Совершенствование технической системы обеспечения взрывоустойчивости зданий при взрывах газо-паровоздушных смесей

Основным недостатком использования в качестве ПК стекол глухого остекления является ограничение по толщине стекла (4 мм) и зависимость уровня взрывных нагрузок от размера ячейки остекления. ПК данного типа характеризуются малой теплоизолирующей способностью и высокой опасностью поражения осколками стекол людей вблизи здания в случае внутреннего взрыва.

Вращающиеся предохранительные конструкции с остеклением (при использовании в качестве заполнения светового проема стеклопакетов или двойного (тройного) остекления с целью обеспечения теплоизолирующих функций), распашные ПК и стеновые панели (все вышеперечисленные конструкции можно назвать легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК) обладают существенным недостатком: высокая инерционность в связи с большой массой подвижных элементов конструкций. Наряду с этим использование стеновых панелей является «одноразовым» способом защиты зданий от дефлаграционного взрыва и требует, наряду со световыми проемами, предусматривать в ограждающих конструкциях помещения дополнительные проемы для их установки.

Анализ недостатков имеющихся ПК и учет современных тенденций в строительстве позволил разработать требования к требования к предохранительным конструкциям, обеспечивающим неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий, в случае взрыва внутри них газопаровоздушных смесей:

1. возможность применения в качестве ПК современных стеклопакетов любой прочности и массы;

2. вскрытие проема должно осуществляться принудительно при заданном давлении и за заданное время;

3. энергонезависимость принудительного вскрытия предохранительного устройства от внешних источников;

4. вероятность отказа устройства при аварийном взрыве не более 10-3;

5. возможность теоретического расчета параметров легковскрываемого устройства и прогнозирования нагрузок на защищаемое помещение;

6. предохранительная конструкция должна обеспечивать безопасность людей не только внутри помещений, но и вне его.

На основе этих требований разработана принципиальная схема легковскрываемого предохранительного устройства (ЛПУ), обеспечивающего неразрушающие нагрузки на строительные элементы зданий, в случае взрыва внутри них газопаровоздушных смесей (рисунок 1).

Устройство состоит из чувствительного элемента (1), соединенного с запорным устройством (2) на внутренней створке (3). Створка крепится петлями (4) к раме (5) и в рабочем (закрытом) положении закручивает упругие элементы (6), стержни которых одновременно являются крепежными пальцами для петель внутренней створки.

Рама (5) открывается внутрь помещения, что необходимо для безопасной чистки стекол с внешней стороны поворотной створки. Такая конструкция (рама в раме) предназначена для использования в жилых помещениях.

При использовании легковскрываемых противовзрывных устройств в промышленных зданиях, конструкция может состоять только из одной рамы, т.к. возможность открытия створки внутрь помещения в таком случае не требуется.

При заданном избыточном давлении, воздействующем на чувствительный элемент (1) в помещении используется устройство, одним из конструктивных элементов которого является мембрана определенного диаметра.

Для открытия рамы за заданное время используются упругие элементы (торсионы) из высокопрочной стали, которые находятся в напряженном состоянии, когда рама закрыта.

Необходимая величина давления вскрытия, обеспечивающая неразрушающие нагрузки (максимально допустимое избыточное давление в помещении) устанавливается путем изменения рабочей площади мембраны или ее упругих свойств и усилия открытия защелки рамы.

Указанная совокупность признаков обеспечивает более высокую скорость вскрытия предохранительной конструкции по сравнению с обычными поворотными легкосбрасываемыми конструкциями, что повышает эффективность сброса газов из помещения.

Во второй главе проведен анализ существующих математических моделей дефлаграционного горения в помещениях как с учетом наличия предохранительных конструкций, так и без них. 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.

