Вибухи газових балонів, причини та наслідки Текст наукової статті зі спеціальності «Хімічні технології»

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Плотнікова Г. Ст, Бодров Д. А.

За статистикою у Росії через вибухи побутових газових балонів щорічно гине близько 200 людей. Наслідки таких вибухів можна порівняти з детонацією 122 міліметрового артилерійського снаряда. Особливу небезпеку становлять газові балони під час пожежі. Пожежі на об'єктах, де використовуються балони з газом під тиском, характеризуються проявом у різному поєднанні небезпечних факторів, які можуть призвести до катастрофічних наслідків.

Схожі теми наукових праць з хімічних технологій, автор наукової роботи - Плотнікова Г. Ст, Бодров Д. А.

Основні терміни та поняття фізико-хімічних термодинамічних явищ як елементи криміналістичної характеристики злочинів, пов'язаних із вибухами паливно-повітряних сумішей

З огляду на статистичні дані, в Росії тому, що explodation household gas cylinders die every year o 200 people. Наслідки таких explosions є comparable with explosion 122 millimeter artillery shell. З особливою загрозою є gas cylinders в Event fire. Fires on the objects, які є використані cylinders з gas under pressure, є характерним для з'єднання з різною комбінацією з hazards, які можуть бути спрямовані на disastrous consequences

Текст наукової роботи на тему «Вибухи газових балонів, причини та наслідки»

ВИБУВИ ГАЗОВИХ БАЛОНІВ, ПРИЧИНИ І НАСЛІДКИ

доцент кафедри ПТЕ ФГКОУ ВПО ВСІ МВС Росії, кандидат хімічних наук, доцент

оперуповноважений у особливо важливих справах ЗОБР ГУ МВС Росії з Іркутської області

За статистикою у Росії через вибухи побутових газових балонів щорічно гине близько 200 людей. Наслідки таких вибухів можна порівняти з детонацією 122-міліметрового артилерійського снаряда. Особливу небезпеку становлять газові балони під час пожежі. Пожежі на об'єктах, де використовуються балони з газом під тиском, характеризуються проявом у різному поєднанні небезпечних факторів, які можуть призвести до катастрофічних наслідків.

З огляду на статистичні дані, в Росії тому, що explodation household gas cylinders die every year o 200 people. Наслідки таких explosions є comparable with explosion of 122 - millimeter artillery shell. З особливою загрозою є gas cylinders в Event fire. Fires on the objects, які є використовувані cylinders з gas under pressure, є характерним для з'єднання з різною комбінацією з hazards, які можуть бути пов'язані з disastrous consequences .

Під вибухом розуміють явище, пов'язане з раптовою зміною стану речовини, що супроводжується різким звуковим ефектом і швидким виділенням енергії, що призводить до розігріву, руху та стиснення продуктів вибуху та навколишнього середовища. Виникнення підвищеного тиску в області вибуху викликає утворення у навколишньому середовищі ударної хвилі з сильною руйнівною дією [1].

За статистикою у Росії через вибухи побутових газових балонів щорічно гине близько 200 людей.Наслідки таких вибухів можна порівняти з детонацією 122 міліметрового артилерійського снаряда. Металеві уламки розлітаються на десятки метрів, створюючи зону суцільної поразки.

Plotnikova G., Bodrov D. Explosions of gas cylinders, causas and consequences

Газовий балон - посудина, що має одну або дві горловини для встановлення вентилів, фланців або штуцерів, призначена для транспортування, зберігання та використання стиснутих, зріджених або розчинених під тиском газів [2].

Для приготування їжі в будинках індивідуальної споруди повсюдно використовуються балони сталеві зварні для зберігання вуглеводневих газів, що випускаються 25 заводами Російської Федерації відповідно до вимог ГОСТ 15860. В даний час їх кількість налічує близько 40 млн штук.

Основним видом газових балонів (близько 85%) є резервуари місткістю 50 і 27 л, розраховані робочий тиск 1,6 Мпа (16 атм). За даними заводів виробників, діапазон тисків руйнування становить для балонів місткістю 5 л - 12-16 МПа (120-160 атм), для 27л - 7,5-13 МПа (75-130 атм), а для 50 л - 7,5 -12 МПа (75-120 атм). Промислові 40-літрові балони розраховані на тиск, що в 1,5 рази перевищує робочий тиск газу.

