Обоснование необходимости моделирования промышленных аварийных взрывов большими зарядами конденсированного ВВ

За последние несколько лет на рынке РФ появилось большое количество взрывозащитных преград (окон, дверей, экранов), которые «защищают» малопонятно от чего. Любой гаражный кооператив, которому посчастливилось заключить договор с соответствующей лабораторией и детонировать рядом со своим изделием пару шашек аммонита, громко начинает именовать свою квартирную дверь «взрывоустойчивой» и участвовать в государственных тендерах. При этом ввиду отсутствия до января 2017 г. каких-либо стандартов, регламентирующих порядок подобных испытаний, основным критерием годности является принцип «не развалилась и хорошо». В то же время сравнительное испытание сертифицированного изделия от подобного производителя показало его полную несостоятельность от чего-либо защитить.

Аварийные взрывы на взрывопожароопасных химических нефтехимических и нефтеперерабатывающих производствах особенны впечатляющей массой детонирующего (дефлагирующего) вещества и, соответственно, большой (нескольких десятков миллисекунд) продолжительностью действия взрывной волны. Для их корректной имитации во время полигонных испытаний необходимо задействовать сотни килограммов конденсированного ВВ.

Рассмотрим вопросы экспериментального определения допустимой несущей способности защитных конструкций при воздействии на них воздушных ударных волн (ВУВ) от зарядов конденсированных взрывчатых веществ (ВВ).

При расчетах последствий динамического воздействия на строительные конструкции используется следующая методология. Динамическая нагрузка заменяется эквивалентной ей по действию статической нагрузкой, которая определяется по формуле [1 - 4]:

                                               

где P_МАКС – максимальное значение динамической нагрузки; К_Д – коэффициент динамичности, равный максимальному значению функции динамичности Т(t), описывающей движение (перемещение сечений) конструкции во времени.

Рассмотрим физические процессы, возникающие в атмосфере при взрывах ВВ, и методы расчета параметров взрыва. Основным поражающим фактором при взрыве ВВ является ударная волна. Избыточное давление во фронте ВУВ определяется по формуле М.А. Садовского [10,11]:

        

где – приведенное расстояние до центра взрыва:

      

где С – масса заряда, кг; z – коэффициент, учитывающий отношение теплоты взрывчатого превращения ВВ к теплоте взрывчатого превращения тротила; К_эф – коэффициент эффективности заряда ВВ на образование ВУВ.

Из эмпирического соотношения (2) следует, что при взрывах ВВ имеет место энергетическое подобие, которое выражается в следующем. При двух геометрически подобных взрывах зарядов ВВ различной энергии на одинаковых приведенных расстояниях от центра взрыва равны значения избыточных давлений 

DР; приведенные времена положительной фазы сжатия  и приведенные импульсы положительной фазы .

Для перехода к размерным значениям приведенное время положительной фазы сжатия и приведенный импульс нужно умножить на

Из сказанного следует, что два различных по массе заряда ВВ на определенных расстояниях от места взрыва могут иметь одинаковые давления во фронте ВУВ, но их импульсы будут отличаться.

Проиллюстрируем изложенные выше рассуждения результатами некоторых расчетов. Рассмотрим гипотетические результаты экспериментальных исследований конструкции (например, стальной двери) на воздействие ВУВ от взрыва ВВ. Предположим, что период собственных колебаний конструкции составляет Т₀=90 мс.

Предположим, что было проведено три экспериментальных взрыва: 1 – взрыв 500 кг ТНТ на расстоянии R₁=17.8 м от конструкции; 2 – взрыв 50 кг ТНТ на расстоянии R₂=8.25 м; 3 – взрыв 5кг ТНТ на расстоянии R₃=3.83 м. Параметры ВУВ приведены на рисунке 1. Максимальные давления в ВУВ во всех опытах составляли 150.8 кПа.

На рисунке 1 (справа) приведены функции динамичности, которые характеризуют колебательный процесс, вызванный воздействием ВУВ на конструкцию. На рисунке 1 приняты следующие обозначения: S(t) – зависимость от времени смещения центральной точки изделия; S_МАКС – максимальное смещение центральной точки при воздействии на изделие статической нагрузки 150.8 кПа.

Из приведенного рисунка видно, что при подрыве 500 кг ТНТ максимальное значение функции динамичности составляет K_Д=0.53. Это означает, что данный взрыв выдержит конструкция, способная в упругих деформациях нести статическую нагрузку в 80.0 кПа (около 8 т/м²).

