Моделирование предохранительных конструкций

УДК 614.8 
ББК 68.9 
 
Т23 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
доктор технических наук, профессор  
Пашинин Валерий Алексеевич; 
кандидат технических наук, доцент  
Угаров Александр Николаевич 
 
 
 
 
 
Татаринов, В. В. 
Т23  
Моделирование предохранительных конструкций : учебное пособие / В. В. Татаринов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 132 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1572-9 
 
Представлены основные понятия термодинамики; изложена методика расчета 
параметров взрывных волн при непреднамеренных промышленных взрывах газо-, 
паро-, пылевоздушных смесей; изложена методика расчета предохранительных конструкций; термины; приведены примеры решения задач; даны варианты подготовки к 
рубежным контролям. Представлен глоссарий ключевой терминологической лексики 
знаний о риске чрезвычайных ситуаций. 
Для студентов высших учебных заведений в процессе изучения специальных 
дисциплин по направлению «Техносферная безопасность». Может быть использовано 
для закрепления материала лекций, подготовки к практическим занятиям и семинарам, написания рефератов, домашних и контрольных работ по дисциплинам «Безопасность жизнедеятельности» и «Экология», а также при изучении специальных дисциплин по направлению «Техносферная безопасность». 
 
УДК 614.8 
ББК 68.9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1572-9 
‹ Татаринов В. В., 2024 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
 
 
ǸǵǫǬǷǭǧǴǯǬ 
 
Основные сокращения ..................................................................................................................5 
Основные обозначения..................................................................................................................5 
Введение .........................................................................................................................................7 
 
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ ..................................................................10 
1.1. Термодинамическая система ..........................................................................................10 
1.2. Степени свободы системы ..............................................................................................10 
1.3. Формы обмена энергией 
..................................................................................................11 
1.4. Координаты состояния. Энтропия. Функция состояния 
..............................................11 
1.5. Потенциалы взаимодействий. Количество воздействия 
..............................................12 
1.6. Внутренняя энергия .........................................................................................................13 
1.7. Первый закон термодинамики 
........................................................................................14 
1.8. Основное уравнение состояния ......................................................................................15 
1.9. Термодинамический процесс 
..........................................................................................16 
1.10. Основное уравнение процесса ......................................................................................17 
1.11. Энтальпия .......................................................................................................................17 
1.12. Теплоемкость 
..................................................................................................................18 
1.13. Выражение изменений ǻU и ǻH через теплоемкости 
................................................20 
1.14. К расчету теплоемкостей ..............................................................................................20 
 
2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВНЫХ ВОЛН  
ПРИ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВАХ ГАЗО-, ПАРО-  
И ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ 
............................................................................................23 
2.1. Общие положения 
............................................................................................................23 
2.1.1. Воздух как окислитель во взрывоопасных воздушных смесях ...........................23 
2.1.2. Горючий компонент смеси ......................................................................................25 
2.1.3. Процесс горения .......................................................................................................28 
2.2. Основы расчета развиваемой в окислительном процессе температуры ....................28 
2.2.1. Закон постоянства сумм тепла (закон Гесса) ........................................................29 
2.2.2. Формула Менделеева ...............................................................................................30 
2.2.3. Расчет развиваемой температуры по брутто-формулам  
и псевдоиндивидуальным формулам веществ ................................................................32 
2.2.4. Расчет теоретической температуры горения .........................................................33 
2.3. Параметры поражающего действия взрыва ..................................................................38 
2.3.1. Избыточное давление при взрыве ..........................................................................38 
2.3.2. Импульс поражающего избыточного давления при взрыве ................................40 
2.3.3. Поражающие параметры воздушной ударной волны  
за пределами помещения ...................................................................................................41 
2.4. Оценка степени загазованности помещения при дефлаграционном взрыве .............43 
2.4.1. Технологическая емкость, заполненная газом под давлением ............................43 
2.4.2. Технологическая емкость, заполненная сжиженным газом.................................46 
2.4.3. Аварийный разлив жидкости ..................................................................................48 
2.4.4. Образование взрывоопасного пылевоздушного облака 
.......................................51 
2.5. Оценка последствий взрыва 
............................................................................................55 
2.5.1. Оценка последствий взрыва в помещении ............................................................55 
3 

