аспирант
г. Москва и Московская область, Россия
г. Москва и Московская область, Россия
г. Москва и Московская область, Россия
УДК 614.833 Опасность взрыва химических веществ
В данной работе апробируется методика определения видимой скорости пламени взрывоопасной паровоздушной смеси в полузамкнутом объёме, которая влияет на избыточное давление взрыва, с учётом последующего применения результатов для расчёта легкосбрасываемых конструкций в зданиях с высоковольтным маслонаполненным электротехническим оборудованием (ВМЭО), воссоздается сценарий взрыва паровоздушной смеси сложных углеводородов в здании. В модели аварии на трансформаторах реализуется сценарий образования взрывоопасной паровоздушной смеси трансформаторного масла (ТМ), для которого в качестве наихудшего варианта по взрывному воздействию принята паровоздушная смесь бензина, обладающая более высокой теплотой сгорания и большей разрушительной способностью. В полузамкнутой камере объёмом 0,125 м³, сбросным проёмом и датчиком давления проведена серия дефлаграционных взрывов паровоздушной смеси бензина при стехиометрической концентрации, регистрировались избыточное давление и кинематика развития огневого шара высокоскоростной съёмкой. По результатам покадрового анализа получены зависимости изменения видимого радиуса пламени во времени, рассчитана видимая скорость пламени (порядка 4 м/с в интервале до вскрытия сбросного проёма), а также определены характерные значения начала срабатывания сбросного проема. Показано, что полученные параметры распространения пламени и избыточного давления могут быть использованы для уточнения расчётных характеристик легкосбрасываемых конструкций в помещениях с маслонаполненными трансформаторами, где возможно образование взрывоопасных паровоздушных смесей сложных углеводородов.
видимая скорость пламени, взрыв, трансформаторное масло, бензин, паровоздушная смесь
Целью эксперимента является: апробирование методики и определение видимой скорости пламени во взрыве паровоздушной смеси (влияющей на избыточное давление, формируемое взрывом), а также воспроизведение сценария формирования паровоздушной смеси и ее взрыва в частично замкнутом объеме. Полученная информация позволит верифицировать процесс взрывного горения трансформаторного масла (ТМ) и более точно рассчитать необходимые характеристики легкосбрасываемых конструкций (ЛСК), для снижения последствий от взрыва в зданиях с высоковольтным маслонаполненным электротехническим оборудованием (ВМЭО).
На объектах энергетики используется маслонаполненные трансформаторы [1-2], в которых основную роль изоляции и охлаждения выполняет трансформаторное масло (ТМ), которое является смесью сложных углеводородов (молярная масса не известна). При мощном коротком замыкании (КЗ), в трансформаторах образуется дуга разряда (ДР) с показателями выделившийся энергии, которые являются критическими для корпуса трансформатора [3].
Анализ аварий на автотрансформаторе ПС «Машук» (330 кВ), происшедшей 22.09.2009, показал, что ток ДР составлял 10кА, напряжение на ДР было равно 37кВ, длительность ДР была равна 60мс, энергия ДР составляла 11МДж. При аварии на трансформаторе Богучанской ГЭС известно, что ток ДР составлял 4.5кА, напряжение на ДР было равно 45кВ, длительность ДР была равна 65мс, энергия ДР составляла 6.6МДж [4].
В следствии разрушения корпуса трансформатора, масло под высоким давлением выходит наружу в виде пролива, капель и тумана, образовывая взрывоопасную паровоздушную смесь и как следствие взрыв. Однако эксперименты по взрыву паровоздушной смеси ТМ проводились только на открытых площадках, а данные о видимой скорости пламени при взрыве такой смеси в частично замкнутом объеме отсутствуют.
Так как количество ТМ при взрывной аварии, переходящего в различное состояние (пар, капли, пролив) определить невозможно, то опираясь на нормативные документы МЧС России «Об утверждении методики определения величин пожарного риска на производственных объектах» [5], для эксперимента берем наихудший вариант развития взрывной аварии с паровоздушной углеводородной смесью, приближенной по процессу формирования и взрыву паровоздушной смеси.
При выборе углеводорода для наихудшего варианта со взрывом паровоздушной смеси ТМ был проведен теоретический анализ взрывных характеристик паровоздушных смесей. Теоретическое сравнение взрыва паровоздушной смеси бензина и трансформаторного масла, показывает, что разрушающие последствия при взрыве паровоздушной смеси будут сильнее в случае, если смесь обладает более высокой взрывной энергией и формируется максимально возможное избыточное давление в объеме. В практических условиях разрушения чаще всего сильнее при взрыве паровоздушной смеси бензина. Теплота сгорания, у бензина выше, и энергетический выброс на единицу массы смеси максимален, ударная волна при взрыве смеси бензина достигает больших амплитуд избыточного давления, чем у ТМ, от чего в большей степени страдают стены, конструкции, оборудование. Порог динамического разрушения наступает быстрее, скорость взрыва (мгновенное достижение максимального давления) выше у бензина, что приводит к резкому фронту ударной волны, способному вызвать коллапс конструкции практически сразу после инициирования.
