способ подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов

Формула изобретения

1. Способ подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов, заключающийся в том, что во взрывной камере осуществляют взрыв паров горючей жидкости посредством воспламенения горючей смеси от электрической искры свечи зажигания и определяют параметры взрыва, отличающийся тем, что взрывную камеру оснащают легкосбрасываемым элементом, который устанавливают в торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, параллельно с механическим индикатором давления с тумблером включения двигателя индикатора, а взрывную камеру со свечой зажигания, имеющей кнопку включения зажигания, располагают оппозитно торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, при этом сосуд комплектуют штуцерами для продувки взрывного сосуда после проведения эксперимента, причем штуцер для заливки горючей жидкости с установленной на нем пробкой закрепляют в стенке сосуда над контактами свечи зажигания, при этом элементы, участвующие в испытании: индикатор давления, свеча зажигания, штуцер для заливки горючей жидкости, штуцера для продувки взрывного сосуда подбирают по прочности на «разрыв», превосходящей прочность исследуемого легкосбрасываемого элемента не менее чем в два раза, при этом давление взрыва регистрируют механическим индикатором давления, причем после каждого эксперимента производят продувку воздухом внутреннего объема сосуда, а необходимую концентрацию смеси паров с воздухом обеспечивают дозировкой жидкости пипеткой через штуцер, который после заливки жидкости закрывают пробкой, при этом устанавливают такие значения площади отверстия и характеристик легкосбрасываемых конструкций - веса и прочности, чтобы выполнялось условие: Р_П Р_Л Р_Д, где Р_П=Р_П-Р₀; Р_Л=Р_Л-Р₀; Р_Д - допускаемое давление из условия прочности или несущей способности основных конструкций зданий, МПа; Р ₀ - атмосферное давление, МПа; Р_Л - максимальное давление на стенки при взрыве газо- и паровоздушной смеси в сосуде с отверстием, огражденным легкосбрасываемым элементом, МПа; Р _П - максимальное давление на стенки при взрыве смеси в полузамкнутом объеме, т.е. отверстие открыто с момента воспламенения, МПа; при этом сначала находят перепад допускаемого давления Р_Д.М для модельной установки по следующей формуле:



где Р_Д.Н - перепад избыточного давления на стенки объема в натурных условиях, МПа; W_Н - объем сосуда в натурных условиях, м³; W_М - объем взрывной камеры модельной установки, м³; d_ср.Н, d_ср.M - средний диаметр отверстия натуры и модели соответственно, а затем опытным путем на лабораторной установке определяют требуемую величину К_сб и массу сбрасываемого элемента из условия: K_сб=S_отв/W, где S _отв - площадь отверстия, м²; W - объем взрывной камеры, м³.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, отличающееся тем, что содержит взрывную камеру, в верхнем основании которой имеется отверстие, перекрываемое легкосбрасываемым элементом, площадь отверстия может меняться путем ввинчивания сменных колец, а сбрасываемый элемент перекрывает отверстие в кольце, над которым закрепляется защитный экран, причем второе отверстие перекрывается клапаном, который прижимается к отверстию с помощью электромагнита и открывается пружиной при размыкании контактов, а усилие прижатия клапана и сжатия пружины устанавливается таким образом, чтобы суммарное усилие было равно допускаемому давлению, умноженному на площадь отверстия клапана, т.е. F=F_э.м-F_пр= Р_д.м S_кл,

где F_э.м - усилие электромагнита, прижимающее клапан к отверстию, Н/м ²; F_пр - усилие сжатия пружины, открывающее клапан, Н; F_пр=(10÷15)gm, где g=9,81 м/с ²; m - масса сердечника электромагнита с клапаном, кг; Р_д.м - перепад допускаемого давления для модельной установки; S_кл - площадь отверстия клапана, м ².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам безопасности в чрезвычайных ситуациях и может быть использовано для взрывозащиты зданий, сооружений, а также технологического оборудования.

Технологический процесс некоторых производств связан с возможным выделением и скоплением в производственном помещении паров горючих жидкостей, газов или пылей, которые, смешиваясь с воздухом в определенных концентрациях, образуют взрывоопасную среду,- такие производства относятся к категориям А, Б или Е по взрывной и взрывопожарной опасности.

Взрыв газо-, паро- и пылевоздушных смесей вызывает повреждение зданий и оборудования. В качестве защиты зданий от разрушения в них часть ограждающих конструкций выполняют легкосбрасываемыми или легкоразрушающимися.

Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является взрывозащитное устройство по патенту РФ № 2379569 (прототип), содержащее корпус клапана, затвор, теплоизолирующий и разрывной элементы.

Недостатком известного решения является сравнительно невысокая надежность срабатывания из-за отсутствия сравнительных испытаний на модельных объектах.

Задачей заявленного объекта является следующее: по допускаемому давлению необходимо подобрать требуемую площадь отверстия и допустимый вес (массу) легкосбрасываемых (разрушающихся) ограждающих устройств на единицу площади ограждаемого проема (отверстия).

Технический результат - повышение эффективности защиты зданий, сооружений, а также технологического оборудования от взрывов путем увеличения быстродействия и надежности срабатывания с помощью разрушающихся элементов конструкций и оценкой эффективности легкосбрасываемых ограждающих взрывозащитных устройств при аварийном режиме на объекте, и обеспечение возврата этих конструкций в исходное положение после взрыва.

Это достигается тем, что способ подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов, заключается в том, что во взрывной камере осуществляют взрыв паров горючей жидкости посредством воспламенения горючей смеси от электрической искры свечи зажигания и определяют параметры взрыва, а взрывную камеру оснащают легкосбрасываемым элементом, который устанавливают в торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, параллельно с механическим индикатором давления с тумблером включения двигателя индикатора, а взрывную камеру со свечой зажигания, имеющей кнопку включения зажигания, располагают оппозитно торцевой части сосуда, закрытой предохранительным экраном, при этом сосуд комплектуют штуцерами для продувки взрывного сосуда после проведения эксперимента, причем штуцер для заливки горючей жидкости с установленной на нем пробкой, закрепляют в стенке сосуда над контактами свечи зажигания, при этом элементы, участвующие в испытании: индикатор давления, свеча зажигания, штуцер для заливки горючей жидкости, штуцера для продувки взрывного сосуда подбирают по прочности на «разрыв», превосходящей прочность исследуемого легкосбрасываемого элемента не менее чем в два раза, при этом давление взрыва регистрируют механическим индикатором давления, причем после каждого эксперимента производят продувку воздухом внутреннего объема сосуда, а необходимую концентрацию смеси паров с воздухом обеспечивают дозировкой жидкости пипеткой через штуцер, который после заливки жидкости закрывают пробкой, при этом устанавливают такие значения площади отверстия и характеристик легкосбрасываемых конструкций - веса и прочности, чтобы выполнялось условие

Р_П· Р_Л ЛР_Д, где Р_П=Р_П-Р₀; Р_Л=Р_Л-Р₀; Р_Д - допускаемое давление из условий прочности или несущей способности основных конструкций зданий, МПа; Р ₀ - атмосферное давление, МПа; Р_Л - максимальное давление на стенки при взрыве газо- и паровоздушной смеси в сосуде с отверстием, огражденным легкосбрасываемым элементом, МПа; Р _П - максимальное давление на стенки при взрыве смеси в полузамкнутом объеме, т.е. отверстие открыто с момента воспламенения, МПа; при этом сначала находят перепад допускаемого давления Р_Д.М для модельной установки по следующей формуле:

где Р_Д.Н - перепад избыточного давления на стенки объема в натурных условиях, МПа; W_Н - объем сосуда в натурных условиях, м³; W_M - объем взрывной камеры модельной установки, м³; d_ср.H, d_ср.M - средний диаметр отверстия натуры и модели соответственно, а

затем опытным путем на лабораторной установке определяют требуемую величину К_сб и массу сбрасываемого элемента из условия: К_сб=S_отв /W, где S_отв - площадь отверстия, м²; W - объем взрывной камеры, м³.

На чертеже представлена схема устройства для осуществления способа подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов.

Устройство для осуществления способа подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов, состоит из взрывной камеры 1, представляющей собой металлический сосуд объемом, равным 500÷1000 см³ (толщина стенок 7÷8 мм). В верхнем основании сосуда имеется отверстие, перекрываемое легкосбрасываемым элементом 2. Площадь отверстия может меняться путем ввинчивания сменных колец 21. Сбрасываемый элемент 2 перекрывает отверстие в кольце 21, над которым закрепляется защитный экран 3. Второе отверстие перекрывается клапаном 19, который прижимается к отверстию с помощью электромагнита 12 и открывается пружиной 11 при размыкании контактов 4. Усилие прижатия клапана и сжатия пружины устанавливается таким образом, чтобы суммарное усилие было равно допускаемому давлению, умноженному на площадь отверстия клапана, т.е.

