Орлов Г.Г. - Легкосбрасываемые конструкции для взрывозащиты промышленных зданий

Г.Г.Орлов

ЛЕГКОСБРАСЫВАЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

Москва

Стройиздат

1987

Орлов Г.Г. Легкосбрасываемые конструкции для взрывозащиты промышленных зданий. — М.: Стройиздат, 1987. -200 с: ил.

Рассмотрены причины, приводящие к взрывам горючих смесей внутри зданий. Изложен метод определения нагрузок, действующих на ограждающие конструкции при взрыве, и способ установления требуемой площади легкосбрасываемых конструкций и их конструктивные решения, а также области их эффективного применения. Приведена методика экономической оценки эффективности принимаемого варианта легкосбрасываемых конструкций для взрывозащиты зданий.

Для научных и инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций.

Табл., ил. 101, список лит.: 95 назв.

Печатается по решению секции литературы по строительной физике и  строительным   конструкциям  редакционного  совета  Стройиздата.

Рецензент:   канд.   техн.  наук   В.М.Панарин (ЦНИИпромзданий).

© Стройиздат, 1987

Предисловие

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года отмечается, что "Высшей целью экономической стратегии партии был и остается неуклонный подъем материального и культурного уровня жизни народа. Реализация этой цели в предстоящем периоде требует ускорения социально-экономического развития, всемерной интенсификации и повышения эффективности производства на базе научно-технического прогресса". Успешной реализации решений XXVII съезда КПСС будет способствовать увеличение числа построенных и введенных в строй промышленных и гражданских объектов. Благодаря этому значительно возрастет благосостояние народа. В перспективе предстоит огромный созидательный труд строителей по реконструкции и техническому перевооружению предприятий на базе внедрения новых высокоэффективных технологических процессов и оборудования.

В этих условиях большое значение приобретает сохранение создаваемых народом материальных ценностей от различного рода потерь, в том числе и от аварийных взрывов горючих смесей в производственных помещениях, что представляет собой важную народнохозяйственную задачу.

Взрывы вызывают не только прямые материальные убытки, связанные с разрушением строительных конструкций, технологического оборудования, но и не исключают травматизм и гибель людей в результате их поражения в основном обрушающимися конструкциями. Проблема защиты людей, оборудования и зданий строительными методами от взрывов горючих смесей внутри помещений имеет не только большое экономическое значение, но и социальное.

Взрывозащита промышленных зданий решается в основном по двум направлениям. Основным направлением является исключение возможности возникновения взрыва. В тех случаях когда это сделать с достаточной степенью надежности не представляется возможным, предусматривается защита зданий и сооружений строительными методами — применением легкосбрасываемых конструкций в наружном ограждении зданий с целью снижения нагрузок, действующих на ограждающие конструкции.

Обеспечение взрывозащиты промышленных зданий требует комплексного подхода к решению данной проблемы по оценке работы как легко-сбрасываемых конструкций в условиях взрыва, так и основных конструкций зданий взрывоопасных производств.

Наиболее важной задачей, требующей особого внимания при решении проблемы взрывозащиты, является определение требуемой площади легко-сбрасываемых конструкций, исходя из допускаемой в помещении величины максимального избыточного давления, возникающего в аварийной ситуации при взрыве горючих смесей с учетом объема помещения, степени заполнения его горючей смесью, вида горючей смеси и концентрации горючего в ней, степени интенсификации процесса взрывного горения в помещении, конструктивных   особенностей   легкосбрасываемых   и  основных   конструкций.

Решение проблемы сводится к тому, чтобы в результате проектирования зданий для взрывоопасных производств их конструктивное и компоновочное решения были такими, чтобы в случае взрыва внутри помещения повреждения были минимальными.

В нашей стране выполнена определенная работа по совершенствовании проектирования, строительства и эксплуатации зданий взрывоопасных производств. Отличительной особенностью возведения зданий взрывоопасны) производств является реализация требований Госстроя СССР о научном обосновании технических решений, направленных на взрывозащиту объектов народного хозяйства и обеспечение безопасности людей. Не случайно, что в решении поставленной проблемы увеличилась роль научных и проектных организаций.

