Результат интеллектуальной деятельности: СТЕНД ДЛЯ ПОДБОРА РАЗМЕРА ОТВЕРСТИЯ ПОД ПРОТИВОВЗРЫВНУЮ ПАНЕЛЬ

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

Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является стенд по патенту РФ №2520670 (прототип), состоящий из взрывной камеры, представляющей собой металлический сосуд объемом, равным 500÷1000 см³ (толщина стенок 7÷8 мм). В верхнем основании сосуда имеется отверстие, перекрываемое легкосбрасываемым элементом взрывозащитной конструкции. Площадь отверстия может меняться путем ввинчивания сменных колец. Сбрасываемый элемент перекрывает отверстие в кольце, над которым закрепляется защитный экран. Второе отверстие перекрывается клапаном, который прижимается к отверстию с помощью электромагнита и открывается пружиной при размыкании контактов. Усилие прижатия клапана и сжатия пружины устанавливается таким образом, чтобы суммарное усилие было равно допускаемому давлению, умноженному на площадь отверстия клапана:

ΔF=Fэ.м-Fпр=ΔРд.м Sкл,

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

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 в стенде для подбора размера отверстия под противовзрывную панель, содержащем 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.

ΔF=Fэ.м-Fпр=ΔРд.м Sкл,

где Fэ.м - усилие электромагнита, прижимающее клапан к отверстию, Н/м²; Fпр - усилие сжатия пружины, открывающее клапан, Н: Fпр=(10÷15) gm, где g=9,81 м/с²; m - масса сердечника электромагнита с клапаном, кг; ΔРд.м - перепад допускаемого давления для модельной установки; Sкл - площадь отверстия клапана, м², при этом противовзрывная панель содержит металлический бронированный каркас с металлической бронированной обшивкой и наполнителем - свинцом, имеющий в торцах четыре неподвижных патрубка-опоры, а в покрытии взрывоопасного объекта жестко заделаны четыре опорных стержня, которые телескопически вставлены в неподвижные патрубки-опоры панели, причем наполнитель выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец, причем свинец выполнен по форме в виде крошки, а опорные стержни выполнены упругими.

На фиг. 1 представлена схема стенда для подбора размера отверстия под испытываемую модель противовзрывной панели, на фиг. 2 - схема противовзрывной панели, на фиг. 3 - схема разрушающегося элемента одноразового действия для противовзрывной панели.

Стенд для подбора размера отверстия под противовзрывную панель (фиг. 1) 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 взрывозащитной конструкции. 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 Fэ.м - усилие электромагнита, прижимающее клапан к отверстию, Н/м²; Fпр - усилие сжатия пружины, открывающее клапан, Н: Fпр=(10÷15) gm, где g=9,81 м/с²; m - масса сердечника электромагнита с клапаном, кг; Sкл - 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.

Легкосбрасываемый элемент 2, предназначенный для испытаний во взрывозащитной конструкции (фиг. 2), состоит из бронированного металлического каркаса 25 с бронированной металлической обшивкой 26 и наполнителем - свинцом 27. В покрытии объекта 31 у проема 32 симметрично относительно оси 33 заделаны четыре опорных стержня 28, телескопически вставленные в неподвижные патрубки-опоры 30, заделанные в панели. Для фиксации предельного положения панели к торцам опорных стержней 28 приварены листы-упоры 29. Для того чтобы сдемпфировать (смягчить) ударные нагрузки при возврате панели наполнитель выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец, причем свинец выполнен по форме в виде крошки, а опорные стержни 28 выполнены упругими. К листам-упорам 29 крепится упруго-демпфирующийся разрушающийся элемент 34 одноразового действия.

Наполнитель может быть выполнен по форме в виде шарообразной крошки одного диаметра; в виде шарообразной крошки разного диаметра. Наполнитель может быть выполнен в виде крошки произвольной формы разного диаметрального (максимального по внешнему, произвольной формы, контуру крошки) размера.