Наиболее точно зависимость изменения давления во времени в полузамкнутом объеме любой формы определяется по формуле:

, (1)

где F(t) - текущее значение площади фронта пламени, м2; S - суммарная площадь сбросных проемов, м2; i - плотность газа (индекс 1 относится к свежей смеси, а индекс 2 - к продуктам сгорания), кг/м3; =c - коэффициент расхода, учитывающий условия истечения свежей ГВС или продуктов сгорания через сбросные отверстия; =12 - степень расширения смеси при сгорании; Vi - текущий объем свежей (V1) или сгоревшей  (V2) смеси, м3; 1 - показатель адиабаты свежей (1) или сгоревшей (2)смеси; UН - нормальная скорость распространения пламени, м/с; Р - избыточное давление (Р=Р-Ратм), Па; Р - текущее давление, Па; Ратм - начальное давление (обычно атмосферное), Па; – коэффициент интенсификации горения.

Зависимость избыточного давления от времени в замкнутом объеме определяется как:

, (2)

где: Un= - видимая скорость пламени, м/с; V – объем помещения, м3;

При определении зависимости (2) были сделаны допущения: избыточное давление в объеме (Р

Решение задачи математического описания изменения избыточного давления в помещении, оборудованном ЛПУ, основывается на использовании указанных выше зависимостей с учетом параметров легковскрываемых устройств и особенностей их работы.

При использовании ЛПУ процесс дефлаграционного горения в помещении можно разделить на три части: горение до начала вскрытия предохранительной конструкции, горение во время вскрытия ПК и горение после полного освобождения сбросного проема.

В первом случае горение происходит в замкнутом объеме и изменение избыточного давления от времени происходит по закону (2).

После достижения в помещении значения давления, равного давлению вскрытия ЛПУ, срабатывает механизм вскрытия, и упругий элемент начинает поворачивать створку на угол (Т). При построении расчетной схемы на данном этапе процесса взрывного горения принимается следующее допущение: скоростной напор смеси, истекающей через сбросные проемы, не оказывает влияния на скорость поворота створки. Исходя из этого, функциональную зависимость угла вскрытия поворотной створки от времени можно определить, зная следующие параметры ЛПУ: жесткость системы упругих элементов Кс и момент инерции створки Iz:

(3)

Зная зависимость изменения угла вскрытия створки от времени, можно найти зависимость изменения площади вскрывшегося проема от угла и от времени.

На рисунке 2 схематически показана поворотная створка, открытая на угол . Общая площадь вскрывающегося проема Sобщ =2S+Sбок.

При этом S = 0,5l2sin((Т)/2)cos ((Т)/2), а боковая площадь Sбок = 2blsin(/2).

Таким образом:

Sпр = l2sin((Т)/2)cos ((Т)/2) + 2blsin((Т)/2), (4)

где: l – ширина поворотной створки, м; b – длина поворотной створки, м.

Подставив в выражение (4) значение зависимости угла поворота створки от времени (3), получим закон изменения во времени вскрывающейся площади сбросных проемов.

На основании того, что значения величин Кс и Iz являются постоянными для каждой конкретной системы упругих элементов, зависимость избыточного давления от времени определяется выражением:

(5)

где: S(Т) – зависимость площади вскрывающихся проемов от времени вскрытия поворотной створки, м2.

В третьем случае, когда значение площади сбросного проема становится меньше или равно Sобщ т.е. в случае, когда выполняется условие:

Sпр l2sin((Т)/2)cos ((Т)/2) + 2blsin((Т)/2), (6)

значение избыточного давления будет определяться зависимостью (1).

Таким образом, значение избыточного давления внутри помещения со сбросными проемами, оборудованными легковскрываемыми противо-взрывными устройствами определяется последовательно по (1), (2), (5).

В третьей главе представлен макет помещения, оборудованного легковскрываемым противовзрывным устройством, на котором изучался процесс дефлаграционного горения и работа ЛПУ.

В качестве макета аварийного помещения для проведения экспериментальных исследований процесса дефлаграционного горения была использована взрывная камера из органического стекла с линейными размерами 680Ч680Ч690 и сбросным отверстием, размеры которого менялись в зависимости от требований опыта (рисунок 3).

Горючим газом был выбран пропан, как наиболее доступный и имеющий хорошо изученные физико-химические параметры горения. Смесь состояла из 4,5 % пропана и 95,5 % воздуха, т.е. смесь представляла собой стехиометрический состав.

Воспламенение ГВС осуществлялось высоковольтной индуктивной искрой длительностью 0,4 мс и энергией 12 МДж. Расстояние между электродами не превышало 3 мм.