2.5.2. Оценка последствий детонационного взрыва для смежного объекта ................56 
2.6. Задание на расчет параметров взрыва ...........................................................................57 
 
3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
............................59 
3.1. Обоснование и выбор путей снижения последствий дефлаграционного взрыва 
......59 
3.1.1. Оценка возможности снижения аварийной массы горючего вещества 
..............59 
3.1.2. Оценка возможности и целесообразности увеличения кратности  
аварийной вентиляции (кроме случая ПлВС) .................................................................59 
3.1.3. Оценка возможности и целесообразности уменьшения площади разлива ........60 
3.1.4. Выбор типа мероприятий, снижающих последствия взрыва 
...............................60 
3.2. Основы расчета предохранительных конструкций ......................................................61 
3.2.1. Неразрушаемые предохранительные конструкции производственных 
помещений ..........................................................................................................................61 
3.2.2. Методика расчета поворотной неразрушаемой предохранительной 
конструкции ........................................................................................................................63 
3.3. Задание на расчет предохранительных конструкций 
...................................................67 
 
4. ПРИМЕР ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТОВ .................................................................................69 
4.1. Исходные данные для расчета ........................................................................................69 
4.2. Оценка возможных последствий взрыва паровоздушной смеси  
в производственном помещении при аварийном разливе емкости ...................................70 
4.2.1. Нахождение максимальной теоретической температуры горения......................70 
4.2.2. Нахождение степени загазованности помещения при аварии  
и аварийной массы .............................................................................................................71 
4.2.3. Расчет значений поражающих факторов при дефлаграционном взрыве ...........73 
4.2.4. Расчет значений поражающих факторов при детонационном взрыве 
................73 
4.2.5. Расчет значений поражающих факторов воздушной ударной волны  
на заданном расстоянии от места взрыва.........................................................................74 
4.2.6. Оценка возможных последствий взрыва для здания и персонала 
.......................74 
4.3. Расчет предохранительных конструкций ......................................................................75 
 
Заключение 
...................................................................................................................................77 
Литература 
....................................................................................................................................78 
Нормативные документы 
............................................................................................................79 
Глоссарий ключевой терминологической лексики знаний о риске  
чрезвычайных ситуаций 
..............................................................................................................81 
 
Приложение 1. Исходные данные по вариантам 
....................................................................115 
Приложение 2. Справочные таблицы ......................................................................................121 
Приложение 3. Словарь терминов ...........................................................................................127 
 
 
4 

 
 
 
ǵȘȔȕȉȔȢȌȘȕȑȗȇȠȌȔȏȦ 
 
ВКПВ 
верхний концентрационный предел взрывного превращения 
ВУВ 
воздушная ударная волна 
ГС 
газовая смесь 
ГВС 
газовоздушная смесь 
ЛВЖ 
легковоспламеняющаяся жидкость 
НКПВ 
нижний концентрационный предел взрывного превращения 
ПрВС 
паровоздушная смесь 
ПК 
предохранительная конструкция 
ПлВС 
пылевоздушная смесь 
ТНТ 
тринитротолуол 
СОЖ 
смазочно-охлаждающая жидкость 
 
 
 
ǵȘȔȕȉȔȢȌȕȈȕȎȔȇȞȌȔȏȦ 
 
р 
давление  
Р0 
давление при стандартных условиях Р0 = 101,325 кПа 
Т 
термодинамическая температура  
Т0 
температура при стандартных условиях Т0 = 298 К (25 °С) 
Q 
количество теплоты 
QТ 
удельная теплота взрыва тринитротолуола QТ = 4520 кДж/кг 
S 
энтропия  
U 
внутренняя энергия системы 
R 
универсальная газовая постоянная, R = 8,314 кДж/(кмольǜК)   
H 
энтальпия 
С 
теплоемкость 
Сv 
теплоемкость при постоянном объеме  
Ср 
теплоемкость при постоянном давлении  
Į 
объемная доля кислорода в составе воздуха, Į = 0,2066 
стх
с
 
