ВЗРЫВОЗАШИТА ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Водяник В.И.

С точки зрения физики под взрывом следует понимать широкий круг явлений, связанных с выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за очень короткий промежуток времени. Общим признаком для всех разнообразных по своей физической природе явлений взрыва служит образование в локальной области зоны повышенного давления с последующим распространением по окружающей среде со сверхзвуковой скоростью взрывной волны, представляющей собой прямой скачок давления, плотности, температуры и скорости среды.

При воспламенении смеси бытового газа (метана) с воздухом, по ней распространяется пламя, представляющее собой волну химической реакции с выделением большого количества тепла. Однако этот процесс происходит недостаточно быстро для образования взрывной волны. Взрывная волна может образоваться в случае, когда пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью, что характерно только для детонации, что в условиях бытовых помещений (кухонь) практически исключено.

Наиболее опасным внешним проявлением воспламенения газообразных горючих систем в замкнутом объеме является весьма быстрое повышение давления; причем (если, опять же, не считать детонации) при сгорании стехиометрической метановоздушной смеси оно повышается в 8,2 раза, и происходит это в течение нескольких секунд, в основном, в зависимости от объема помещения.

Итак, с точки зрения физики то, что происходит при воспламенении газа на кухне от спички или от искры, это не взрыв, а весьма быстрое сгорание метановоздушной смеси [1]. Это сгорание происходит весьма быстрое по субъективному восприятию, но слишком медленное, чтобы называться взрывом, хотя такое название широко используется даже в специальной литературе. Например, если помещение размером 3×3×2,5 м будет все заполнено стехиометрической (наиболее быстрогорящей) смесью природного газа с воздухом (~10% метана по объему), и произойдет зажигание этой смеси, то давление в таком замкнутом объеме может достичь ~800 кПа, а усилие на междуэтажные перекрытия может достичь ~700 тс (~7 МН). Естественно, и перекрытия, и стены будут разрушены, вышележащие строительные конструкции будут приподняты, а затем – тоже обрушены, т.е. будет полностью разрушена некоторая часть многоэтажного дома. Но если на кухне будет окно с обычной деревянной рамой с крупными переплетами и стеклами толщиной 2 мм, которые разрушатся уже при давлении 5 кПа (обычно остекление таких окон разрушается даже при значительно меньшем давлении), и площадь открывшегося при этом проема будет не менее 1,5 м², то истечение продуктов сгорания через него будет полностью компенсировать увеличение объема продуктов сгорания, и давление на кухне выше этой величины (5 кПа) не поднимется. Следовательно, здание не получит никаких существенных разрушений, и поэтому такое окно можно считать надежным средством взрывозащиты жилых зданий. Но для этого очень важно чтобы это окно было и достаточно большим по площади, и достаточно слабым по механической прочности.

Современные знания о процессах горения в замкнутых и полузамкнутых объемах достаточны для того, чтобы все эти параметры (требуемые прочность окна и его площадь) рассчитать достаточно точно [2]. Причем, в расчетах могут быть учтены не только собственно объем, но и форма помещения кухни.

В качестве основных исходных данных для расчета требуемой площади сбросного отверстия следует учитывать нормальную скорость распространения пламени u и максимально возможную величину площади его поверхности F.

Нормальная скорость распространения пламени является физико-химической константой горючей смеси и определяет скорость перемещения фронта пламени в направлении, нормальном (перпендикулярном) к его поверхности. Таким образом, площадь поверхности фронта пламени и его нормальная скорость распространения полностью определяют динамику процесса горения газа. Для наиболее быстрогорящей метановоздушной смеси можно принять u = 0,34 м/с. Другой, тоже весьма важный параметр горючей смеси – степень расширения продуктов сгорания газа ε; для метана можно принять ε = 8,2.

При расчете площади проходного сечения устройств сброса давления взрывов необходимо и достаточно выполнить условие, чтобы повышение давления в помещении вследствие горения газа полностью компенсировалось его снижением вследствие истечения газов через вскрывшееся сбросное отверстие. Для этого необходимо в единицу времени удалять из помещения массу газов, определяемую по формуле

, (1)

где F_max – максимальное значение площади поверхности фронта пламени,

ρ_max – максимальная плотность истекающего газа.

Уравнение (1) выражает условие, что избыточный объем образующихся в единицу времени продуктов сгорания должен равняться соответствующему объему истекающих газов. Но продукты сгорания и истекающие газы могут иметь различную плотность (различную температуру). В зависимости от места расположения точки поджога относительно окна через сбросное отверстие могут истекать и горячие продукты сгорания, и холодная несгоревшая горючая смесь, или даже, просто, холодный воздух, а также одновременно и продукты сгорания, и холодный газ. Однако и расчеты, и эксперименты [2] показывают, что наиболее неблагоприятным случаем является истечение холодных газов, поэтому в расчетах следует принимать именно максимальную плотность холодного воздуха, что и должно быть заложено в уравнение (1).

Максимальное значение плотности истекающих газов можно определить по закону адиабаты

,

где P_max – максимально допустимое значение абсолютного давления в защищаемом помещении; ρ₀ – начальная плотность холодного воздуха; Р₀ = 0,1 МПа – начальное абсолютное давление в защищаемом помещении; γ = 1,41 – показатель адиабаты для воздуха.