Ведущая роль в решении вопросов взрывозащиты промышленных зданий принадлежит проблемной научно-исследовательской лаборатории разрушения строительных конструкций при объемных взрывах и отраслевой лаборатории взрывобезопасности промышленных зданий и сооружений при МИСИ им. В.В.Куйбышева. В решении данной проблемы активное участие принимают институты Госстроя СССР: ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, ЦНИИпромзданий, Госхимпроект, а также ВНИИПО и ВИПТШ МВД СССР. Руководящая роль в создании нормативных документов в области взрывозащиты принадлежит Главтехнормированию Госстроя СССР.

В книге сделана попытка обобщить имеющийся материал по вопросу взрывозащиты промышленных зданий и изложить метод, позволяющий производить комплексную оценку эффективности строительных мероприятий, направленных на обеспечение взрывозащиты зданий взрывоопасных производств при дифференцированном учете факторов для определения величины и характера нагрузок, возникающих при взрывном горении газовоздушной смеси, действующих на ограждающие конструкции при использовании легкосбрасываемых конструкций (ЛСК), располагаемых как в вертикальных, так и горизонтальных ограждениях сооружения с учетом конструктивных решений и параметров горючих смесей. Приведенный материал позволяет оптимизировать объемно-планировочные и конструктивные решения по проектированию промышленных зданий взрывоопасных производств.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЗРЫВООПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ

1.1. ПРИЧИНЫ ВЗРЫВОВ ВНУТРИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

Статистические данные свидетельствуют о том, что ущерб от взрывов в производственных зданиях во всем мире остается довольно большим и имеет тенденцию ежегодно увеличиваться. Этому способствует интенсификация и концентрация производств, повышение их энерговооруженности, введение новых веществ, взрывоопасные свойства которых подчас недостаточно изучены. Так, в США в период с 1900 по 1953 г. зарегистрировано 1100 взрывов (в среднем около 21 взрыва в год), с 1951 по 1960 г. -243 взрыва (в среднем 24 взрыва в год)   [71, 91] .

По данным американского страхового общества, на предприятиях страны в настоящее время ежегодные убытки составляют около 75 млн. дол. По сведениям национальной ассоциации по борьбе с пожарами США в 1970 г. материальный ущерб, причиненный взрывами и пожарами в американской промышленности, превысил 138 млн. дол. [64, 69, 84]. В Японии за период с 1968 по 1971 г. было зарегистрировано 4575 смертельных несчастных случаев, происшедших в результате взрывов и пожаров в различных отраслях промышленности. По данным английской национальной ассоциации противопожарной защиты, общие потери в результате производственных взрывов составили только в 1958 г. около 100 млн. дол. [77].

Взрывы чаще всего происходят в химической, нефтехимической, газовой, пищевой, энергетической и некоторых других отраслях промышленности, которые связаны с горючими газами, легковоспламеняющимися парами горючих жидкостей, взрывоопасными пылями.

Для производственных зданий, где возможны взрывы горючих смесей, наряду с мерами по их предотвращению принимаются меры по защите людей, оборудования и строительных конструкций в случае возникновения взрыва внутри помещения. Такое положение объясняется тем, что образование взрывоопасных концентраций происходит так быстро, что обслуживающий персонал, как правило, не в состоянии предотвратить взрыв.

Большая скорость распространения пламени и высокая температура, создающаяся при взрыве горючих смесей в помещении, приводят к резкому повышению давления внутри здания, разрушению элементов оборудования и строительных конструкций и остановке производства. Часто в результате взрывов большое количество людей теряют трудоспособность, а иногда и гибнут.

Многолетний анализ аварий, происходящих на предприятиях химической и нефтехимической промышленности в нашей стране и за рубежом, показывает, что большая часть аварий связана с образованием и взрывом парогазовых смесей, 1/2 часть которой приходится на производственные помещения и открытые установки. Несмотря на оснащение производственных объектов самыми современными средствами взрывозащиты, предотвращение взрывов не всегда представляется возможным. Основной ущерб производству и в том числе обслуживающему персоналу наносится за счет разрушения строительных конструкций.          

Из проанализированных 136 аварий, происшедших в различное время на предприятиях химической и нефтехимической промышленности, 86 аварий (взрывы в закрытых системах) вызваны неисправностью блокировок и приборов, 24 аварии (взрывы в наружных установках) произошли из-за отсутствия сигнализаторов взрывоопасных газов и соответствующих средств локализации выбросов газов в атмосферу, т.е. 110 взрывов можно было предотвратить, поэтому знание причин, которые приводят к аварийным взрывам, позволят заранее предусмотреть необходимые меры, направленные на предотвращение взрывов или их локализацию в производственных помещениях.