где F_э.м - усилие электромагнита, прижимающее клапан к отверстию, Н/м²; F_пр -усилие сжатия пружины, открывающее клапан, Н: F_пр =(10÷15) gm, где g=9,81 м/с²; m - масса сердечника электромагнита с клапаном, кг; S_кл - площадь отверстия клапана, м².

Тяговое усилие электромагнита может меняться путем изменения тока через реостат 8 посредством подвижного контакта 9 реостата. Для измерения усилия электромагнита и сжатия пружины предусмотрено параллельное устройство электромагнитного клапана 6, величина тока электромагнита в котором регулируется от того же реостата 8 путем переключения контактов 5. Для настройки требуемой разности усилий электромагнита и пружины имеется динамометр 7. Для образования паровоздушной взрывоопасной смеси в камере имеется пробка-испаритель 18, в которую с помощью бюретки вносится требуемое количество легковоспламеняющейся жидкости, и пробка ввинчивается так, что пары жидкости через окна в стенках пробки-испарителя попадают в камеру и, смешиваясь с воздухом, образуют взрывоопасную смесь.

Поджигается смесь электрической искрой 20 от индукционной катушки 14, включается зажигание кнопкой 13. В одной из торцевых (боковых) стенок взрывной камеры 1 имеется отверстие под штуцер 17, в котором закреплена трубка от воздуходувки 15, перекрываемой краном 16. В другой, оппозитно расположенной, торцевой (боковой) стенке взрывной камеры 1 имеется отверстие под штуцер 23 для трубки 22, перекрываемой краном 24, которое служит для поддержания в камере 1 атмосферного давления во время испарения жидкости.

Способ подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов, осуществляют следующим образом.

При проектировании легкосбрасываемых устройств основная задача состоит в установлении таких значений площади отверстия (проемов) и характеристик легкосбрасываемых конструкций - веса и прочности, чтобы выполнялось условие

где Р_П=Р_П-Р₀; Р_Л=Р_Л-Р₀; Р_Д - допускаемое давление из условия прочности или несущей способности основных конструкций зданий, МПа; Р ₀ - атмосферное давление, МПа; Р_Л - максимальное давление на стенки при взрыве газо- и паровоздушной смеси в сосуде с отверстием, огражденным легкосбрасываемым элементом, МПа; Р _П - максимальное давление на стенки при взрыве смеси в полузамкнутом объеме, т.е. отверстие открыто с момента воспламенения, МПа.

Величина Р_Д должна определяться расчетом конструкций здания на воздействие взрывной нагрузки. При этом Р_Д следует считать заданным. При взрыве в камере небольшого объема давление на стенки сосуда оказывается большим, чем при взрыве в камере большого объема при прочих равных условиях - природы и концентрации горючего газа, площади отверстия на 1 м³ объема, веса легкосбрасываемого ограждающего устройства на 1 м² площади отверстия. Влияние масштабного фактора становится особенно заметным при переходе от лабораторных условий, т.е. объемов порядка нескольких литров, к натурным условиям, например, к условиям производственных помещений, имеющих объемы порядка нескольких тысяч метров кубических.

Величина давления для условий взрыва в производственных помещениях по опытным данным, полученным на лабораторной установке, приближенно может быть определена по формуле

где Р_Н - избыточное давление на стенки объема в натурных условиях, МПа; Р_М - избыточное давление на стенки сосуда на модельной установке, МПа; W_Н - объем сосуда (помещения) в натурных условиях, м³; W_М - объем взрывной камеры модельной установки, м³; d_ср.H, d_ср.M - средний диаметр (размер) отверстия натуры и модели соответственно.

Для заданных условий - объема помещения W_Н, допускаемого давления Р _Д, природы и концентрации взрывоопасной смеси необходимо определить требуемую площадь отверстия и массу легкосбрасываемого элемента так, чтобы выполнялось условие (2). Для этого сначала из соотношения (2) находят Р_Д.М для модельной установки

Затем опытным путем на лабораторной установке следует определить требуемую величину К_сб и массу сбрасываемого элемента из условия

где S_отв - площадь отверстия, м²; W - объем взрывной камеры, м³.

Защита зданий с помощью легкосбрасываемых или легкоразрушающихся устройств состоит в том, что часть ограждающих конструкций (стен и кровли) делают ослабленными по сравнению с основными конструкциями, разрушение которых привело бы к полному разрушению здания. К легкосбрасываемым или легкоразрушающимся конструкциям относятся окна, если оконные переплеты заполнены обычным оконным стеклом, двери, распашные ворота, фонарные переплеты; конструкции из асбоцементных, алюминиевых и стальных листов с легким утеплителем, специальные плиты покрытия и т.д.

