Государственный стандарт СССР ГОСТ 12.1.004-91 "Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования" (утв. постановлением Госстандарта СССР от 14 июня 1991 г. N 875) стр. 31

(159)

для оборудования, выдерживающего давление взрыва в диапазоне относительных значений .

В формулах (158) и (159) приняты следующие обозначения (индексы i, u, е, m относятся соответственно к начальным параметрам, параметрам горючей смеси, характеристикам горения в замкнутом сосуде, максимальным допустимым значениям). Комплекс подобия

, (160)

т.е. представляет собой с точностью до постоянного множителя произведение двух отношений - эффективной площади разгерметизации к внутренней поверхности сферического сосуда равного объема и скорости звука в исходной смеси к начальной нормальной скорости пламени. В выражении для комплекса подобия W (160):

- число "пи";

- коэффициент расхода при истечении свежей смеси и (или) продуктов сгорания через устройство взрыворазрежения (предохранительная мембрана, клапан, разгерметизатор и т.п.);

F - площадь разгерметизации (сбросного сечения), ;

V - максимальный внутренний объем сосуда, в котором возможно образование горючей газопаровой смеси, ;

- универсальная газовая постоянная;

- температура горючей смеси, К;

- молекулярная масса горючей смеси, ;

- нормальная скорость распространения пламени при начальных значениях давления и температуры горючей смеси, .

Другие обозначения в формулах (158) и (159):

- относительное максимально допустимое давление в аппарате, которое не приводит к его деформации и (или) разрушению;

- абсолютное максимально допустимое давление внутри аппарата, которое не приводит к его деформации и (или) разрушению, Па;

- абсолютное начальное давление горючей смеси в аппарате, при котором происходит инициирование горения, Па;

Р' - абсолютное давление в пространстве, в котором происходит истечение, в момент достижения максимального давления взрыва внутри аппарата (атмосфера, буферная емкость и т.п.), Па;

- относительное максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом сосуде;

- абсолютное максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси , Па;

- коэффициент расширения продуктов сгорания смеси при начальных значениях давления и температуры;

- фактор турбулизации, представляющий собой в соответствии с принципом Гуи-Михельсона отношение действительной поверхности фронта пламени в аппарате к поверхности сферы, в которую можно собрать продукты сгорания, находящиеся в данный момент времени внутри сосуда.

2.2. Формулы (158) и (159) могут быть использованы как для определения безопасной площади разгерметизации при проектировании оборудования по максимально допустимому относительному давлению взрыва в аппарате (прямая задача), так и для определения максимально допустимого начального давления горючей смеси в аппарате, рассчитанном на максимальное давление , с уже имеющимся сбросным люком площадью F, например при анализе аварии (обратная задача).

2.3. Формулы (158) и (159) охватывают весь диапазон возможных давлений взрыва в оборудовании с различной степенью негерметичности ( ).

2.4. Формулы (158) и (159) записаны в безразмерных независимых переменных, вытекающих из условия автомодельности процесса развития взрыва в негерметичном сосуде, что делает их более универсальными и наглядными. Максимальное давление взрыва в негерметичном сосуде является инвариантом решения системы уравнений динамики развития взрыва при постоянном отношении фактора турбулизации к комплексу подобия W.

Погрешность определения диаметра сбросного сечения по инженерным формулам (158), (159) в сравнении с точным компьютерным решением системы дифференциальных уравнений динамики развития взрыва составляет около 10%.

3. Степень влияния различных параметров на безопасную площадь разгерметизации

3.1. В настоящем методе реализован единый подход к расчету площади сбросного сечения, заключающийся в учете влияния различных параметров и условий на величину безопасной площади разгерметизации посредством соответствующего изменения значения фактора турбулизации.

3.2. Фактор турбулизации - основной параметр, оказывающий определяющее влияние на величину безопасной площади разгерметизации.

Погрешность определения термодинамических параметров - , , , где - показатель адиабаты продуктов сгорания смеси, входящих в расчетные формулы (158) и (159), составляет проценты, погрешность определения коэффициента расхода , молекулярной массы горючей смеси и нормальной скорости распространения пламени составляет десятки процентов. Ошибка в выборе значений объема аппарата, температуры и давления смеси также не превышает процентов или десятков процентов. Погрешность же в определении значения фактора турбулизации может составлять сотни процентов.

3.3. Расчет безопасной площади разгерметизации проводят для наиболее взрывоопасных (околостехиометрических) смесей, если не доказана невозможность их образования внутри аппарата.

4. Зависимость фактора турбулизации от условий развития взрыва

4.1. Зависимость фактора турбулизации от условий развития горения может быть представлена формулой

, (161)

в которой эмпирические коэффициенты , , , определяют по табл.15.

Таблица 15

Эмпирические коэффициенты для расчета фактора турбулизации*

┌───────────────────────────────────────────┬───────────────────────────┐
│ Условия развития горения** │ Эмпирические коэффициенты │
│ ├──────┬───────┬──────┬─────┤
│ │a_1 │a_2 │a_3 │a_4 │
├───────────────────────────────────────────┼──────┼───────┼──────┼─────┤
│Объем сосуда V до 10 м3; степень негерме-│ │ │ │ │
│тичности F/V(2/3) до 0,25 │0,15 │4 │1 │0 │
│Объем сосуда V до 200 м3, 1 < пи_m < 2: │ │ │ │ │
│ начально открытые сбросные сечения │0 │0 │2 │0 │
│ начально закрытые сбросные сечения │0 │0 │8 │0 │
│Объем сосуда V до 200 м3, 2 <= пи_m < пи_e:│ │ │ │ │
│ начально открытые сбросные сечения │0 │0 │0,8 │1,2 │
│ начально закрытые сбросные сечения │0 │0 │2 │6 │
│Объем сосуда V до 10 м3; степень негерме-│ │ │ │ │
│тичности F/V(2/3) до 0,04; наличие сбросно-│ │ │ │ │
│го трубопровода, 1 < пи_m < 2: │ │ │ │ │
│ без орошения истекающих газов │0 │0 │4 │0 │
│ с орошением истекающих газов │0,15 │4 │1 │0 │
└───────────────────────────────────────────┴──────┴───────┴──────┴─────┘

┌───────────────────────────────────────────┬───────────────────────────┐

──────────────────────────────

* Для отсутствующих в таблице условий развития горения, например для оборудования объемом более 200 , значение фактора турбулизации определяют экспертно.

** Если в условиях развития горения значение какого-либо параметра не оговорено, то оно может быть любым в допустимом диапазоне.

4.2. Влияние объема аппарата

Для полых аппаратов объемом менее 1 значение фактора турбулизации .

С ростом объема аппарата значение фактора турбулизации увеличивается и для полых аппаратов объемом около 10 в зависимости от степени негерметичности (отношение ) аппарата.

Для сосудов объемом до 200 различной формы с незначительными встроенными внутрь элементами значение фактора турбулизации не превышает .

4.3. Влияние формы аппарата

Для технологического оборудования с отношением длины к диаметру до 5:1 можно считать, что форма аппарата не влияет на значение фактора турбулизации, так как увеличение поверхности пламени из-за его вытягивания по форме аппарата компенсируется уменьшением поверхности в результате более раннего касания пламенем стенок сосуда.

4.4. Влияние начальной герметизации аппарата

Для полых аппаратов объемом до 200 с начально открытыми сбросными сечениями, например люками, значение фактора турбулизации не превышает , для аппаратов с начально закрытыми сбросными сечениями (мембраны, разгерметизаторы и т.д.) не превышает .