0тсутствие или ненадежность соответствующих средств противоаварийной защиты от загазованности ведут к взрывам газов в рабочих помещениях и на открытых установках. На основании проведенного анализа актов расследования аварий, результатов обследований производств, материалов, опубликованных в печати, установлено следующее:

1)   причины аварий эксплуатируемого оборудования;

2)   выявлены основные элементы оборудования, являющиеся источниками  образования  взрывоопасных смесей в помещении;

3)   распределены взрывы в зависимости от источников воспламенения газовоздушной смеси;

4)   сделана оценка взрывов по разрушающему воздействию на строительные конструкции и оборудование.

Причины взрывов в производственных помещениях приведены в табл. 1.1.

При эксплуатации взрывоопасных производств источником образования взрывоопасной среды в помещении является, как правило, технологическое оборудование. Знание элементов оборудования, которые наиболее часто являются источниками создания горючей среды, необходимо для разработки профилактических мероприятий по предупреждению взрывов и выбору методов защиты.

Например, горючие газы, находящиеся в технологическом оборудовании, в результате его разрушения могут попасть в производственное помещение. При повреждении корпуса аппарата или срыве крышки возможен мгновенный выброс горючего газа в помещение и образование взрывоопасной концентрации смеси за несколько секунд. При разрыве трубопровода происходит утечка горючей смеси, и в результате возможно образование взрывоопасной концентрации в помещении в течение нескольких минут. При медленной утечке газа, например через запорную арматуру, взрывоопасная смесь образуется в период времени, которого вполне достаточно для приведения в действие вытяжной вентиляции и других противопожарных и противовзрывных мер защиты. В каждом конкретном случае количество газа, попавшего в атмосферу помещения, может быть определено с некоторым допущением, если известен аппарат или группа аппаратов, которые относятся к вероятным    источникам    аварийного   образования   взрывоопасной смеси.

При   эксплуатации   взрывоопасных   производств   наибольшее количество взрывов происходит в результате нарушения правил безопасной эксплуатации производства и некачественно выполненных профилактических ремонтов оборудования, а также из-за несовершенства принятых решений в проектной документации и дефектов в элементах оборудования (15,1%). Часто причиной значительного числа аварий (12,4%) является некачественно выполненный монтаж технологического оборудования и неисправность контрольно-измерительной аппаратуры.

При оценке взрывоопасности производства необходимо также учитывать элементы оборудования, являющиеся источниками образования горючей смеси (табл. 1.2).

Чаще всего образование взрывоопасной смеси происходит из-за неудовлетворительной работы запорной, регулировочной аппаратуры и фланцевых соединений трубопроводов, поэтому время между профилактическими осмотрами и ремонтами запорной арматуры и стыков трубопроводов должно быть сокращено, профилактические осмотры и ремонты должны проводиться по специальным графикам.

Из актов происшедших аварий установлено, что взрывам с полным разрушением строительных конструкций предшествуют значительные повреждения емкостей, технологических колонн, компрессоров, насосов, трубопроводов, запорной арматуры, фланцевых соединений и образование в производственном помещении значительных объемов горючих смесей взрывоопасных концентраций.

При расследовании аварий трудно установить действительный источник воспламенения взрывоопасной смеси. В имеющихся материалах по аварийным взрывам в большинстве случаев указывается вероятный источник воспламенения, что в значительной мере затрудняет разработку обоснованных профилактических мероприятий. Наиболее вероятные источники воспламенения, установленные на основании изучения материалов расследования аварий, приведены в табл 1.3.

Анализ причин взрывов показывает, что чаще всего причиной взрыва является открытый огонь (22,1%), самовоспламенение при взаимодействии продукта с кислородом воздуха (15,7%), наличие нагретых поверхностей технологического оборудования (14,2%). Причиной взрывов может служить неисправность электрического оборудования (18,5%), искровые разряды статического электричества и соударение и трение металла о металл (7,5%).