Защитное действие легкосбрасываемых ограждающих конструкций сводится к тому, что они разрушаются в начальной стадии взрыва, когда давление газов (продуктов взрыва) не успело достичь высокого значения и является неопасным для основных (несущих) конструкций. Через проемы, которые образовались в результате разрушения легкосбрасываемых конструкций, избыточные объемы газов (несгоревшей смеси и продуктов взрыва), вытесняются из здания наружу. За счет выброса некоторой части избыточных объемов газа давление и, следовательно, нагрузка на основные конструкции, уменьшается по сравнению с той, которая произошла бы при взрыве такой же смеси в замкнутом объеме.

Если в здании обеспечить достаточное количество проемов, огражденных легкосбрасываемыми конструкциями и правильно подобрать их вес и прочность, то давление и, соответственно, нагрузка на основные конструкции может быть уменьшена до требуемых величин, устанавливаемых из условия прочности или несущей способности основных конструкций.

Нормами установлено, что площадь легкосбрасываемых конструкций должна составлять не менее 0,05 м² на 1 м³ объема взрывоопасного помещения для производств категорий А и Е и не менее 0,03 м² на 1 м³ - для производств категории Б. Вес легкосбрасываемых конструкций должен составлять не более 120 кГ/м².

Применяемые для эксперимента приборы и оборудование

Установка состоит из взрывной камеры 1, представляющей собой металлический сосуд объемом, равным 500÷1000 см³ (толщина стенок 7÷8 мм). В верхнем основании сосуда имеется отверстие, перекрываемое легкосбрасываемым элементом 2. Площадь отверстия может меняться путем ввинчивания сменных колец 21. Второе отверстие перекрывается клапаном 19, который прижимается к отверстию с помощью электромагнита 12 и открывается пружиной 11 при размыкании контактов 4. Усилие прижатия клапана и сжатия пружины устанавливается таким образом, чтобы суммарное усилие было равно допускаемому давлению, умноженному на площадь отверстия клапана, т.е.

где F_э.м - усилие электромагнита, прижимающее клапан к отверстию, Н/м²; F_пр - усилие сжатия пружины, открывающее клапан. Н: F_пр =(10÷15) gm, где g=9,81 м/с²; m - масса сердечника электромагнита с клапаном, кг; S_кл - площадь отверстия клапана, м².

Тяговое усилие электромагнита может меняться путем изменения тока через реостат 8. Для измерения усилия электромагнита и сжатия пружины предусмотрено параллельное устройство электромагнитного клапана 6, величина тока электромагнита в котором регулируется от того же реостата 8 путем переключения контактов 5. Для настройки требуемой разности усилий электромагнита и пружины имеется динамометр 7.

Для образования паровоздушной взрывоопасной смеси в камере имеется пробка-испаритель, в которую с помощью бюретки вносится требуемое количество легковоспламеняющейся жидкости, и пробка ввинчивается так, что пары жидкости через окна в стенках пробки-испарителя попадают в камеру и, смешиваясь с воздухом, образуют взрывоопасную смесь. Объем жидкости (м ³), необходимой для образования паровоздушной смеси заданной концентрации в камере, можно определить по формуле

где W_к - объем взрывной камеры, м³; µ_ж - молекулярный вес жидкости; С - объемная концентрация пара, %; Р₀ - атмосферное давление, МПа; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·град); _ж - плотность жидкости, кг/м³; Т - температура, K.

Поджигается смесь электрической искрой 20 от индукционной катушки 14, включается зажигание кнопкой 13.

В боковой стенке камеры имеется отверстие под штуцер 17 для трубки от воздуходувки 15, перекрываемой краном 16. Второе отверстие под штуцер 23 для трубки 22, перекрываемой краном 24, служит для поддержания в камере атмосферного давления во время испарения жидкости.

Сбрасываемый элемент 2 перекрывает отверстие в кольце 21, над которым закрепляется защитный экран 3.

Порядок проведения эксперимента

1. Определение требуемой удельной площади отверстия К_сб.

Для заданных условий взрыва и заданного Р_Д по формуле (1) определить Р_Д·М для модельной установки.

где Р_Н - избыточное давление на стенки объема в натурных условиях, МПа; Р_М - избыточное давление на стенки сосуда на модельной установке, МПа; W_H - объем сосуда (помещения) в натурных условиях, м³; W_M - объем взрывной камеры модельной установки, м³; d_cp.H, d_cp.M - средний диаметр (размер) отверстия натуры и модели соответственно.

