Разрушения зданий при аварийных взрывах бытового газа

Анализ уравнения (4), записанного в безразмерном виде, показывает, что характер его решения зависит от соотношения между и, где Vист - характерный размер источника вещества; L - характерный линейный размер помещения, или от безразмерного параметра. При относительно больших расходах или малых значениях коэффициента диффузии концентрация вещества в помещении значительно зависит от пространственной координаты, а в решении уравнения (4) присутствует явно выраженный максимум, расположенный у источника. При малых расходах вещества концентрация вещества в помещении практически не зависит от пространственной координаты.

На рис.8 приведено распределение метана по пространству типовой кухни с минимальными габаритами – 2.4х2.1м (площадь – 5м2, объем – 12.6м3).

В расчетах принят минимальный коэффициент диффузии D=0.0005м2/с. Принято, что дверь на кухню закрыта и отсутствует вентиляция Lвент=0м3/час, т.е. нет связи с внешней средой. Расход газа - q=0.4м3/час соответствует производительности четырех газовых конфорок.

Рис.8. Распределение концентрации метана С% по помещению кухни через 2 часа после начала утечки.

Вентиляция отсутствует. Дверь на кухню закрыта.

При равномерном распределении концентрации метана по пространству помещения (малых утечках газа или больших значениях коэффициента диффузии) изменение концентрации во времени описывается однозонной моделью. В однозонной модели помещение заменяется одной расчетной ячейкой, имеющей однородные свойства (температура, концентрация, плотность и т.д.) по всем координатам. При этом изменение концентрации в помещении определяется из условий связи данного помещения с другими помещениями и с атмосферой.

Исходя из этих предпосылок, можно записать уравнение изменения концентрации в помещении от времени:

, (5)

где C - объемная концентрация метана, %; q - расход метана; Lвент - вентиляционный расход; D - коэффициент диффузии; Sпр – площадь открытого проема (двери и т.д.), Lпр – характерное расстояние от источника утечки до открытого проема; V - объем помещения.

Из приведенных выше соотношений следует, что на формирование взрывоопасных облаков значительное влияние оказывает вентиляция помещения.

Рассмотрим количественное влияние вентиляции на процесс формирования газовоздушного облака в помещении.

Известно, что вентиляционный расход зависит от времени суток. Так, около 6-7 часов утра вентиляционный расход минимален. Вентиляция может в это время суток отсутствовать или быть отрицательной (например, в период межсезонья, когда центральное отопление выключено). Далее происходит увеличение вентиляционного расхода. Максимальный расход наблюдается в 18-19 часов, после чего начинает снижаться и т.д., т.е. наблюдается циклическое изменение вентиляционного расхода в течение суток. Этот процесс оказывает значительное влияние на образование взрывоопасной смеси при малых значениях аварийного притока газа в помещение.

Рассмотрим возможность формирования взрывоопасной смеси при минимальной вентиляции (исследования показывают, что минимальный вентиляционный расход в жилом помещении составляет около Lвент=5м3/час) и при равномерном распределении концентрации по пространству.

На рис.9 приведено изменение концентрации во времени для нескольких значений аварийного расхода метана в помещение кухни. Величина расхода q=0.1м3/час соответствует производительности одной конфорки типовой газовой плиты.

Рис.9. Зависимость от времени концентрации метана в помещении кухни при минимальной вентиляции и различных расходах метана. Дверь на кухне закрыта.

Расход метана: 1 - 0.02; 2 -0.04; 3 - 0.06; 4 - 0.08; 5 - 0.1м /час.

Видно, что взрывоопасная концентрации на кухне может реализоваться при одной не зажженной газовой конфорке. При этом время формирования взрывоопасного облака достаточно велико и составляет, в зависимости от времени начала утечки, от 10 до 25 часов. При аварийном расходе метана q<0.02м3/час формирование взрывоопасной смеси в жилом помещении гарантированно исключено. Во-первых, это связано с тем, что при расходе метана q<0.02м3/час распределение концентрации по помещению во всех случаях носит равномерный характер. Во-вторых, при самом минимальном вентиляционном расходе в жилом помещении столь малые утечки могут обеспечить концентрацию смеси не более 1%, что в пять раз ниже предела взрываемости.

Наличие постоянной (даже незначительной) вентиляции существенно повышает уровень взрывобезопасности, т.к. резко снижает способность формирования взрывоопасных облаков в жилых помещениях.

Ввиду того, что газопаровоздушные смеси способны к горению только при определенной концентрации горючей компоненты в воздухе, аварийные взрывы в жилых зданиях часто носят многостадийный характер. Кроме этого, учитывая, что скорость распространения пламени в газовоздушной смеси существенно зависит от концентрации, взрывные хлопки могут следовать один за другим, т.е. разнесены во времени на несколько секунд. Поэтому свидетели аварий могут слышать один или несколько хлопков. Исключения составляют аварийные взрывы, связанные с разрушением баллонов в условиях пожара. В этом случае время, необходимое на разогрев и разрыв баллона, составляет десятки минут.

К особенностям дефлаграционных взрывов внутри помещений следует отнести формирование мощных воздушных потоков в межквартирных и межкомнатных проходах, коридорах и т.д. Именно эти потоки (а не ударные волны, как это часто трактуется, особенно в прессе) приводят к выбросу фрагментов строительных конструкций и предметов из аварийной квартиры.

Данное повреждение конструкции мог нанести только скоростной напор струи, истекающей из квартиры. При этом следует иметь в виду, что разрушение конструкций происходит под действием избыточного давления, а последующий их выброс происходит под действием скоростного напора.

Резюмируя сказанное, можно утверждать, что для реализации значительных разрушений жилых зданий вполне достаточно иметь незначительный объем газа во взрывоопасном состоянии. При этом уровни взрывных нагрузок существенно зависят от множества факторов: объемно-планировочного решения помещения, сценария протекания аварийного взрыва, характера остекления окон всей квартиры, состояния дверей в момент взрыва (открыты или закрыты межкомнатные двери), места инициирования смеси и т.д. Поэтому при рассмотрении последствий аварийных взрывов достаточно типичным является реализация значительных взрывных нагрузок и последующее разрушение здания при незначительном изменении сценария протекания аварии. Например, если в момент начального взрыва на кухне дверь в коридор квартиры закрыта, то реализуется «хлопок» и последующий незначительный пожар на кухне. Это связано с тем, что переобогащенная смесь при первом «хлопке» будет выдавлена в атмосферу через разрушенное остекление. Если же дверь на кухне в момент первого «хлопка» открыта, то смесь через дверной проем устремляется в соседние комнаты, турбулизируется и обогащается кислородом. В результате формируется хорошо подготовленное к горению взрывоопасное облако, которое через незначительный промежуток времени (через 10-15 секунд) взрывается, что приводит к вторичному взрыву, который причиняет основные разрушения зданию. Описанные сценарии достаточно типичны при аварийных взрывах. Отличие их протекания заключается только в закрытой или открытой кухонной двери, а уровни взрывных нагрузок отличаются в 10-15 раз. Таким образом, двухстадийный аварийный дефлаграционный взрыв в жилых помещениях явление достаточно типичное и обрушение строительных конструкций зданий в результате незначительных по объему утечек горючих веществ в помещения тоже достаточно распространенное явление.