Методологические аспекты прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций в местах хранения взрывчатых материалов

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 1/2007, стр. 38-41

УДК 388.98

Н.И. ЛИСЕЙЧИКОВ,

главный научный сотрудник

Научно-исследовательского института Вооруженных Сил Республики Беларусь,

доктор технических наук, доцент

Прогноз возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) техногенного, природного характера на период до 2010 года показывает, что величины соответствующего риска могут быть очень высокими. Например, для потенциально опасных объектов на территории России величины риска составляют [1]:

по атомным реакторам - 10-3 год-1 ;

ракетно-космическим системам -5 Х 10-3 год-1 ;

турбогенераторам - 3 Х10-3 год-1 ;

самолетам - 5X10-3 год-1 ;

трубопроводам - 0,5X10-3 (км год-1).

Потенциально опасными объектами в Республике Беларусь, других странах СНГ являются места хранения опасных грузов, в том числе и взрывчатых материалов (ВМ): порохов, боеприпасов, промышленных взрывчатых веществ (ВВ). За последние 20 лет на объектах хранения ВМ стран СНГ средняя интенсивность ЧС составляла 2 - 3 случая в год. При этом рост числа аварий, катастроф, ЧС природного и техногенного характера сопровождался тенденцией возрастания их масштабов и последствий. Например, 4.06.1988 г. на железнодорожной станции г. Арзамаса при взрыве трех вагонов с промышленными ВВ погиб 91 человек, более 900 получили ранения различной степени тяжести, уничтожено и разрушено более 400 жилых домов. В Российской Федерации только за 1977 - 1995 гг. на складах с ВМ произошло более 40 крупных пожаров, уничтожено около 10 000 вагонов боеприпасов (200 тысяч тонн ВВ). Материальный ущерб составил более 35 млрд. руб. [2]. Несмотря на постоянное внимание, уделяемое обеспечению безопасности в ЧС, задача прогнозирования возможных последствий в местах хранения ВМ своего полного разрешения не получила. Наиболее общим способом оценки вероятности аварии, используемым в настоящее время, является метод построения и анализа дерева событий [3]. На его основе с целью вероятностного анализа надежности и безопасности систем разработаны комплексы программ SAPHIRE (США) и Risk Spectrum (Швеция), позволяющие вычислять статические вероятности отказа, коэффициент неготовности и частоту отказов исследуемой системы. При этом размерность исследуемой системы может составлять несколько тысяч элементов, а полный анализ безопасности крупного промышленного объекта занимает около 20 чел. лет и стоит до 2 млн. долл. США [4].

В то же время размерность системы хранения ВМ определяется экспоненциальной зависимостью и выражается астрономическим числом. При ЧС имеет место каскадное развитие ситуации (эффект «домино») от элемента к элементу. При этом наблюдается комбинированное действие поражающих факторов пожара и взрыва. В то время как известные модели, методики [1, 2, 4] предназначены для прогнозирования раздельного влияния пожара, взрыва или их поражающих факторов. С учетом того, что проведение натуральных («физических») экспериментов ограничено, критерии и методы прогнозирования комплексного действия различных поражающих факторов, «каскадного» развития ЧС отсутствуют, возможные методы математического моделирования должны учитывать основные методологические аспекты рассматриваемой задачи. Такой подход позволит сформулировать требования, которые целесообразно предъявить к математическим моделям, обеспечивающим прогнозирование последствий ЧС в местах хранения ВМ. С этой целью выполним анализ системы хранения ВМ по схеме: ВМ и их действие, места хранения ВМ, ЧС в местах хранения, варианты их развития.

Взрывчатые материалы (на примере наиболее распространенных артиллерийских боеприпасов [5]). К основным видам боеприпасов (более 680 наименований) следует отнести выстрелы унитарного, раздельно-гильзового и картузного заряжания. В состав выстрелов, комплектуемых к современным орудиям среднего и крупного калибров, могут входить осколочные, осколочно-фугасные, фугасные, кассетные и др. снаряды. Снаряды любого типа содержат в своей конструкции различное количество ВВ, каждое из которых характеризуется своим коэффициентом пересчета на тротиловый эквивалент и чувствительностью к внешним воздействиям.

Действие боеприпаса - процесс, происходящий в момент выполнения боеприпасом (его элементом) своего назначения. При ЧС действие боеприпаса происходит в нештатном режиме. Однако виды их действия, поражающие факторы аналогичны штатной ситуации.

К местам хранения ВМ относятся неотапливаемые наземные, полуподземные и подземные хранилища, площадки открытого хранения [6 - 8]. Хранилища наземного типа являются самыми дешевыми, но с точки зрения безопасности они являются наихудшими. Подземные хранилища выгодно отличаются по условиям безопасности, что позволяет резко сократить расстояния между ними. Следовательно, сокращается и площадь технической территории всего объекта хранения. В то же время подземные хранилища имеют высокую стоимость (1 куб. м хранилища в 6 - 8 раз дороже наземного).

