Прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Прогнозирование последствий взрыва облака топливно-воздушной смеси

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
Н.Я. ИЛЮШОВ 
 
 
 
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ  
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ  
СИТУАЦИЙ 
 
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ  
ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА ОБЛАКА 
ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

ББК 68.9я73 
И 498 
 
 
Рецензенты:  
канд. техн. наук, доцент А.М. Парахин  
канд. техн. наук, доцент Ю.С. Щербаков  
 
 
Работа подготовлена на кафедре «Безопасность труда»  
для студентов всех форм обучения по направлениям  
20.30.01 и 20.04.01 – Техносферная безопасность  
 
 
 
Илюшов Н.Я. 
И 498  
Прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Прогнозирование 
последствий взрыва облака топливно-воздушной смеси: учебное пособие / Н.Я. Илюшов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2019. – 163 с. 

ISBN 978-5-7782-4064-3 

В настоящей работе рассмотрена специфика определения поражающих факторов при возникновении аварийного взрыва облака ТВС. 
Пособие включает в себя материал курса лекций «Экспертиза промышленной и пожарной безопасности», разработанный на кафедре 
безопасности труда НГТУ. Предназначено для студентов всех форм 
обучения направлений 20.30.01 и 20.04.01 «Техносферная безопасность». 
 
 
 
 
 
 
 
ББК 68.9я73 
 
ISBN 978-5-7782-4064-3 
© Илюшов Н.Я., 2019 
 
© Новосибирский государственный  
 
технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

Введение .................................................................................................................. 5 
Глава 1. Общие требования к взрывобезопасности объекта ............................... 7 

1.1. Требования к взрывопредупреждению .................................................. 8 
1.2. Требования к взрывозащите и контроль над соблюдением  

требований взрывобезопасности ............................................................ 9 

1.3. Требования к обеспечению взрывобезопасности технологиче
ских процессов ....................................................................................... 10 

1.4. Рекомендации по анализу опасности аварийных взрывов  

на объектах ............................................................................................. 12 

1.5. Этапы анализа опасности воздействия аварийных взрывов  

для зданий и сооружений ...................................................................... 15 

Глава 2. Аварийные взрывы топливно-воздушных смесей на открытом 

пространстве ........................................................................................... 17 

2.1. Определение эффективного энергозапаса ТВС ................................... 18 
2.2. Определение ожидаемого режима взрывного превращения 

ТВС .......................................................................................................... 21 

2.3. Расчет максимального избыточного давления и импульса фазы 

сжатия ВУВ при детонации и дефлаграции газовых и гетерогенных ТВС .................................................................................................. 25 

2.4. Определение дополнительных параметров падающей и отра
женной ВУВ при детонации облака газовой смеси ............................ 31 

2.5. Определение молярной массы вещества .............................................. 38 
2.6. Расчет значения стехиометрической концентрации Сст  

горючего вещества в облаке ТВС ......................................................... 40 

2.7. Расчет значения концентрации горючего вещества в облаке 

ТВС .......................................................................................................... 41 

2.8. Определение массы горючего вещества в облаке ТВС ...................... 55 

Глава 3. Анализ опасности и определение параметров механического 

действия аварийных взрывов ................................................................ 65 

3.1. Предварительная оценка опасности аварийного взрыва облака 

ТВС .......................................................................................................... 66 

3.2. Определение параметров воздушной ударной волны при взры
ве облака топливно-воздушной смеси .................................................. 69 

3.3. Расчет параметров воздушной ударной волны при взрыве ГВС 

и ТВС в подземном резервуаре ............................................................. 81 

Глава 4. Расчет параметров ВУВ при разрушении резервуаров  

со сжатым газом ..................................................................................... 85 

Глава 5. Расчет кинематических параметров летящих предметов  

при взрывах ............................................................................................. 96 

5.1. Расчет скоростей осколков, образующихся при взрыве  

сферических и цилиндрических оболочек ........................................... 97 

5.2. Расчет скоростей вторичных осколков .............................................. 103 
5.3. Расчет максимальной дальности разлета осколков ........................... 108 

Глава 6. Расчет зон поражения при взрыве топливно-воздушных смесей .... 114 

6.1. Методика расчета зон поражения с помощью «тротилового  

эквивалента» ......................................................................................... 114 

