Совершенствование технической системы обеспечения взрывоустойчивости зданий различного типа при взрывах газопаровоздушных смесей

В настоящее время повысились требования к обеспечению взрыво-устойчивости и взрывобезопасности существующих и строящихся взрывоопасных промышленных, транспортных и энергетических объектов. Это связано с необходимостью повышения уровня безопасности для персонала и оборудования на предприятиях и объектах в случае техногенной аварии и возникновением новых внешних угроз для потенциально опасных объектов, таких как атаки террористических организаций и вандализм.

К взрывоопасным объектам относятся: нефтеперерабатывающие предприятия, объекты, использующие в технологических процессах взрывоопасные вещества, в частности сжиженные углеводородные газы (СУГ), автозаправочные станции, тепло — электростанции, объекты газового хозяйства и др.

К особой группе взрывоопасных объектов относится газифицированный жилой фонд. Статистика показывает, что в настоящее время только в Москве газифицированными остаются 1 952 244 квартиры (это чуть больше 25 тысяч домов, то есть 80% всего жилого фонда).

Существует два основных направления обеспечения взрывобезопасности объектов, на которых возможен аварийный взрыв газопаровоздушных смесей (ГГТВС): профилактические мероприятия, направленные на предотвращение образования газо-паровоздушной смеси взрывоопасной концентрации и ее воспламенениямероприятия, обеспечивающие устойчивость строительных конструкций при аварийном взрыве ГПВС.

В настоящее время большое внимание уделяется профилактическим мероприятиям, которые снижают вероятность образования взрывоопасных смесей и их поджига. Но они не могут полностью исключить возможность реализации аварийного взрыва ГПВС.

О недостаточности только профилактических мероприятий свидетельствует статистика аварийных взрывов как у нас в стране, так и за рубежом. К сожалению, в нашей стране ввиду износа оборудования на объектах газовой и химической промышленности количество аварийных ситуаций, связанных со взрывным горением ГПВС, возрастает из года в год. В последнее время участились случаи взрывов газа в жилых домах. Достаточно отметить один из последних случаев взрыва бытового газа, произошедший в Москве (ул. Годовикова, 6) с человеческими жертвами и большим материальным ущербом.

Несмотря на это, законодательная и нормативная база России по обеспечению взрывобезопасности и взрывоустойчивости промышленных, энергетических и транспортных объектов имеет существенные недостатки.

Парадоксальная ситуация сложилась с декларациями по безопасности промышленных объектов. Ни в одной из них не отражен вопрос о нагрузках при взрыве газо-паровоздушной смеси. Однако в 90 случаях из 100 нагрузки превышают безопасный уровень в 3.12 раз, что приводит к разрушению зданий, оборудования и гибели людей.

Значительный ущерб вызван взрывами бытового газа в жилых зданиях, особенно тех, в которых окна оборудованы современными стеклопакетами. Однако газифицированные жилые здания не проектируются с учетом их взрывобезопасности и взрывоустойчивости.

Одним из самых эффективных мероприятий, снижающих взрывные нагрузки до безопасного уровня, как в России, так и за рубежом, является устройство сбросных проемов, оборудованных предохранительными конструкциями. Задача этих конструкций состоит в том, чтобы превратить замкнутое пространство в полузамкнутое и не дать давлению в помещении превысить 1.3 кПа.

О О.

0,03 кг/см или 300 кг/м). Именно при таком давлении человек не получает каких-либо серьезных травм, и воздействие на организм такого взрыва не выходит за рамки психологического. В подавляющем большинстве случаев, а в жилом фонде — в 100% случаев, задачи легкосбрасываемой конструкции возлагаются на окна.

Предохранительные конструкции (ПК), в частности, легкосбрасываемые конструкции (JICK), применяются на взрывоопасных промышленных объектах. Но в виду того, что нормативы по их применению носят рекомендательный характер, не учитывающий физические процессы вскрытия ПК, они не всегда обеспечивают взрывоустойчивость зданий и сооружений.

