Оцінка стійкості об’єктів господарської діяльності до вибуху і землетрусу

4.2.1. Зонування території при вибусі газо-повітряної суміші поза приміщенням.

Однією із причин великих виробничих аварій і катастроф є вибухи, які на промислових підприємствах супроводжуються обвалом і деформаціями споруд, пожежами, виходами з ладу енергосистем.

Найчастіше спостерігаються вибухи котлів в котельнях, газів, апаратів, продукції і напівфабрикатів на хімічних підприємствах, пари бензину і інших складових палива, лакофарбовових розчинників, нерідкі випадки вибуху побутового газу.

Причинами вибухів газу, промислового (вугільного, дерев"яного пилу, газоповітряних сумішей) можуть служити відкритий вогонь, електрична іскра, в тому числі від статичної електрики.

Уражаючим фактором любого вибуху є ударна хвиля. Дія ударної хвилі на елементи споруд характеризуються складним комплексом навантажень: прямий тиск, тиск відбиття, тиск обтікання, тиск затікання, навантаження від сейсмовибухових хвиль.

Дію ударної хвилі прийнято оцінювати надлишковим тиском у фронті ударної хвилі DР (кПа).

Найбільш небезпечним і найбільш розповсюдженим явищем вибуху поза приміщенням є вибух парогазоповітряної суміші. Розрахунок точного значення надлишкового тиску при вибуху парогазоповітряної суміші в цьому випадку є надзвичайно складний. Це пов’язано з невизначинністю багатьох факторів, які впливають на утворення хмари суміші, це – напрямок і швидкість руху повітря при даній щільності забудови, стан турбулентності атмосфери, температура і вологість повітря і т.п. Тому можна говорити лише про оціночний характер розрахунків.

Одна з методик полягає у оцінці значення надлишкового тиску вибухової хвилі, яка виникає при вибуху суміші повітря з вуглеводневими газами: метаном, пропаном, бутаном, етиленом, пропіленом і т.п.

При вибуху газоповітряної суміші утворюються три зони:

Зона детонаційної хвилі з постійним значенням надлишкового тиску ΔР_І = 1700 кПа і радіусом

м, (4.8.)

де m – маса газу, що вибухнув (т);

Зона дії продуктів вибуху радіусом

м, (4.9.)

надлишковий тиск в межах зони змінюється згідно з формулою

кПа, (4.10.)

де r – відстань від епіцентру вибуху до даного об’єкту, що розташований у зоні. Надлишковий тиск у цій зоні змінюється в межах: від 1350 кПа до 300кПа.

Зона повітряної ударної хвилі r_ІІІ >r_ІІ. Значення надлишкового тиску у цій зоні знаходиться з наступних формул:

при Ψ ≤ 2, кПа, (4.11.)

при Ψ > 2, кПа, (4.12.)

де - допоміжний коефіціент (4.13)

Дана методика придатна для розрахунку значення надлишкового тиску в першій та другій зонах при вибуху газоповітряної суміші з масою газу, що перевищує 100 т. При меншій масі газу рекомендується використовувати формули для звичайних тротилових зарядів, або графічну залежність L(м) від маси продукту Q(т) (рис. 4.1.).

Рис.4.1. Залежність радіуса зовнішньої межі зони дії надлишкового тиску від кількості вибухонебезпечної газоповітряної суміші.

Слід зауважити, що питома теплота згоряння вуглеводневих сполук на порядок вища від тротилу, тому значення надлишкового тиску і енергія вибуху парогазоповітряної суміші також вищі, однак це справедливо тільки для ідеально змішаної стехіометричної суміші, на практиці ж погане перемішування призводить до того, що в реакції приймає участь лише близько десятої частини маси вуглеводневої сполуки, тому максимальне значення надлишкового тиску для різних сполук рекомендується використовувати з довідкової літератури, а при невідомих значеннях можна приймати ΔР = 900 кПа. Для визначення надлишкового тиску у фронті ударної хвилі при вибусі тротилу рекомендується використовувати формулу академіка М.А.Садовського

, (4.14.)

де m – маса тротилового заряда.

Очевидно, що дану формулу можна використовувати і при вибуху конденсованих вибухових речовин типу тротила.

Від впливу ударної хвилі на будови і споруди можуть утворитися різні ступені руйнувань. В залежності від величини надмірного тиску можуть виникнути повні, сильні, середні та слабкі руйнування, характеристика яких відображена у таблиці 4.2.

