Розрахунок параметрів вражаючих чинників зон надзвичайної ситуації при вибухах газоповітряних, паливоповітряних сумішей у відкритому просторі.

Моделювання процесів формування небезпечних факторів при НС техногенного походження та навантажень на людину і середовище існування відбувається на основі аналізу характеру аварій, динаміки і вражаючої дії фізичних полів, що виникають при аваріях, шляхів поширення радіоактивних, небезпечних хімічних і біологічних речовин, формування дозових навантажень на людину, інші популяції та екосистеми. При оцінці небезпечних факторів НС необхідно моделювати та враховувати:

• – формування, поширення та вплив ударних хвиль і поля осколків, які розлітаються при вибухах, теплових потоків під час пожеж, а також електромагнітних і звукових полів, що утворюються при техногенних аваріях;
• – формування, поширення та вплив аварійних викидів, а також потрапляння небезпечних хімічних, радіоактивних і біологічних речовин у життєве середовище.

Під час прогнозування та оцінки ризику звичайно розглядається вплив на СГ ударних хвиль, утворених вибухом хмари пари вибухонебезпечної речовини, вибухом рідких і твердих речовин, а також вибухом ємності, яка перебуває під тиском. При аналізі ударних навантажень беруться до уваги наступні положення:

• – основними параметрами, за яких оцінюється вражаючий вплив ударної хвилі, є максимальний надмірний тиск, його інтегральна величина (визначається площею кривої зміни надмірного тиску згодом), час впливу надмірного тиску, тобто тривалість позитивної фази дії ударної хвилі, час повернення тиску до атмосферного, тобто тривалість негативної фази дії ударної хвилі вибуху на навколишнє середовище;
• – вибухи парогазової хмари, які відбуваються при аваріях, можуть бути двох видів: вибухи на відкритому вільному просторі, а також обгороджені вибухи, наприклад, у ємностях для зберігання речовин і інших замкнених об'ємах.

Вибухова ударна хвиля при вибуху першого виду характеризується відносно повільним підйомом тиску до пікового значення та великою тривалістю дії (звичайно кілька десятих часток секунди). Такі вибухи обумовлюють формування ударної хвилі з надмірним тиском порядку 0,1 МПа і не утворюють воронок. При повністю обгороджених вибухах більшість газів у суміші з повітрям при запаленні створюють надмірний тиск 0,8 МПа.

Вибухи рідких і твердих речовин, як правило, виникають при детонації вибухових речовин, наприклад, таких як тринітротолуол, органічні перехресні з'єднання й інші речовини. Для таких вибухів характерний різкий стрибок тиску з максимальною величиною надмірного тиску до 1000,0 МПа, коротка тривалість позитивної фази (від 1 до 10 мс).

Вибухи ємностей під тиском супроводжуються утворенням ударної хвилі, близької за своїм характером до вказаної вище для рідких і твердих речовин. Її особливість полягає в наявності набагато більшої негативної фази, за якою йдуть вторинні ударні хвилі. Енергія, що вивільняється при вибухах ємностей, переходить не тільки в енергію ударної хвилі, але й трансформується в кінетичну енергію осколків, які розлітаються. Необхідно зауважити, що на енергію вибухової хвилі припадає від 40 до 80% усієї енергії.

При оцінці обстановки, що виникає на об'єкті, де використовуються вибухо-, пожеженебезпечні речовини, важливо розрізняти випадки, коли аварія виникає в приміщенні чи поза приміщенням. Вибухи в приміщеннях приводять до більш тяжких руйнацій тому, що частка участі горючої речовини внаслідок виключення розпорошення, у вибуху значно більша. Також при вибухах у приміщеннях значну небезпеку для людей становить не стільки безпосередній вплив УХ, скільки вторинні впливи (уламки, бите скло тощо) при руйнуванні обладнання, котре там знаходиться, та конструкцій об'єкту.

