Оценка последствий взрыва природного газа в жилых домах

Взрывы природного газа, используемого в жилых домах в качест­ве топлива, в последнее время начали приводить к тяжелым последствиям: гибнут люди, оказавшиеся в загазованном помещении; часто взрывы становятся причиной разрушения жилых домов. Поэтому анализ динамики образования газовоздушной смеси в помещении и оценка последствий взрыва представ­ляются важным этапом разработки мероприятий по обеспечению взрывозащищенности жилых домов.
Обязательными условиями взрыва газа в помещении являются три последовательно возникающие события: утечка газа из системы газоснабжения, накопление газа до величины взрывоопасной концентрации, появление источника воспламенения в загазованном помещении.
Утечка газа может происходить по двум вариантам:
1) выброс значительного количества за короткое время в результате, например, аварийной разгерметизации подводящей газовой трубы;
2) медленное, с небольшим расходом, поступление газа в помещение, например, из незажженной или потухшей горелки газовой плиты.
Статистика показывает, что первый вариант реализуется крайне редко, и он характерен для наружных газовых труб. К сожалению, часто происходят утечки по второму варианту. Оценим последствия таких утечек бытового газа.
Уместно отметить, что избыточное давление в газовой сети жилых домов стандартизовано и составляет 2,2 КПа, а газ поступает в горелку через форсунку диаметром до 2 мм. В качестве горючего газа в жилых домах чаще всего используется природный газ, основными компонентами которого являются метан (93,05 % об.), этан (2,73 % об.), пропан (0,22 % об.). Остальные компоненты – негорючие газы. Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) природного газа в смеси с воздухом находятся в диапазоне 4,5-13,5 % об. В последующем все теплофизические, горючие и другие свойства природного газа принимались по метану. Не учитывается удаление воздуха из помещения через вытяжные устройства естественной вентиляции. Дополнительно расчетным путем было установлено, что скорость истечения газа через форсунку горелки будет докритической, и для определения массового расхода поступающего в помещение газа (G) применима формула [1]:

где S – площадь сечения отверстия форсунки, м2; ε – коэффициент истечения (принимается в диапазоне 0,6-0,8); РƮ, Ро – абсолютное давление в газовой системе и атмосферное давление соответственно, Па; ρƮ – плотность газа, кг/м3; k – показатель адиабаты.
При заданных условиях газ будет поступать с расходом 7,86·103 кг/мин. Тогда, например, в кухне размером 3х3х2,5 м КПРП достигается через 100 мин. Хотя времени вполне достаточно для обнаружения и локализации аварийной обстановки, нельзя исключить возможность достижения КПРП и появления источника воспламенения, например, электрической искры в момент включения освещения. Сгорание газовоздушной смеси в замкнутом объеме помещения создаст избыточное давление (∆P) [2]:

где m – масса газа, вышедшего в помещение, кг; НƮ – теплота сгорания (для природного газа – 50000 КДж/кг); z – коэффициент участия горючего во взрыве (z=0,5); Vсв – свободный объем помещения, равный 80 % геометрического объема, м3; ρо, Сρ – плотность и теплоемкость воздуха; То – температура воздуха, Kо; Кн – коэффициент негерметичности помещения, равный 3. 

Анализ динамики образования газовоздушной смеси в помещении и оценка последствий взрыва представляются важным этапом разработки мероприятий по обеспечению взрывозащищенности жилых домов.

При принятых допущениях ∆P достигает 2 кПа, что приведет к расстеклению окна. Действительно, например, на окно размером 1,5х1,2 м будет действовать сила в 360 кг. После разрушения окна давление в помещении «сбрасывается», что предотвращает разрушение основных конструкций здания, то есть окно играет роль предохранительного клапана. Действительно, до недавнего времени окна имели деревянные рамы, а стекла – толщину 2 мм. Однако устанавливаемые в последнее время в жилых домах окна с металлопластиковыми рамами с многослойными стеклопакетами с толщиной стекла в 3-4 мм уже не выполняют роль легковышибной конструкции здания. В замкнутом пространстве помещения кухни может создаваться значительное избыточное давление, которое может вызвать серьезные разрушения здания. Но данный недостаток современных окон может быть устранен изготовлением хотя бы для кухонных помещений новых типов металлопластиковых рам, предусмотрев в них специальные приспособления или ослаб­ленные крепежные элементы, которые при возникновении избыточного давления обес­печивали бы открытие оконного прое­ма. До разработки новых типов рам, может быть, следует ограничить применение стек­лопакетов в кухонных окнах. 

Литература:
1. Руководство по оценке пожарного риска для промышленных предприятий. – М. : ВНИИПО, 2006. – 93 с.
2. ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. – М. : Госстандарт, 1998. – 86 с.