Explosiones de deflagración interna.

Tabla 1. Phys.-Chem. características de varias mezclas inflamables

Los principales parámetros físicos de una mezcla explosiva de gas, vapor y aire son:

• velocidad de combustión normal Un & #8212; tasa de combustión basada en partículas de la mezcla:

• coeficiente de expansión de la mezcla combustible durante la combustión explosiva e — esta es la relación entre la densidad de la mezcla inicial y la densidad de los productos de la explosión.

Para comprender lo que sucede durante las explosiones en interiores, consideremos una serie de casos simples, cuyas combinaciones constituyen accidentes reales.

Si se enciende una mezcla inflamable, en el centro de ignición se forma una bola de fuego compuesta de productos de explosión de vapor de agua, dióxido de carbono y nitrógeno calentados a 1600-1800°C. Entre la bola de fuego y las paredes de la estructura se encuentra la mezcla combustible original. Aún no ha tenido tiempo de quemarse. Dado que la llama dentro de la estructura se propaga (dependiendo del tipo de mezcla combustible) a una velocidad de solo 8-20 m/s, y la velocidad del sonido a la que se transmiten las perturbaciones (en este caso, un aumento de presión) es 340 m/s o más, debido a Después de múltiples viajes de la onda sonora, la presión en todos los puntos dentro de la habitación se iguala casi instantáneamente. Este proceso se llama cuasiestático. Al final de la combustión explosiva, el exceso de presión en una estructura duradera se vuelve aproximadamente igual a 700-800 kPa y se determina mediante una fórmula muy simple

Dр=р0(e-1 )kPa,    (1)

donde p0 — presión atmosférica igual a 101,3 kPa.

Por supuesto, ninguna estructura, excepto los búnkeres especiales para probar explosivos, puede soportar una presión tan enorme. Normalmente, durante las explosiones de deflagración dentro de locales residenciales e industriales (debido a la presencia de acristalamientos de ventanas y paneles de puertas que se destruyen fácilmente), la presión es de 10 a 15 kPa. En el caso considerado, un factor importante es el carácter casi estacionario del proceso explosivo, cuando todas las estructuras se cargan casi simultáneamente y las más débiles comienzan a colapsar antes, lo que reduce la presión y evita la destrucción de las estructuras portantes.

Explosión en una habitación que se comunica a través de una abertura abierta con la atmósfera

En este caso, simultáneamente con el desarrollo de la bola de fuego, comienza el proceso de salida de la habitación a través de la abertura, primero de la mezcla inicial y luego de los productos de la explosión. Los cálculos y la experiencia muestran que, en este caso, alrededor del 85% de la mezcla combustible se libera de la habitación a la atmósfera y sólo alrededor del 15% arde dentro de la habitación, o más precisamente, 1/e de su parte. Así, si la habitación estuviera gaseada sólo en un 15% de su volumen, el efecto de una explosión en el interior de la habitación sería el mismo que si estuviera completamente gaseada. El proceso de combustión explosiva aquí es casi estático. Sin embargo, en este caso es mucho más complicado. Esto se puede ver incluso en la fórmula mediante la cual se calcula el exceso de presión dentro de la habitación en el caso más simple, cuando la abertura es grande y la presión dentro de la habitación no supera los 10-15 kPa:

donde: rj — densidad del gas que fluye a través de una abertura abierta (el índice 1 se refiere a la mezcla fresca, 2 — a los productos de combustión);
Dр — exceso de presión;
Un — velocidad de combustión normal;
e — coeficiente de expansión de la mezcla durante la combustión;
un — coeficiente de intensificación de la combustión explosiva al expirar la mezcla inicial y los productos de explosión;
µ — coeficiente de caudal al expirar la mezcla inicial y los productos de explosión;
S(t) — el área de la superficie de la llama durante el proceso de combustión;
Sresp. el área de la abertura a través de la cual se produce el flujo de salida.