Упругодемпфирующийся разрушающийся элемент 34 одноразового действия (фиг. 3) крепится на опорных стержнях 28 к листам-упорам 29 посредством демпфирующего основания 36 винтами 35. К основанию 36, коаксиально стержню 28, прикреплена посредством фланца 38 винтами 39 втулка 37 одноразового действия, выполненная из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора или стекла типа «триплекс». Упругая часть разрушающегося элемента выполнена в виде по крайней мере трех листовых рессор 40, размещенных между листами-упорами 29 и зажимным элементом 41 втулочного типа с канавками 42 для фиксации одного конца рессор 40, при этом второй конец каждой рессоры 40 посредством шарниров 44 закреплен на листах-упорах 29, а рессоры 40 расположены с наклоном порядка 15°÷45° в сторону втулки 37 одноразового действия.

Стенд для подбора размера отверстия под противовзрывную панель работает следующим образом.

При взрыве внутри производственного помещения (на чертеже не показано) происходит подъем противовзрывной панели от воздействия ударной волны и через открытый проем 32 сбрасывается избыточное давление. После взрыва и спада избыточного давления, опустившись, панель перекрывает проем 32 и вредные вещества не поступают в атмосферу. Для фиксации предельного положения панели служат листы-упоры 29. Для того чтобы сдемпфировать (смягчить) ударные нагрузки при возврате легкосбрасываемого элемента 2, наполнитель металлического каркаса 25 выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец, причем свинец выполнен по форме в виде крошки, а опорные стержни 28 выполнены упругими.

Упругодемпфирующийся разрушающийся элемент 34 одноразового действия работает следующим образом.

При подъеме панели от воздействия ударной волны она упирается в зажимной элемент 41 втулочного типа и срезается резьба на резьбовом участке 43 стержня 28. При дальнейшем движении панели вверх зажимной элемент 41 разрушает втулку 37 одноразового действия, выполненную из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора, и сжимает упругие элементы, выполненные в виде листовых рессор 40, которые, сжимаясь от возрастающего давления ударной волны, в определенный момент освобождаются от крепления своих концов в канавках 42. Так как один конец каждой рессоры 40 посредством шарниров 44 закреплен на листах-упорах 29, а рессоры 40 расположены с наклоном порядка 15°÷45°, то при небольшой силе ударной волны свободные концы рессор 40, за счет шарниров 44, соскользят (отодвинутся) в сторону от упругодемпфирующего разрушающегося элемента одноразового действия, при этом сохранится их целостность и многократность использования. Если давление ударной волны возрастает, то рессоры 40 за счет шарниров 44 освобождают путь для дальнейшего продвижения зажимного элемента 41 по стержню 28 до взаимодействия его с демпфирующим основанием 36. В случае большого (более 5 КПа) давления взрывной волны либо срезается сварочное соединение, которое крепит опорные стержни 28 к листам-упорам 29, либо происходит заклинивание и разрыв стержней 28.

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 ΔР_П=Р_П-Р₀; ΔР_Л=Р_Л-Р₀; ΔР_Д - допускаемое давление из условия прочности или несущей способности основных конструкций зданий, МПа; Р₀ - 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 ΔР_Д должна определяться расчетом конструкций здания на воздействие взрывной нагрузки. При этом ΔР_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 ΔР_Н - избыточное давление на стенки объема в натурных условиях, МПа; ΔР_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.Н, 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). Для этого сначала из соотношения (2) находят Р_Д.М для модельной установки:

(4)

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

где Sотв - 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.

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 Fэ.м - усилие электромагнита, прижимающее клапан к отверстию, Н/м²; Fпр - усилие сжатия пружины, открывающее клапан, Н: Fпр=(10÷15) gm, где g=9,81 м/с²; m - масса сердечника электромагнита с клапаном, кг; Sкл - 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 (м³), необходимой для образования паровоздушной смеси заданной концентрации в камере, можно определить по формуле

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

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 Ксбр.

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

где ΔP_H - избыточное давление на стенки объема в натурных условиях, МПа; ΔР_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 ΔР_П=Р_П-Р₀; ΔР_Л=Р_Л-Р₀; ΔР_Д - допускаемое давление из условия прочности или несущей способности основных конструкций зданий, МПа; Р₀ - 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=Sотв/W,

где Sотв - 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 ΔР_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.

ΔF=Fэ.м-Fпр=ΔРд.м Sкл,

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

Для найденной площади отверстия определить отношение К_сб=Sотв/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. I. 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. I.