Травмобезопасность в строительстве

Полагая процесс расширения газа в атмосфере адиабатическим (PV^k= const), расчёт работы расширения единицы массы газа А_г, Дж/кг, проводится по формуле:

Мтнт= 1,9 η (Мг•Аг/ Qтнт),

( 2.10)

 

Аг= - (Рр/ρр)•(1/(k-1))•[(Pa/Pp) (k-1/ k) -1],

( 2.11)

где  Р_р  - давление в трубопроводе до разрыва (рабочее), кПа; Р_р=7357,5 кПа;

ρ_р  - плотность газа в трубопроводе до разрыва, кг/м³;

k    - показатель  адиабаты. Согласно [28], для метана k = 1,32;

P_a  - давление атмосферное, кПа; Р_а= 101,3 кПа.

Расчёт массы сжатого  газа, участвующего  в формировании первичной ударной волны  М_г, кг, проводится по формуле:

Мг= (π/4) • dтр2 • ρн • Рр [293/(Тр• z • 1,033)] • Lp  ,

( 2.12)

где π  - число пи; π = 3,14;

d_тр- внутренний диаметр трубопровода, м; d_тр= 0,1м;

ρ_н - плотность газа при нормальных условиях ( Р_а=101,3 кПа;  Т=0° С), кг/м³;

Согласно исходным данным, ρ_н= 0,687 кг/м³;

Р_р  - давление в трубопроводе до разрыва (рабочее),кгс/см²; Р_р= 75 кгс/см²;

Т_р  - температура газа в газопроводе до разрыва, К. Принимаем Т_р=Т_ос;

Т_ос -температура окружающей среды, К. Так как газопровод-отвод подземный, за температуру окружающей среды принимаем температуру почвы на глубине 0,8 м. По принятым  данным среднегодовая температура почвы (на глубине 0,8 м) равна 11°С,  Т_ос=284,15 К;

z    - коэффициент   сжимаемости газа.  Расчёт z проводится по формуле:

z = 100 /(100+0,12 Pp1,15),

( 2.13)

где Р_р – см. формулу ( 2.12 );

z = 100 /(100+0,12 • 65^1,15) = 0,87;

L_p - длина разрушенного участка трубопровода, м (см. рис.2.4). Согласно [14] наиболее вероятная длина разрушенного участка на газопроводах диаметром менее 529 мм составляет от 5 до 20 м. Учитывая  значение рабочего давления и диаметр газопровода, принимаем L_p=10 м;

М_г= (3,14/4) • 0,25² • 0,701 • 65• [293/(284,15• 0,87• 1,033)] • 10 = 25,7 кг.

Расчёт плотности газа  до разрыва, ρ_р, кг/м³, проводится по формуле:

ρр = [ρн (Рр/ Та)] / [z (Ра/ Тр)],

( 2.14)

где ρ_н,Т_р, z - см. формулу ( 2.12 );

Р_р, Р_а - см. формулу ( 2.11);

Т_а  - температура нормальных условий, К. Та= 273,15 К;

ρ_р = [0,701(6497,3/ 273,15)] / [ 0,87 (101,3/ 284,15)] = 53,77 кг/м3.

Следовательно,

А_г = - (6497,3 /53,77)•[1/(1,32-1)]•[(101,3/ 6497,3)^{1,32-1/ 1,32} -1] = 339,86 Дж/кг

Таким образом.

 М_тнт = 1,9 • 0,8(25,7•339,86/ 4,24•10⁶) = 3 • 10^-3 кг.

Характеристиками воздушной  волны сжатия, вызванной расширением  природного газа, являются: избыточное давление на фронте волны,  импульс положительной фазы сжатия,  период положительной фазы сжатия.

Расчёт избыточного  давления на фронте волны ∆Р_фр, (кПа), проводится по формуле:

∆Рфр= 1000[(0,084/ Rп) +(0,27/ Rп2) +(0,7/Rп3)],

( 2.15)

где R_п -приведённое расстояние от точки аварии до поражаемого объекта.

Расчёт приведённого расстояния от точки аварии до поражаемого  объекта, R_п, проводится по формуле:

Rп = R / Mтнт 0,33,

( 2.16)

где R   - расстояние от точки аварии до поражаемого объекта, м;

М_тнт - см. формулу (2.10 ).