Пожежі на об'єктах, де використовуються балони з газом під тиском, характеризуються проявом у різному поєднанні наступних небезпечних сценаріїв [3]: теплова дія «пожежі-спалаху»; вплив хвилі стиснення вибуху; тепловий вплив вогняної кулі; теплова дія струменевого факела палаючого газу; вплив осколків балону, що розірвався; ядуха внаслідок зменшення вмісту кисню в повітрі при накопиченні в ньому газів у надмірній кількості; наркотична дія окремих газів, навіть за незначної концентрації в повітрі.

При попаданні балона з побутовим газом у осередок пожежі відбувається нагрівання судини, що призводить до кипіння рідкої фази та підвищення тиску в ньому. Полум'я нагріває стінки судини і послаблює їхню початкову міцність внаслідок нерівномірного прогріву поверхні, що, як правило, призводить до руйнування судини. При цьому пари від миттєвого випаровування рідкої фази спалахують і утворюється «вогненна куля».

В результаті проведених досліджень на відкритому майданчику [3] було встановлено наступне: при попаданні 50-літрового газового балона зі зрідженим газом у осередок пожежі його розгерметизація з наступним вибухом відбувається протягом перших 3,5 хв. При цьому розрив балона, як правило, відбувається по бічній твірній. Максимальний радіус розльоту осколків балона, що розірвався на відкритому майданчику, становить 250 м, висота підйому осколків близько 30 м. При вибуху газового балона зі зрідженим газом можливе утворення «вогняної кулі» діаметром 10 м; внаслідок зниження міцності стінок балона його розгерметизація відбувається за тиску 5,3-8,5 Мпа (53-85 атм).При пожежі зріджений газ, що виходить із балона, може горіти в паровій, рідкій та парорідинній фазах. Кожна з них має свою температуру горіння.

Характер витікання газу з балона можна визначити за кольором та видом полум'я: у паровій фазі газ горить світло-жовтим полум'ям; у рідкій фазі полум'я яскраво-оранжеве з виділенням сажі; у парорідинній фазі горіння

відбувається з періодично мінливою висотою полум'я. Дані ознаки видимого полум'я є опосередкованими характеристиками розгерметизації балона з побутовим газом.

Основними, разом із тим, найбільш загальними причинами вибухів газових балонів є:

- надмірне переповнення балона зрідженими газами;

- значне перегрів або переохолодження стінок балона;

- попадання олій та інших жирових речовин у балон, що призводить до утворення вибухонебезпечних сумішей;

- утворення корозії та іржі всередині балона;

- удари по стінках балона внаслідок їх падіння, зіткнення під час транспортування та ін;

- неправильне наповнення балона, що призводить до утворення вибухонебезпечних середовищ;

- надмірно швидке наповнення балонів зрідженим газом призводить до перегріву вентиля балона до 400оС;

- попадання олій або вибухонебезпечного пилу;

- утворення іржі, окалини, іскроутворення.

Експерти виділяють причини, характерні окремих видів газів.

Газоподібний кисень технічний та медичний заправляються у балони за ГОСТ 949-73 до тиску 150 кгс/см2.

Суміші газоподібного кисню із горючими газами вибухонебезпечні. Мастильні матеріали та жирові забруднення поверхонь, що контактують із киснем, є причиною загорянь.Ущільнювальні матеріали (фібра, капрон, гума, пластмаса) можуть легко спалахувати серед кисню високого тиску.

При розслідуванні аварій, пов'язаних із кисневими балонами, виявлено такі характерні ознаки:

- відрив днища балона з променеподібними тріщинами на ньому (товщина днища приблизно 15 мм);

- відрив горловини балона;

- корпус балона розривається на дрібні фрагменти (до сотні шматків), що також мають тріщини;

- На вентилі балона залишається тільки гайка від підключеного редуктора, штуцер відривається;

- прокладання між вентилем балона та штуцером повністю вигоряє;

- полікарбонатна вставка на латунному клапані вентиля вигоряє або перебуває в стані за твердістю самої латуні, що не поступається;

- клапан знаходиться у відкритому стані, його різьблення заклинене в корпусі вентиля;

- нижня частина вентиля, вкрученого в балон, покрита нагаром;

- прохідний переріз у латунному вентилі та його комплектуючі мають рожевий колір втечі від високої температури.