стехиометрическая концентрация горючего вещества в смеси 
M 
молярная масса 
g 
показатель адиабаты процесса 
d 
степень повышения давления  
İ 
степень расширения 
ȗ 
степень загазованности помещения  
Uн 
нормальная скорость горения 
Uпл 
скорость пламени  
5 

rд 
плотность продуктов детонации 
rсм 
плотность исходной смеси 

t  
длительность фазы сжатия 
ǻP 
среднее избыточное давление сжатия 
ǻPmax
максимальное давление взрыва 
ǻPд 
среднее избыточное давление детонации 
ǻPдх 
избыточное давление в фазе химического пика 
ǻРф
давления во фронте ударной волны  
ǻPотр 
давление отражения 
ǻPвск 
давление вскрытия предохранительных конструкций 
ǻPдоп 
допустимое давление в помещении 
i 
удельный импульс  
iд 
импульс детонации на интервале горения 
iд 
импульс детонации на интервале фазы сжатия 
t0 
продолжительность горения 
V0 
свободный объем помещения 
Aв 
кратность вентиляции 
a 
коэффициент интенсификации горения 
Fобщ 
площадь оконных и других проемов в помещении 
Кs 
коэффициент взрывоопасности пыли 
ǻPраб 
давление в аппарате 
Va 
объем аппарата 
l0 
длина отводящего трубопровода 
d0 
диаметр отводящего трубопровода 
lп 
длина подводящего трубопровода 
dп 
диаметр подводящего трубопровода 
IJз 
время закрытия заглушек 
Rоб 
расстояние до объекта 
ǻPдоп 
допустимое избыточное давление 
ǻPвск 
избыточное давление вскрытия 
g1, g2, ... 
плотности материала в предохранительных конструкциях  
d1, d2, ... толщины слоев материала в предохранительных конструкциях 
 
 
 
 
6 

 
 
 
ǩǩǬǫǬǴǯǬ 
 
В современных производственных процессах широкое применение 
имеют вещества и материалы с большим энергосодержанием. При использовании таких веществ и материалов несоблюдение норм и стандартов безопасности труда, нарушение предусмотренной технологии производственного 
процесса, а также применение устаревшего, неисправленного и изношенного 
технологического оборудования может привести к образованию пожароопасной и взрывоопасной ситуации, которая может повлечь за собой гибель и тяжелые увечья рабочего персонала, привести к частичному или полному разрушению оборудования и производственных зданий, большому материальному 
ущербу для промышленного предприятия и экономики. 
Для обеспечения взрывобезопасного ведения производственного процесса нормативно-технической документацией на него должны быть установлены коэффициенты безопасности.  
В трудах академика РАН Александра Ивановича Леонтьева, много лет 
работавшего на кафедре «Термогазодинамика и газотурбинные двигатели» 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, развиты основы турбулентного тепломассообмена. 
Практическим приложениям его работ к задачам защиты производства в чрезвычайных ситуациях и посвящено данное пособие. 
В основе большинства взрывов лежат экзотермические окислительные 
реакции превращения горючих веществ в продукты сгорания. Различают два 
вида взрывного горения – дефлаграционное, с дозвуковой скоростью распространения пламени, и детонационное, со скоростью распространения пламени 
больше, чем скорость звука. В силу скоротечности детонационных процессов 
реальных мер защиты от поражающих факторов таких взрывов нет. 
Поражающими факторами, воздействующими на персонал, оборудование и производственное здание в результате взрыва, являются:   
x ударная волна; 
x импульс воздушной ударной волны; 
x избыточное давление во фронте ударной волны; 
x обрушающиеся конструкции, оборудование, коммуникации, здания 
и сооружения и их разлетающиеся части; 
x образовавшиеся при взрыве вредные вещества, содержание которых 
в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации. 
Особенностью газовой взрывоопасной смеси является то, что дефлаграционное горение смеси может перерасти в детонацию. Поэтому необходимо 
применять меры, препятствующие перерастанию дефлаграционного горения в 
детонацию, и уменьшать последствия дефлаграционного взрыва. 
7 