Для більш детального прогнозування пошкоджень окремих об’єктів або їх елементів треба користуватися таблицею 4.3. Людина також зазнає ушкоджень від впливу ударної хвилі (табл.. 4.4).

Методика оцінки стійкості ОГД до впливу ударної хвилі:

1. Визначаються значення r_І і r_ІІ.

2. По заданій відстані від епіцентру вибуху визначається зона, в якій розташований об'єкт.

3. Визначається значення DР в місці розташування об'єкта.

4. За табл. 4.2 визначається ступінь руйнування споруд.

5. З табл.. 4.3 визначається характеристика руйнувань.

6. Робляться пропозиції по підвищенню стійкості об'єкта.

4.2.1.1. Землетруси

Землетруси - коливання земної кори, що виникають у результаті вибухів у глибині землі, розламів шарів земної кори, активної вулканічної діяльності. Область підземного удару викликає пружні коливання (сейсмічні хвилі), що поширюються по землі у всіх напрямках. Звичайно коливання земної кори спостерігаються у вигляді поштовхів, їхнє число і проміжки часу між ними можуть бути різноманітними і мало передбачуваними. Землетруси захоплюють великі території і характеризуються руйнуванням будівель і споруд.

Хоча природа землетрусу різко відрізняється від природи вибухової хвилі, за наслідками дії його на промисловий об’єкт можна встановити певну аналогію між дією землетрусу і дією надлишкового тиску вибухової хвилі. Співвідношення між значенням надлишкового тиску у фронті ударної хвилі і силою землетрусу (у балах за шкалою МSK-64) наведено у таблиці 4.1.

Таблиця 4.1.

Землетруси — аналоги вибухів по степені руйнувань

елементів об’єктів (по надлишковому тиску)

Руйнування	Поражаючі фактори	Рф	Збитки
	Землетруси	урагани (смерчі)	кПа	%
	бали	бали	км/год	м/с
Повні	11-12				50 і >	90-100
Сильні	9-10	16-17		-	30-50	50-90
Середні	7-8	14-15	158-175	44-49	20-30	30-50
Слабкі	5-6	12-13	122-145	33-39	10-20	10-30
Легкі	4-5	9-11	79-110	21-29	0-10	-

Прогнозуючи силу землетрусу, можна за допомогою таблиці 4.2 визначити можливий ступінь руйнувань та запропонувати заходи по підвищенню стійкості об'єкта.

Допоміжні матеріали:

Таблиця 4.2

Ступені руйнувань елементів ОГД при різних значеннях надлишкового тиску ударної хвилі, кПа