Проектирование и строительство новых взрывоопасных объектов, подразумевает под собой использование новых современных материалов и строительных конструкций. Например, в северных районах установка остекления в виде пластиковых стеклопакетов для обеспечения надежного теплосбережения является необходимостью. Однако, согласно нормативным документам, такое остекление не может выступать в качестве предохранительных конструкций в виду его высокой прочности.

Проблема горения газопаровоздушных смесей тесно связана с человеческими жизнями, большим материальным ущербом, поэтому она актуальна и ей уделяют большое внимание во всех экономически развитых странах.

В нашей стране исследованию газовой дефлаграции уделялось достаточно серьезное внимание как на академическом уровне (В.В.Азатян, В. С. Бабкин, Г. И. Баренблатт, А. А. Григорян, Я. Б. Зельдович, В. П. Карпов, Д.А.Франк-Каменецкий, Шмелев В. М. и др.) так и прикладном.

В приложении к решению практических задач газовая дефлаграция изучалась в нескольких научных и учебных заведениях. Среди них следует выделить Московский государственный строительный университет, основоположниками школы в котором являлись Н. А. Стрельчук и Г. Г. Орлов. Наряду с ними данное направление исследований развивали П. Ф. Иващенко, А. А. Комаров, В. В. Казеннов, А. В. Мишуев, Л. П. Пилюгин, и др. Начиная с 70-х годов в проблему взрывобезопасности активно включился ВНИИПО МЧС России (А.Я.Корольченко, В. В. Мольков, И. А. Болодьян, Ю. Н. Щебеко и др.).

В ходе анализа существующих способов обеспечения взрывоустойчиво-сти зданий с помощью предохранительных конструкций и проведенного патентного исследования было выявлено наиболее перспективное техническое решение, разработанное под руководством Стрельчука Н. А., принцип действия которого послужил основой для разработки легковскрываемого противовзрыв-ного устройства. Предлагаемое техническое решение представляет собой устройство для аварийного открывания оконного проема, включающее одинарный поворотный переплет с горизонтальным шарниром, закрепленным в верхней части проема. В нижней части проема устройство снабжено пружинным механизмом с предварительно сжатыми пружинами, которые высвобождают свою энергию при открывании запора, связанного с датчиком давления, который срабатывает при малом изменении давления в начальной стадии взрыва. Предложенное устройство обладает рядом недостатков: при срабатывании пружин переплет испытывает значительный динамический удар, что ставит под сомнение выполнение переплета светопрозрачнымрамная конструкция может открываться только наружу и тем самым становится непригодной для жилых газифицированных зданий, для которых по условию безопасности переплет должен открываться внутрь помещенияиспользование верхнего горизонтального шарнира, обязывает учитывать инерционность рамной конструкции, связанной с ее весомпружинный механизм может открыть переплет лишь на незначительный угол (не более 25%), дальнейшее вскрытие происходит под действием нарастающего избыточного давления, что может привести к разрушающим здание нагрузкампружинный механизм имеет открытый доступ, и может сработать при случайном на него воздействиимеханизм не может быть использован в помещениях с повышенной влажностью, т.к. пружины подвергаются коррозии, что значительно повышает коэффициент трения при их срабатывании.

Разработка предохранительной конструкции нового типа позволила исключить все вышеперечисленные недостатки.

Актуальность темы

диссертационного исследования обусловлена аварийными взрывами газовоздушных смесей внутри зданий и помещений объектов различного назначения, следствием которых являются человеческие жертвы и большой материальный ущерб, а также отсутствие на сегодняшний день технических систем, позволяющих значительно снизить ущерб от дефлаграци-онных взрывов и одновременно с этим удовлетворяющих таким требованиям современного строительства как прочность, энергонезависимость, надежность, теплоизоляция и использование современных строительных материалов.