6.2. Методика расчета зон поражения с учетом типа взрывного 

превращения при воспламенении ТВС .............................................. 121 

6.3. Расчет вероятности разрушения объекта воздушными  

ударными волнами при взрыве облака ТВС ...................................... 128 

6.4. Расчет вероятности поражения людей воздушными ударными 

волнами при взрыве облака ТВС ........................................................ 134 

6.5. Расчет вероятности гибели людей, находящихся в зданиях  

и на открытой местности ..................................................................... 139 

6.6. Расчет вероятности гибели людей при взрыве облака ТВС по 

данным об устойчивости зданий и избыточного давления ВУВ ..... 157 

Библиографический список ............................................................................... 161 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Большинство аварий на нефтеперерабатывающих предприятиях 
приводят к образованию облаков топливно-воздушной смеси (ТВС), 
которые могут достигать огромных размеров и стехиометрических соотношений относительно кислорода воздуха, т. е. быть готовыми к детонационным превращениям при наличии источника воспламенения. 
Все это приводит к тому, что на объектах нефтехимии всегда существует опасность возникновения техногенной катастрофы с непредсказуемыми масштабами людских и материальных потерь.  
В зависимости от технологического регламента пожаровзрывоопасные материалы могут находиться как внутри помещения, так и на 
открытых площадках. Естественно, что взрыв в закрытом помещении 
обычно имеет меньшее разрушительное действие благодаря меньшему 
количеству горючих веществ в облаке ТВС, так как в помещениях 
устанавливается только маломощное оборудование, а на открытых 
площадках размещается оборудование, производительность которого 
составляет десятки и сотни тонн горючих веществ. В то же время в 
помещениях на довольно ограниченном пространстве обычно находится еще и большое количество вспомогательного и защитного оборудования, что также снижает разрушительное действие образовавшейся при взрыве воздушной ударной волны (ВУВ). Эксперименты 
показывают, что ослабление общего действия ВУВ при взрыве в помещении может составлять от 5 до 40 % от максимальных поражающих параметров ударной волны.  
Поражающие факторы при взрыве облака ТВС зависят также от 
режима взрывного превращения ТВС. Если при детонации основной 
поражающий фактор взрыва – воздушная ударная волна, то при дефлаграционном взрывном превращении, возникающем при нестехиометрическом состоянии облака, основным поражающим фактором 
становится само горение вещества и возникающие при этом темпера

туры. Кроме того, поражающее действие взрыва облака ТВС зависит 
от времени экспозиции. 
Настоящее пособие служит в целях помочь студентам разобраться 
со спецификой определения поражающих факторов при возникновении аварийного взрыва облака ТВС. Расчет и анализ силы воздействия 
этих факторов способствует принятию мер по предотвращению образования облака ТВС, а также по защите от его поражающих факторов.  
Автор надеется, что пособие поможет студентам восполнить знания по проведению технических расчетов и будет полезно для дальнейшей работы по выбранной профессии.  
 

Г л а в а  1  

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ 
ОБЪЕКТА 
 
Взрывобезопасность – состояние производственного процесса, при 
котором исключается возможность взрыва или в случае его возникновения предотвращается воздействие на людей избыточного давления в 
ударной волне, скоростного напора воздуха и других факторов, а также обеспечивается сохранение материальных ценностей [1]. 
Любые производственные процессы должны быть разработаны так, 
чтобы вероятность возникновения взрыва на любом участке производства не превышала 10–6. Для этого все производственные процессы 
должны удовлетворять требованиям взрывобезопасности, предъявляемым к отдельным производственным процессам, указанным в нормативно-технической документации на эти процессы и утвержденным 
установленным порядком соответствующими органами государственного надзора. 
Параметрами и свойствами, характеризующими взрывоопасность 
среды, которые необходимо уметь рассчитывать и определять, являются [2]: 

– температура вспышки; 
– концентрационные и температурные пределы воспламенения; 
– температура самовоспламенения; 
– нормальная скорость распространения пламени; 
– минимальное взрывоопасное содержание кислорода или окис
лителя; 

– минимальная энергия зажигания; 
– чувствительность к механическому воздействию. 
Основные факторы, характеризующие опасность взрыва [2]: 
– максимальное давление и температура взрыва; 
– скорость нарастания давления при взрыве; 

