Главная » Литература » Нагрузки и воздействия » Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. - Взрывные явления. Оценка и последствия: Книга 1
Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. - Взрывные явления. Оценка и последствия: Книга 1
Explosion Hazards and Evaluation
W. E. Baker, P. A. Cox, P. S. Westine,
J» J. Kulesz, R. A. Strehlow t
Elsevier Scientific Publishing Company
ВЗРЫВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Оценка и последствия
В 2-Х КНИГАХ
Книга 1
Перевод с английского под редакцией акад. Я. Б. ЗЕЛЬДОВИЧА, д-ра физ.-мат. наук Б. Е. ГЕЛЬФАНДА
Москва «Мир» 1986
Авторы: У. Бейкер, П. Кокс, П. Уэстайн, Дж. Кулеш, Р. Стрелоу
Переводчики: Б. С. Ермолаев, В. Г. Слуцкий, С. М. Фролов, Б. А. Хасаинов
Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х кн. В 40 Кн. 1. Пер. с англ./Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др.; Под ред. Я. Б. Зельдовича, Б. Е. Гельфанда. — М.: Мир, 1986. —319 с, ил.
Книга американских специалистов, рассматривающая оценки взрывоопасности, вызываемой выделением энергии при взрывах конденсированных веществ, газовых смесей, пылей и сосудов высокого давления. Представлены законы моделирования идеальных и неидеальных взрывов. Рассмотрены обобщенные оценки действия взрывных нагрузок. Описаны способы создания взрывобезопасных объектов.
Для широкого круга специалистов, а также студентов старших курсов соответствующих специальностей.
Редакция литературы по новой технике и космическим исследованиям
© Elsevier Scientific Publishing Company, 1983
© перевод на русский язык, «Мир», 1986
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
Для неспециалистов в области взрывобезопасности может показаться неожиданным неослабевающий поток сообщений об аварийных взрывных происшествиях на различных промышленных и транспортных сооружениях. При этом наряду с авариями на объектах, непосредственно связанных с хранением и использованием энергоемких или взрывчатых материалов, все чаще встречаются случаи, когда причиной взрыва были внешне безопасные системы.
В традиционно считающихся взрывоопасными технологических процессах (угледобыча, нефтепереработка, химическая технология) предпринимаются серьезные усилия для предотвращения взрывов и ослабления их нежелательных последствий. В других отраслях народного хозяйства при проектировании оборудования часто исходят из гипотезы о взрывонеопасности многих объектов, которые, однако, потенциально способны породить взрывные явления. В связи с этим весьма актуальной оказалась проблема доведения до сознания широкого круга специалистов основных представлений о возможных источниках и последствиях взрывов. К последним относятся фугасное действие воздушной ударной волны, осколочное действие разрушенных и разлетающихся элементов оборудования и тепловое действие от выгорания энергоносителя.
Длительное время в разных странах реализовались целенаправленные программы по сбору и систематизации научно-технической информации о взрывных процессах и их последствиях. Предлагаемая вниманию советских читателей книга завершает существенный этап работы большой группы американских специалистов— создание руководящего пособия по динамике воздействия взрывных явлений на окружающую среду. В число авторов книги входят ведущие ученые США по проблемам оценки последствий взрывов конденсированных взрывчатых веществ (ВВ), газовых взрывов, взрывов сосудов высокого давления и т. п. Материал книги обобщает содержание нескольких предшествующих учебников и справочников, широко используемых зарубежными экспертами для оценок риска, связанного с эксплуатацией взрывоопасного оборудования. Выход книги следует признать очень своевременным. Рост потребления энергии, ввод в строй атомных электростанций, стремление повысить эффективность химического производства за счет роста давления и -температуры, сооружение протяженных газопроводов высокого Давления, развитие порошковой металлургии и криогенной техники — все это ведет к расширению круга объектов, при проектировании которых не в последнюю очередь нужна оценка безопасности их эксплуатации и выявление необходимых мер предосторожности. Целесообразность разработки подобных мер,, предпринимаемой на стадии проектирования на основе научно-обоснованного прогноза, обусловлена желательностью существенного сокращения или устранения материального урона, который может быть нанесен вследствие пренебрежительного отношения к возможности взрывных явлений.
Материал книги построен на результатах исследований зарубежных авторов. Работы советских ученых, за очень редким исключением, не анализируются и не цитируются. В СССР под руководством академиков Я. Б. Зельдовича и М. А. Садовского разработаны основы теории физико-химических превращений при взрывах, предложены методы оценки последствий взрывных, явлений, не нашедшие отражения в этом издании. Поэтому читателю не следует абсолютизировать положения и рекомендации данной книги. Здесь уместен и желателен критический и творческий подход с учетом достижений советских ученых. При таком комплексном подходе полезность и достоверность оценок последствий взрывов будут более полными. Для облегчения поиска работ советских авторов и переведенных на русский язык книг редакторами сделана небольшая подборка источников, отмеченных звездочкой и помещенных в список дополнительной литературы.
