РД 03-409-01 "Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей" (утв. постановлением Федерального горного и промышленного надзора России от 26 июня 2001 г. N 25) (с изменениями и дополнениями) (прекратила действие)

РД 03-409-01
"Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей"
(утв. постановлением Федерального горного и промышленного надзора России от 26 июня 2001 г. N 25)
(с изменениями и дополнениями)

ГАРАНТ:

Настоящая Методика фактически прекратила действие

Приказом Ростехнадзора от 20 апреля 2015 г. N 159 постановление Госгортехнадзора России от 26 июня 2001 г. N 25 признано не подлежащим применению

См. Руководство по безопасности "Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей", утвержденное приказом Ростехнадзора от 20 апреля 2015 г. N 159

Введение

Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (далее - Методика) позволяет провести приближенную оценку различных параметров воздушных ударных волн и определить вероятные степени поражения людей и повреждений зданий при авариях со взрывами топливно-воздушных смесей.

Методика рекомендуется для использования:

при определении масштабов последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей;

при разработке и экспертизе деклараций безопасности опасных производственных объектов.

Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей разработана Научно-техническим центром по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России (НТЦ "Промышленная безопасность") совместно со специалистами ИХФ РАН. В Методике использованы действующие стандарты, отчеты о НИР, выполненные НТЦ "Промышленная безопасность", и другие источники [1-15].

В разработке Методики принимали участие д.ф.-м.н. Б.Е. Гельфанд, д.ф.-м.н. С.Б. Дорофеев, д.т.н. В.И. Сидоров, д.т.н. А.С. Печеркин, к.ф.-м.н. А.М. Бартенев, к.ф.-м.н. В.Ф. Мартынюк, к.ф.-м.н. M.B. Лисанов, к.т.н. А.А. Агапов, к.ф.-м.н. В.П. Сидоров, С.И. Сумской.

Принятое сокращение

ТВС - топливно-воздушная смесь.

Используемые обозначения

- скорость звука в воздухе, м/с;

- концентрация горючего вещества в облаке ТВС, ;

- стехиометрическая концентрация вещества в смеси с воздухом, ;

Е - эффективный энергозапас ТВС, Дж;

I - импульс волны давления, ;

- импульс фазы сжатия, ;

- импульс фазы разрежения, ;

- импульс отраженной волны давления, ;

- импульс отраженной волны разрежения, ;

- безразмерный импульс фазы сжатия;

- декремент затухания;

- декремент изменения давления в отраженной волне;

- масса горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС, кг;

- избыточное давление, Па;

- амплитуда волны давления, Па;

- амплитуда волны разрежения, Па;

- амплитуда отраженной волны давления, Па;

- амплитуда отраженной волны разрежения, Па;

- атмосферное давление, Па;

- безразмерное давление;

- пробит-функция повреждений стен промышленных зданий;

- пробит-функция разрушения промышленных зданий;

- пробит-функция длительной потери управляемости у людей (состояние нокдауна);

- пробит-функция разрыва барабанных перепонок у людей;

- пробит-функция отброса людей волной давления;

R - расстояние от центра облака ТВС, м;

и - вспомогательный безразмерный радиус;

- безразмерное расстояние от центра облака ТВС;

- скорость видимого фронта пламени, м/с;

W - тротиловый эквивалент взрыва ТВС, кг;

m - средняя масса человека, кг;

- удельная теплота сгорания газа, Дж/кг;

t - время процесса, с;

b - корректировочный параметр, характеризующий фугасные свойства ТВС;

l - параметрическое расстояние;

s - степень расширения продуктов сгорания;

- длительность фазы сжатия, с;

- длительность фазы разрежения, с;

- длительность отраженной волны давления, с;

- длительность отраженной волны разрежения, с.

1. Общие положения

1.1. Методика предназначена для количественной оценки параметров воздушных ударных волн при взрывах топливно-воздушных смесей, образующихся в атмосфере при промышленных авариях. При рассмотрении предполагается частичная разгерметизация или полное разрушение оборудования, содержащего горючее вещество в газообразной или жидкой фазе, выброс этого вещества в окружающую среду, образование облака ТВС, инициирование ТВС, взрывное превращение (горение или детонация) в облаке ТВС.

1.2. Методика позволяет определять вероятные степени поражения людей и степени повреждений зданий от взрывной нагрузки при авариях со взрывами топливно-воздушных смесей.