– давление во фронте ударной волны; 
– дробящие и фугасные свойства взрывоопасной среды. 
Основные поражающие факторы взрыва [2]: 
– ударная волна, во фронте которой давление превышает допустимое значение; 
– пламя; 
– обрушающиеся конструкции, оборудование, здания и сооружения, а также их разлетающиеся части. 
В качестве объектов, содержащих потенциальные источники выброса и образования облаков топливно-воздушной смеси, способных 
взорваться, следует рассматривать: 
– компоненты химических и нефтеперегонных комплексов; 
– хранилища жидких и газовых энергоносителей; 
– транспортные магистрали всех видов; 
– буровые вышки, нефтяные скважины; 
– шахты и карьеры; 
– трубопроводы для перекачки жидких и газообразных энергоносителей; 
– объекты оборонного комплекса. 

1.1. Требования к взрывопредупреждению 

Для предупреждения взрыва необходимо исключить любую возможность образования взрывоопасной среды и возникновения в это 
время источника зажигания.  
Взрывоопасную среду на производстве могут создавать смеси различных горючих веществ с атмосферным воздухом и другими окислителями, а также вещества, склонные к взрывному превращению. 
Для предотвращения образования взрывоопасных сред необходимо, чтобы концентрация опасных веществ в защищаемом объеме не 
достигала нижнего концентрационного предела воспламенения с учетом коэффициента безопасности. Это может быть достигнуто следующими способами [2]: 
– применением герметичного производственного оборудования; 
– применением рабочей и аварийной вентиляции; 
– отводом или удалением взрывоопасной среды и веществ, способных привести к образованию взрывоопасной смеси; 
– контролем состава воздушной среды и отложений взрывоопасной 
пыли. 

Для предотвращения образования взрывоопасной среды внутри 
технологического оборудования необходимо обеспечить [2]: 
– герметичность производственного оборудования; 
– поддержание состава и параметров среды вне области их воспламенения; 
– принятие конструктивных и технологических решений, предназначенных для обеспечения взрывобезопасности; 
– применение ингибирующих и флегматизирующих добавок. 
Источниками инициирования взрыва при этом могут стать открытое пламя и летящие искры, электрические разряды и тепловые проявления химических реакций, ударные волны, электромагнитные и другие излучения. Для предотвращения возникновения источников инициирования взрыва необходимо обеспечить [2]: 
– строгую регламентацию огневых работ; 
– предотвращение нагрева оборудования до температуры самовоспламенения взрывоопасной смеси; 
– применение средств, понижающих давление во фронте ударной 
волны; 
– применение материалов, не создающих при соударении искр, 
способных инициировать взрыв взрывоопасной среды; 
– применение средств защиты от атмосферного и статического 
электричества, блуждающих токов, токов замыкания на землю и т. п.; 
– применение взрывозащитного оборудования; 
– применение быстродействующих средств защитного отключения 
возможных электрических источников инициирования взрыва; 
– ограничение мощности электромагнитных и других излучений; 
– устранение опасных тепловых проявлений химических реакций и 
механических воздействий.  

1.2. Требования к взрывозащите и контроль  

над соблюдением требований взрывобезопасности 

Для защиты персонала от опасных и вредных производственных 

факторов, а также для сохранения материальных ценностей необходимо в зависимости от технологического процесса обеспечить [2]: 

– установление максимального количества взрывоопасных ве
ществ, применяемых в данных производственных процессах; 

– применение огнезаградителей, гидрозаторов, водяных и пыле
вых заслонов, инертных газовых и паровых завес; 

– использование оборудования, рассчитанного на давление взрыва; 
– обваловку и бункирование взрывоопасных участков или разме
щение их в защитных кабинах; 

– защиту оборудования от разрушения при взрыве при помощи 

устройств аварийного сброса давления; 

– применение быстродействующих отсечных и обратных клапанов; 
– использование систем активного подавления взрыва; 
– применение средств предупредительной сигнализации. 
Для обеспечения взрывобезопасности в производственных процес
сах необходимо контролировать следующее [2]: 
– выполнение требований обеспечения взрывобезопасности; 
– параметры взрывоопасных веществ и материалов; 
– технологический режим; 
– состав атмосферы производственных помещений; 
– технологическое оборудование; 
– электрооборудование. 
Для контроля параметров взрывоопасности необходимо определить: 
– концентрационные пределы воспламенения для газов и паров; 
– нижний концентрационный предел пылевоздушных смесей; 
– температурные пределы воспламенения для жидкостей и легкоплавких веществ; 
– температуру вспышки в закрытом и открытом тигле; 
– температуру самовоспламенения для жидкостей и легкоплавких 
веществ; 
– чувствительность к ударам. 