| Параметр | Трансформаторное масло | Бензин |
| Температура вспышки | 140–180 °С | –27...–39 °С |
| Теплота сгорания, кДж/кг | ~42 000 | ~44 000 |
| Молярная масса | 230-330 г/моль | 114 г/моль |
Разрушения в зданиях будут значительнее при взрыве паровоздушной смеси бензина, чем ТМ, за счет легкости формирования смеси, высокой скорости и энергетики процесса, большего распространения ударной волны и максимального давления. Это значит, что скорость пламени при взрыве паровоздушной смеси бензина, можно брать за наихудший вариант при взрыве паровоздушной смеси ТМ.
Для реализации эксперимента необходимы следующие элементы:
Камера для проведения эксперимента (Рис.1) объемом 0,25 м3, разделенная на две части по 0,125 м3, используется для моделирования как смежных, так и раздельных помещений, эксперимент проводился только в левой части камеры объемом 0,125 м3. Камера состоит из высокопрочного металлического корпуса, одна сторона застеклена для визуального осмотра и наблюдением за процессом. Имеется окно для установки пластины, которая при проведении эксперимента выполняет роль ЛСК. В тыльной части камеры имеется технологическое отверстие для установки датчиков давления. В нижней части установлен световой сигнал для фиксации начала взрыва.
Рис.1. Камера для проведения эксперимента
При небольшом объеме модельной камеры и исходя из физического процесса дефлаграционного взрыва, соблюдается принцип квазистатичности. При соблюдении такого принципа (сравнительно медленное воздействие дефлаграционного взрыва, при котором давление успевает выравниваться, в отличие от детонационного взрыва), давление во время взрыва паровоздушной смеси будет одинаково во всех точках камеры, поэтому для получения данных о давлении при взрыве будет достаточно одного датчика. Перемешивание смеси происходит за счет диффузии.
Измерения проводились с помощью датчика польской фирмы «Piezus» (Рис.2А), он состоит из металлического корпуса (предназначен для защиты чувствительных компонентов от внешних воздействий), чувствительного элемента (тензорезистивного кремниевого сенсора или емкостного сенсора, элемент преобразующий механическую деформацию в изменение электрического сопротивления или емкости), мембраны (стальная или керамическая пластина, отделяет среду от сенсора; деформируется под действием давления), измерительной схемы (преобразует изменения сенсора в унифицированный электрический сигнал) и электроники преобразования сигнала (обрабатывает сигнал для передачи на дисплей или другие устройства) [6-7]. Давление среды воздействует на мембрану, вызывая её деформацию, которая через сенсор преобразуется в электрический сигнал для дальнейшей обработки, имеет диапазон измерения давления от -5 до 10 кPa, передает сигналы в зависимости от частоты опроса в нашем случае каждые 0,2 мс. Элементом измерения датчика является алюминиевая диафрагма, передающая сигнал на блок коммутации (Рис.2Б).
Блок коммутации имеет 16 каналов, при использовании нескольких датчиков, сигналы с них объединяются и переходят на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (Рис.2В).
Рис.2. Приборы для проведения эксперимента
АЦП преобразует электрические частоты в цифровые сигналы и передает их на компьютер, далее полученные данные обрабатываются с помощью программы «Power Graph 3.3» (Рис.2Г).
Источником зажигания является металлический стержень, подключенный к источнику высокого напряжения (ИВН) (Рис.2Д), на которые подается напряжение от пульта управления (ПУ) (Рис.2Е), происходит короткое замыкание (КЗ) и образование искры. Стоит отметить, что параметры взрыва могут зависеть от энергии искры. Из-за того, что энергия искры нам не известна, данные при повторении эксперимента могут отличаться друг от друга, но приблизительно будут совпадать.
Пульт управления (ПУ) представляет собой систему рубильников, которая подает полученное напряжение от электросети (220 вольт) одновременно на источник образования искры, световой сигнал и блок коммутации (для фиксации начала дефлаграционного взрывного процесса).
Весь процесс записывался на камеру со скоростью съемки 250 кадров в секунду (Рис.2Ж).
Перед проведением эксперимента необходимо удостовериться в исправности всех измерительных приборов и датчиков.
При помощи тонометра (Рис.2З) (имеет паспорт и сертификат, удостоверяющий его точность) к которому подключен патрубок, подсоединяем датчик, создаем при помощи груши тонометра статическое давление, далее фиксируем сигнал, полученный из датчика, сравниваем показатели тонометра и датчика (при калибровке показания совпадают).
Для получения стехиометрической паровоздушной смеси ЛВЖ или ГЖ необходимо определить количество жидкости, которая будет учувствовать в эксперименте в конкретном полузамкнутом объеме.
По СП 12.13130.2009 [8] определяем стехиометрическую концентрацию (Сст) бензина – это такая концентрация горючего в смеси, при которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.