Таким образом, актуальной является научная задача по выработке на основе теоретических и экспериментальных исследований решений, направленных на совершенствование технической системы обеспечения взрывоустой-чивости зданий различного типа при взрывах газо-паровоздушных смесей.

Целью работы является снижение ущерба при взрыве газопаровоздушных смесей на взрывоопасных объектах и разработка практических рекомендаций по использованию технических систем, обеспечивающих взры-воустойчивость взрывоопасных объектов.

Предметной областью исследования является совокупность технических средств обеспечения взрывоустойчивости строительных конструкций зданий при внутреннем аварийном взрыве газопаровоздушных смесей.

Объектом диссертационного исследования являются способы обеспечения взрывоустойчивости зданий различного типа при внутреннем де-флаграционном взрыве.

Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании решены следующие задачи:

Проведен анализ существующих способов обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий, на основе которого определены роль и место предохранительных конструкций в области защиты зданий и сооружений от разрушения при внутреннем дефлаграционном взрыве.

На основании современных требований к остеклению жилых и общественных зданий, а также взрывоопасных помещений разработаны требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий в случае внутреннего взрыва ГПВС.

Разработано техническое решение, направленное на обеспечение взрывоустойчивости зданий различного типа при внутренних дефлаграционных взрывах.

Проведен анализ решений, предложенных рядом ученых, определяющих функциональную зависимость избыточного давления от времени при взрыве ГПВС в помещении, сбросные проемы которого оборудованы предохранительными конструкциями. На основе этого анализа разработана математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскры-ваемыми противовзрывными устройствами (ЖГУ) и доказана ее адекватность.

Разработан макет помещения, оборудованного легковскрываемым про-тивовзрывным устройством.

На основе экспериментальных исследований на макете взрывного горения ГПВС уточнены расчетные параметры легковскрываемого противовзрыв-ного устройства.

Разработана методика расчета параметров легковскрываемых противо-взрывных устройств.

Разработаны рекомендации по применению легковскрываемых проти-вовзрывных устройств для обеспечения взрывоустойчивости сооружений при внутреннем взрыве газопаровоздушных смесей.

Определен подход к оценке эффективности предохранительных конструкций и произведен расчет экономической эффективности предлагаемого предохранительного устройства.

Решение перечисленных выше задач позволило впервые получить следующие научные результаты, составляющие научную новизну диссертационной работы:

1. Разработаны требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий, в случае внутреннего взрыва ГПВС.

2. Предложено техническое решение, обеспечивающее взрывоустойчи-вость зданий различного типа при внутренних дефлаграционных взрывах, состоящее в создании независимого от давления вскрытия и инерционности лег-ковскрываемого противовзрывного устройства, которое обеспечивает вскрытие сбросных проемов за определенный промежуток времени при заданном избыточном давлении внутри помещения с надежностью не ниже, чем у применяемых предохранительных конструкций.

3. Разработана математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами, и экспериментально доказана ее адекватность.

4. Разработана методика расчета параметров легковскрываемого противовзрывного устройства в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения.

5. Экспериментально и теоретически доказано, что использование ЛПУ обеспечивает неразрушающие нагрузки на строительные конструкции помещений при внутреннем дефлаграционном взрыве.

6. Разработаны рекомендации по применению легковскрываемого противовзрывного устройства для обеспечения взрывоустойчивости взрывоопасных сооружений при внутреннем взрыве газо-паровоздушной смеси.

Обоснованность научных результатов определяется проведенными патентными исследованиями, корректным и творческим использованием положений теории дефлаграционного взрыва, методов математического моделирования, статистического анализа и методик экспериментальных исследований.

Достоверность первого и второго научного результата подтверждается решением о выдаче патента на изобретение «Способ защиты зданий и сооружений от разрушения при взрыве газо-паровоздушной смеси и устройство для обеспечения взрывобезопасности помещения». Заявка № 2 005 126 983/03(30 229). Приоритет полезной модели 26 августа 2005 г.

