ООО «Техподдержка». Асеев О.И. И еще раз о проблемах защиты оборудования от воздействия взрыва

Уважаемые друзья и коллеги! Перед вами следующая статья из первого выпуска журнала «Вестник арматуростроителя». Главный инженер компании «Техподдержка» рассказал о проблемах защиты оборудования от воздействия взрыва.

На написание мною продолжения статьи, опубликованной ранее в «Вестнике арматуростроителя» № 5 (54) 2019 г., меня натолкнули некоторые замечания, которые, к сожалению для их авторов, только уверили меня в своей правоте и сподвигли к некоторым дополнительным разъяснениям для читателей и сторонников данной теории.

При рассмотрении физических явлений и процессов с теоретической, идеальной точки зрения со всевозможными допущениями, отступлениями и смягчениями граничных условий, мы не углубляемся в процесс изучения тонкостей отдельных процессов, что отрицательно влияет на конечный результат при проектировании оборудования защиты, так как любой процесс или явление отличаются от идеала, иногда даже с большим единичным и неучтенным отклонением.

В связи с этим хотел бы напомнить, что на сегодняшний момент факторы внешнего воздействия и химической реакции, вышедшей из-под контроля, не могут быть выражены однозначными показателями и просчитаны более или менее точно. Расчет количества продукта, влияющего на повышение давления от указанных факторов, берется по максимально возможному его увеличению, что может привести к неправильному подбору предохранительного устройства, которое в случае незначительного, но постоянного воздействия (периодический рост и сброс давления при стабильном, но малом расходе относительно параметров подбора для наиболее опасного случая срабатывания клапана) войдет в резонансный режим автоколебаний и приведет к аварийной ситуации.

Учитывая, что данные факторы не приводят к мгновенному росту давления и расхода, теоретически можно все-таки предположить, что предохранительные устройства способны осуществить возложенную на них функцию защиты. Повторюсь, что таким образом во многих случаях наиболее опасной аварийной ситуацией является взрыв технологической среды внутри аппарата. Аварийный приток в этом случае связан с соответствующей ему скоростью нарастания давления взрыва. Да, нарастания. Давление не может одновременно по всей замкнутой системе измениться мгновенно. Идет его рост и одновременное выравнивание в системе.

Если рассмотреть нашу планету как замкнутую систему, то рост или падение давления, его выравнивание в слоях атмосферы в различных точках данной системы хорошо видно на картах погоды (рис. 1). При этом мы сейчас не рассматриваем причины, влияющие на данные факторы, так как задача не в рассмотрении причин, а в сравнительном анализе физических явлений.

Точно также процесс изменения давления при определенных факторах влияния происходит и в отдельных закрытых микросистемах (по сравнению с планетой), а в частности на перерабатывающих производствах (в колоннах, аппаратах, емкостях, трубопроводах и т. д.), но с некоторыми отклонениями от свободного процесса ввиду созданной искусственной замкнутости и влияния технологического процесса протекания различных реакций.

Стоит также напомнить, что вещества, предрасположенные к взрыву, обладают способностью к быстрому химическому разложению, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты. И также возможен иной процесс осуществления взрыва, при котором химическое превращение распространяется по взрывчатому веществу последовательно от слоя к слою в виде волны.

На сегодняшний день не существует единого мнения, какие именно химические процессы следует считать взрывом. Ввиду этого в большинстве случаев к химическим взрывам относят различные быстропротекающие процессы без уточнения их характера, а я бы еще добавил – и глубокого их изучения.

В предыдущей статье о взрывах рассматривалось направление распространения взрыва на примере воспламенения спичек. Направленность взрывов имеет немаловажное значение, и нужно согласиться, что, учитывая закон Паскаля, это существенно для детонационных взрывов, которые имеют большую скорость распространения, превышающую скорость звука (или скорость распространения давления в средах). Но! Кто изучал детонационные свойства отдельных взрывопожароопасных сред? Как уже было сказано ранее, при научных исследованиях явления упрощаются как в теории вопроса, так и при подтверждающих микроопытах. Иначе говоря, вопрос рассматривался поверхностно и некоторые из отступлений негативно сказывались на развитии идеи, а упрощения и допущения не раз приводили к невозможности запуска реального технологического процесса переработки сырья или громадной стоимости оборудования, ограничиваясь лишь лабораторными наработками процесса. Не будет секретом для исследователей утверждение, что микро- и макропроцессы отличны, так как микропроцессы проводятся в основном при близких к идеальным условиям, а макропроцессы могут пойти как «по кочкам» как раз из-за отступлений и приближений к идеальным условиям.

