Способ защиты окружающей среды от продуктов взрыва

Изобретение относится к средствам защиты от воздействия взрыва и предназначено для повышения безопасности вблизи взрывоопасных объектов в аварийных ситуациях. Техническим результатом изобретения является ослабление взрывной ударной волны и поглощение вредных диспергированных частиц при взрыве и может быть использовано при транспортировании и хранении взрывоопасных объектов, содержащих взрывчатые и радиоактивные вещества. Для этого создают преграду вокруг взрывоопасного объекта. Преграду выполняют в виде двух слоев, один за другим. При этом первый слой рассекателей размещают по радиусу на пути расходящихся от эпицентра продуктов взрыва (ПВ) с содержащимися в них опасными диспергированными частицами. Второй слой размещают на пути сформированных струйных течений с зазором по отношению к первому. Преграду из второго слоя выполняют из фрагментов-поглотителей (ФП), сорбирующих опасные вещества импактированием, и с радиальным смещением ФП по отношению к рассекателям первого слоя. Зазор между слоями рассекателей и ФП заполняют пеноаэрогелеобразующей массой, взаимодействующей с газовыми потоками. При этом аэробаллистические параметры, массу, количество и размеры ФП выбирают из соотношения VΔt≤N×A/2π, где V - средняя скорость разлета рассекателей, определяемая давлением продуктов взрыва, аэробаллистическим коэффициентом и массой каждого рассекателя и каждого ФП; N - количество рассекателей; Δt - время газодинамической фильтрации (время прохода ПВ через слои); А - размер ФП, поглощающего вредные вещества, сконцентрированные газодинамическими струями, после прохождения первого слоя. 2 ил.

 

Изобретение относится к средствам защиты от воздействия взрыва и предназначено для повышения безопасности вблизи взрывоопасных объектов в аварийных ситуациях за счет ослабления взрывной ударной волны и поглощения вредных диспергированных частиц при взрыве и может быть использовано при транспортировании и хранении взрывоопасных объектов, содержащих взрывчатые и радиоактивные вещества.

Известно устройство, реализующее способ ограничения действия взрыва (патент РФ №2080553 с приоритетом от 18.03.94, F 42 D 5/04, опубл. 27.05.97), включающее экран, образованный одним или более резервуарами с вакуумированной полостью. При этом резервуар выполнен из легкого металлического сплава в форме, обеспечивающей возможность охвата взрывоопасного предмета, и снабжен емкостью с жидкостью и/или накладкой из ткани типа “кевлар”.

К недостаткам такого решения следует отнести следующее. В аварийных ситуациях, связанных с механическим воздействием, которые приводят к взрыву объекта, находящегося внутри данного устройства, будет происходить нарушение герметичности резервуара, исчезновение вакуума и связанного с этим эффекта гашения ударной волны. К недостаткам также можно отнести возможный случайный характер разрушения взрывозащитного устройства, т.е. разрушение устройства будет происходить в местах более слабого звена и в образовавшиеся разрывы будут выходить продукты взрыва и вследствие этого будет снижаться эффект локализации диспергированных частиц и увеличение опасности вблизи взрывоопасного объекта.

Известен способ гашения ударных волн при взрывных работах, принятый за прототип (патент РФ №2030708 с приоритетом от 30.12.92, F 42 D 5/045, опубл. БИ №7 от 10.03.95), включающий размещение перед подрывом заряда преград из газожидкостной среды. В качестве преграды используют водонепроницаемую оболочку, заполненную пустотельми сферами и/или кусками пенопласта и водой. Способ предназначен для повышения безопасности взрывных работ за счет ослабления воздушных ударных волн.

Недостатком данного способа является низкая надежность защиты от продуктов взрыва, содержащих вредные вещества, из-за того, что преграда состоит из газожидкостной среды, имеющей низкую плотность, недостаточную для улавливания осколков, а также неопределенный характер разрушения преграды, вследствие чего могут образовываться в преграде прорывы продуктов взрыва, увлекающие за собой мелкодисперсные частицы без их поглощения элементами преграды, отсутствует эффект импактирования для поглощения мелкодисперсных частиц.