Достоверность остальных научных результатов обосновывается проверкой полученных результатов расчетов путем сравнения с результатами экспериментов и оценками, полученных другими авторами, а также использованием системы экспертных оценок.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволили разработать техническую систему нового поколения, предназначенную для обеспечения неразрушающих нагрузок на строительные конструкции зданий при внутреннем дефлаграционном взрыве, подготовить практические рекомендации по их применению для обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений взрывоопасных объектов.

Внедрение результатов диссертационного исследования позволит: обеспечить взрывобезопасность и взрывоустойчивость аварийных объектовиспользовать современные материалы при реконструкции или проектировании взрывоопасных объектовсущественно снизить человеческие жертвы при аварийных дефлаграционных взрывах.

Материалы данной работы восполняют недостаток теоретических и практических данных, которые имеют место в исследуемой области в настоящее время.

Рамки исследования: режим взрывного горения — дефлаграция (видимая скорость горения газовоздушной смеси и&bdquo-= 1.100 м/с) — вытянутость помещения (отношение наибольшего линейного размера к наименьшему) не более 5.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном легковскрываемыми противовзрывными устройствами.

2. Теоретические и экспериментальные исследования легковскрываемого противовзрывного устройства.

3. Методика расчета параметров легковскрываемого противовзрывного устройства в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения.

4. Рекомендации по применению легковскрываемого противовзрывного устройства для обеспечения взрывоустойчивости зданий и сооружений при внутреннем взрыве газопаровоздушной смеси.

Основное содержание работы изложено на 158 стр., содержит 7 таблиц 49 рисунков, 1 приложение.

Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

В первой главе проведен анализ современных предохранительных про-тивовзрывных конструкций и определена роль ПК в обеспечении взрывобезо-пасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений различного типа. На основе анализа недостатков существующих ПК разработаны требования к техническим системам обеспечения взрывоустойчивости. Разработано техническое решение (принципиальная схема легковскрываемого предохранительного устройства), удовлетворяющее всем требованиям к техническим системам обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости.

Во второй главе проведен анализ существующих математических моделей дефлаграционного горения в помещениях как с учетом наличия предохранительных конструкций, так и без них. Проведенный анализ позволил определить математическую модель наиболее соответствующую реальным физическим процессам дефлаграционного горения и разработать на ее основе математическую модель дефлаграционного горения в помещениях, оборудованных легковскрываемыми противовзрывными устройствами.

В третьей главе разработана методика проведения экспериментальных исследований и показаны конструктивные особенности макета помещения, оборудованного легковскрываемым противовзрывным устройством на котором был проведен ряд экспериментальных исследований дефлаграционного горения. Проведен анализ результатов экспериментальных исследований и доказана работоспособность ЛПУ. Наряду с этим дан анализ результатов опытов, проводимых во взрывной камере со свободным сбросным проемом и со сбросным проемом, оборудованным предохранительными конструкциями поворотного типа.

В четвертой главе на основе анализа результатов экспериментальных исследований доказана адекватность предложенной математической модели дефлаграционного горения в помещениях, оборудованных легковскрываемыми противовзрывными устройствами. Определен подход к оценке эффективности предохранительных конструкций различного типа и доказана экономическая эффективность легковскрываемого противовзрывного устройства. Разработана методика расчета параметров ЛПУ в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения. Разработаны рекомендации по применению ЛПУ для обеспечения взрывоустойчивости и взрывобезопасности зданий различного типа.