Елементи об’єкта	Руйнування
слабке	середнє	сильне	повне
1. Виробничі, адміністративні та житлові будови
— масивні промислові будови з металевим каркасом і крановим обладнанням вантажопідйомністю 25-50 т	20-30	30-40	40-50	50-70
— те ж саме, з крановим обладнанням вантажопідйомністю 60-100 т	20-40	40-50	50-60	60-80
— бетонні та залізобетонні будови і будови антисейсмічної конструкції	25-80	80-120	120-200	>200
— будови з легким металевим каркасом та безкаркасної конструкції	10-20	20-30	30-50	50-70
— промислові будови з металевим каркасом та бетонним заповненням	10-20	20-30	30-40	40-50
— промислові будови з металевим каркасом та суцільним заповненням стін та даху	10-20	20-30	30-40	40-50
— багатоповерхові залізнобетонні будови з великою площею засклення	8-20	20-40	40-90	90-100
— будови зі збірнного залізобетону	10-20	20-30	30-50	50-60
— одноповерхові будови з металевим каркасом і стіновим заповненням з листового металу	5-7	7-10	10-15	>15
— те ж саме, з дахом і стіновим заповненням з хвильової сталі	7-10	10-15	15-25	25-30
— цегляні безкаркасні виробничо-допоміжні будови з перекриттям (покриттям) з залізобетонних збірних елементів одно- і багатоповерхові	10-20	20-35	35-45	45-60
— те ж саме, з перекриттям з дерев’яних елементів	8-15	15-25	25-35	>35
— будови фідерної або трансформаторної підстанції з цегли або блоків	10-20	20-40	40-60	60-80
— складські цегляні будови	10-20	20-30	30-40	40-50
—легкі склади-навіси з металевим каркасом і шиферним дахом	10-25	25-35	35-50	>50
— адміністративні багатоповерхові будови з металевим або залізобетонним каркасом	20-30	30-40	40-50	50-60
— цегляні малоповерхові будинки (один-два поверхи)	8-15	15-25	25-35	35-40
— звичайне засклення будов	0,5-1,0	1-1,5	1,5-3	-
— засклення будов армованим склом	1-1,5	1,5-2	2-5	-
2. Деякі види обладнання
— крани і кранове обладнання	20-30	30-50	50-70
— підйомно-транспортне обладнання		50-60	60-80
— стрічкові конвеєри в галереї на залізобетонній естакаді	5-6	6-10	10-20	20-40
— ковшові конвеєри в галереї на залізобетонній естакаді	8-10	10-20	20-30	30-50
— гнучкі шланги для транспортування сипучих матеріалів	7-15	15-25	25-35	35-45
— електродвигуни, потужністю до 2 кВт, відкриті	20-40	40-50	50-60	60-80
— те ж саме, герметичні	30-50	50-70	70-80	80-100
— електродвигуни, потужністю від 2 до 10 кВт, відкриті	30-50	50-70	-	80-90
— те ж саме, герметичні	40-60	60-75	75-85	85-100
— електродвигуни, потужністю 10 кВт і більше, відкриті	50-60	60-80	80-100	100-120
— те ж саме, герметичні	60-70	70-80	80-100	100-120
— трансформатори від 100 до 1000 кВт	20-30	30-50	50-60	>60
— трансформатори блочні	30-40	40-60	-	-
— контрольно-вимірювальна апаратура	5-10	10-20	20-30	>30
— електролампи у плафонах	-	-	-	10-20
— електролампи відкриті	-	-	-	5-7
— парові котли, парогенератори	50-70	70-100	100-150	>150
3. Технологічні та комунально-енергетичні споруди і мережі
— газгольдери та наземні резервуари для паливо-мастильних та хімічних речовин	15-20	20-30	30-40	>40
— підземні металеві та залізобетонні резервуари	20-50	50-100	100-200
— частково заглиблені резервуари	40-50	50-80	80-100	>100
— наземні металеві резервуари та ємності	30-40	40-70	70-90	>90
— відкрито розміщене обладнання артезіанських свердловин	70-110	110-130	130-170	>170
— водонапірні вежі	10-20	20-40	40-60	>60
— металеві вежі суцільної конструкції	20-30	30-50	50-70	>70
— трансформаторні підстанції закритого типу	30-40	40-60	60-70	70-80
— кабельні підземні лінії	200-300	300-600	600-1000	1000-1500
— кабельні наземні лінії	10-30	30-50	50-60	>60
— повітряні лінії високої напруги	25-30	30-50	50-70	>70
— повітряні лінії низької напруги	20-60	60-100	100-160	>160
— підземні сталеві трубопроводи на зварці діаметром до 350 мм	600-1000	1000-1500	1500-2000	>2000
— те ж саме, діаметром понад 350 мм	200-350	350-600	600-1000	>1000
— підземні чавунні та керамічні трубопроводи на розтрубах, асбоцементні на муфтах	200-600	600-1000	1000-2000
— трубопроводи, заглиблені на 20 см	150-200	250-350		-
— трубопроводи наземні				-
— трубопроводи на металевих та залізобетонних естакадах	20-30	30-40	40-50	-
— оглядові колодязі та засувки на мережах комунального господарства	200-400	400-600	600-1000
— мережі комунального господарства (вопровід, каналізація, газопровід) заглиблені	100-200	400-1000	1000-1500
4. Захисні споруди
— сховища, які стоять окремо, що розраховані на надлишковий тиск ударної хвилі 500 кПа	500-600	600-700	700-900	>900
— сховища, які стоять окремо та вбудовані, що розраховані на надлишковий тиск ударної хвилі 300 кПа	300-400	400-550	550-650	>650
— ті ж самі, що розраховані на 200 кПа	200-300	300-370	370-450	>450
— ті ж самі, що розраховані на 100 кПа	100-140	140-180	180-220	>220
— ті ж самі, розраховані на 50 кПа	50-70	70-90	90-110	>110
— протирадіаційні укриття (ПРУ), розраховані на 30 кПа	30-40	40-60	60-90	>90
— підвали без підсилення несучих конструкцій	20-30	30-60	60-80	>80
5. Засоби транспорту, будівельна техніка, мости, загати
— вантажні автомобілі і автоцистерни	20-30	30-55	55-90	90-130
— автобуси і спецавтомашини з кузовами автобусного типу	15-20	20-45	45-60	60-80
— гусеничні тягачі і трактори	30-40	40-80	80-110	110-130
— шосейні дороги з асфальтовим та бетонним покриттям	120-300	300-1000	1000-2000	2000-4000
— залізничні колії	100-150	150-200	200-300	300-500
— металеві мости з довжиною прольоту 30-40 м	50-100	100-150	150-200	200-300
— те ж саме, з прольотом 100 м і більше	40-80	80-100	100-150	150-200
— мости залізничні з прольотом 20 м	50-60	60-110	110-200	200-300
— те ж саме, з прольотом 10 м	50-100	100-350	350-380	380-400
— дерев’я ні мости	40-60	60-110	110-200	200-250
— бетонні греблі	1000-2000	2000-5000	5000-10000	>10000
— земляні загати ширинолю 80-100 м	150-700	700-1000	>1000