Задачей настоящего изобретения является создание способа защиты окружающей среды от продуктов взрыва, обеспечивающего ослабление взрывной ударной волны и выход вредных диспергированных частиц и остатков продуктов взрыва в окружающую среду за счет их поглощения.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого способа, является ослабление воздействия взрывной нагрузки на объекты окружающей среды (с целью уменьшения масштабов разрушений) и снижение уровня выхода вредных диспергированных частиц в окружающую среду, повышение безопасности вблизи взрывоопасных объектов в аварийных ситуациях.

Технический результат достигается тем, что в известном способе защиты окружающей среды от продуктов взрыва вокруг взрывоопасного объекта создают преграду. Преграду выполняют в виде двух слоев, устанавливаемых один за другим, при этом первый слой из рассекателей размещают по радиусу на пути расходящихся от эпицентра продуктов взрыва с содержащимися в них опасными диспергированными частицами, создавая множественное количество газовых потоков с одновременным поглощением диспергированных частиц, по контуру которых создают высокоскоростные струйные течения, изменяющие концентрацию в них опасных веществ. Второй слой устанавливают на пути сформированных струйных течений с зазором по отношению к первому. Преграду второго слоя выполняют из фрагментов-поглотителей, сорбирующих опасные вещества импактированием, и с радиальным смещением фрагментов-поглотителей по отношению к рассекателям первого слоя, а зазор между слоями рассекателей и фрагментов поглотителей заполняют пеноаэрогелеобразующей массой, взаимодействующей с газовыми потоками, при этом аэробаллистические параметры, массу, количество и размеры фрагментов-поглотителей выбирают из соотношения

VΔt≤N×A/2π,

где V - средняя скорость разлета рассекателей, определяемая давлением продуктов взрыва, аэробаллистическим коэффициентом и массой каждого рассекателя и каждого фрагмента-поглотителя;

N - количество рассекателей;

Δt - время газодинамической фильтрации (время прохода продуктов взрыва через слои);

А - размер фрагмента-поглотителя, поглощающего вредные вещества, сконцентрированные газодинамическими струями, после прохождения первого слоя.

Выполнение первого слоя в виде рассекателей-призм и установка их на пути продуктов взрыва позволяет преобразовать расходящиеся от эпицентра продукты взрыва с содержащимися в них опасными, при наличии и радиоактивными диспергированными частицами, мелкими осколками в большое количество газовых потоков, повышающих концентрацию в них опасных веществ, и ослаблению взрывной ударной волны, также первый слой поглощает крупные осколки и при разрушении рассекателей выбрасывает содержащиеся в них сорбенты, которые в свою очередь поглощают часть мелкодисперсных частиц.

Введение пено-аэрогелеобразующей массы (липкий сорбент) между слоями рассекателей-призм и фрагментов-поглотителей способствует захвату мелкодисперсных частиц.

Применение второго слоя в виде фрагментов-поглотителей позволяет задерживать крупные осколки, а также сформированные первым слоем струи пропускать через лабиринты, создаваемые зазорами между рассекателями-призмами и фрагментами-поглотителями, и вследствие эффекта импактирования сорбировать опасные мелкодисперсные вещества.

Установка второго слоя с зазором по отношению к первому, радиальное смещение фрагментов-поглотителей по отношению к рассекателям-призмам и выбор соотношения между геометрическими параметрами и массой фрагментов-поглотителей и рассекателей позволяют создать множество струйных течений в зазорах между рассекателями, повысить в них концентрации мелкодисперсных частиц, создать эффект импактирования - резкого изменения направления движения струй с мелкодисперсными частицами в лабиринтах между рассекателями и фрагментами-поглотителями и тем самым повысить степень сорбирования мелкодисперсных частиц слоями фрагментов-поглотителей.

Параметры преграды выбраны исходя из соотношения VΔt≤N×A/2π, чтобы длительность сорбирования опасных веществ импактированием превышала время прохождения продуктов взрыва через слои преграды, и тем самым обеспечивая полную фильтрацию продуктов взрыва. Если же длительность эффекта импактирования будет меньше времени прохождения продуктов взрыва через слои преграды, то будет происходить выход вредных частиц, содержащихся в продуктах взрыва, в окружающую среду.