При взрыве 50 кг ТНТ коэффициент динамичности составит K_Д= 0.30. Взрыв с такими параметрами может выдержать конструкция с меньшими прочностными параметрами. Несущая способность конструкции должна быть рассчитана на статическую нагрузку в 44.8 кПа (около 4.5 т/м²).

При взрыве 5 кг ТНТ коэффициент динамичности будет достаточно мал и составит K_Д=0.069. Взрыв с такими параметрами выдерживают многие типовые конструкции. Прочностные характеристики конструкции должны быть рассчитаны на статическую нагрузку в 10.4 кПа (всего около 1.0 т/м²).

В Приложении № 3 к Федеральным нормам и правилам в области промышленной безопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» Серия 09 Выпуск 37 «Расчет участвующей во взрыве массы вещества и радиусов зон разрушений» описана одна из методик расчета зон поражения, основанная на «тротиловом эквиваленте» взрыва ТВС.

В таблице № 2 приводится классификация зон разрушения в зависимости от значений избыточных давлений по фронту ударной волны и безразмерного коэффициента К.

Класс зоны разрушения	K	∆ P, кПа	Вероятные последствия, характер повреждений зданий и сооружений
1	3,8	>= 100	Полное разрушение зданий с массивными стенами
2	5,6	70	Разрушение стен кирпичных зданий толщиной в 1,5 кирпича; перемещение цилиндрических резервуаров; разрушение трубопроводных эстакад
3	9,6	28	Разрушение перекрытий промышленных зданий; разрушение промышленных стальных несущих конструкций; деформация трубопроводных эстакад
4	28	14	Разрушение перегородок и кровли зданий; повреждение стальных конструкций каркасов, ферм
5	56	<= 2	Граница зоны повреждений зданий; частичное повреждение остекления

Радиус зоны разрушения определяется по формуле 4:

Согласно вышеприведенной методике для моделирования взрыва 500 кг ТНТ на расстоянии R₁=17.8 м, при использовании заряда в 50 кг ТНТ его следовало бы располагать на расстоянии R₂=3.86 м; а при заряде 5 кг ТНТ на расстоянии R₃= 0.83м. Эта зависимость основана на равенстве импульсов положительной фазы ВУВ.

Следует помнить, что вышеприведенные методики условно достоверны для конструкций, которые в результате испытаний остались в области упругих деформаций. В случае, если конструкция или ее части оказались подвержены пластической деформации (что происходит в 90 % испытаний), подобное моделирование недостоверно ввиду множества факторов: влияния динамического коэффициента текучести, скорости распространения деформации, остающейся конечной, при любой скорости нагружения и т.д.

Из сказанного вытекает, что испытания защитных конструкций, проведенные на маломощных зарядах, не дают реальной оценки их взрывоустойчивости применительно к зарядам большей мощности.

Следует отметить следующую особенность воздействия ВУВ от взрывов ТНТ на конструкции. Как видно из рисунка 1, фаза сжатия в ВУВ сопровождается фазой разрежения. Следствием этого является, например, отброс фрагментов конструкций в направлении источника взрыва. Фаза сжатия ломает конструкцию, а фаза разрежения тянет фрагменты конструкции в направлении расположения заряда. Данное явление достаточно часто приводит в недоумение сотрудников, проводящих расследование террористических атак, связанных с взрывными устройствами.

Поэтому при рассмотрении воздействия ВУВ на конструкции следует учитывать не только фазу сжатия, но и разрежения.

Рассмотрим вопросы, связанные с методологией проведения испытаний изделий на их взрывоустойчивость.

При размещении и закреплении изделия необходимо учитывать следующие особенности распространения волновых потоков, в том числе и ВУВ. Характер взаимодействия волны с преградой определяется соотношением между длиной волны – L и линейным размером преграды – D. При L>>D волна «не замечает» преграду и практически на ней не искажается. При L<<D происходит полное отражение волны от преграды. Процесс взаимодействия ВУВ от заряда 50 кг с преградой иллюстрирует рисунок 2, где приведены изолинии равного давления в ВУВ для нескольких моментов времени. Шаг по времени составлял 10 мс. Уровни изолиний – от 10 кПа до 100 кПа шагом в 10 кПа. Для наглядности и для иллюстрации линейных размеров задачи на рисунке 2 в масштабе приведены контуры среднестатистического человека и легкового автомобиля.