Таблиця 4.3

Характеристика ступенів руйнувань ударною хвилею елементів промислового об’єкта

Елементи об’єкта	Руйнування
слабкі	середні	сильні
Виробничі, адміністра-тивні та житлові будови	Руйнування найменш міцних конструкцій будинків, споруд і агрегатів: заповнень дверних і віконних прорізів, зрив покрівлі; основне устаткування ушкоджене незначно. Відбудовні роботи зводяться до середнього відбудовного ремонту.	Руйнування покрівлі, перегородок, а також частини устаткування, ушкодження підйомно-транспортних механізмів. Відновлення можливе при капітальному відбудовному ремонті з використанням збережених основних конструкцій і устаткування.	Значні деформації несучих конструкцій, руйнування більшої частини перекриттів, стін і устаткування. Відновлення елемента можливе, але власне, кажучи, зводиться до нового будівництва з використанням деяких збережених конструкцій і устаткування.
Промислове обладнання	Ушкодження шестірень і передавальних механізмів, обривши маховиків і важелів управління. Розрив приводних ременів. Відновлення можливе без повного розбирання, із заміною ушкоджених частин.	Ушкодження й деформація основних деталей, ушкодження електропроводки, приладів автоматики. Використання устаткування можливо після капітального ремонту.	Зсув із фундаментів, деформація станин, тріщини в деталях, вигин валів і осей, ушкодження електропроводки. Ремонт і відновлення, як правило, недоцільні.
Газгольдери, резервуари і ємності для нафтопродуктів, зріджених газів і хімічних продуктів	Невеликі вм'ятини на оболонці, деформація трубопроводів, ушкодження запірної арматури. Використання можливе після середнього (поточного) ремонту і заміни ушкоджених деталей.	Зсув на опорах, деформація оболонок, трубопроводів, ушкодження запірної арматури. Використання можливе після капітального ремонту.	Зрив з опор, перекидання, руйнування й деформація оболонок, обриви трубопроводів і запірної арматури. Використання й відновлення неможливе.
Технологічні та комунальні споруди й мережі	Часткове ушкодження стиків труб, контрольно-вимірювальної апаратури, верхньої частини стінок оглядових колодязів. При відновленні міняються ушкоджені елементи.	Розрив і деформація труб в окремих місцях, ушкодження стиків, фільтрів, відстійників, баків, вихід із ладу контрольно-вимірювальних приладів. Руйнування і сильна деформація резервуарів вище рівня рідини. При відновленні виконується капітальний ремонт із заміною ушкоджених елементів.	Руйнування й деформація більшої частини труб, ушкодження відстійників, насосного й іншого устаткування. Ушкодження запірної арматури. Відновлення неможливе.
Рухомий поїзд, автотранспорт, інженерна техніка, підйомно-транспортні механізми, кранове обладнання	Часткове руйнування і деформація обшивання й даху, ушкодження стекол кабін, фар і приладів. Потрібно поточний (середній) ремонт.	Руйнування кузовів, критих вагонів, ушкодження кабін (кузовів), відривання дверей і ушкодження зовнішнього устаткування, розрив трубопроводів систем живлення, охолодження й змащення. Використання можливе після ремонту із заміною ушкоджених вузлів.	Перекидання, відривання окремих частин, загальна деформація рами, руйнування кабіни (кузова, вантажної платформи), відривання й пошкодження радіаторів, крил, підніжок, зовнішнього устаткування двигуна. Використання неможливе, потрібно капітальний ремонт у заводських умовах.
Захисні споруди	Часткове руйнування ходу сполучення, що примикає до споруди, незначні зрушення й тріщини в з'єднаннях конструктивних елементів. Споруда придатна до повторного використання після розчищення входу.	Руйнування ділянки, що примикає до споруди, ходу сполучення, деформація і зсув стін, покрить, рам, дверей, без значного обвалення ґрунту й засипання ним внутрішніх приміщень. Для використання споруд по призначенню потрібно середній відбудовний ремонт.	Значна деформація основних несучих конструкцій, руйнування захисних дверей і внутрішнього устаткування, обвалення крутостей, завал входів ґрунтом. Відновлення й використання споруд для захисту людей неможливі.