Воспламенение горючей системы становится возможным только тогда, когда количество энергии, сообщенное системе (или частично объему), является достаточным, чтобы реакция горения могла дальше продолжаться и распространяться. Наиболее распространенным тепловым источником является электрическая искра. Воспламеняющая способность искры зависит от минимального объема газа, который она может нагреть до температуры воспламенения.

В канале электрического разряда развивается температура порядка 10000°С, значительно превосходящая Твоспл . Для воспламенения горючей смеси газов или паров горючих жидкостей с воздухом достаточно нагреть 0,5—1 мм3 этой смеси до температуры самовоспламенения. Открытое пламя вызывает во всех случаях воспламенение горючих газов и паровоздушных смесей так как температура открытого пламени (больше 1000°С) всегда превышает температуру самовоспламенения газов и паров (120-700 С) а количество выделяемой теплоты всегда больше, чем это требуется для нагрева 1 мм3 газовой смеси.

В промышленности при работе с электрическим током может произойти образование искры и дуги, в результате чего возможно воспламенение горючих смесей газов, паров и пылей с воздухом. Искры, образующиеся при разрядах статического электричества, характеризуются незначительной силой тока (тысячные доли миллиампера) , но уже при сравнительно невысокой разности потенциалов способны воспламенить большую часть горючих газов и пылей. От электрических дуг горючие смеси воспламеняются во всех случаях. Однако при напряжении до 1,5 В и силе тока до 40 мА, например, смесь метана или бензина с воздухом не воспламеняется. Таким образом, воспламеняющая способность электрических искр и дуг прежде всего зависит от количества энергии, которую могут они передать горючему веществу.

Минимальное количество энергии, необходимое для воспламенения бензина или паров других жидкостей, составляет 0,15 мДж, для водорода и ацетилена — 0,01 мДж. Для воспламенения смеси метана с воздухом нужна искра, обладающая энергией примерно 3,8 мДж.

Искры, возникающие в результате трения или удара, по сравнению с электрическими искрами представляют меньшую опасность, так как энергия этих искр, как правило, меньше, энергии электрических искр. Искры, возникающие при ударе (стали о сталь или камень), более опасны, чем искры, образующиеся при трении, так как при ударе происходит также нагрев и передача энергии газу в точке соприкосновения соударяющихся тел.

Искры,  возникающие при трении стали, представляют собой небольшие кусочки металла (диаметром 0.1-0.5 мм). оторванные пои механическом воздействии, частично окисленные и нагретые до  весьма  высокой температуры. Долгое время считалось, что температура   поверхности  частиц,  открываемых   при  истирании, определяется твердостью истираемого материала, поэтому искробезопасное оборудование нужно изготовлять из мягких металлов. Однако исследования показали, что некоторые мягкие металлы могут в определенных  условиях давать  взрывоопасные искры и наоборот существуют твердые сплавы, которые при истирании дают немногочисленные искры, не обладающие поджигающим свойством наиболее взрывчатых смесей. Способность металлов и сплавов   к  опасному  искрообразованию обусловливается   в первую очередь их химической природой а не твердостью.

Распределение взрывов по разрушающему воздействию на строительные конструкции и оборудование приведены в табл. 1.4, из которой видно, что большинство взрывов сопровождается частичным или полным разрушением строительных конструкций и оборудования. Это свидетельствует о важности рассматриваемой проблемы и необходимости профилактических мероприятий, в первую очередь, по предупреждению возникновения взрывов как внутри производственных объемов, так и от воздействия взрыва на оборудование и строительные конструкции.

Анализируя воздействие взрыва на строительные конструкции и оборудование, можно сделать следующие выводы:

1.   Взрывы при которых отсутствуют признаки разрушения оборудования и строительных конструкций зданий, носят, как правило, локальный характер Это взрывы незначительной интенсивности внутри технологического оборудования или небольших локальных объемов горючих смесей образовавшихся в результате проникания незначительных объемов газов, паров или пылей через неплотности в запорной арматуре, трубопроводах.

2.   Взрывы с частичным разрушением оборудования и строительных конструкций возникают как внутри оборудования, так и в объеме помещений, а величина разрушений зависит от типа горючей смеси, ее объема и концентрации. При взрывах внутри технологического оборудования небольшие разрушения конструкции происходят в местах ударов разлетающихся частей оборудования. Разрушения в этом случае проявляются в виде сквозных отверстий или деформации участков конструкций в местах воздействии ударяющихся частей элементов оборудования.