De la fórmula (2) se deduce que el parámetro principal que determina el valor del exceso de presión es la relación entre el área de la llama y el área de apertura. La presión sobre la pared opuesta a la abertura es siempre mayor que sobre otras paredes, debido a la adición de la fuerza reactiva del chorro que fluye. Si hay varias aberturas, entonces la ubicación de las aberturas es importante.

En este caso se produce la llamada explosión en dos etapas. Una vez que comienza la explosión, la mezcla inflamable comienza a fluir hacia la segunda habitación a través de la abertura. En este caso, se produce una fuerte turbulización de la mezcla, provocando un fuerte aumento del área de combustión en la segunda habitación. Como resultado, incluso si la segunda habitación se comunica con la atmósfera, la presión en ella resulta ser 2-3 veces mayor que en la primera y comienza a transmitirse de regreso. Es por ello que se recomienda proteger las aberturas tecnológicas entre las instalaciones de producción con puertas resistentes y prever un sistema de bloqueo para que ambas puertas no estén abiertas al mismo tiempo. Es incluso mejor evitar crear aberturas entre áreas explosivas siempre que sea posible. Las explosiones de dos y tres etapas (por ejemplo, en la cocina, el pasillo y la sala de estar) ocurren con mayor frecuencia durante los accidentes.

Las aberturas acristaladas en locales industriales explosivos se utilizan como estructuras de seguridad (SS), lo que ayuda a reducir la presión durante explosiones de emergencia a valores en los que las estructuras de cerramiento que soportan la carga permanecen intactas. Es natural querer destruir el acristalamiento de PC lo antes posible, a presiones más bajas en la habitación. Los cálculos y la experiencia demuestran que para ello es necesario instalar vidrio fino y que los espacios entre los marcos sean grandes. Está claro que el acristalamiento debe soportar la carga de fuertes vientos y retener el calor en la estación fría. Estos requisitos contradictorios se concilian después de realizar cálculos de optimización multivariados que involucran la teoría de la determinación de cargas, la teoría del funcionamiento del acristalamiento y la teoría del funcionamiento de las estructuras de los edificios durante las explosiones de deflagración interna. Lamentablemente, las normas de construcción están muy por detrás de los requisitos prácticos y las recomendaciones científicas en el ámbito de garantizar la resistencia a las explosiones. Las normas exigen que por cada 100 m3 de volumen de la habitación haya 5 m2 de estructuras de seguridad (PS), y también que el área mínima de vidrio en una celda sea de al menos 1 m2. Por lo tanto, dependiendo del volumen de la habitación, la PC. El área de acuerdo con el requisito reglamentario puede resultar suficiente e insuficiente desde el punto de vista de la resistencia a la explosión.

En las habitaciones abarrotadas de equipos instalados en ellas, no aparece una bola de fuego de la forma correcta; el perfil del movimiento de los productos de la explosión se parece más al perfil de un flujo hidráulico que desborda una presa; El papel de una presa aquí lo desempeñan los obstáculos en el camino de la llama. La mezcla combustible se vuelve muy turbulenta, lo que conduce a un aumento de la intensidad de la combustión explosiva y, como consecuencia, a un aumento de las cargas sobre las estructuras de los edificios. Para estimar tales cargas explosivas es necesario recurrir a la modelización, ya que los cálculos analíticos en este caso dan resultados muy aproximados.

Además de las habitaciones, a menudo están contaminados con gas todo tipo de canales, como tuberías, paredes, galerías, túneles, pasillos, socavones y pozos de minas. huecos de ascensores, chimeneas, conductos de gas, etc. Las explosiones experimentales realizadas en tuberías mostraron una marcada diferencia entre la combustión explosiva en ellas y en las habitaciones. En tal canal, la combustión explosiva se acelera y, si es lo suficientemente larga, es posible una transición de deflagración a detonación. Los experimentos también mostraron una marcada diferencia en el mecanismo de propagación de la combustión explosiva en las tuberías cuando la mezcla combustible se enciende en los extremos cerrado y abierto. Cuando se encendió en el extremo cerrado, la llama de la explosión se aceleró continuamente y a una distancia igual a 60-70 diámetros de tubería, la explosión de deflagración se convirtió en una explosión de detonación. Debido a la rugosidad de las paredes delante del frente de llama, la mezcla combustible inicial se volvió muy turbulenta y esto provocó la aceleración de la llama.