Характерними рисами вибухів газоповітряних, паливо повітряних сумішей (ГПС, ППС) є: виникнення різних типів вибухів: детонаційного, дефлаграційного чи комбінованого (найбільш розповсюджений); утворення п'яти зон ураження: детонаційної (бризантної), дії продуктів вибуху (вогненної кулі), дії УХ, теплового ураження та токсичного задимлення; залежність потужності вибуху від параметрів середовища, у якому відбувається вибух (температура, швидкість вітру, щільність забудови, рельєф місцевості); для реалізації комбінованого чи детонаційного вибуху для ГПС і ППС обов'язковою умовою є створення концентрації продукту горіння в повітрі в межах нижньої та верхньої концентраційної межі (НКМ, ВКМ).

Детонація – процес вибухового перетворення речовини з надзвуковою швидкістю. Дефлаграція – вибухове горіння з дозвуковою швидкістю. Зона горіння – частина простору, у якій утворюється полум'я чи вогненна куля з продуктів горіння. Зона дії УХ – територія в межах якої можливі руйнування, пошкодження будівель та споруд, а також завдання шкоди людині через надмірний тиск УХ. Зона теплового ураження – частина простору, що примикає до зони горіння, у якому відбувається загоряння чи зміна стану матеріалів і конструкцій та вражаюча дія на незахищених людей. Зона токсичного задимлення – частина простору, що включає наведені вище зони.

Визначення параметрів вражаючих чинників зон надзвичайної ситуації. Розподіл радіусів зон осередку вибуху ГПС (ППС) подано на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Зони осередку вибуху ГПС (ППС)

1 – детонації, 2 – розсіювання продуктів вибуху, 3 – повітряної ударної хвилі.

Радіус зони детонаційної діїдорівнює:

де М – маса ГПС, ППС у резервуарі, кг. За М приймається 50% змісту резервуара при одиночному збереженні і 90% – при груповому. Надмірний тиск у фронті УХ в межах зоникПа.

Радіус зони дії продуктів вибуху

Надмірний тиск у зоні розльоту продуктів вибуху дорівнює:

де – відстань від центру вибуху до об'єкта, м.

Радіус дії ударної хвилі визначається за залежністю:

у зоні дії повітряної ударної хвилі () обчислюється:

За табл. 1.6 додатку 1 робиться висновок щодо ступеня руйнувань СГ. При вибуху технологічної установки, резервуара, паро-, газоповітряної хмари, вибухових речовин утвориться УХ, яка характеризується надмірним тиском, кПа, та імпульсом фази стиснення (), кПа-с, котрі негативно впливають на людей, будинки, споруди тощо. Імпульс фази стиснення дорівнює:

де – показник адіабати для повітря; а – швидкість звуку в повітрі, м/с.

де – приведена відстань, або , R – відстань від центру вибуху, т – маса газу (суміші).

Вибухи і вибухове дефлаграційне горіння, у всьому об'ємі, можливі також у приміщеннях вибухонебезпечних об'єктів, оскільки межі приміщення не дають можливості розширюватися продуктам горіння. Надмірний тиск вибуху для конкретних пальних речовин, що складаються з атомів С, Η, N, СІ, Br, I, F визначається за формулою:

де – максимальний тиск вибуху стехіометричної ГПС, ППС у замкнутому об'ємі, визначається за довідником. Якщо дані відсутні, то приймаютькПа;- початковий тиск у приміщенні, кПа (приймаютькПа); М – маса ГПС, що потрапила у приміщення в наслідок аварії, кг; z коефіцієнт участі пальної речовини у вибуху в приміщенні, дорівнює: 0,5 – для пальних газів, промислового пилу; 0,3 – для легко займистої речовини (ЛЗР) і пальних рідин, нагрітих до температури спалаху і вище та при температурі нижче температури спалаху при утворенні аерозолю;- вільний об'єм приміщення, м3; густина пари (газу) при, кг/м'1. визначається залежністю:

де- молярна маса речовини, г/моль; tn – температура повітря в приміщенні, °С;- коефіцієнт негерметичності приміщення і не адіабатичності процесу горіння, дорівнює 3;- стехіометрична концентрація газів чи пари, визначається за формулою:

де – стехіометричний коефіцієнт кисню в рівнянні реакції горіння, дорівнює:

де ( - кількість атомів С, Н, О та галогенів у молекулі пального).