Величина P_max, являющаяся одним из основных расчетных параметров, определяется прочностью элементов каркаса здания. Но поскольку такой расчет на прочность зданий обычно не производится, то ее следует принимать априори, например, равной 0,105 МПа или даже 0,103 МПа (соответственно 5 или 3 кПа избыточных).

Из гидродинамики известно, что массовый расход газа через отверстие определяется формулой

, (2)

где α – коэффициент расхода через сбросное отверстие, который зависит в основном от формы отверстия, и для оконных проемов прямоугольной формы с острыми кромками можно принять 0,6÷0,7; М – молекулярная масса истекающего газа; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура истекающего газа.

Сопоставляя правые части уравнений (1) и (2), получим расчетную формулу для определения потребной площади проходного сечения сбросного отверстия, достаточной для взрывозащиты здания

.

Максимальную площадь поверхности фронта пламени можно выразить

,

где – максимальная поверхность фронта пламени в предположении, что он представляет собой сферу, вписанную в объем защищаемого помещения,

– коэффициент искривления фронта пламени.

Если бытовое помещение имеет форму куба с ребром, равным , то

.

А если оно имеет другую форму, то можно найти чисто геометрическим путем, однако без особой необходимости этого можно и не делать, соглашаясь с тем, что при этом мы вводим в расчет существенный запас надежности взрывозащиты. Коэффициент искривления фронта пламени следует понимать как отношение действительной площади поверхности фронта пламени к площади поверхности гладкой сферы или части сферы, описанной в пределах помещения из точки зажигания таким образом, что охватываемый ею объем равен действительному объему продуктов сгорания в текущий момент времени.

Если мы решаем конкретную задачу взрывозащиты кухни от взрыва метана, то расчетные формулы можно предельно упростить, подставив в них конкретные значения соответствующих констант и других принимаемых величин: М = 30 кг/кмоль, R = 8314 Дж/(кмоль·К), Т = 300 К, u = 0,34 м/с, ε = 8,2, γ = 1,41, P_max= 0,103 МПа, ρ = 1,3 кг/м³. Тогда расчетная формула будет иметь вид:

.

Коэффициент искривления фронта пламениможно принимать в интервале 1,5÷3. Он может быть и существенно бóльшим, если имеются условия для интенсивной турбулизации газа в помещении. Это может быть, например, при работе на кухне настольных, напольных или потолочных вентиляторов. Однако учитывать такие «экзотические» условия вряд ли целесообразно.

Второе обязательное условие эффективной взрыозащиты – окно должно быть достаточно механически слабым, т.е. оно должно достаточно легко разрушаться под действием весьма незначительного давления газов. Известно, что стекло тем легче разрушается, чем оно тоньше, и, чем больше его остальные размеры. Проблема врывозащиты кухонь в жилых домах в последнее время усложнилась именно тем, что в них стали устанавливать современные металлопластиковые окна с многослойными стеклопакетами. Такие окна и обеспечивают лучшую тепло- и шумоизоляцию, и менее доступны для проникновения в квартиру злоумышленника, и имеют ряд других неоспоримых преимуществ. Но их также неоспоримый недостаток в том, что они слишком прочны. Для всех других бытовых помещений это не недостаток, а для кухни – да, именно этот недостаток (избыточная прочность) часто играет роковую роль, т.к. приводит к разрушению целого подъезда жилого дома. Возможно, именно по причине очень широкого распространения металлопластиковых окон в последнее время мы и наблюдаем всплеск количества катастрофических взрывов, связанных с бытовым газом. Если раньше при взрыве бытового газа на кухне с окном со слабой деревянной рамой и 2-миллиметровыми стеклами страдали только жильцы одной квартиры (получали ожоги), то теперь прочные металлопластиковые окна со стеклопакетами превратили каждую такую кухню в своего рода «мину», угрожающую всему подъезду.

Но этот недостаток металлопластиковых окон вполне может быть устранен их разработчиками и изготовителями без ущерба для всех других их бесспорных преимуществ. Для этого достаточно лишь предусмотреть специальное слабое звено в конструкции их крепления в оконном проеме, например, в виде срезного штифта, или другого ослабленного крепежного элемента. При этом не надо думать, что, если окно будет иметь специально ослабленное крепление, то через него легко будет проникнуть в квартиру злоумышленнику. Для того, чтобы вылетело окно площадью 1,2 м² при давлении 5 кПа на него должна подействовать сила более, чем полтонны. Приложить такое усилие к окну снаружи злоумышленнику вряд ли удастся – его даже не к чему приложить (не за что ухватиться).

В заключении следует отметить, что большое и слабое окно позволит предотвратить разрушение основных несущих строительных конструкций здания и здания в целом, но ожоги и другие поражения людей, находящихся в данном помещении, при этом не исключаются. Однако предотвращение разрушений зданий – это не так мало в смысле снижения трагических последствий взрывов бытового газа.

__________________________

Литература:

1. Водяник В.И. Горение и взрыв газов. Безопасность труда в промышленности, № 1, 2005.

2. Водяник В.И. Взрывозащита технологического оборудования. М.: Химия, 1991. – 256 с.