Al encender desde el extremo abierto del tubo, nunca se alcanzó una velocidad de llama tan alta. Esto se explica por el hecho de que la velocidad aparente de la llama es la suma de la velocidad del flujo de la mezcla combustible y la velocidad de propagación de la llama a través de las partículas. Cuando se enciende desde el extremo abierto de la tubería frente al frente de la llama, la mezcla combustible está prácticamente inmóvil, ya que esta mezcla no tiene adónde moverse. De lo anterior se desprende que en zonas explosivas es necesario tomar medidas para prevenir o reducir la posibilidad de formación de un alto grado de turbulencias y el flujo de mezcla fresca, utilizando para ello diversos tipos de carenados, y para evitar la instalación de equipos y estructuras con bordes cortantes. Durante las explosiones dentro de canales que tenían aberturas abiertas o de fácil apertura en las paredes laterales, los productos de la explosión fluyeron a través de estas aberturas, lo que no produjo un aumento de presión ni una aceleración significativa de la llama.

En 1980, en la región de Smolensk, decidieron utilizar el sótano de un edificio en construcción para almacenar archivos. Los muros principales transversales del sótano estaban dispuestos en forma de tabiques laberínticos. Las paredes empezaron a pintarse con pinturas diluidas en un disolvente, que se evaporaba rápidamente. Para la iluminación se utilizó una linterna eléctrica portátil, conectada a la red eléctrica mediante un cable. Cuando terminó la pintura, el pintor tropezó al salir del sótano, la lámpara se rompió y esto encendió la mezcla de solvente y aire. Como resultado de la deflagración, el techo sobre el sótano se hinchó y las paredes parcialmente construidas del primer piso quedaron destruidas. La configuración de la planta del sótano correspondía a una estructura denominada por los especialistas “caja de detonaciones”. Cada vuelta provocaba una turbulización adicional de la mezcla y, en consecuencia, un aumento de la presión durante la combustión explosiva. Si la ignición se hubiera producido en la parte ciega del sótano, la detonación y la destrucción total del edificio habrían sido inevitables.

Características del funcionamiento de estructuras de edificios y acristalamientos durante explosiones de deflagración interna

En 1974, en la planta de radio de Minsk, en el taller de pulido de carcasas de receptores de radio, se produjo una explosión de polvo de madera acumulado en el sistema de ventilación. Esto sucedió justo después de la pausa del almuerzo. Uno de los trabajadores del taller llegó tarde al almuerzo. Cuando se acercó al taller, vio la siguiente imagen: el edificio de repente comenzó a hincharse, luego las paredes se separaron y se levantó el techo, de debajo del cual estallaron las llamas de una explosión, luego el techo se derrumbó. El hombre perdió el conocimiento por lo que vio…

Normalmente, los edificios y estructuras están diseñados para la acción de fuerzas externas verticales y horizontales (viento) dirigidas hacia la estructura. Durante una explosión interna, cargas importantes actúan en la dirección opuesta. Los expertos en resistencia a explosiones de edificios y estructuras recomiendan proporcionar conexiones directas y de retroalimentación entre los elementos estructurales de edificios y estructuras explosivos. En zonas peligrosas, el acristalamiento de las aberturas de las ventanas se considera la principal estructura de seguridad, reduciendo las cargas explosivas a un nivel aceptable y seguro para las estructuras portantes, aunque además también se ofrecen diversas estructuras fácilmente desmontables (ELS) que liberan rápidamente las aberturas. al comienzo de la aparición de cargas explosivas.

