітрозбірника понад Тв масла.