Для измерения уровня взрывных нагрузок использовались датчики избыточного давления фирмы “Motorola” типа MPX, сигнал с которых поступал на цифровой осциллограф АКТАКОМ 3107. Видеосъемка процесса дефлаграционного горения осуществлялась цифровой камерой Nikon «Camedia» с разрешением 4 мегапикселя и скоростью съемки 30 кадров в секунду.

Серия экспериментов, по исследованию дефлаграционного горения проводилась в 5 этапов:

1. эксперименты по определению времени задержки между заполнением газовоздушной смесью камеры и инициированием взрыва газовоздушной смеси для исключения влияния начальной турбулизации смеси;

2. эксперименты в газовой камере с изначально открытым сбросным проемом для выяснения влияния ЛСК и ЛПУ на характер зависимости давление – время.

3. эксперименты по исследования взрывного горения в камере с поворотной створкой (с вертикальным шарниром) различной массы для выяснения влияния на характер процесса инерционности ЛСК;

4. эксперименты по исследования взрывного горения в камере с поворотной створкой при различных значениях давления ее вскрытия. Определялось влияние давления вскрытия поворотной створки на уровни взрывных нагрузок;

5. эксперименты по исследованию эффективности работы ЛПУ.

В ходе экспериментальных исследований было проведено более 70 опытов, результаты которых доказали работоспособность легковскрываемого противовзрывного устройства.

Сравнение значений избыточного давления во взрывной камере с применением легковскрываемого противовзрывного устройства и с использованием ЛСК показал, что при равных значениях массы поворотной створки и давления вскрытия применение ЛПУ позволяет на 62% снизить взрывные нагрузки в помещении с одинаковой площадью сбросных проемов.

Во время проведения 16 опытов с использованием доработанного образца ЛПУ не было зафиксировано ни одного отказа. Результаты эксперимента показали, что максимальное давление во взрывной камере, оборудованной ЛПУ при значений давления его вскрытия Рвскр=1кПа не превышало 3 кПа, что является допустимой нагрузкой на строительные конструкции зданий различного типа.

На рисунке 4 приведен график зависимости избыточного давления от времени во взрывной камере с использованием ЛПУ, а на рисунке 5 – кинограмма взрывного горения, соответствующая графику.

Анализ графика (рисунок 4) и кинограммы (рисунок 5) показывает, что вскрытие поворотной створки ЛПУ начинается примерно на 80…85 мс при значении избыточного давления 1 кПа. В течение 5 мс после вскрытия створки избыточное давление продолжает нарастать до 2 кПа за счет быстрого вытягивания фронта пламени в сторону сбросного отверстия. На 90…105 мс давление резко снижается практически до нуля, что обусловлено освобождением сбросного проема, причем, как видно из рисунка 5 фронт пламени еще не подошел к сбросному отверстию. До 120 мс из сбросного отверстия истекает несгоревшая смесь и площадь фронта пламени увеличивается, вследствие чего происходит рост избыточного давления. На 120 мс из сбросного отверстия начинается истечение продуктов сгорания. При этом на графике наблюдается очередной спад давления. Далее (см. рисунок 5) площадь поверхности фронта пламени продолжает увеличиваться, вызывая тем самым незначительный рост избыточного давления. На 240 мс значение избыточного давления очередного достигает максимума, после чего уменьшается до нуля (см. рисунок 4  и

рисунок 5 - 300 мс) вследствие полного догорания остатков газовоздушной смеси во взрывной камере.

Рисунок 4 - График зависимости избыточного давления от времени горения во взрывной камере с использованием ЛПУ.

30 мс 60 мс 90 мс

120 мс 150 мс 180 мс

240 мс 300 мс

Рисунок 5 – Кинограмма взрывного горения в камере с использованием легковскрываемого противовзрывного устройства

В четвертой главе 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.

На рисунке 6 приведены графики зависимости избыточного давления от времени полученные во взрывной камере с линейными размерами 680Ч680Ч690 мм, позволяющие сравнить результаты расчета и эксперимента.

Как показывает кинограмма на рисунке 5, вскрытие поворотной створки начинается на 80 мс. До этого момента расчет избыточного давления производится по формуле (2), при этом расчетные и экспериментальные значения избыточного давления практически совпадают.