1.3. Предполагается, что в образовании облака ТВС участвует горючее вещество одного вида, в противном случае (для смеси нескольких горючих веществ) характеристики ТВС, используемые при расчетах параметров ударных волн, определяются отдельно.

1.4. Исходными данными для расчета параметров ударных волн при взрыве облака ТВС являются:

характеристики горючего вещества, содержащегося в облаке ТВС;

агрегатное состояние ТВС (газовая или гетерогенная);

средняя концентрация горючего вещества в смеси ;

стехиометрическая концентрация горючего газа с воздухом ;

масса горючего вещества, содержащегося в облаке, (если эта величина неизвестна, то ее расчет рекомендуется проводить согласно приложению 1 [15]);

удельная теплота сгорания горючего вещества ;

информация об окружающем пространстве.

1.5. Основными структурными элементами алгоритма расчетов (рис. 1) являются:

определение массы горючего вещества, содержащегося в облаке;

определение эффективного энергозапаса ТВС;

определение ожидаемого режима взрывного превращения ТВС;

расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных ударных волн для различных режимов;

определение дополнительных характеристик взрывной нагрузки;

оценка поражающего воздействия взрыва ТВС.

1.6. В приложении к Методике приведены примеры расчетов.

2. Определение основных параметров взрыва ТВС

2.1. Определение эффективного энергозапаса ТВС

Эффективный энергозапас горючей смеси определяется по соотношению

при (1)

или

при .

При расчете параметров взрыва облака, лежащего на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается. Для оценки объема газового облака ТВС можно воспользоваться простым соотношением:

.

Примечания: 1. Стехиометрическая концентрация горючего вещества в ТВС определяется из справочных данных или рассчитывается отдельно.

2. В случае если определение концентрации горючего вещества в смеси затруднено, в качестве величины в соотношении (1) принимается концентрация, соответствующая нижнему концентрационному пределу воспламенения горючего газа.

3. Теплота сгорания горючего газа в ТВС берется из справочных данных или оценивается по формуле

МДж/кг.

Корректировочный параметр для наиболее распространенных в промышленном производстве опасных веществ определяется из табл. 1.

4. Масса горючего газа, содержащегося в облаке ТВС, может задаваться в качестве исходного параметра или определяться исходя из условий развития аварий. При оценке последствий аварий массу рекомендуется определять согласно [15].

Таблица 1

Классификация горючих веществ по степени чувствительности

Класс 1		Класс 2		Класс 2		Класс 4
Особо чувствительные вещества		Чувствительные вещества		Среднечувствительные вещества		Слабочувствительные вещества
(Размер детонационной ячейки менее 2 см)		(Размер детонационной ячейки от 2 до 10 см)		(Размер детонационной ячейки от 10 до 40 см)		(Размер детонационной ячейки больше 40 см)
1	2	3	4	5	6	7	8
Ацетилен	1,1	Акрилонитрил	0,67	Ацетальдегид	0,56	Аммиак	0,42
Винилацетилен	1,03	Акролеин	0,62	Ацетон	0,65	Бензол	0,88
Водород	2,73	Бутан	1,04	Бензин	1	Декан	1
Гидразин	0,44	Бутилен	1	Винилацетат	0,51	Дизтопливо	1
Изопропилнитрат	0,41	Бутадиен	1	Винилхлорид	0,42	о-дихлорбензол	0,42
Метилацетилен	1,05	1,3-пентадиен	1	Гексан	1	Додекан	1
Нитрометан	0,25	Пропан	1,05	Генераторный газ	0,38	Керосин	1
Окись пропилена	0,7	Пропилен	1,04	Изооктан	1	Метан	1,14
Окись этилена	0,62	Сероуглерод	0,32	Метиламин	0,7	Метилбензол	1
Этилнитрат	0,3	Этан	1,08	Метилацетат	0,53	Метилмеркаптан	0,53
		Этилен	1,07	Метилбутилкетон	0,79	Метилхлорид	0,12
		ШФЛУ	1	Метилпропилкетон	0,76	Нафталин	0,91
		Диметиловый эфир	0,66	Метил этилкетон	0,71	Окись углерода	0,23
		Дивиниловый эфир	0,77	Октан	1	Фенол	0,92
		Метилбутиловый эфир	-	Пиридин	0,77	Хлорбензол	0,52
		Диэтиловый эфир	0,77	Сероводород	0,34	Этилбензол	0,90
		Диизопропиловый эфир	0,82	Метиловый спирт	0,52	Дихлорэтан	0,25
				Этиловый спирт	0,62	Трихлорэтан	0,14
				Пропиловый спирт	0,69
				Амиловый спирт	-
				Изобутиловый спирт	0,79
				Изопропиловый спирт	0,69
1				Циклогексан	1
				Этилформиат	0,46
				Этилхлорид	0,43
				Сжиженный природный газ	1
				Кумол	0,84
				Печной газ	0,09
				Циклопропан	1
				Этиламин	0,8