1.3. Требования к обеспечению взрывобезопасности  

технологических процессов 

Для обеспечения взрывобезопасности какого-либо производствен
ного процесса проводится разделение технологической схемы на отдельные технологические блоки и производится оценка энергетического уровня каждого такого блока. В зависимости от расчетных значений 
относительных энергетических потенциалов и приведенной массы парогазовой среды устанавливается категория взрывоопасности каждого 
технологического блока. Данные о показателях взрывоопасности технологических блоков приведены в табл. 1.1 [3]. 
 

Т а б л и ц а  1.1 

Показатели категорий взрывоопасности технологических блоков 

Категория 

взрывоопасности 

Значение относительного 

энергетического  
потенциала Qв 

Приведенная масса 

парогазовой среды m, 

кг 

I 
II 
III 

> 37 

27…37 

< 27 

> 5000 

2000…5000 

< 2000 

 
Далее, уже исходя из определенной категории взрывобезопасности 

блоков, выбираются наиболее эффективные и надежные меры противоаварийной защиты.  

Так, для каждого блока должны быть предусмотрены меры по сни
жению взрывоопасности, направленные [3]: 

– на предотвращение взрывов и пожаров внутри технологического 

оборудования; 

– защиту технологического оборудования от разрушений и макси
мальное ограничение выбросов из него горючих веществ в атмосферу 
при аварийной разгерметизации; 

– исключение возможности взрывов и пожаров в объеме производ
ственных зданий, сооружений и наружных установок; 

– снижение тяжести последствий взрывов и пожаров. 
Для каждого технологического процесса определяется совокуп
ность критических значений параметров, и допустимый диапазон изменения этих параметров устанавливается с учетом характеристик этого технологического процесса.  

Условия взрывоопасности технологического процесса обеспечива
ются [3]: 

– рациональным подбором взаимодействующих компонентов ис
ходя из условий максимального снижения или исключения образования взрывоопасных смесей; 

– выбором оптимального режима дозирования компонентов, а так
же предотвращением возможности отклонения их соотношения от регламентированных значений, способных привести к образованию 
взрывоопасных концентраций в системе; 

– введением в технологический процесс в соответствии с его физи
ко-химическими условиями дополнительных веществ, препятствую

щих образованию взрывоопасных смесей, например инертных разбавителей; 

– рациональным выбором гидродинамических и тепловых характе
ристик процесса, а также геометрических параметров аппаратов; 

– применением компонентов в фазовом состоянии, затрудняющим 

или исключающим образование взрывоопасных смесей; 

– выбором значений параметров состояния технологической среды, 

снижающих ее взрывоопасность, например, ее давление или температуру; 

– надежным энергообеспечением. 
Надежность энергообеспечения осуществляется выбором рацио
нальных схем электроснабжения, количеством источников питания, а 
также их надежностью. При этом выбранные схемы энергоснабжения 
должны исключать следующее [3]: 

– нарушение герметичности системы за счет разгерметизации 

уплотнителей или их разрушении при превышении давления; 

– образование в системе взрывоопасной среды, например, за счет 

увеличения времени пребывания продуктов в реакционной зоне и развития неуправляемых процессов. 

Для каждого технологического блока с учетом его энергетическо
го потенциала разрабатываются и предусматриваются средства, 
направленные на предотвращение выбросов горючих продуктов в 
окружающую среду или максимальное ограничение их количества,  
а также предупреждение взрывов и предотвращение травмирования 
персонала. 

Следует отметить, что перечисленные требования к обеспечению 

взрывоопасности технологических процессов являются общими. Но 
для отдельных типов технологических процессов имеется целый ряд 
других специфических требований безопасности, которые не приводятся в настоящем учебном пособии, но которые легко можно найти в 
документе [3]. 

1.4. Рекомендации по анализу опасности  

аварийных взрывов на объектах 

В перечень потенциальных источников аварийных взрывов на объ
екте входят: 

– взрывчатые вещества (ВВ); 
– энергоносители в резервуарах;