И опять, для абсолютного большинства взрывопожароопасных сред скорость распространения взрыва на два порядка ниже. Здесь также хочется отметить – для большинства! А для оставшегося меньшинства?

Жидкость и особенно газ неравномерно распределяются по объему, так как идеальной концентрации добиться практически невозможно ввиду диффузионных процессов. Таким образом и было сделано предположение о различной направленности распространения взрыва при реальном процессе его протекания.

Некоторые из оппонентов считают, что направленность взрывов не имеет значения, а все дело в большом отличии скорости распространения огня (м/с), предшествующего взрыву, от скорости набора давления (102÷3 м/с), приведя в пример невзрываемость баков самолетов при попадании в них снарядов. При этом стоит отметить, что пример приведен не совсем удачный, так как во время Второй мировой войны английская фирма «Гравинер мэньюфэкчуринг» разработала систему подавления взрывов в топливных баках самолетов при их повреждении. Взрыв в топливном баке, начавшийся из-за попадания зажигательного снаряда, мог быть обнаружен и подавлен прежде, чем снаряд выходил из бака. Принципы устройства этой системы в дальнейшем были использованы для создания систем подавления взрывов в производствах химической и смежных с ней отраслей промышленности.

Скорость распространения пламени идеальных бензино-воздушных смесей составляет, например, около 2,14 м/с. Время, необходимое для достижения критического давления, пропорционально корню кубическому из объема сосуда. Таким образом получается, что дело вовсе не в отличии скоростей распространения огня от скорости набора давления. Вернее, не только в этом.

Давайте рассмотрим некоторые примеры с той же Второй мировой войны. Бывали случаи, когда самолеты прилетали с пробитым баком и струящимся из отверстия топливом. Бывало, самолет горел. Ну и самый плохой случай, когда самолет взрывался от попадания снаряда в топливный бак. Так почему же исход попадания снаряда приводил к столь разным последствиям?

Все дело в месте попадания снаряда в бак и зажигательной способности снаряда (последний аспект мы не рассматриваем, так как он несколько выпадает из предмета дальнейшего рассмотрения).

В процессе полета снаряд нагревается за счет трения о слой атмосферы и в зависимости от набранной температуры при попадании в бак с жидкой фазой топлива может быть остужен температурой жидкого топлива (если кинетическая энергия снаряда слаба и он не может пробить противоположную стенку бака) или воспламенить вытекающее из пробитого отверстия топливо при вылете (топливо загорится только при воздействии воздуха).

Если снаряд попадет в пространство над жидкой фазой, то есть в место скопления бензино-воздушной смеси, то в большинстве случаев это приведет к взрыву топливного бака самолета (рис. 2). Аналогичны случаи попадания снарядов и в автомобильные баки.

Также в предыдущей статье рассматривалась гипотеза о месте (точке) зарождения взрыва с тремя возможными частными случаями точек зарождения взрыва в емкостном оборудовании. Не будем рассматривать их повторно, а приведем простой пример воспламенения спички. Воспламенение ее горючей смеси происходит в точке соприкасания с воспламеняющим слоем коробка при мгновенном создании трения (чирканьем). Далее огонь постепенно распространяется на всю горючую поверхность и переходит на древесное основание (рис. 3).

Для нас этот процесс выглядит практически мгновенным, а в реальности он составляет пусть и небольшой, но все же какой-то промежуток времени. Другим примером можно привести воспламенение пороха. При этом в зависимости от количества и местонахождения он может весь прогореть (на открытом пространстве) или взорваться (в закрытом объеме).

Точно так же происходит и со взрывопожароопасными жидкостями и газами! И при всем моем уважении к оппонентам, упрощающим данный процесс в перерабатывающем оборудовании, ну не может взрыв произойти равномерно по всему объему. И точка зарождения у него есть, не на микроуровне молекулы конечно, но в какой-то части всего объема рабочей среды есть. Об этом говорят и характеры различных повреждений оборудования при таких чрезвычайных происшествиях!

Точно так же можно опровергнуть тезис, что давление может возрастать только в замкнутом объеме, а не в единичном месте объема и не в точке. В пример можно привести ядерный взрыв на поверхности земли. Впоследствии взрыва происходит скачок давления, который, перемещаясь от эпицентра, образует фронт ударной волны.