2.2. Определение ожидаемого режима взрывного превращения

2.2.1. Классификация горючих веществ по степени чувствительности

ТВС, способные к образованию горючих смесей с воздухом, по своим взрывоопасным свойствам разделены на четыре класса. Классификация горючих веществ приведена в табл. 1 [1, 2].

В случае если вещество отсутствует в табл. 1, его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в таблице веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества - относить его к классу 1, т.е. рассматривать как наиболее опасный случай.

2.2.2. Классификация окружающей территории

В связи с тем что характер окружающего пространства в значительной степени определяет скорость взрывного превращения облака ТВС и, следовательно, параметры ударной волны, геометрические характеристики окружающего пространства разделены на виды в соответствии со степенью его загроможденности.

Вид 1. Наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов сгорания с размером не менее трех размеров детонационной ячейки данной смеси. Если размер детонационной ячейки для данной смеси неизвестен, то минимальный характерный размер турбулентных струй принимается равным 5 см для веществ класса 1; 20 см - для веществ класса 2; 50 см - для веществ класса 3 и 150 см - для веществ класса 4.

Вид 2. Сильнозагроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий.

Вид 3. Среднезагроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк.

Вид 4. Слабозагроможденное и свободное пространство.

2.2.3. Классификация ожидаемого режима взрывного превращения

Известны два основных режима протекания быстропротекающих процессов - детонация и дефлаграция [3]. Для оценки параметров действия взрыва возможные режимы взрывного превращения ТВС разбиты на шесть диапазонов по скоростям их распространения, причем пять из них приходятся на процессы дефлаграционного горения ТВС, поскольку характеристики процесса горения со скоростями фронта меньшими 500 м/с имеют существенные качественные различия.

Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения определяется с помощью экспертной табл. 2 в зависимости от класса горючего вещества и вида окружающего пространства [4].

Таблица 2

Экспертная таблица для определения режима взрывного превращения

Класс горючего вещества	Вид окружающего пространства
	1	2	3	4
	Ожидаемый диапазон скорости взрывного превращения
1	1	1	2	3
2	1	2	3	4
3	2	3	4	5
4	3	4	5	6

Ниже приводится разбиение режимов взрывного превращения ТВС по диапазонам скоростей.

Диапазон 1. Детонация или горение со скоростью фронта пламени 500 м/с и больше.

Диапазон 2. Дефлаграция, скорость фронта пламени 300-500 м/с.

Диапазон 3. Дефлаграция, скорость фронта пламени 200-300 м/с.

Диапазон 4. Дефлаграция, скорость фронта пламени 150-200 м/с.

Диапазон 5. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением [4]:

, (2)

где - константа, равная 43.

Диапазон 6. Дефлаграция, скорость фронта пламени определяется соотношением [4]:

, (3)

где - константа, равная 26.

2.2.4. Оценка агрегатного состояния ТВС

Для дальнейших расчетов необходимо оценить агрегатное состояние топлива смеси. Предполагается, что смесь гетерогенная, если более 50% топлива содержится в облаке в виде капель, в противном случае ТВС считается газовой. Провести такие оценки можно исходя из величины давления насыщенных паров топлива при данной температуре и времени формирования облака. Для летучих веществ, таких, как пропан при температуре +20°С, смесь можно считать газовой, а для веществ с низким давлением насыщенного пара (распыл дизтоплива при +20°С) расчеты проводятся в предположении гетерогенной топливно-воздушной смеси.

2.3. Расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных ударных волн

После того как определен вероятный режим взрывного превращения, рассчитываются основные параметры воздушных ударных волн (избыточное давление АР и импульс волны давления I) в зависимости от расстояния до центра облака.