Из приведенного рисунка следует, что ударная волна взрыва затекает за препятствие достаточно большого размера, разгружая его с тыльной стороны. При испытаниях защитных конструкций необходимо исключать подобные явления. Для обеспечения этого необходимо по краям изделия устанавливать сплошные непроницаемые заграждения для исключения проникновения ВУВ за испытываемую конструкцию (в этом случае испытания будут моделировать воздействие на изделие проходящей ВУВ).

При испытаниях изделий на взрывоустойчивость малыми зарядами ТНТ возникает следующая проблема, приводящая к дополнительной невозможности распространения полученных данных на заряды большой мощности. Для обеспечения необходимых уровней давления в ВУВ малые заряды располагают достаточно близко к испытуемой конструкции. Это приводит к тому, что на конструкцию набегает ВУВ, имеющая сферическую форму. Заряды большой мощности создают необходимые уровни давлений на значительном удалении от образца, когда сферическая ВУВ вырождается в практически плоскую ударную волну. Нагружение конструкций плоской и сферической волной происходит по-разному, что иллюстрирует рисунок 3.

На рисунке 3 приведены мгновенные прогибы панели при воздействии на нее плоской и сферической ВУВ, которые имеют одинаковые амплитуды в момент их подхода к панели.

 

Где R – расстояние до преграды, м; m – масса заряда, кг; а – угол между распространением УВ и нормалью к преграде, град.;  – формула Садовского для воздушного взрыва.

Давление во фронте Головной ударной волны может быть в несколько раз больше давления во фронте падающей УВ. Соответственно, и преграда, погруженная в волну Маха, испытывает в несколько раз большие нагрузки, чем такая же преграда, омываемая падающей УВ. При испытаниях зарядами малой мощности, которые располагают достаточно близко от преграды, возникшая Головная УВ или вообще не воздействует на преграду, или действует на ее нижнюю часть (рис. 5, рис 6), в то время как
при настоящем аварийном взрыве преграда и конструкция полностью погружаются в волну Маха, что и призвано отразить испытание взрывом большой мощности, когда расстояние от центра взрыва до преграды во много раз больше самой преграды (рис.7).

    

 

 

                          Рисунок 7

Выводы

Проведенный в статье анализ показал, что испытания взрывозащитных конструкций малыми зарядами ВВ недопустимо распространять на заряды большой мощности, ссылаясь на равенство избыточных давлений в проходящей ВУВ. Это противоречит как теоретическим, так и нормативным положениям, касающимся вопросов воздействия взрывных волн на строительные конструкции.

Показано, что при проведении испытаний недопустимо использовать в качестве креплений конструкций обычные рамы, что приводит к затеканию ВУВ с тыльной стороны конструкции и разгружает ее.

 

Литература

1. Попов Н.Н.,   Расторгуев   Б.С. Динамический расчет железобетонных конструкций. - М.: Стройиздат, 1974. 219 с.

2. Расторгуев Б.С. Методические указания по проектированию новых и обследованию существующих строительных конструкций зданий взрывоопасных производств (1 редакция) - М. 1996. 227.

3. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. (Дополнения. Разд. 10. Прогибы и перемещения).

4. Справочник проектировщика. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. - М.: Стройиздат, 1981. 248 с.

5. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М. Высшая школа. 1970. С. 710.

6. Комаров А.А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка последствий их воздействия на здания и    сооружения. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М. МГСУ. 2001. – 460 с.

7. ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ «Пожарная безопасность технологических процессов». – М.: Гостандарт России. – 85 с.

8. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей. Сборник документов Госгортехнадзора России,
НТЦ «Промышленная безопасность», серия 27, выпуск 2. – М.: 2001. – 224 с.

9. А.А. Комаров, Е.В. Бажина. Особенности взрывных явлений в пешеходных переходах. //Научно-технический журнал,
Вестник МГСУ. 2009. № 3. С. 107–109.

10. Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. Оборонгиз, М., 1960. – 595 с.

11. Садовский М.А. Механическое действие воздушных ударных волн взрыва по данным экспериментальных исследований –   в кн. «Физика взрыва». № 1. М. Изд. АН СССР, 1952.

    Ильинский А.Е., главный инжинер ЗАО "Альфа"

 

 

Журнал «Нефть и газ Сибири» 4(37) 2019