Книга оказалась непростой для перевода в связи с широким кругом затронутых проблем, и ее переводчикам пришлось творчески осмыслить ряд вопросов терминологии и взаимоувязки отдельных положений. Перевод выполнен канд. физ.-мат. наук Б. С. Ермолаевым (гл. 7—9), канд. физ.-мат. наук В. Г. Слуцким (гл. 2), С. М. Фроловым (гл. 4, 5, приложения) и канд. физ.-мат. наук Б. А. Хасаиновым (гл. 1, 3, 6).
Книга поможет специалистам — ученым и практикам — правильно ориентироваться в многообразии теоретических, экспериментальных и практических публикаций в данной области и самостоятельно принимать обоснованные решения.
Я. Б. Зельдович Б. Е. Гельфанд
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основу предлагаемой вниманию читателя книги составил цикл лекций, который авторы подготовили для- преподавания на краткосрочных курсах по оценке последствий взрывов. Первоначальный вариант лекций, завершенный в июне
Объем знаний о проблеме взрывобезопасности и о путях контролирования или снижения опасности взрывов довольно быстро растет, причем изучение проблемы взрывобезопасности интенсивно ведется во многих странах мира. «Заморозить» и описать состояние исследований по проблеме взрывобезопасности на данный момент — задача довольно трудная, однако именно это мы и попытались сделать в предлагаемой книге.
Книга предназначена инженерам, ученым и специалистам по технике безопасности промышленных производств для самостоятельной оценки опасности взрывов при исследовании последствий случайных взрывов и проектировании производственных помещений на взрывоопасных технологических участках. Мы стремились всесторонне осветить проблему взрывобезопасности, уделяя особое внимание практическому применению излагаемого материала. С этой целью в книге приведено большое количество примеров, иллюстрирующих использование графических зависимостей и формул для оценки последствий взрывов. Многие из этих примеров рассматривались на занятиях со слушателями кратких курсов по оценке последствий взрывов.
Книга состоит из девяти глав, обширной библиографии и нескольких приложений. В гл. 1 и 2 обсуждаются процессы энерговыделения, приводящие к самопроизвольным взрывам, а также вопросы эволюции генерируемых взрывом волн сжатия или ударных волн в окружающей атмосфере. В гл. 3 рассматривается взаимодействие этих волн с различными объектами и препятствиями. Главы 4 и 5 посвящены анализу нагрузок, испытываемых различными объектами при взрывном воздействии и ударе, не сопровождающемся пробиванием, причем в гл. 4 описываются методы упрощенного анализа, а в гл. -5 — методы численного анализа этих явлений. В гл. 6 обстоятельно изложены вопросы образования осколков при взрыве, оценивается их скорость и обсуждаются эффекты их соударения с различными объектами. В гл. 7 рассмотрено тепловое действие взрыва, обусловленное излучением большого «огненного шара», который может образоваться при крупномасштабном взрыве. Взрывы могут приводить к разрушениям и несчастным случаям; соответствующие методы оценок разрушения зданий, транспортных средств и критерии поражения персонала описаны в гл. 8. В гл. 9 описаны методы оценки мощности самопроизвольных взрывов по произведенным разрушениям, а также принципы проектирования производственных помещений для реализации технологических процессов с повышенной взрывоопасностью.
Некоторые аспекты рассматриваемой проблемы в техническом отношении являются довольно сложными. Поэтому в ряде случаев мы ограничивались изложением основных результатов, чтобы избежать перегруженности текста излишними деталями,, а описание необходимых деталей помещали в приложениях.
Надеемся, что книга окажется полезной для читателей независимо от их профессиональной подготовки и их специфических интересов в области взрывобезопасности.
Подготовка столь объемной книги была бы невозможна без самоотверженной кропотливой работы, проведенной нашими помощниками. Мы не можем отметить здесь всех тех, кто оказал нам то или иное содействие, и вынуждены выразить здесь свою признательность лишь тем организациям и сотрудникам, которые оказали нам наибольшую помощь. Мы благодарны администрации Юго-Западного исследовательского института за финансовую поддержку, благодаря которой оказалось возможным переработать краткий курс лекций в обстоятельное, хорошо иллюстрированное пособие. Мы благодарим Дж. Деккер за машинописную и корректорскую работу по подготовке окончательного варианта книги, В. Эрнандеса за подготовку схем и рисунков, Д. Стоувиттс за редактирование текста, Д. Скерат за анализ и расчеты взрывных воздействий на здания и Н. Сандовал за перевод всех величин в метрическую систему.