Зазначені пошкодження можуть відбутися тільки при загорянні суміші кисню з горючим газом, при цьому тиск у балоні миттєво зростає.

розрахунків до 1500-2000 кгс/см. Якщо поряд з балоном, що вибухнув, знаходиться повний балон, то відбувається його детонаційне руйнування з наступними характерними ознаками:

- відрив горловини балона;

- корпус балона руйнується на 2-3 частини;

- Вентиль балона знаходиться в робочому стані.

Рис.1 - 3. Горловина балона, фрагменти корпусу балона, вентиль балона

Переважна більшість пального газу (пропан) потрапляє в кисневий балон під час газозварювальних робіт, у момент, коли тиск кисню в балоні стає нижчим, ніж тиск пального газу (пропан) у газовому балоні і можливий перетікання його в кисневий балон. Попадання інших горючих газів у кисневий балон можливе за його використання за призначенням [4].

Все залежить від того, скільки газу потрапило в кисневий балон. Якщо його кількість значно, то відбувається самозаймання горючої суміші при наповненні та вибуху балона з руйнуванням самої наповнювальної станції та з людськими жертвами. Аварійна розгерметизація кисневого балона призводить до займання промаслених будівельних конструкцій та одягу учасників гасіння пожежі, а також інтенсифікації процесу горіння.

Мал. 4-5. Пошкодження балона та наслідки вибуху балона з киснем

Вуглекислотний балон може вибухнути під час перекачування нормативної ємності з наступним переміщенням балона в тепле приміщення. Також причинами вибухів балонів є удари, падіння, нагрівання їх сонячним промінням та іншими джерелами тепла, переповнення балонів зрідженим газом, неправильне використання з порушенням правил техніки безпеки, порушення герметизації, несправність запірної арматури.

Рис.6. Пошкодження балона з вуглекислим газом внаслідок вибуху

Для балонів, заповнених воднем характерна така особливість за умов пожежі. При збільшенні температури (відповідно і тиску) водень дифундує в матеріал стінок балона, що спричиняє втрату початкової міцності балона та його вибух.

При попаданні балонів, заповнених азотом, в зону пожежі збільшується тиск азоту в балоні, що може спричинити деформацію та руйнування стінок балона. Балони, наповнені ацетиленом, можуть вибухнути внаслідок запалення струменя ацетилену, що призводить до розігріву балона та вибухового розпаду ацетилену. Небезпечно нагрівання ацетиленових балонів зовнішніми джерелами тепла, так як при цьому у них створюється високий тиск, відбувається процес полімеризації ацетилену, який супроводжується значним

виділенням тепла та може призвести до вибухового розпаду ацетилену. При прогресуючому розпаді ацетилену стінки балона розігріваються, деяких випадках до температури червоного гартування. Якщо не вжити заходів для достатнього зниження тиску в балоні, буде вибух.

Мал. 7. Наслідки вибуху балона з ацетиленом

Ацетиленові балони, на відміну від технічних, що застосовуються для зберігання та транспортування в стислому або зрідженому стані нейтральних, горючих та окисних газів, містять наповнювач-пористу нейтральну масу з капілярною структурою. Необхідність використання насипного або литого наповнювача викликана особливостями ацетилену – вибухо- та пожежонебезпечного за відсутності кисню або інших окислювачів.

Однією з функцій пористої маси є надійна локалізація (гасіння) ацетиленокисневого полум'я зворотного удару, який можливий під час виконання газополум'яних робіт. Розчин ацетилену в ацетоні є флегматизовану суміш ацетилену, при цьому ацетилен-ацетоновий розчин практично не здатний до вибухового розпаду.