Площадки открытого хранения на местности размещаются с учетом минимально допустимых безопасных расстояний до других объектов. Размеры открытой площадки определяются схемой размещения штабелей и количеством ВМ.

Чрезвычайная ситуация - это обстановка, складывающаяся в результате действия объективных и субъективных причин: воздействия противника, стихийных бедствий, техногенных катастроф, «человеческого фактора» и т.д. Чрезвычайная ситуация проявляется путем появления и распространения пожара и (или) взрывов на объекте хранения ВМ.

Пожар - это комплекс физико-химических явлений, в основе которых лежат нестационарные (изменяющиеся во времени и пространстве) процессы горения, тепло- и массообмена. Наличие большого количества ВВ, порохов, обычных горючих материалов приводит в случае пожара к быстрому распространению огня по технической территории и за ее пределами, сильным разрушениям, огромному материальному ущербу. Для пожаров объектов с ВМ характерным является сопровождение горения единичными и групповыми взрывами, а при определенных условиях - и взрывами в масштабе штабелей, хранилищ и т.п. При этом развитие пожара на технической территории объектов хранения ВМ может происходить по двум вариантам:

воспламенение и горение горючих веществ (не ВМ), прогрев элементов боеприпасов (метательных зарядов, снарядов и т.д.), последующий их взрыв (детонация), разбрасывание новых источников пожара, воспламенение и загорание горючих веществ в новых местах и т. д.;

взрыв (детонация) ВМ, разбрасывание вследствие этого источников пожара и далее, как в первом варианте.

При развитии пожара рассматривают три его фазы [9 - 11].

I фаза (≈ 10-12 мин.) является начальной стадией пожара, включающей периоды возгорания (1 - 3 мин.) и роста зоны горения (5 - 6 мин.) и характеризующейся повышением температуры до 200 С. Расход воздуха сначала увеличен, а затем постепенно снижается до 8%. В зависимости от газообмена, распределения пожарной нагрузки время развития пожара в I фазе колеблется от 2 до 30% его продолжительности.

II фаза (≈ 30-40 мин.) является стадией объемного развития пожара. Пламя заполняет весь объем помещения и распространяется уже не поверхностно, а дистанционно через воздушные разрывы. Из-за разрушения остекления приток воздуха ускоряет развитие пожара с темпом увеличения температуры до 50°С в 1 мин. Температура в помещении повышается до 800 - 1000°С. Максимальная скорость выгорания - 10 - 12 мин.

III фаза является стадией затухания пожара. При этом скорость выгорания резко падает, начинается процесс догорания и тления. Температурное поле распределяется неравномерно: у потолка температура достигает 800°С, по центру помещения -500°С, упола-200°С.

Особенности пожара на площадках открытого хранения ВМ.

Развитие пожара происходит при наличии достаточного количества кислорода. Поэтому пламя распространяется с наибольшими скоростями. Штабель установленных размеров представляет собой объемную фигуру. Тара формирует горизонтальную и вертикальную поверхности, по которым движется пламя. Очаг пожара может располагаться на любой высоте от основания штабеля. Фронт пламени распространяется как в горизонтальном, так и вертикальном направлении. После распространения пожара на всю высоту штабеля пламя распространяется сплошным фронтом только в горизонтальном направлении. Процесс распространения пламени продолжается 12...13 минут. В результате прогорания, а также начинающихся воспламенений (взрывов) боеприпасов тара теряет механическую прочность, происходит обрушение сгоревшей части штабеля. Несмотря на разнообразие возможных вариантов развития пожара, выделяют три его основные стадии.

Первая (начальная) стадия характеризуется воспламенением ящика, наиболее близко расположенного к источнику зажигания. Стадия характеризуется слабым выделением дыма и отсутствием заметных признаков пожара. Длительность данной стадии 90...180 с. После того, как зона горения нижних ящиков распространяется до ближайшего вертикального проема, образованного боковыми поверхностями ящиков, картина горения меняется. Происходит быстрое распространение огня на всю высоту штабеля над областью первоначального зажигания. Кроме того, наблюдается расширение зоны горения в объеме штабеля. Данная стадия называется промежуточной, характеризуется появлением значительного количества дыма либо открытого пламени. Длительность стадии-180...240 с.

После реализации в объеме штабеля значительной по площади поверхности горения начинается заключительная стадия пожара. Ее особенность заключается в том, что в процесс горения вовлекаются не только боковые поверхности тары, но и горизонтальные. При этом процесс горения характеризуется максимальной температурой и интенсивным термическим разрушением тары. Через 800... 1100 секунд с начала горения происходит обрушение отдельных рядов тары. Размеры площади пожара на третьей стадии зависят от скорости, направления ветра, размеров штабеля и т.п.