Расчёт импульса положительной фазы сжатия I⁺, (кПа•с), проводится по формуле:

I+= 0,4(Мтнт 0,67/R),

( 2.17)

где R   - см. формулу ( 2.16 );

М_тнт-см. формулу ( 2.10 );

Расчёт периода положительной  фазы сжатия τ⁺, с, проводится по формуле:

τ+= 1,5•10-3•Мтнт 0,167•√ R  ,

( 2.18)

где R   - см. формулу ( 2.16 );

М_тнт - см. формулу ( 2.10 ).

В таблице 2.6  приведены  расчётные величины ∆Р_фр, I⁺, τ⁺, в зависимости от выбранных значений R.

 

     Таблица 2.10. Расчётные величины ∆Р_фр, I⁺, τ⁺, в зависимости от значений R

R, м	∆Рфр, кПа	I+, кПа•с	τ+, с
1	20,43	0,008	0,00057
2	7,938	0,004	0,00081
5	2,748	0,0016	0,0013
10	1,29	0,0008	0,0018
15	0,847	0,0005	0,0022

 

Выводы. Сравнение полученных расчётных значений ∆Р_фр, I⁺,τ⁺ (см. таблицу 2.10) с пороговыми значениями, приведёнными в таблицах 2.6 - 2.8, позволяет сделать вывод, что возникающая при разрушении газопровода-отвода первичная воздушная волна не представляет прямой угрозы для жизни человека, оказавшегося даже в непосредственной близости (> 2,0 м) от центра разрыва, и не способна вызвать какие-либо повреждения зданий и сооружений, расположенных за пределами существующих нормативных разрывов.

Для  расчёта  параметров  воздушной  ударной  волны,  возникающей  при «раннем»  зажигании,  происходящем  в  период  условно  симметричного  (полусферического) расширения исходного объёма выбрасываемого газа, в качестве наиболее  консервативной  расчётной  схемы  принимаем [14], что вся участвующая в процессе  масса газа смешана с воздухом до стехиометрической концентрации и происходит  центральное  поджигание  газовоздушной  смеси  в  объёме  эквивалентной полусферы.

Согласно [19],  метан относится к 4  классу  горючих веществ по степени чувствительности  к возбуждению взрыва,  а окружающая местность в районе предполагаемой  аварии  (ПК 100) относится  к  4 виду  «свободное  пространство». Исходя  из  этих  положений,  определяем  режим взрывного превращения:  дефлаграционный,  диапазон  6, что в свою  очередь определяет  формулу расчёта скорости  видимого  фронта  пламени.

Расчёт скорости видимого фронта пламени w_ф, м/с, проводится по формуле:

wф= 26 Мэ0,167  ,

( 2.19)

где М_э  - эквивалентная масса газа, участвующая во взрывном превращении, кг.

Расчёт эквивалентной  массы газа М_э, кг, проводится по формуле:

Мэ= Мг+(2Gкр•∆τЗ),

( 2.20)

где М_г - масса газа, заключённая при рабочем давлении в пределах разрушенного участка, кг;  см. формулу ( 2.12 );

G_кр- критический расход газа в месте разрыва из одной стороны разрыва трубопровода, кг/с;

∆τ_З - время задержки воспламенения, с.

При расчётах исходят  из предположения, что ∆τ_З составляет несколько секунд. Принимаем ∆τ_З = 1, 2, 3 секунды.

Расчёт критического расхода газа G_кр, кг/с, проводится по формуле:

______________________ Gкр= μ(π dтр2/ 4)√ Pp•ρp• k • [2/(k+1)](k+1) / (k-1),

( 2.21)

где μ   - коэффициент  расхода, который характеризует  степень заполнения струёй истекающего  газа поперечного сечения трубы  на последнем участке аварийного газопровода. Согласно [20] в соответствии с результатами  экспериментальных работ μ меняется в интервале от 0,85 в начале процесса истечения, до 1,0 в период окончания. Принимаем μ = 0,85;

π, d_тр - см. формулы (2.12);

Р_р  - давление рабочее, Па; Р_р= 7357500 Па;

ρ_р  - см. формулу (2.14);

k   -  см. формулу  (2.11); 

                                 ______________________________________

  G_кр= 0,85(3,14• 0,25²/ 4)√ 6497300 • 53,77•1,32• [2/(1,32+1)]^{(1,32+1) / (1,32-1)} = 470 кг/с.