Насправді спостерігаються окремі випадки руйнації ацетиленових балонів при зворотному ударі.Передбачити, як поведеться балон при попаданні в нього полум'я зворотного удару дуже складно. При цьому час до вибухового руйнування балона після перекриття вентиля може становити кілька хвилин, так і кілька годин. Це свідчить про те, що локалізація вибухового розкладання розчиненого ацетилену не завжди забезпечується. Процеси гасіння або горіння, що відбуваються всередині замкнутого балона, заповненого пористою масою, специфічні, складні і досі вони не вивчені повною мірою.

Основна потенційна небезпека, пов'язана з руйнуванням ацетиленових балонів, полягає у появі таких вражаючих факторів, як ударні хвилі та уламки, що призводять до тяжких наслідків.

Аналіз аварій при роботі з ацетиленовими балонами та вимог чинних нормативно-технічних документів дозволяє зробити наступні висновки.

Існуюча науково-технічна документація не містить вимог щодо обов'язкового захисту одиничних балонів від зворотних ударів з використанням захисних пристроїв.

Для захисту ацетиленового балона від зворотного удару під час виконання газополум'яних зварювальних робіт необхідна установка спеціального захисного пристрою, що забезпечує затримку (гасіння) полум'я та перекриття потоку (витікання ацетилену з балона).

Найбільш поширеними причинами вибухів балонів із пропан-бутановою сумішшю є: надмірне переповнення балона зрідженими газами; значне перегрів або переохолодження стінок балона; утворення корозії та іржі всередині балона; утворення іржі, окалини, іскроутворення. Нерідко вибух балона з пропанбутановою сумішшю відбувається при зіткненні з вогнем газу.

Вибух пропан-бутанової суміші супроводжується

високотемпературним викидом газів (полум'я), при цьому летять уламки і деталі балонів, що розірвалися, виникає теплове випромінювання. При вибуху пропан-бутану крім основних факторів пожежі (відкритий вогонь, підвищена температура навколишнього середовища, токсичні продукти горіння і т.д.), як правило, виявляються вторинні фактори: хвиля стиснення, що утворюється при вибуху балона і спричиняє руйнування будівель або окремих їх частин, руйнування (або пошкодження) зовнішнього та внутрішнього водопроводів, пожежної техніки, стаціонарних засобів гасіння, технологічного обладнання, виникнення нових вогнищ пожеж та вибухів.

Рис.8-9. Можливі пошкодження балонів із пропан-бутаном

Особливу небезпеку становлять газові балони під час пожежі. У разі пожежі на об'єктах, де зберігаються або використовуються балони з пропан-бутаном, часто трапляються вибухи газобалонного обладнання під тиском. При гасінні об'єктів з наявністю газових балонів слід враховувати фізико-хімічні властивості газу, що застосовується.

При попаданні балона пропан-бутану в осередок пожежі відбувається нагрівання судини, що призводить до кипіння рідкої фази та підвищення тиску в ньому. Полум'я нагріває стінки судини і послаблює їхню початкову міцність внаслідок нерівномірного прогріву поверхні, що, як правило, призводить до руйнування судини. При цьому пари від миттєвого випаровування рідини спалахують і утворюється «вогненна куля».

Розміри можливих зон ураження уламками при руйнуванні балонів у результаті вибуху визначають дальністю польоту найбільших уламків.Так, радіус зон ураження осколками при вибуху ацетиленового, кисневого, водневого, пропанового тонкостінного балонів, а також ацетиленового генератора та бачка з гасом становить відповідно 2500, 2200, 1100, 2100, 200 та 800 м.

Таким чином, аналіз, обробка та узагальнення відомостей про вибухи газових балонів показали, що основними причинами вибухів, які ставлять фахівці, є: механічне пошкодження, перегрів, корозія металу, неправильна експлуатація, витік газу.

У відсотковому співвідношенні причини вибухів розподілилися так:

- корозія металу – 20 %;

Поряд із цим виділяють причини, характерні для окремих видів

1. Таубкін, С.І. Пожежа та вибух, особливості їхньої експертизи. – М. ВНДІПО, 1999. -

2. Інформаційне агентство "Зброя Росії". - http://www.arms-expo.ru/049051124050055053052052.html

3. Верзилін М.М., Савельєв Л.М., Шебеко Ю.М. Тактика дій підрозділів пожежної охорони за умов можливого вибуху газових балонів у вогнищі пожежі: Рекомендації - М.: ВНДІПО? 2000.