Все заявляемые признаки в своей совокупности позволяют снизить поражающие факторы ударной волны, локализовать крупные осколки, сформировать высокоскоростные струи с большой концентрацией вредных веществ, поглотить их, и тем самым обеспечить снижение нагрузки на объекты окружающей среды, уменьшить масштабы разрушений от взрыва, снизить уровень выхода вредных диспергированных частиц и повысить безопасность при работе со взрывоопасными объектами.

Заявляемый способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема устройства в поперечном разрезе при перемещении на расстояние ДК от исходного состояния, как одного из вариантов реализации данного способа.

Устройство состоит из первого слоя рассекателей 1, выполненных в виде призм и установленных на расстоянии R от изделия, где развиваются продукты взрыва (ПВ). За основаниями призм следует второй слой фрагментов-поглотителей 2, перекрывающих стыки оснований призм. Между основаниями призм и слоями-фрагментами размещаются пеноаэрогелеобразующие массы (жидкости) или липкие сорбенты 3. Фрагменты-поглотители, так же как и рассекатели, выполнены в виде призм и состоят из основания, к которому прикреплены слои сетки, сформированные в призму и пропитанные липким сорбентом.

Призма имеет аэродинамически совершенную форму, центр давления которой находится позади центра масс. Эти свойства обеспечивают постоянную ориентацию ее к центру взрыва и малое сопротивление к ПВ. Последнее качество придает призме малое ускорение движения от взрыва. В то же время ее поверхность формирует струи с увеличением концентрации опасных веществ в зазорах между призмами:

где К - коэффициент поверхностной концентрации вредных веществ;

K₁ - коэффициент, учитывающий оседание дисперсных частиц в призме;

S_ocн. - площадь фрагмента-поглотителя (основания пирамиды);

S₃ - площадь зазора вокруг призмы.

Полость призмы заполнена сорбентом, а на поверхности выполнено множество отверстий в виде сетки каверн или выемок для захвата мелкодисперсных частиц.

Принцип работы устройства поясняется схемой, представленной на фиг.2, и основан на следующем.

При аварийном взрыве содержащиеся в ПВ парообразные частицы ПВ в виде субмикронных аэрозолей, жидкая фаза ПВ в виде дробящихся капель с размерами ~1 мкм и твердая фаза в виде осколков с размерами до нескольких миллиметров попадают на устройство, именуемое в дальнейшем газодинамическим фильтром (ГДФ).

Мелкодиспергированные частицы ПВ тормозятся, а затем практически полностью повторяют движение газов при обтекании рассекателей-призм 1 и прохождении через лабиринты, создаваемые зазорами ΔS₁, ΔS₂, ΔS₃. Крупные осколки с размерами ~1 мм вылетают из облака ПВ со скоростями до нескольких километров в секунду, затем, тормозясь в воздухе, попадают в рассекатели 1 и фрагменты-поглотители 2 ГДФ, сгорают полностью или частично, дробятся, образуя вторичное облако мелкодисперсных аэрозолей РВ, поглощаемых сорбентом и слоями ГДФ. Большинство этих осколков (~70%) имеют скорость ~2,5 км/с, а 10% ~3...4 км/с. Около 80% осколков имеют массу от 0,03 до 1 г, а диаметр от 2 до 6 мм. Высокоэнергетичные осколки, пробивающие два слоя ГДФ, также оставляют в ГДФ опасные вещества, содержащиеся на их поверхности за счет поверхностного сорбирования при прохождении ими слоев ГДФ. В зазорах между призмами ГДФ формируются струи, напротив которых устанавливаются фрагменты-поглотители дисперсных частиц. В призмы внедряются крупные осколки, и ввиду этого исключается образование вторичных мелкодисперсных аэрозолей. При внедрении этих осколков призма становится источником сорбентов, которые выбрасываются в ПВ из образованных осколочных пробоин и первоначальных отверстий (каверн) и поглощают мелкодисперсные ПВ. Мелкодисперсные частицы ПВ захватываются пеноаэрогелеобразующей массой 3, находящейся между основаниями призм и фрагментами-поглотителями. Эти же частицы ПВ вследствие эффекта импактирования - резкого изменения направления движения в лабиринтах и слоях-фрагментах - поглощаются сетками и сорбентами фрагмента. При этом в зазоре ΔS₃ создаются зоны столкновения струй с дисперсными частицами. За счет этого гасится скорость частиц и осуществляется их внедрение в боковые поверхности фрагментов поглотителей. Кинетическая энергия частиц при этом преобразуется в давление опрессовки конусных фрагментов поглотителей, осуществляемое в направлении, перпендикулярном основному разлету ПВ. Этот эффект используется для повышения поглощения вредных частиц и их самоуглубления во фрагменты-поглотители. Таким образом, эти три эффекта захвата ПВ будут продолжаться, пока зазор между разлетающимися основаниями призм ΔS₁ не превысит размер А фрагмента, т.е. пока А≥ΔS₁. Количество слоев в ГДФ при необходимости может быть увеличено.