На промежутке времени с 80 по 110 мс поворотная створка открывается под воздействием торсионов и расчет производится по формуле (5). На этом периоде наблюдается небольшое расхождение (5%) времени реализации максимума давления обусловленного наличием легкосбрасываемого устройства.

После 110 мс процесса дефлаграционного горения расчет значений избыточного давления осуществляется по формуле (1). Для дополнительного сравнения расчетных значений давления с экспериментальными данными на этом участке, на рисунке 6 приведена экспериментально полученная зависимость избыточного давления от времени во взрывной камере со свободным сбросным проемом. Размеры сбросного проема составляли 560Ч270 мм.

Результаты сравнения расчетных и экспериментальных значений избыточного давления показывают, что время реализации второго максимума давления на расчетной зависимости всего на 2% расходится с экспериментальными данными, а значение максимального избыточного давления – на 15%.

Далее, на расчетном и экспериментальном графике наблюдается третий максимум избыточного давления. Расхождение между расчетом и экспериментом не более 15%.

Анализ приведенных данных свидетельствует об удовлетворительной сходимости экспериментальных и расчетных данных, особенно на самом важном периоде дефлаграционного горения во время реализации первого пика избыточного давления (характеризующего максимальное избыточное давление в помещении, оборудованном легковскрываемым устройством).

Рисунок 6 - Сравнение расчета и эксперимента для опытов во взрывной камере кубического объема (размеры сбросного проема 560Ч270 мм.)

1 – график зависимости избыточного давления от времени во взрывной камере с использованием ЛПУ (эксперимент); 2 - график зависимости избыточного давления от времени во взрывной камере со свободным сбросным проемом; 3 – расчетная зависимость избыточного давления от времени во взрывной камере с использованием ЛПУ

Разработанная на основе теоретических и экспериментальных исследований «Методика подбора и расчета параметров легкосбрасываемых противовзрывных устройств» позволяет выбрать тип и определить основные характеристики легкосбрасываемых противовзрывных устройств на стадии проектирования зданий и при модернизации предохранительных конструкций на конкретных взрывоопасных объектах.

Время, необходимое для вскрытия каждой поворотной створки до угла 90є вычисляется по формуле:

tвскр = kтапом [с], (7)

где: kт = 0,07 (эмпирический коэффициент);

апом – наименьший линейный размер помещения, м.

Примечание: Если расчетное значение времени вскрытия поворотной створки tвскр получается больше 0,5 с, то время вскрытия поворотной створки принимается tвскр = 0,5с.

Исходными данными для расчета параметров поворотной створки (упругого элемента поворотной створки) является ее масса m (кг), расстояние от центра массы до оси вращения Xm (м), расстояние от центра створки до оси её вращения Xs (м) (см. рисунок 7).

При использовании в системе двух торсионов рекомендуется выбирать параллельную схему их работы (КС=2К жесткость системы упругих элементов равна сумме жесткостей двух одинаковых упругих элементов).

Исходя из значения выбранной длины рабочей части упругих элементов определяется их жесткость (при одновременной работе двух торсионов):

Н·м/рад, (8)

где: G = 8000 кг/мм2 = 78000 МПа - модуль сдвига;

p=0,1dт 4 - полярный момент инерции для круглого сечения упругого элемента, м4.

Расчет момента инерции створки производится по следующей формуле

Iz=m·(Xm)2 Нм2. (9)

Угол открытия створки принимаем =/2 рад (см. рисунок 2).

Угол начального закручивания упругого элемента принимаем З= /2 рад.

Расчет значения жесткости системы упругих элементов Кс производится исходя из соотношения. Откуда:

. (10)

Xm

mg

Xs

l

Рисунок 7 – Схематичное изображение поворотной створки с торсионами

Производится расчет значения жёсткости каждого из упругих элементов:

К = Кс /2. (11)

Определяется значение полярного момента инерции:

м4, (12)

Определяется значение диаметра упругого элемента dт:

м. (13)

Определяется максимальное касательное напряжение в рабочей части упругого элемента:

Па, (14)

где wр= 0.2dт3.