Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ПОДБОРА РАЗМЕРА ОТВЕРСТИЯ ДЛЯ ЛЕГКОСБРАСЫВАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ И ЕГО МАССЫ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ОТ ВЗРЫВОВ

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 в способе подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов, заключающимся 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 устанавливаю такие значения площади отверстия и характеристик легкосбрасываемых конструкций - веса и прочности, чтобы выполнялось условие:

ΔР_П≤ΔР_Л≤ΔР_Д, 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 лсгкосбрасываемым 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 ΔР_Д.М м для модельной установки но следующей формуле:

где ΔР_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.М - средний диамегр 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 фиг.1 представлена схема устройства для осуществления способа подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов, на фиг.2 представлена схема легкосбрасываемого элемента взрывозащитной конструкции, на фиг.3 - схема упругодемпфирующегося разрушающегося элемента одноразового действия для легкосбрасываемого элемента взрывозащитной конструкции.

Устройство для осуществления способа подбора размера отверстия для легкосбрасываемого элемента конструкции и его массы, предназначенного для защиты зданий и сооружений от взрывов (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 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.

Легкосбрасываемый элемент 2 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 упругодемпфирующийся 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 10 одноразового действия (фиг.3) крепится на опорных стержнях 28 к листам-упорам 29 посредством демпфирующего основания 35 винтами 36. К основанию 35, коаксиально стержню 28, прикреплена посредством фланца 38 винтами 39 втулка 37 одноразового действия, выполненная из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора. Упругая часть разрушающегося элемента 34 выполнена в виде, по крайней мере, трех листовых рессор 43, обращенных своей выпуклой частью в сторону оси стержня 28, на котором имеется резьбовой участок 40 (резьба с мелким шагом) для крепления зажимного элемента 41 втулочного типа с канавками 42 для фиксации одного из концов листовых рессор 43, другой конец которых закреплен в в демпфирующем основании 35 посредством литьевого полиуретана.

Сборка упругодемпфирующегося разрушающегося элемента 34 одноразового действия осуществляется в следующей последовательности. К стержню 28, перпендикулярно его оси, приваривается лист-упор 29, после чего к нему винтами 36 крепится основание 35, имеющее канавки (не показано) для установки одного из концов листовых рессор 43, которые заливаются литьевым полиуретаном. После чего на стержне 28 устанавливается втулка 37, выполненная из хрупкого, разрушающегося материала, которая поджимается по резьбовому участку 40 зажимным элементом 41 втулочного типа с канавками 42 для одновременной фиксации другого конца листовых рессор 43. Таким образом, разрушающийся элемент 34 готов к установке на противовзрывную панель.

Легкосбрасываемый элемент 2 взрывозащитной конструкции работает следующим образом.

При взрыве внутри производственного помещения (не показано) происходит подъем легкосбрасываемого элемента 2 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.

Упругодемпфирующийся разрушающийся элемент 34 одноразового действия работает следующим образом.

При подъеме легкосбрасываемого элемента 2 взрывозащитной конструкции от воздействия ударной волны он упирается в зажимной элемент 41 втулочного типа и срезается резьба на резьбовом участке 40 стержня 28. При дальнейшем движении легкосбрасываемого элемента 2 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 43, которые, сжимаясь от возрастающего давления ударной волны, в определенный момент освобождаются от крепления своих концов в канавках 42 и в основании 35 и падают, освобождая путь для дальнейшего продвижения зажимного элемент 41 по стержню 28 до взаимодействия его с демпфирующим основанием 35. 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.

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.

Использование предложенного технического решения позволяет осуществить предотвращение взрывоопасных объектов от разрушения и снижение поступления вредных веществ в атмосферу при аварийном взрыве.

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 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; P_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_Н - объем сосуда (помещения) в натурных условиях, м³; W_М - объем взрывной камеры модельной установки, м³; d_ср.Н, d_ср.М - 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 намассу 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, H: 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 попадаю г в камеру и, смешиваясь с воздухом, образуют взрывоопасную смесь. Объем жидкости (м³), необходимой для образования паровоздушной смеси заданной концентрации в камере, можно определить но 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); 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 крапом 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_сбр.

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

где ΔР_Н - избыточное давление на стенки объема в натурных условиях, МПа; ΔР_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_cp.H, d_cp.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).

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=F_Э.М-F_ПР=ΔР_Д.МS_КЛ,

где F_Э.М - усилие электромагнита, прижимающее клапан к отверстию, Н/м²; F_ПР - усилие сжатия пружины, открывающее клапан, H: F_ПР=(10÷15) gm, где g=9,81 м/с²; 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 устанавливаются 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 закрываются 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 па 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.