Основываясь на системе стандартов безопасности труда (ГОСТ 12.1.01076), необходимо производственные технологические процессы разрабатывать 
таким образом, чтобы вероятность возникновения взрыва на любом взрывоопасном участке в течение года не превышала 10í6. 
Производственное оборудование должно быть пожаро- и взрывобезопасным в предусмотренных условиях эксплуатации. Технические средства и 
методы обеспечения пожаровзрывобезопасности (например, предотвращение 
образования пожаро- и взрывоопасной среды, исключение образования источников зажигания и инициирования взрыва, предупредительная сигнализация, 
система пожаротушения, аварийная вентиляция, герметические оболочки, аварийный слив горючих жидкостей и стравливание горючих газов, размещение 
производственного оборудования или его отдельных частей в специальных 
помещениях) должны устанавливаться в стандартах, технических условиях и 
эксплуатационных документах на производственное оборудование конкретных групп, видов, моделей (марок). 
Предотвращение образования взрывоопасной среды и обеспечение в 
воздухе производственных помещений содержания взрывоопасных веществ, 
не превышающих нижнего концентрационного предела воспламенения с учетом коэффициента безопасности, должно быть достигнуто применением:  
x герметичного производственного оборудования;  
x рабочей и аварийной вентиляции;  
x отводом и удалением взрывоопасной среды и веществ, способных 
привести к ее образованию.  
Предотвращение образования взрывоопасной среды внутри технологического оборудования должно быть обеспечено:  
x герметизацией технологического оборудования;  
x применением ингибирующих и флегматизирующих добавок;  
x конструктивными и технологическими решениями, принятыми при 
проектировании производственного оборудования и процессов.   
Предотвращение воздействия на работающих опасных и вредных производственных факторов, возникающих в результате взрыва, и сохранение материальных ценностей обеспечивается:  
x установлением минимальных количеств взрывоопасных веществ, 
применяемых в данных производственных процессах;  
x применением огнепреградителей, гидрозатворов, водяных и пылевых заслонов, инертных газовых и паровых завес;  
x обваловкой и бункеровкой взрывоопасных участков производства 
или размещением их в защитных кабинах;  
x защитой оборудования от разрушения при взрыве при помощи 
устройств аварийного сброса давления (предохранительные мембраны и клапаны);  
x применением систем активного подавления взрыва;  
x применением средств предупредительной сигнализации. 
8 

Кроме того, необходимо проводить организационно-технические мероприятия по обеспечению взрывобезопасности, которые должны включать 
в себя:  
x организацию обучения, инструктажа и допуска к работе обслуживающего персонала;  
x осуществление контроля и надзора за соблюдением норм технологического режима, правил и норм техники безопасности, промышленной санитарии и пожарной безопасности;  
x организацию противоаварийных, газоспасательных работ и установление порядка ведения работ в аварийных условиях.  
Данное учебное пособие содержит ключевой набор терминологической 
лексики знаний о риске чрезвычайных ситуаций с необходимыми пояснениями по каждому термину. Оно также может быть использовано для закрепления материала лекций, подготовки к практическим занятиям и семинарам, 
написания рефератов, домашних и контрольных работ по дисциплинам «Безопасность жизнедеятельности» и «Экология», а также при изучении специальных дисциплин по направлению «Техносферная безопасность». 
Автор выражает искреннюю благодарность заведующему кафедрой «Защита в чрезвычайных ситуациях и гражданская оборона» МГТУ им. Н. Э. Баумана кандидату технических наук, доценту Титоренко Леонарду Петровичу – вдохновителю и организатору работы над данным учебным пособием. 
 
 
9 

 
 
 
ǵǸǴǵǩǴȂǬǶǵǴȆǹǯȆǹǬǷdzǵǫǯǴǧdzǯDZǯ 
 
ǹȌȗȓȕȋȏȔȇȓȏȞȌȘȑȇȦȘȏȘșȌȓȇ 
 
Объект термодинамического исследования будем называть термодинамической системой. Термодинамические системы разделяют на гомогенные, 
состоящие из однородных составляющих, и гетерогенные, состоящие из нескольких разнородных частей, подсистем.  
Все остальное в процессе термодинамического исследования объединяется в понятие окружающей среды. Поведение окружающей среды и изменения, происходящие в ней, при термодинамическом анализе подробно не рассматриваются.  
Система, лишенная возможности обмениваться с окружающей средой как 
массой, так и энергией, называется изолированной, обменивающаяся только 
энергией ࣓ закрытой, обменивающаяся массой и энергией ࣓ открытой. 
 