Примітка: Стехіометричною сумішшю називають оптимальний склад речовин, у якому кількість компонентів відповідає формулі хімічної реакції горіння.

У реальних умовах для оперативних розрахунків доцільно використовують наступні співвідношення:

де – температура повітря в приміщенні до вибуху, К; – питома теплота вибуху ППС, ГПС, кДж/кг (табл. 1.7. додатку 1); – теплоємністю повітря,кДж/кг-К;- густина повітря до вибуху (при ), кг/м'; φ – коефіцієнт негерметичності приміщення і не адіабатичності процесу горіння, дорівнює 2,5. Для пальних газів з та t = 20°С формула (*) спрощується:

Радіус розкиду ГПС, ППС у приміщенні, м, розраховується за співвідношенням:

де – загальний об'єм приміщення, мл.

Примітка: – вибух у приміщенні можливий тільки за значення фактичної густини речовини в повітрі більше небезпечної густини;

• – якщо у приміщенні стався вибух з кПа, то воно, як правило, руйнується (частково або повністю);
• – вільний обсяг приміщення складає 80% від загального об'єму. Загальну характеристику впливу УХ на людину наведено у додатку 1 табл. 1.8. Ймовірність ураження того чи іншого ступеня при впливі УХ на людину можна визначити за шляхом використання відповідних формул пробіт-функції, наведених у таблиці 1.9. додатку 1.

Ймовірність руйнування будинків і споруд того чи іншого ступеня можна визначити з використанням формул пробіт-функції, поданих у таблиці 5.4. та таблиці 1.10. додатку 1.

Таблиця 5.4. Визначення імовірності ступеня руйнування будинків та споруд

При вибуху боєприпасів, резервуарів, газу (пари пальної рідини) усередині будинків утворюється поле осколків різного розміру і маси з різною дальністю розльоту, пробивною та забійною силою. Для орієнтованої оцінки вражаючої дії осколків звичайно приймають, що всі вони циліндричної форми, діаметромі довжиною котра дорівнює товщині вихідної оболонки . Товщина металевої перешкоди, що пробивається з 50%-й імовірністю та швидкість () осколка після перешкоди дорівнює:

де – межа динамічної текучості матеріалу перешкоди, Па;- щільність матеріалу, кг/м3;- швидкість осколків у перешкоди, м/с; індекси: 1 – осколок, 2 – перешкода.

Найменшу товщину залізобетонної перешкоди, при якій не відбувається пробивання, можна обчислити з співвідношення:

де – глибина проникнення осколку, м.

Здатність осколка вшзити людину визначається його кінетичною енергією, Дж. Осколок з кінетичною енергією Дж, здатний вразити людину і має назву "забійний осколок". Враження ударною хвилею незахищених людей. Ступень ураження визначається за таблицею 1.11 додатку 1, в залежності від величини надмірних тисків у фронті УХ. Розрахунок втрат людей в наслідок впливу УХ здійснюється за формулою:

де М – маса ГПС (ППС), т; Р – щільність населення, тис. чол/км2. Санітарні втрати визначаються за формулою:

Можливі втрати людей в зоні НС визначаються як математичне очікування (ОМ), що дорівнює сумі втрат персоналу об'єкта в залежності від ступеня його захищеності:

де – кількість людей в споруді, чол.; – відсоток втрат, знаходиться за табл. 1.12 додатку 1; п – кількість споруд на об'єкті.