Технические системы, работающие под давлением

В производстве часто приходится преднамеренно сжимать как инертные, так и горючие газы, затрачивая при этом электрическую, тепловую или другие виды энергии. При этом сжатый газ (пар) находится в герметичных аппаратах различных геометрических форм и объемов.

Однако в ряде случаев сжатие газов (паров) в технологических системах происходит случайно вследствие превышения регламентированной скорости нагрева жидкости внешним теплоносителем или в результате неуправляемой экзотермической химической реакции в жидкой фазе, а также других химических превращений с газообразованием без взрывных химических процессов.

При взрывах сосудов под давлением могут возникнуть сильные ударные волны, образуется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям производственных фондов и поражению как персонала, так и населения. При этом общая энергия взрыва переходит в основном в энергию ударной волны и кинетическую энергию осколков.

Для технологических объектов с высокими значениями параметров сжатых газов и энергетических потенциалов уровень опасности можно оценивать по энергетическим балансам как ударных волн, так и разлета осколков. А при подземных взрывах, взрывах на поверхности земли - к энергии сейсмических волн, приводящих к разрушению рядом расположенных зданий и сооружений.

Для оценки разрушений способности ударных волн от взрывов сферических емкостей со сжатыми газами (избыточного давления и импульса) используют следующие параметры:

Ø начальное давление в сосуде (емкости, аппарате);

Ø начальная температура;

Ø атмосферное давление;

Ø температура окружающего воздуха;

Ø отношение теплоемкостей граничащих сред.

При высоких значениях давления и температуры изменение избыточного давления на различных расстояниях от энергоносителя подобно изменения этих показателей в волне, генерируемой взрывом высокоэнергетических ВВ. Однако существуют и принципиальные различия между взрывными волнами, генерируемыми при взрыве сосудов со сжатым газом высокого давления и при взрыве ВВ.

При взрыве аппарата в ударной волне возникает протяженная область отрицательного давления с большими амплитудой и фазой разрежения.

За фазой разрежения следует положительная фаза сжатия с достаточно высоким избыточным давлением.

При оценке разрушающей способности аппаратов со сжатыми газами пренебрегают влиянием осколков на взрывную волну, а учитывают лишь уменьшение энергии взрыва на величину кинетической энергии осколков. Кроме того, принимают, что отрицательный удельный импульс близок по абсолютному значению и положительному.

Наиболее опасными из рассматриваемых технологических систем являются аппараты со сжатыми горючими газами (парами).

Высвобожденная энергия сжатых горючих газов (паров) может сопровождаться образованием парового облака и последующим его взрывом. При мгновенном (практически одновременном) воспламенении выбрасывающихся газов (паров) при разрушении аппаратов (сосудов), работающих под давлением, масштабы разрушений и зоны поражения прогнозируют по сумме энерговыделения распространяющихся газов и сгорания их в атмосфере по рассмотренным выше закономерностям.

В реальных условиях рассматриваемые технологические системы опасны и другой моделью развития аварии, когда после разрушения емкости от превышения давления происходит некоторая задержка формирования и последующее воспламенение парового облака. Масштабы и характер разрушений в этом случае определяются раздельно от расширяющегося газа при разрыве сосуда, и от взрыва парового облака. Последствия аварии, развивающейся по такой модели, могут быть весьма тяжелыми.

В зонах действия высоких давлений от высвобождения энергии сжатых газов, характер разрушений подобен бризантному действию взрыва конденсированных ВВ. Вместе с тем при последующем взрыве парового облака площади тяжелых и средних уровней разрушений могут значительно превышать области поражения, которые были бы при взрыве эквивалентного количества только конденсированного ВВ. Поэтому такие технологические установки (технологии) способны привести к особо опасным последствиям.

Взрывные явления, происходящие при высвобождении энергии сжатых газов, могут протекать и в тех случаях, когда превышение давления в технологических системах происходит в результате химических реакций как в жидкой, так и в твердой фазе. При этом газовыделение может происходить с высокими скоростями, при которых резко повышается давление в системе, что приводит к разрушению оболочек. Когда энерговыделение в результате химической реакции не имеет взрывного характера, а объем газовой фазы велик (по сравнению с объемом жидкой фазы), масштабы раз­рушений могут быть существенными.