 

Согласно [19] для определения степеней поражения человека и разрушения зданий и сооружений от воздушной ударной волны, образующейся при дефлаграционном взрывном превращении облака ГВС, сначала определяются безразмерные давление и импульс, а затем соответствующие им размерные величины.

Расчёт безразмерного  давления  Р_б  проводят по формуле:

Рб=(wф/св)2• [(σ-1)/σ] • (0,83/Rx – 0,14/Rx2),

( 2.22)

где w_Ф - см. формулу (2.23);

с_в  - скорость звука в воздухе, м/с. Согласно [14] с_в= 340 м/с;

σ   - степень расширения продуктов сгорания; Согласно [8] для углеводородов метанового ряда σ = 7;

R_x  - безразмерное расстояние от центра облака газовоздушной смеси до поражаемого объекта.

Расчёт безразмерного  импульса, I_б, проводят по формуле:

Iб=(wф/св)•[(σ-1)/σ]•[1- 0,4(wф/σсв) • (σ-1)/ σ]•(0,06/Rx+0,01/Rx2 - 0,0025/Rx3),

( 2.23)

где w_ф, с_в, σ, R_x - см. формулу (2.22).

Расчёт безразмерного  расстояния от центра облака газовоздушной  смеси до поражаемого объекта R_x проводится по формуле:

Rx= 0,01R /(E/Pa)0,33,

( 2.24)

где Е  - энергозапас  наземного взрыва ГВС, МДж;

Ра - давление атмосферное, Па; Ра= 101300 Па.

При расчётах P_б, I_б необходимо учитывать, что формулы (2.22), (2.23) справедливы при R_x > R_кр=0,34, в противном случае принимаем R_x=R_кр.

Расчёт  энергозапаса наземного взрыва ГВС, Е, МДж, проводят по формуле:

Е = 2• Мэ• QнP,

( 2.25)

где М_э - см. формулу (2.20);

Q_н^р- низшая теплота сгорания метана, МДж/кг. Согласно исходным данным, для газа, транспортируемого по газопроводу-отводу, Q_н^р = 48,96 МДж/кг.

Расчёт избыточного  давления ∆Р, кПа, проводится по формуле:

∆Р= Рб•Ра,

( 2.26)

где Р_б - см. формулу (2.22);

Р_а - давление атмосферное, кПа; Р_а= 101,3 кПа.

Расчёт импульса волны  давления I⁺, кПа•с, проводится по формуле:

I+=0,1 • Iб• Ра0,67(Е0,33/св),

( 2.27)

где I_б - см. формулу (2.23);

Р_а - давление атмосферное, Па; Ра= 101300 Па;

Е  - см. формулу (2.25);

с_в - см. формулу (2.22).

Рассчитав значения  ∆Р, I⁺ для выбранных аналитически значений R и сравнив с пороговыми значениями,  приведёнными  в таблицах  2.6 - 2.8, можно сделать вывод о возможности поражения человека и степени разрушения зданий и сооружений.

В таблице 2.11  приведены расчётные величины М_э, Е, w_ф, R_x, Р_б, I_б, ∆Р, I⁺ в зависимости от выбранных значений R и ∆τ_З.

 

Таблица 2.11. Расчётные величины М_э, Е, w_ф, R_x, Р_б, I_б, ∆Р, I⁺ в зависимости от выбранных значений R и ∆τ_З

∆τЗ, с	1			2			3
Мэ, кг	965,24			1904,78			2844,32
Е, МДж	74477,92			146972,82			219467,73
wф, м/с	81,92			91,77			98,13
R, м   Rx   Рб   Iб   ∆Р, кПа   I+, кПа•с	25   0,277   0,058   0,056   5,87   1,507	35   0,387   0,06   0,0339   6,078   0,91	45   0,498   0,055   0,0266   5,57   0,07	25   0,221   0,055   0,0514   5,57   1,73	35   0,309   0,076   0,04496   7,699   1,51	45   0,398   0,0748   0,0365   7,577   1,23	25   0,194   0,0395   0,0618   4,001   2,376	35   0,271   0,083   0,00599   8,41   0,23	45   0,349   0,0877   0,0116   8,88   0,446