ВВЕДЕНИЕ
Слово «взрыв» ассоциируется обычно с разрушениями, которые происходят в результате срабатывания бомб и боеголовок, возгорания скоплений газа в жилых домах, крупных аварий на химических заводах и т. п. Однако в подавляющем большинстве случаев взрывы вовсе не приводят к нежелательным разрушениям, а целенаправленно используются для выполнения полезной работы. Например, в двигателях внутреннего сгорания взрывы происходят несчетное количество миллионов раз в минуту по всему миру, обеспечивая энергию для движения транспорта, выработку электроэнергии и т. п. Еще один пример широко распространенного использования взрывов — взрывы в горных карьерах и взрывы, осуществляемые для перемещения и выброса больших масс грунта. Энергия взрыва используется также при обработке металлов, для сварки взрывом и сноса зданий. Взрывные устройства используются для разделения сту: пеней ракет-носителей, разрыва болтов и разъединения кабелей в точно определенное время. Таких примеров можно было бы привести еще очень много, но здесь мы хотим подчеркнуть, что в подавляющем большинстве случаев взрывы являются контролируемыми и осуществляются с вполне определенными целями.
Однако мы сосредоточим внимание на случайных взрывах, которые могут приводить (и иногда приводят) к незапланированным разрушениям, материальному ущербу и человеческим жертвам. Именно случайные взрывы и рассматриваются в предлагаемой книге.
Случайные взрывы происходят при хранении, транспортировке и изготовлении взрывчатых веществ (ВВ); в химической и нефтехимической промышленности; при разрыве сосудов высокого давления и бойлеров; в металлургической промышленности при контакте расплавленного металла с водой; при утечках природного газа в жилых домах; при изготовлении, транспортировке и хранении легколетучих или сжиженных газообразных топлив; при промывке резервуаров для хранения жидкого топлива и при изготовлении, хранении и использовании горючих пылевых систем.
Повышение интереса к проблеме случайных взрывов за последние годы и интенсификация исследований, направленных на оценку и снижение взрывоопасности, обусловлены экономическими изменениями в мировом хозяйстве, которые привели к
возрастанию объема производства и мощностей для хранения нефтепродуктов, к широкому использованию объемных контейнеров и резервуаров для их транспортировки, например супертанкеров. Заинтересованность в предотвращении случайных взрывов привела к ускоренному развитию методов оценки последствий взрывов и к накоплению большого количества новых данных о самопроизвольных взрывах. В результате в настоящее время имеется возможность довольно точно определить:
— характеристики процесса горения, приводящего к таким взрывам или являющегося их непосредственной причиной;
— свойства взрывных волн, порождаемых взрывами в открытых или замкнутых объемах;
— нестационарные нагрузки, испытываемые прилегающими к очагу взрыва сооружениями при воздействии взрывных волн;
— траекторию и кинетическую энергию осколков, образующихся в результате взрыва;
— разрушения, возникающие при воздействии на сооружения взрывных волн и осколков;
— материальные и людские потери в результате взрыва.
Кроме того, разработаны рациональные методы проектирования зданий и других сооружений с повышенной защищенностью от случайных взрывов внутри и вне этих зданий. Подобные методы позволяют частично или полностью обезопасить здания и персонал от случайных взрывов при изготовлении или хранении взрывоопасных химических материалов.
Предлагаемая книга охватывает весь круг вопросов, связанных с опасностью случайных взрывов, проектированием взрывобезопасных сооружений, а также с методами уменьшения зоны влияния случайных взрывов в процессе нормального функционирования производства.
ГЛАВА 1.
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
1.1. Введение
Причиной случайных взрывов чаще всего является горение или неконтролируемое развитие экзотермической химической реакции. Поэтому все компоненты и смеси, в которых возможно протекание экзотермических реакций, должны считаться опасными, а при изготовлении, транспортировке, хранении и использовании таких материалов следует соблюдать специальные меры предосторожности, чтобы снизить вероятность их возгорания или взрыва. Чтобы обеспечить пожаро- и взрывобезопасность какого-либо технологического процесса, необходимо, знать характеристики процесса горения используемых в этом процессе компонентов. Таким образом, первая цель данной главы состоит в описании тех основ науки о горении, которые понадобятся для оценки пожаробезопасности в промышленных установках. После описания этих основ последует детальное обсуждение прикладных вопросов, рассматриваемых в книге (см. также [1*—3*. 22*]).
Прикладные вопросы будут приведены в такой последовательности:
1. Обсуждение на основе последних экспериментальных и теоретических работ динамики «взрывных» процессов, развивающихся при самопроизвольном возгорании.
2. Обсуждение пожаро- и взрывобезопасности, включая описание и критический анализ стандартных методов, разработанных в последние годы для сравнительной оценки опасности использования различных компонентов в различных средах.
3. Обсуждение степени риска и предохранительных мер, включая использование национальных стандартов и различных общепринятых мер защиты персонала, оборудования и зданий.
В этом же разделе будут обсуждаться банки данных, содержащие полезную для обеспечения мер безопасности информацию.
...