Un estudio sobre cómo funciona el acristalamiento muestra:

• El acristalamiento nunca se rompe instantáneamente. Esto sucede gradualmente a medida que aumenta la carga. Primero se destruye el vidrio con diversos tipos de defectos. Con cargas bajas, sólo se destruye la parte del acristalamiento más cercana al centro de la explosión;

• para una protección eficaz de las estructuras portantes, se debe utilizar vidrio con grandes luces y áreas;

• la mejor protección la proporciona un acristalamiento simple y luego un doble acristalamiento. La destrucción del acristalamiento es de naturaleza probabilística y está sujeta a la distribución de Weibull. Los científicos rusos L.P. Pilyugin A.N. Litvin (MGSU).

A continuación se describe un accidente típico por explosión, cuyas consecuencias podrían haber sido menos graves si los arquitectos hubieran consultado con expertos en garantizar la resistencia a explosiones de edificios y estructuras durante el diseño. Estamos hablando de la explosión en la casa número 5 de la calle Académica Volgina el 9 de marzo de 1996.

El edificio residencial nº 5 tiene 16 plantas (Fig. 1). Hay 4 apartamentos en cada piso en cada entrada. La explosión se produjo en la primera entrada del tercer piso. La entrada tiene la escalera 20. La entrada se encuentra en la calle Akademika Volgina. Hay 15 ascensores de pasajeros y 16 de carga. Las puertas de los cuatro apartamentos nº 66, 67, 68,69 situados en el piso se abren al pasillo de ascensores 9. El pasillo del ascensor se comunica a través del vestíbulo 17 con dos puertas con la plataforma de aireación 18. La plataforma se ventila a través de una abertura de aireación que sale al exterior, cubierta con una rejilla 23. Los apartamentos cuentan con logias. Las cocinas están equipadas con placas eléctricas.

2. Evolución del accidente

En el pasillo 7 del apartamento nº 66 se guardaban dos bombonas de propano de 27 y 5 litros de capacidad, preparadas para la casa de campo: la bombona de 27 litros resultó defectuosa y tenía fugas. Después de un tiempo, se escuchó un golpe ensordecedor en el pasillo (la primera explosión de una mezcla de propano y aire), que se escuchó en todos los apartamentos en todos los pisos de la entrada. Inmediatamente se inició un incendio en el pasillo. A causa del incendio, el propietario del apartamento, herido y quemado, no pudo acceder a la habitación 5, donde permanecían su esposa y su hijo. Presa del pánico, salió corriendo por el pasillo de ascensores 9 y dos vestíbulos 17, 19 hasta el rellano 20. El algodón, habiendo creado un exceso de presión en el pasillo 7, expulsó la mayor parte de la mezcla de propano y aire a las habitaciones adyacentes 5, 6. , 8, etc aparentemente, hacia el pasillo 10 del departamento No. 67, así como a través de goteras cerca de las tuberías de agua en el baño 8 hacia diecisiete huecos en las losas del techo 27 (tres losas). Después de unos 2-5 minutos. Después de que comenzó el incendio, un cilindro de 5 litros explotó debido al calentamiento. La explosión (la más potente de todas) destrozó el suelo de parquet y rompió la losa de hormigón armado que había encima del apartamento del segundo piso. Se trataba de la llamada «explosión física de un recipiente que operaba bajo presión». Para ello no es necesario que la bombona contenga gas inflamable: cualquier gas a alta presión producirá el mismo efecto. Sin embargo, el propano liberado después de la explosión pronto se mezcló con aire y la mezcla resultante explotó en las salas 7.5 y 6.

Así, se produjeron tres explosiones sucesivas en las habitaciones y diecisiete — en los huecos de las losas de revestimiento 27, donde la mezcla inflamable se presionó a través de los extremos no sellados. Cableado eléctrico oculto pasaba por los huecos de las placas del techo.

