Взрыв газопаровоздушных смесей, классификация взрывоопасных смесей

Рассмотрим подробнее объемные взрывы, связанные с химическим превращением вещества и горением ГПВС, наиболее часто встречающиеся в практической деятельности пожарной охраны (см. рис. 7.6).

Горение ГПВС можно разделить на две группы: с образованием ударной волны и без образования ударной волны. Образование ударной волны происходит при кинетическом горении (смесь горючего и окислителя готова до начала горения). Горение ГПВС без образования ударной волны характерно для диффузионного горения (горючее и окислитель отдельно поступают в зону горения). Горение ГПВС можно изобразить в виде схемы.

Диффузионное дефлаграционное горение характеризуется сравнительно медленной скоростью распространения зоны химической реакции, фронта пламени порядка 0,5-50 (до 150) м/с. В большинстве случаев ГПВС горят со сравнительно низкой скоростью – порядка нескольких м/с. При любом виде горения образуется избыточное давление DР – то давление, которое превышает атмосферное, равное 101,3 кПа – вследствие теплового расширения продуктов горения (из 1 л ГГ образуется 10 л ПГ). Однако, при диффузионном дефлаграционном горении DР небольшое (DР до 0,5 кПа) и к разрушениям не приводит (кроме разрушения остекления). Т_гор порядка 1000 – 1200 ⁰С, до 1500 ⁰С.

Рис. 7.6. Механизмы горения ГПВС

Кинетическое дефлаграционное горение. При высокой скорости горения (от 50 до 900 м/с), свойственной кинетическому горению, фронт пламени сдвигает и сжимает свежую смесь, что приводит к значительному повышению давления. При наличии препятствия избыточное давление дефлаграционного горения образует проходящую и отраженную ударную волну (главную разрушающую силу взрыва). Избыточное давление взрыва ( Р_взр) до 1000 кПа, Т_гор до 2500-3000 ⁰С. Например, Р_взр метана в воздухе – до 1000 кПа. Много это или мало? Взрыв ВВ приводит к более высоким давлениям, однако, уже при избыточном давлении ударной волны порядка DР = 50 кПа наблюдается 50 % разрушения зданий. При избыточном давлении ударной волны порядка DР = 100 кПа происходит до 75 % разрушения зданий, при Р = 500 кПа – здания разрушаются полностью. Величина Р = 5 кПа считается предельным безопасным избыточным давлением – разрушается только остекление и легко сбрасываемые конструкции, возможны повреждения основных несущих конструкций.

При разрыве емкости с горючей жидкостью, если Р_ж > Р_атм или топливно-воздушная смесь слишком богатая для одномоментного сгорания, образуется так называемый взрыв BLEVE (расширяющихся паров вскипающей жидкости), характеризующийся всплывающим огненным шаром с очень мощным излучением, зажигающим горючие вещества на расстоянии до 350 м. Взрывная волна сравнительно слабая. Пример взрыва ВLEVE – Омск, 6.07.2000 г. в 20-00 загорелась цистерна с 60 м³ бензина и горела значительное время. Собралась толпа зевак. Через 40 мин. Произошел взрыв с всплывающим огненным шаром, погиб начальник ПЧ, 80 человек госпитализировано, из них 16 дети, 24 – в тяжелом состоянии из-за полученных ожогов и еще один факт – на расстоянии 1 км оператора ТВ сбило с ног.

Кинетическое детонационное горение (взрыв) – разновидность взрыва, при котором образуется самоподдерживающаяся сверхзвуковая волна (км/с), сжимающая свежую смесь до такой степени, что в месте ее прохождения, еще до подхода пламени, начинается горение. Детонационная ударная волна не требует препятствий для своего развития. Детонация характеризуется очень сильными разрушениями, так как давление в проходящей волне достигает 2 МПа, в отраженной волне – 10 МПа.

Главное отличие детонации от дефлаграционного горения и дефлаграционного взрыва заключается: в очень высокой скорости распространения: порядка скорости звука и выше; при скорости горения, меньшей 45 м/с, возбуждение детонации не наблюдалось; в механизме распространения зоны горения.

На пожарах чаще всего встречаеюся дефлаграционные горение и взрыв. Детонация – достаточно редкое явление на пожаре и может возникнуть при взрыве ГПВС при стечении ряда обстоятельств: возникновение ударной волны, приводящей к возбуждению детонации; высокая скорость выделения энергии возбудителя детонации; ускорение и турбулизация пламени, приводящие к увеличению площади его поверхности и т. д. Необходимо достаточное расстояние – звуковой уровень скоростей достигается при L_кр = 70 м для водорода, 600 м для этана, 3500 м для пропана, 5 000 м для метана.

Случаи детонации фиксировались в газопроводах, при разливах ЛВЖ, в штольнях угольных шахт. Детонация чаще наблюдается при взрыве различного рода взрывчатых веществ. В целом природа детонации еще нуждается в изучении.