И что тогда мешает резкому возрастанию давления в одном единичном месте объема продукта (точки зарождения взрыва) в емкостном оборудовании? Недоизученность вопроса – вот главный отрицательный фактор для проектирования предохранительной арматуры!

При сгорании газо-воздушной смеси в замкнутом объеме происходит повышение давления. Когда давление достигает предела прочности, наступает разрушение элементов емкостей, аппаратов, трубопроводов. Давление взрыва является важным параметром, который необходимо учитывать при проектировании предохранительной арматуры, прочностном расчете аппаратов, разрушающихся предохранительных мембран, клапанов и т. д.

Скорость нарастания давления взрыва пропорциональна скорости кинетического горения газо-воздушной смеси, которая может составлять от нескольких сантиметров в секунду в ламинарном режиме горения до сотен метров в секунду при турбулентном режиме. Рост давления происходит в результате повышения температуры от начальной до температуры взрыва и увеличения числа молей в ходе химического превращения.

Стоит в очередной раз напомнить, что изучением всего спектра физико-химических явлений, связанных со взрывами и механизмами их воздействия на окружающую среду, занимается раздел прикладной физики, который называется физикой взрыва, работающей над созданием теоретического фундамента для инженерных методов расчета количественных характеристик подрывных зарядов, выбором способов эффективного управления поражающими эффектами взрывных явлений, а также для решения ряда других технологических вопросов. Их качественные различия могут проявляться в зависимости от сферы применения взрывных методов и ожидаемых от них результатов.

В настоящее время считается, что физика взрыва изучена в полной мере, но предшествовали ей многочисленные экспериментальные изыскания в области изучения воздействия взрывных превращений на горные породы. Оформление в самостоятельную дисциплину произошло во второй половине XIX столетия. Дальнейшее развитие во многом шло под влиянием потребностей военных ведомств. В связи с этим, основные расчеты защищаемого оборудования в рассматриваемой нами области построены на сравнительных характеристиках с экспериментальными бомбами определенного объема (обычно 10 литров) при идеальных условиях и допущениях, без рассмотрения и учета единичных возможных факторов и соответственно не удовлетворяют в полной мере рассмотрение вопроса безопасности и защиты оборудования от взрывов.

Влияние же взрывного воздействия технологической среды внутри аппарата необходимо выделить в отдельную теорию и рассматривать ее аналогично ядерному взрыву, то есть рассматривать взрыв в емкости как цепную взрывную реакцию мгновенной передачи и выделения энергии.

Изучение данной теории необходимо для разработки самостоятельных методик специальных расчетов взрывов в аппаратах, бесконтрольных химических реакций, прорыва легкокипящих жидкостей основанных именно на динамике этих процессов, а не на теоретических выкладках применяемости взрывов в промышленности (горная, строительство, сварка взрывом и др.) и военном искусстве, в которых процесс – целенаправленный и относительно управляемый, а в нашем случае – неуправляемый, случайный и бесконтрольный. Одинаковые подходы к различным процессам (первый – целенаправленно возбуждаемый, второй – самостоятельно возникающий), в принципе несовместимым между собой, так как имеют различные корни возникновения, а значит и направление поиска – иначе правильности конечных выводов и аспектов. Диффузионные и химические процессы в аппарате, а тем более паровые взрывные процессы нельзя равнять с относительно равномерно наполненным зарядом снаряда. Отсюда и ошибки проектирования взрывозащиты оборудования перерабатывающих производств.

Безусловно, какая-то часть процессов будет протекать в соответствии с общей теорией, однако какая-то их часть, а также частные случаи будут идти по видоизмененным или совершенно иным сценариям развития процесса, которые и необходимо выявить, затронув все аспекты решения задачи. Данная теория должна подтверждаться необходимыми и специальными самостоятельными экспериментами, которые в настоящее время не проводятся и заменяются специализированным программным обеспечением. Однако специализированные программные продукты не могут в полной мере заменить реальный эксперимент ввиду ограниченности данных, заложенных в них человеком на стадии проектирования продукта. Резюмируя все вышесказанное, можно повторно сделать неутешительный вывод об остроте стоящей проблемы обеспечения безопасности оборудования от взрывного воздействия.

Литература

1. Асеев О.И. Проблемы защиты оборудования от воздействия взрыва // Вестник арматуростроителя. – 2019. – № 5 (54). – С. 52-56.
2. Ольховский Н.Е. Предохранительные мембраны. – М. – 1976. – С. 152.
3. Фотографии из открытых источников интернета.