Los apartamentos nº 66 y 67 sufrieron los mayores daños. Todos los tabiques entre habitaciones, cocinas y otros locales fueron destruidos. En el diagrama, las flechas muestran las direcciones de movimiento de la onda expansiva. No sólo se rompieron los cristales, sino también los marcos. La onda expansiva derribó las vallas de hormigón armado de las logias de 580 x 100 cm. Sobre las logias de los pisos 3, 4 y 5 se encuentran grandes manchas de hollín debido a las explosiones y al fuego.

La longitud total del corredor es de unos 15 m en cada piso y hay dos giros de 90°. Estos pasillos largos con curvas crean un efecto laberíntico, es decir, contribuyen a la transformación de una onda de compresión en una onda de choque, y los reflejos en las esquinas de las curvas y en los callejones sin salida provocan un aumento de la carga explosiva. Al final del corredor adyacente a los apartamentos 66 y 67 también se produjo una explosión deflagratoria, que provocó la formación de una onda de compresión. En este tramo el pasillo está muy ahumado, pero en el resto de la zona no hay hollín.

Después de la explosión en el corredor 9, una onda de compresión destruyó las puertas del ascensor e irrumpió en los huecos del ascensor, desde donde se propagó a todos los pisos de la entrada. En todos estos pisos, las puertas del ascensor están presionadas desde el interior.

La onda de compresión, extendiéndose horizontalmente, alcanzó el vestíbulo 17, que se convirtió en una barrera para la salida de la onda a la atmósfera a través de la abertura de aireación. La puerta rota del vestíbulo derribó la rejilla metálica 23. Esto permite estimar la intensidad de la onda de compresión reflejada en 10-15 Pa.

El apartamento no estuvo directamente expuesto a las llamas de la explosión, pero la puerta de entrada fue destrozada por una onda de compresión que irrumpió desde el pasillo del ascensor.

En ese momento, una mujer se encontraba en el apartamento. El aumento de presión no le hizo daño ni le causó ningún dolor en los oídos. Esto nos permite concluir que la onda que irrumpió en el apartamento fue precisamente una onda de compresión, en la que la presión aumenta suavemente, y no una onda de choque. Los tímpanos pueden soportar la alta presión a medida que aumenta gradualmente (los buceadores de perlas experimentan presiones de hasta 300 kPa), pero cuando se exponen a una onda de choque, los tímpanos comienzan a romperse ya a 10-15 kPa.

Desde el lado de la calle Académico Volgin, el acristalamiento de la escalera de la entrada n.° 1 fue destruido en todos los pisos por una onda de compresión que penetró la escalera 20 a través de las puertas destruidas de los vestíbulos 17 y 19. La onda expansiva demolió las logias de los apartamentos n.° 66 y 67, frente al patio. Los cristales de los apartamentos de todas las plantas de la primera entrada desde el patio quedaron destruidos. Esto se puede explicar por esto. que la mezcla inflamable exprimida de los apartamentos No. 66 y 67 se encendió en el exterior del edificio a partir de los productos de explosiones en el local, lo que provocó una explosión de deflagración externa. En el patio, fragmentos de vidrio arrojados desde las ventanas y puertas de los apartamentos 66 y 67 se encuentran esparcidos a una distancia de hasta 80 m. Conclusión

Una explosión de emergencia en el edificio número 5, que comenzó en un apartamento, provocó daños en toda la entrada. El mayor volumen de destrucción se explica por la mala colocación de los huecos de los ascensores y el aislamiento del pasillo del ascensor de la escalera mediante dos vestíbulos. En aquellos edificios donde las entradas a los ascensores están ubicadas en los rellanos de las escaleras, los ascensores permanecen operativos durante tales explosiones y no transmiten la onda de compresión destructiva a todos los pisos. El volumen de destrucción podría haber sido significativamente menor si los huecos de los ascensores tuvieran al menos aberturas (protegidas por una malla) que dieran a la escalera.