 
ǸșȌȖȌȔȏȘȉȕȈȕȋȢȘȏȘșȌȓȢ 
 
Степенью свободы называется способность системы обмениваться 
энергией с окружающей средой в какой-либо определенной форме. Род степени свободы соответствует способу взаимодействия: тепловому, механическому, электрическому и т. п. Число степеней свободы равно числу тех различных форм, в которых система обменивается энергией с окружающей средой, и зависит от физической природы системы и условий, в которых она 
находится. 
 
Большое значение имеют системы с несколькими степенями свободы. Такие системы дают возможность превращать один вид энергии в другой. 
Техническая термодинамика имеет дело главным образом с анализом процессов, 
связанных с работой тепловых машин, осуществляющих взаимные превращения 
теплоты и механической работы. Термодинамическая система, пригодная для этих 
целей, должна иметь, очевидно, две степени свободы ௅ тепловую и механическую ௅ 
и может быть названа термомеханической. 
В качестве термомеханических систем рассматриваются газообразные вещества, которые, обладая тепловой степенью свободы, способны в отличие от жидких и твердых тел подвергаться также существенной объемной деформации и, следовательно, 
обмениваться значительным количеством механической работы с другими телами. 
 
 
10 

ǻȕȗȓȢȕȈȓȌȔȇȤȔȌȗȊȏȌȐ 
 
Взаимодействие системы и среды заключается в обмене энергией.  
В соответствии с различными формами движения материи и видами 
энергии существуют различные формы обмена или передачи энергии, которые 
получили наименование работы (механическая, электрическая и т. п.) и теплоты. Отличие между ними заключается в следующем. 
Работа. Работа является формой передачи упорядоченного, организованного движения материи, ибо при совершении ее частицы тела движутся организованно в определенном направлении. (Например, движение частиц газа 
под поршнем тепловой машины). 
Механическая работа является мерой энергии, передаваемой в механической форме, мерой механического взаимодействия системы и среды. 
Теплота. Форму обмена энергией, соответствующую хаотическому, 
беспорядочному, неорганизованному движению микрочастиц, составляющих 
систему, называют теплообменом, а количество энергии, переданное при теплообмене, ௅ количеством теплоты или просто теплотой.  
Теплообмен не связан с изменением положения тел, составляющих термодинамическую систему, и состоит в непосредственной передаче энергии 
молекулами одного тела молекулам другого при их контакте. Такой обмен 
энергией происходит между телами, имеющими разную температуру. 
Теплообмен и работа являются формами обмена энергией, а количество теплоты и количество работы ௅ мерами передаваемой энергии.  
 
 
DZȕȕȗȋȏȔȇșȢȘȕȘșȕȦȔȏȦȄȔșȗȕȖȏȦ 
ǻȚȔȑȝȏȦȘȕȘșȕȦȔȏȦ 
 
В термодинамике определены те физические величины, по изменению 
которых можно судить о наличии взаимодействия между системой и средой. 
Каждой форме обмена энергией (каждой степени свободы) в системе соответствует своя специфическая величина, которая обязательно изменяется при 
наличии обмена энергией в данной форме и остается постоянной при отсутствии взаимодействия данного рода. Чрезвычайно важно, что эти специфические величины не изменяются под воздействием других, «чуждых» данной величине форм обмена энергией. 
Следовательно, выделив группы величин и наблюдая за их поведением, 
можно не только установить наличие взаимодействий системы с окружающей 
средой, но и определить род этих взаимодействий, то есть форму, в которой 
происходит обмен энергией между системой и окружающей средой. 
Физические величины, изменяющие свое значение при наличии обмена 
энергией в определенной форме и сохраняющие свое значение при отсутствии 
этой формы обмена энергией (даже если обмен энергией в иных формах и про- 
11