Примітка: при повних руйнуваннях в будовах і спорудах повністю зруйновані всі основні несучі конструкції і перекриття, трубопроводи й кабелі розірвані, опори зруйновані, обладнання деформоване, відновлення елементів неможливе.

Таблиця 4.4

Дія ударної хвилі на людину

Величина надлишкового тиску, кПа	Види травм	Характер ураження
>100	Украй важкі	Одержувані травми дуже часто приводять до смертельного результату
60 – 100	Важкі	Сильна контузія всього організму, ушкодження внутрішніх органів і мозку, важкі переломи кінцівок. Можливі смертельні випадки.
40 – 60	Середньої важкості	Серйозні контузії, ушкодження органів слуху, кровотеча з носа й вух, сильні вивихи і переломи кінцівок.
20 - 40	Легкі	Легка загальна контузія організму, тимчасове ушкодження слуху, забиті місця й вивихи кінцівок.

4.2.2. Розрахунок стійкості до впливу ударної хвилі та землетрусу.

Вибух - це швидке виділення енергії в обмеженому об'ємі, що пов'язане з раптовою змі­ною стану речовини і супроводжується появою надлишкового тиску і, як правило, продуктів вибуху і руйнуванням середовища.

За критерій стійкості об'єкту до дії повітряної ударної хвилі приймається таке значення надлишкового тиску ΔР (кПа) у фронті ударної хвилі, при якому будівлі, споруди і обладнання зберігаються або дістають слабкі (середні) руйнування. Це значення надлишкового тиску прийнято вважати межею стійкості ОГД до дії ударної хвилі, ΔРlim.

Межа стійкості порівнюється з очікуваним максимальним значенням надлишкового тиску на території об'єкта, ΔРmax.

У разі, якщо ΔРlim ³ΔРmax.- об'єкт стійкий до дії ударної хвилі, при ΔРlim <ΔРmax -не стійкий.

На першому етапi визначається максимально можливе значення надлишкового тиску, ΔРmax в районі об'єкта (його елементів).

Другий етап (власне оцінка стійкості) включає:

- виявлення основних елементів інженерно-технічного комплексу об'єкта, від яких залежить нормальне функціонування підприємства;

- визначення надлишкового тиску ΔР, при якому основні елементи об'єкта отримують слабкі, середні, сильні та повні руйнування;

- визначення межі стійкості до дії ударної хвилі, ΔРlim, кожного із виявлених основних елементів об'єкта і об'єкта загалом (за найбільш вразливим елементом);

- оцінку ступеня і характеру руйнувань елементів інженерно-технічного комплексу об'єкта при ΔРmax.

Отже, вихідними даними для оцінки стійкості ОГД (його елементів) до дії ударної хвилі є:

- максимально можливе значення надлишкового тиску, ΔРmax на території об'єкта;

- характеристика об'єкта та його основних елементів.

На третьому етапі розробляються заходи по підвищенню стійкості роботи ОГД до впливу ударної хвилі.

4.2.2.1 Визначення максимально можливогозначення надлишкового тиску в районі об'єкта (його елементів).

А. При вибуху газоповітряної суміші вуглеводневих сполук

Як відомо, аварії на об'єктах з вибухонебезпечними технологіями можуть призвести до витікання в атмосферу газоподібних або розріджених вуглеводневих продуктів. При змішу­ванні вуглеводневих продуктів з повітрям утворюються вибухо- або пожежонебезпечні суміші - газоповітряні суміші (ГПС). Найбільш вибухо- і пожежонебезпечними є суміші з повітрям вуглеводневих газів: метану (СН₄) пропану (С₃Н₈), бутану (С₄Н₁₀) та ін. При вибуху ГПС утворюється осередок вибуху з ударною хвилею, яка викликає руйнування будівель, споруд, обладнання, інших елементів інженерно-технічного комплексу об'єктів.

Дата добавления: 2014-12-24