При перемещении рассекателей на ДК величина изменения зазора между ними составит ΔS₁.

где N - количество фрагментов-поглотителей по окружности.

Рассекатели, движущиеся со скоростью V, переместятся за время прохождения ПВ через ГДФ (Δτ) на величину ΔR=VΔ.

Отсюда:

Тогда

Средняя скорость движения фрагментов-поглотителей (слоев ГДФ) за время Δτ снижается выбором минимального значения соотношения аэродинамического коэффициента к массе рассекателей и поглотителей ГДФ.

Примером конкретного исполнения может служить устройство (фиг.1.), выполненное согласно заявляемому способу, где рассекатели 1 выполнены в виде призм, состоящих из металлического корпуса, на поверхности которого имеется множество отверстий в виде сетки каверн или выемок для захвата мелкодисперсных частиц. Внутренняя полость призмы заполнена сорбентом (стеклянными микросферами) для поглощения мелкодисперсных частиц ПВ. Фрагменты-поглотители 2, выполненные, так же как и рассекатели, в виде призм, состоят из основания, выполненного из стальной плиты, и пакета сеток из нержавеющей стали, сформированных в виде пирамиды и пропитанных липким сорбентом (консистентной смазкой) или гидрогелевым составом на основе синтетических и натуральных полимеров, для улавливания осколков и мелкодисперсных частиц ПВ. Зазоры между основаниями призм и фрагментами-поглотителями заполняются гидрогелевым составом на основе синтетических и натуральных полимеров 3 для захвата из газового потока мелкодисперсных частиц.

Возможность достижения технического результата при использовании предлагаемого способа подтверждается модельными экспериментами, проведенными с отдельными составными частями устройства. Так эксперименты, проведенные с использованием устройств, заполненных стеклянными микросферами типа ШСО-125 ТУ 6-48-00204949-15-92, и пакетов из нержавеющей стали различного типоразмера, показали высокую эффективность их применения для ослабления взрывной ударной волны и сорбирования ПВ. Реализация в заявляемом способе всех признаков в полном объеме позволит существенно повысить эффективность защиты окружающей среды от ПВ.

Способ защиты окружающей среды от продуктов взрыва путем создания преграды вокруг взрывоопасного объекта, отличающийся тем, что преграду выполняют в виде двух слоев один за другим, при этом первый слой рассекателей размещают по радиусу на пути расходящихся от эпицентра продуктов взрыва с содержащимися в них опасными диспергированными частицами, создавая множественное количество газовых потоков с одновременным поглощением диспергированных частиц, по контуру которых создают высокоскоростные струйные течения, изменяющие концентрацию в них опасных веществ, а второй слой устанавливают на пути сформированных струйных течений с зазором по отношению к первому, преграду второго слоя выполняют из фрагментов-поглотителей, сорбирующих опасные вещества импактированием, и с радиальным смещением фрагментов-поглотителей по отношению к рассекателям первого слоя, а зазор между слоями рассекателей и фрагментов-поглотителей заполняют пеноаэрогелеобразующей массой, взаимодействующей с газовыми потоками, при этом аэробаллистические параметры, массу, количество и размеры фрагментов-поглотителей выбирают из соотношения

VΔt≤N×A/2π,

где V - средняя скорость разлета рассекателей, определяемая давлением продуктов взрыва, аэробаллистическим коэффициентом и массой каждого рассекателя и каждого фрагмента-поглотителя;

N - количество рассекателей;

Δt - время газодинамической фильтрации (время прохода продуктов взрыва через слои);

А - размер фрагмента-поглотителя, поглощающего вредные вещества, сконцентрированные газодинамическими струями, после прохождения первого слоя.