У зв'язку із чим може вибухнути газовий балон?

Від прогресуючого дефекту. Тріщина у шві, матеріалі балона. При механічному вплив збільшує цей дефект або його, дефект, що створює.

Від підвищення тиску всередині балона вище тиску, при якому балон ще цілий. Наприклад, при нагріванні балона.

Сам газовий балон вибухнути не має. Вибухає повітряно-газова суміш у приміщенні в тому випадку, якщо балон не закритий і газ виходить назовні. При цьому плита, до якої підключений балон не включена (пальник не горить). Газ перемішується з повітрям і з появою іскри етап суміш може вибухнути. Таке можливе навіть при простому включенні світла.

Запам'ятайте раз і назавжди. Газовий балон вибухнути ніколи не може. Там нема чого вибухати. Але за певних умов він може зруйнуватися (якщо провести аналогію з дитячою кулькою, то кулька не може вибухнути, але якщо її занадто сильно надути, то вона може луснути.) Так і балон, хоч і сталевий, має певну межу міцності. А в балоні – газ. Давайте розглянемо два випадки.

Один – це балон зі стисненим газом. Наприклад, при температурі близької до кімнатної (при 27 ° С, що відповідає 300 К) балон накачали 150 атмосфер газу. А тиск газу пропорційно до абсолютної температури. І якщо при пожежі (або з хуліганських спонукань покласти балон в багаття) температура газу всередині балона досягла 600 К (327°С), то тиск усередині балона підніметься до 300 атмосфер. А балон не розрахований на такий тиск. І що ж станеться? Як говорить прислів'я, "де тонко, там і рветься", тому він зруйнується, або відірве вентиль, або розійдеться по шву, і газ з нього швидко вийде. Схоже на вибух?

Другий випадок, Ви напевно саме його і мали на увазі балон зі зрідженим газом (найчастіше з пропаном). За звичайних умов пропан - газ, який зріджується при звичайному тиску при температурі -42°С. Він може бути рідким і за кімнатної температури, але при тиску близько 12-15 атмосфер.

Саме в такому вигляді ми використовуємо балони в побуті. Як це виглядає усередині балона? Налийте чайник води, прикрийте кришку нещільно і поставте кип'ятити. У нижній частині чайника у Вас буде рідина, у верхній частині - пара, яка прагне вийти назовні навіть через найменші щілинки. Тиск його порядку 1 атмосфери. І поки в чайнику є вода, температура не підніметься вище за 100°С, тиск пари не підніметься вище за 1 атмосферу.

У балоні з пропано так само. Внизу рідкий пропан, над ним газоподібний тиск у балоні (при кімнатній температурі) близько 12-15 атмосфер. Коли Ви відкриваєте вентиль на балоні, газ з нього виходить через редуктор, а замість нього випаровуються нові порції газу, і так само, як у розглянутій ситуації з чайником, поки в балоні є рідкий пропан, температура залишиться кімнатною (точніше температура буде така ж, як і в приміщенні, в якому балон знаходиться), і тиск ті ж 12-15 атмосфер.

Тепер змінимо умови. Нехай вентиль балона залишається закритим, але балон нагрівся (чи то на сонці, чи то при пожежі, чи то його поклали на багаття). Рідкий пропан випаровується, перетворюється на газоподібний, а оскільки газу подітися нікуди, тиск зростає. Ну а далі станеться приблизно те саме, що описано вище для балона з "газоподібним" газом. Десь станеться руйнація і пропан у вигляді газу виходитиме з балона. але вийшовши з балона, пропан змішається з повітрям. А суміші пропану з повітрям, що містять від 1,7 - 10,9% (за обсягом) пропану при підпалюванні вибухають. Ось це і відбувається під час пожеж, коли пожежі залишається балон із пропаном. Він нагрівається, руйнується (лопається по шву), з нього виходить пропан, змішується з повітрям, ця суміш спалахує. Але вибуху немає, тобто. балон не вибухає.