Плотность бензина типа «Калоша 80» составляет примерно 700-750 кг/м3.
Формула для определения плотности: ρ = m/V, где ρ – плотность, m – масса, V – объем.
Химическая формула бензина C8H15.
Молекулярная масса (Mr) равна 112 г/моль.
Сст=100/1+484×β, где β-стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания.
β = nС+(nH-nX/4)-no/2, где nС, nH – число атомов С, Н.
Для конкретного горючего, Сст будет составлять 1,73%, что для объема в 1 м3 составляет 86 гр. Количество необходимой горючей жидкости для 1м3 определяем по формуле 1000×Mr/(1+4,84)×3)×Vμ, где Vμ -мольный объем при учете температуры и атмосферного давления.
Из расчета объема установки (125 л), нам необходимо 10,75 граммов ЛВЖ или 14 см3.
Итак, для создания стехиометрической концентрации, мы вводили в камеру 14 см3 ЛВЖ. Сложность в точности полученных данных состоит еще и в том, что мы не можем точно сказать сколько горючего, перешло в паровоздушное состояние, а сколько выпало в виде росы.
Подготовив и проверив камеру для проведения эксперимента, приступаем к нагреву металлической пластины. После прогрева пластины до температуры 500 - 600 ℃, перемещаем ее в камеру для проведения эксперимента, сверху камеры в специальное отверстие вводим жидкость на поверхность разогретой металлической пластины. При контакте ЛВЖ с пластиной происходило испарение с поверхности и образование паровоздушной смеси. Выждав примерно 30-40 секунд, для перемешивания паров ЛВЖ с воздухом. Включаем источник зажигания, фиксируем взрывной процесс на высокоскоростную камеру.
Полученные результаты обрабатываем с помощью программы «Power Graph 3.3» и «Excel».
На Рис.3 изображен процесс подготовки стехиометрической паровоздушной смеси.
Рис.3. Подготовка стехиометрической паровоздушной смеси
После получения взрывоопасной паровоздушной смеси, включаем источник высокого напряжения, производим моделирование взрыва. На Рис.4 приведены мгновенные фотографии процесса развития модельного взрыва паровоздушной смеси бензина.
Рис.4. Мгновенные фотографии модельного внутреннего дефлаграционного взрыва паровоздушной смеси ЛВЖ.
А – исходное состояние; Б – момент короткого замыкания; В-З – момент дефлаграционного З - момент начала вскрытия ЛСК; И – момент окончания взрывного горения; К- момент начала формирования огневого шара
Табл.2. Параметры взрывного горения (радиус огненного шара, время взрывного горения, видимая скорость пламени) относительно зафиксированных точек
При покадровом разборе внутреннего дефлаграционного взрыва паровоздушной смеси бензина (Рис.4), мы определили время взрывного горения - 28 мс., видимый радиус огневого шара составил 12 см., для степенной модели R(t)=4.4915t1.0398, путем вычислений (v(t)=dR/dt) определяем видимую скорость пламени, которая составила в промежутке от начала фиксации взрывного горения до вскрытия сбросного проема, 3,9 м\с. В Табл.2 отображены параметры взрывного горения относительно зафиксированных точек.
При проведении серии экспериментов с бензином максимальное избыточное давление в экспериментальной камере составляло 5,7 кPa, а давление, при котором сбросной проем начал вскрываться составило примерно 1,2 кPa (Рис.5).
Рис.5. График изменения давления взрыва паровоздушной смеси бензина в частично замкнутом объеме
Данные, полученные в ходе эксперимента, могут быть применены при расчетах характеристик сбросных панелей или ЛСК, с целью снижения последствий аварийных взрывов внутри зданий, где возможно образование взрывоопасных паровоздушных смесей сложных углеводородов.
1. Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел РД 34.43.105-89, Союзтехэнерго Москва 1989.
2. ГОСТ 982-80 Масла трансформаторные, технические условия, Москва Стандартинформ 2011.
3. Дарьян Л.А., Козлов А.В., Котов А.В. и др. Дуговой разряд в минеральном и органическом масле // Известия КБГУ. 2014 . Т. IV. № 3. с. 92.
4. Система «Transformer Protector». Подстанция «Машук». Россия. Активация Transformer Protector 22 сентября 2009 г. Отчет компании SERGI.
5. https://pererabotka.gazprom.ru/d/textpage/9a/154/pasport-bezopasnosti-avtomobilnyj-benzin-po-gost-32513-2023.pdf. DOI: https://doi.org/10.3917/cerpsy.154.0009a
6. https://xrs.ru/load/industrial_radiography/pulsed/manual_oil-vg.pdf.
7. Приказ МЧС России от 26 июня 2024 г. № 533 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах».
8. https://rusautomation.ru/catalog/s/datchiki_davleniya_piezus/.
9. https://piezus.ru/products/datchiki-davlenija/apz-3420.html.
10. СП 12.13130.2009 МЧС России. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. Москва 2009.