Результаты исследований реализованы: при выполнении 3-х НИР:

Разработка и полигонные испытания противо-взрывных устройств на основе легко сбрасываемых конструкций, обеспечивающих взрывобезопас-ность и взрывоустойчивость промышленных и энергетических объектов при взрыве газопаро-воздушных смесей" (работа выполнялась на основании Тематического плана развития науки и технологий в интересах г. Москвы на 2005 г.);

Обследование взрывопожароопасных сооружений города Москвы и разработке компенсирующих мероприятий по их противовзрывной защите", (работа выполнялась на основании городской среднесрочной целевой программы «Пожарная безопасность города Москвы на 2005;2007 годы»;

Разработка мероприятий по обеспечению взрывоустойчивости зданий газифицированного жилищного фонда", (работа выполнялась на основании городской среднесрочной целевой программы «Пожарная безопасность города Москвы на 2005;2007 годы»;

На основании результатов исследования получено решение о выдаче патента на изобретение «Способ защиты зданий и сооружений от разрушения при взрыве газопаровоздушной смеси и устройство для обеспечения взрывобезопасности помещения». Заявка № 2 005 126 983/03(30 229). Приоритет полезной модели 26 августа 2005 г.

По теме диссертации опубликовано 15 научных трудов, из них 11 печатных.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на: VII Международном форуме «Высокие технологии XXI века», г. Москва. 2006 г.;

Второй международной конференции и выставке «Алюминий в строительстве», г. Москва. 2006 г.- VI Международном салоне инноваций и инвестиций, г. Москва. 2006 г.- Международной конференции «Технологии безопасности: системы, решения, рынки» в рамках XI Международного форума «Технологии безопасности», г. Москва. 2006 г.- IV выставке «Москва — город науки», г. Москва 2006 г.- 7-й специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», г. Москва. 2006 гнаучно-практической конференции в академии ФСБ, г. Москва. 2006 г.- трех военно-научных конференциях АГЗ МЧС России, на двух научных конференциях профессорско-преподавательского состава АГЗ МЧС России. — Новогорск: АГЗ МЧС России, 2005 и 2006 годы.

Выводы по главе:

1. Анализ результатов экспериментальных исследований легковскрываемого противовзрывного устройства показал работоспособность устройства и возможность обеспечения с помощью него неразрушающих нагрузок на строительные конструкции зданий в случае внутреннего взрыва ГПВС.

2. Разработанная методика расчета параметров ЛПУ в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения позволяет подобрать легковскрываемое устройство с оптимальными характеристиками для обеспечения неразрушающих нагрузок на строительные конструкции зданий и сооружений при внутреннем дефлаграционном взрыве.

3. Рекомендации по практическому применению ЛПУ могут выступать в качестве пособия по эксплуатации легковскрываемого устройства для персонала взрывоопасных объектов. Эксплуатация ЛПУ согласно предложенным рекомендациям обеспечивает надежное функционирование устройства и обеспечение взрывоустойчивости конструкций зданий и сооружений при внутреннем взрыве ГПВС.

4. Расчет экономической эффективности предлагаемого устройства проведенный согласно инструкции по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений СН 509−78, показал, что обеспечение взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий с помощью ЛПУ является экономически эффективным способом по сравнению с современными предохранительными конструкциями, имеющими аналогичные энергосберегающие и прочностные характеристики.

Заключение

.

Совершенствование конструкций предохранительных протнвовзрывных устройств вызвано множеством факторов. Главными из них являются: использование в жилых зданиях при строительстве и реконструкции стеклопакетов, обладающих значительной прочностьюзащита общественных зданий от последствий терроризма и вандализма, для чего на оконные стекла первых этажей наносится высокопрочная пленкаустановка двойного и тройного остекления во взрывоопасных промышленных зданиях в северных районах с целью уменьшения теплопередач.

Существующие предохранительные конструкции не могут в полной мере обезопасить здание и технологическое оборудование от разрушения при аварийном взрыве газопаровоздушных смесей. При этом взрыв ГПВС приводит, как правило, и к гибели людей.