2.3.1. Детонация газовых и гетерогенных ТВС

Для вычисления параметров воздушной ударной волны на заданном расстоянии R от центра облака при детонации облака ТВС предварительно рассчитывается соответствующее безразмерное расстояние по соотношению [5, 6]:

. (4)

Примечание. Все соотношения также могут быть записаны в функциях аргумента . При принятых в Методике допущениях между и существует простая связь: .

Далее рассчитываются безразмерное давление и безразмерный импульс фазы сжатия .

В случае детонации облака газовой ТВС расчет производится по следующим формулам [8]:

; (5)

. (6)

Зависимости (5) и (6) справедливы для значений , больших величины и меньших . В случае величина полагается равной 18, а в выражение (6) подставляется значение .

В случае детонации облака гетерогенной ТВС расчет производится по следующим формулам:

; (7)

. (8)

Зависимости (7) и (8) справедливы для значений больших величины . В случае если , величина полагается равной 18, а величина .

2.3.2. Дефлаграция газовых и гетерогенных ТВС

В случае дефлаграционного взрывного превращения облака ТВС к параметрам, влияющим на величины избыточного давления и импульса положительной фазы, добавляются скорость видимого фронта пламени () и степень расширения продуктов сгорания ().

Для газовых смесей принимается , для гетерогенных - . Для расчета параметров ударной волны при дефлаграции гетерогенных облаков величина эффективного энергозапаса смеси домножается на коэффициент .

Безразмерные давление и импульс фазы сжатия определяются по соотношениям:

; (9)

(10)

Последние два выражения справедливы для значений , больших величины , в противном случае вместо в соотношения (9) и (10) подставляется величина .

Далее вычисляются величины и которые соответствуют режиму детонации и для случая детонации газовой смеси рассчитываются по соотношениям (5), (6), а для детонации гетерогенной смеси - по соотношениям (7), (8). Окончательные значения и выбираются из условий:

, . (11)

После определения безразмерных величин давления и импульса фазы сжатия вычисляются соответствующие им размерные величины [5, 6]:

; (12)

. (13)

3. Определение дополнительных характеристик взрыва ТВС

3.1. Профиль ударной волны

Характерный профиль ударной волны при взрыве ТВС показан на рис. 2.

Ниже показано, как определяются количественные характеристики дополнительных параметров ударной волны.

3.2. Параметры падающей волны при детонации облака газовой смеси

Параметры падающей волны при детонации облака газовой смеси рассчитываются последующим соотношениям [7-11].

Амплитуда фазы сжатия

. (14)

Амплитуда фазы разрежения

. (15)

Длительность фазы сжатия

. (16)

Длительность фазы разрежения

. (17)

Импульс фазы сжатия

. (18)

Импульс фазы разрежения

. (19)

Форма падающей волны с описанием фаз сжатия и разрежения в наиболее опасном случае детонации газовой смеси может быть описана соотношением

. (20)

Декремент затухания в падающей волне рассчитывается по соотношению

.

3.3. Параметры отраженной ударной волны

Для расчета параметров отраженной волны при ее нормальном падении на преграду используются следующие соотношения.

Амплитуда отраженной волны давления

. (21)

Амплитуда отраженной волны разрежения

. (22)

Длительность отраженной волны давления

. (23)

Длительность отраженной волны разрежения

. (24)

Импульс отраженной волны давления

. (25)

Импульс отраженной волны разрежения

. (26)

Общее время действия отраженных волн на мишень

. (27)

Форма отраженной волны с описанием фаз сжатия и разрежения с хорошей для практических целей точностью может быть описана соотношением

. (28)

Декремент затухания в отраженной волне рассчитывается по соотношению

. (29)

Соотношения (14)-(29) справедливы при значениях до 51,6.

3.4. Параметры волны при произвольном режиме сгорания

Импульсные характеристики падающих и отраженных волн не зависят от скорости взрывного превращения. Интенсивность и длительность действия ударных волн при рассчитываются по соотношениям предыдущего раздела. Возможность таких оценок основана на сравнении опытных данных с фактическими сведениями об авариях.

4. Оценка поражающего воздействия

При взрывах ТВС существенную роль играют такие поражающие факторы, как длительность действия ударной волны, и связанный с ней параметр импульс взрыва. Реальное деление плоскости факторов поражения на диаграмме импульс-давление на две части (внутри - область разрушения, вне - область устойчивости) не имеет четкой границы. При приближении параметров волны к границе опасной области вероятность заданного уровня поражен