Для заданных условий - объема помещения W_H, допускаемого давления Р _Д, природы и концентрации взрывоопасной смеси необходимо определить требуемую площадь отверстия и массу легкосбрасываемого элемента так, чтобы выполнялось условие (2).

При проектировании легкосбрасываемых устройств основная задача состоит в установлении таких значений площади отверстия (проемов) и характеристик легкосбрасываемых конструкций - веса и прочности, чтобы выполнялось условие

где Р_П=Р_П-Р₀; Р_Л=Р_Л-Р₀; Р_Д - допускаемое давление из условия прочности или несущей способности основных конструкций зданий, МПа; Р ₀ - атмосферное давление, МПа; Р_Л - максимальное давление на стенки при взрыве газо- и паровоздушной смеси в сосуде с отверстием, огражденным легкосбрасываемым элементом, МПа; Р _П - максимальное давление на стенки при взрыве смеси в полузамкнутом объеме, т.е. отверстие открыто с момента воспламенения, МПа.

Для этого сначала из соотношения (1) находят Р_Д.М для модельной установки

Затем опытным путем на лабораторной установке следует определить требуемую величину К_сб и массу сбрасываемого элемента из условия

К_сб =S_отв/W,

где S_отв - площадь отверстия, м²; W - объем взрывной камеры, м³ .

Установить сжатие пружины, равное примерно (10÷15) gm. Подобрать ток электромагнита так, чтобы выполнялось равенство (5). Переключить контакты 5 в рабочее положение. Провести первое испытание при максимальном сбросном отверстии, которое при этом закрыть самым легким элементом, например полиэтиленовой пленкой. Если при взрыве смеси клапан 19 не сработал, значит, давление не превышало Р_Д·М.

При следующем испытании отверстие уменьшается (ввинчивается кольцо с меньшим отверстием) и т.д. Если клапан 19 сработает (откроется), то значение площади отверстия, которое было перед тем, как клапан сработал, будет наименьшим, - достаточным для выполнения условия (1), т.е.

F=F_э.м-F_пр= Р_д.м S_кл,

где F _э.м - усилие электромагнита, прижимающее клапан к отверстию, Н/м²; F_пр - усилие сжатия пружины, открывающее клапан, Н: F_пр=(10÷15) gm, где g=9,81 м/с ²; m - масса сердечника электромагнита с клапаном, кг; S_кл - площадь отверстия клапана, м².

Для найденной площади отверстия определить отношение К_сб=S_отв/W,

Настройку установки при проведении опытных взрывов следует выполнять в такой последовательности: при открытых отверстиях - сбросного и перекрываемого клапаном 19 и открытых кранах 16 и 24 камеру продувают. В сбросное отверстие ставят (ввинчивают) кольцо с требуемой площадью отверстия. Переключателем 5 включают вспомогательное устройство, на котором устанавливается сжатие пружины и ток электромагнита так, чтобы выполнялось условие (1).

Фиксируют положение подвижного контакта 9 реостата 8, и переключатель 5 ставят в рабочее положение. Тумблером 10 включается ток электромагнита, при этом закрывается клапан и кран 16. В испаритель вносят требуемое количество легковоспламеняющейся жидкости, которое для заданных концентрации и объема взрывной камеры можно определить по формуле (6). После 3÷5-минутной выдержки закрывается кран 24 и подается зажигание включением тумблера 13. Эффективность данной величины площади отверстия фиксируется по срабатыванию или несрабатыванию клапана 19.

2. Определение допустимого веса (массы) сбрасываемого элемента на единицу площади отверстия.

Площадь отверстия устанавливается равная или больше того значения, которое установлено в п.1. Первое испытание проводится при наиболее легком сбрасываемом элементе. Если клапан 19 не сработал, то следующее испытание проводят при более тяжелом сбрасываемом элементе. Так проводят несколько взрывов, при каждом из которых вес сбрасываемого элемента увеличивают на некоторую величину, пока не сработает клапан 19. Предыдущее перед срабатыванием клапана значение веса сбрасываемого элемента является наибольшим, которое можно допустить, чтобы выполнялось условие (1). Найденное значение веса сбрасываемого элемента надо разделить на площадь отверстия, чтобы получить искомую величину - допустимый вес легкосбрасываемых ограждающих конструкций на единицу площади отверстия (проема). Последовательность настройки установки при проведении опытных взрывов такая же, как и в п.1.