Одним из условий сохранения целостности взрывоопасных зданий является снижение уровня взрывных нагрузок. Основными факторами, влияющими на величину взрывной нагрузки, являются: интенсификация горения, вызванная масштабным эффектом, начальной турбулизацией газовоздушной смеси и наличием во взрывоопасном помещении технологического оборудования, строительных конструкций и прочих препятствий на пути движения пламениобъемно-планировочное решение зданиядавление вскрытия предохранительных конструкций и время их вскрытиястепень загазованности помещения и распределение концентрации горючей смеси по объему помещения. Все эти факторы следует учитывать при назначении необходимой площади сбросных проемов и выборе конструктивного решения предохранительных устройств. К сожалению, действующая на территории РФ нормативная база в области взрывобезопасности, не учитывает многих физических процессов взрывного горения газопаровоздушных смесей при назначении конструкций противовзрывных устройств и необходимой площади сбросных проемов.

В настоящей работе был проведен анализ существующих способов обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий, на основе которого определены роль и место предохранительных конструкций в области защиты зданий и сооружений от разрушения при внутреннем дефлаграционном взрыве. Анализ показал, что современные противовзрывные устройства обладают рядом существенных недостатков, основной из которых это несоответствие существующих ПК современным требованиям к остеклению жилых и общественных зданий, а также взрывоопасных помещений.

В связи с этим на основании современных требований к остеклению жилых и общественных зданий, а также взрывоопасных помещений были разработаны требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий в случае внутреннего взрыва ГПВС. Соответствие ПК этим требованиям позволит значительно снизить риск разрушения строительных конструкций зданий при дефлаграционном взрыве.

Предложено техническое решение, направленное на обеспечение взрывоустойчивости зданий различного типа при внутренних дефлаграционных взрывах, состоящее в создании независимого от давления вскрытия и инерционности устройства, которое обеспечит вскрытие сбросных проемов за определенный промежуток времени при заданном избыточном давлении внутри помещения с надежностью не ниже чем у применяемых ПК. Новый тип ПК удовлетворяет всем современным требованиям к остеклению жилых и общественных зданий, а также взрывоопасных помещений.

На основе математической модели НТЦ «Взрывоустойчивость», определяющей функциональную зависимость избыточного давления от времени при взрыве в помещении с использованием обычных предохранительных конструкций разработана математическая модель взрывного горения в помещении, оборудованном новыми легковскрываемыми противовзрывными устройствами. Эта модель позволяет определить величину избыточного давления в помещении, в любой момент процесса взрывного горения.

Результаты экспериментальных исследований легковскрываемого противовзрывного устройства, показали работоспособность устройства и возможность обеспечения с помощью него неразрушающих нагрузок на строительные конструкции зданий в случае внутреннего взрыва ГПВС, а также доказали адекватность предложенной математической модели.

На основе экспериментальных исследований и анализа применения предохранительных конструкций разработаны мероприятия, обеспечивающие взрывоустойчивость сооружений при внутреннем взрыве ГПВС, которые позволяют минимизировать ущерб в случае внутреннего дефлаграционного взрыва.

Наряду с этим разработана методика расчета параметров ЛПУ в зависимости от характеристик взрывоопасного помещения. Данная методика предназначена для использования в качестве методического документа при выборе типа и характеристик легкосбрасываемых противовзрывных устройств на стадии проектирования зданий и при модернизации предохранительных конструкций на конкретных взрывоопасных объектах.

Предложены рекомендации по применению ЛПУ для обеспечения взрывоустойчивости сооружений при внутреннем взрыве ГПВС.

Определен подход к оценке эффективности предохранительных конструкций и произведен расчет экономической эффективности предлагаемого устройства, который показал, что обеспечение взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий с помощью ЛПУ является экономически эффективным способом.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что научная задача решена, и цель диссертационного исследования достигнута.

Направлением дальнейших исследований могут являться: разработка промышленного образца легковскрываемого предохранительного устройствапроведение натурных экспериментов с целью определения работоспособности и эффективности промышленного образца легковскрываемого противовзрывного устройства на реальных взрывоопасных объектахисследование научно-экономических показателей предлагаемого способа защиты зданий при внутренних дефлаграционных взрывах.