Приток воздуха при пожаре древесины на открытой площадке может быть такой, что вихревые потоки увлекают раскаленные частицы горящего материала, а иногда и целые доски, и переносят их на сотни метров [11]. Величина теплоизлучения от горящих штабелей древесины производит возгорание деревянных строений, отстоящих от очага пожара на 60 - 80 м. Максимальная температура внутри штабеля через 12 минут после начала пожара составляет 1300°С.

Степень пожаробезопасности мест хранения ВМ (на примере артиллерийских боеприпасов).

Пожары объектов с ВМ способны к самораспространению. Пожар может распространяться путем [4, 8, 12]:

теплового излучения от горящих цехов, хранилищ, штабелей;

передачи детонации при взрыве горящего объекта на другие объекты;

разлета ВМ, их элементов, осколков, горящих частей тары.

При установленных расстояниях между объектами пожар распространяется за счет разлета боеприпасов, их элементов, частей тары. Поэтому за основу определения опасности рассматриваемых объектов при пожаре принимается характер разлета потенциальных источников пожара. Боеприпасы представляют собой не только «пассивную опасность» для объектов хранения, но и несут «активную опасность» при пожаре для соседних сооружений (рисунок 1). Под «пассивной опасностью» понимается легкость, с которой происходит зажигание данной горючей среды с боеприпасами внешними источниками огня. «Активная опасность» (четыре уровня) - это способность передачи источников зажигания на другие объекты при пожаре или взрыве данного помещения.

Первый уровень относится к объектам, где хранятся, снаряжаются боеприпасы с реактивным двигателем. Данный уровень опасности является наиболее значительным, так как разлетающиеся боеприпасы могут разносить источники загорания на расстояние нескольких километров.

Второй уровень относится к объектам с боеприпасами калибра более 152 мм, а также с кумулятивными боеприпасами и реализуется в штабелях. Единичный боеприпас данный уровень не формирует. Установить количественный предел, при достижении которого реализуется второй уровень опасности, не представляется возможным. При пожаре такие боеприпасы детонируют в масштабе штабеля, хранилища (разлет потенциальных источников пожара может составлять сотни метров).

К третьему уровню относятся объекты, в которых хранятся боеприпасы калибра менее 152 мм, не способные к массовой детонации.

К последнему, четвертому уровню опасности относятся объекты с боеприпасами, которые при пожаре сгорают без взрыва (патроны стрелкового оружия, ручные гранаты и т.п.).

Взрывы на местах хранения ВМ.

Взрыв - это быстропротекающий процесс высвобождения большого количества энергии в ограниченном объеме с переходом ее из потенциальной формы в кинетическую и тепловую. Поражающие факторы взрыва объекта с боеприпасами: ударная волна, экзотермичность взрыва, осколки элементов боеприпасов, тары, здания, в котором они находились, ядовитые газы продуктов взрыва.

В отличие от случая действия снаряда у цели, боеприпасы при взрыве находятся в штатной таре, в хранилище, под навесом или на открытой площадке. Поэтому элементы конструкций данных объектов принимают участие в формировании поля осколков, горючих фрагментов, как правило, вызывающих пожар. Кроме того, тара увеличивает расстояние между боеприпасами, что может привести к неполной детонации штабеля при взрыве. Осколки от корпусов выстрелов создают осколочное поле, приводящее к возбуждению взрыва (детонации, воспламенению) ВВ боеприпасов или метательных зарядов в гильзах. Зажигательное действие при взрыве объектов с ВМ обеспечивается [7, 8, 10]:

экзотермичностью взрыва (теплотой и температурой) в виде теплового излучения и тепловой волны;

горящими фрагментами тары и конструкций мест хранения, пороховыми элементами метательных зарядов;

раскаленными элементами боеприпасов (осколков);

детонацией элементов боеприпасов (снарядов, взрывателей при их падении после разброса взрывом);

работающими двигателями разбрасываемых реактивных боеприпасов.

Таким образом, пожар на объектах хранения ВМ, в силу разнообразия причин его возникновения, не может быть полностью исключен. Пожар может развиваться по двум вариантам [7, 8]:

воспламенение, горение горючих материалов с последующим взрывом ВМ, разлетом горючих фрагментов и возникновением новых очагов пожара;

взрыв ВМ с разлетом горючих фрагментов и возникновением новых очагов пожара.

Первый вариант возможен в случае возникновения пожара на объектах с горючими невзрывоопасными и взрывоопасными материалами, а второй - только с ВМ. При пожаре с ВМ возможны три вида их действия: горение, взрыв, детонация. Горение и взрыв, как виды взрывчатого превращения ВМ, могут быть остановлены, детонацию остановить нельзя. Основные поражающие факторы взрыва объекта с ВМ [1,2, 4, 5]: ударная волна, осколки и тепловое излучение.

Таким образом, задача прогнозирования последствий ЧС в местах хранения ВМ имеет многоплановой характер и обуславливает наличие ряда методологических аспектов, учет которых при моделировании должен позволить устранить недостатки, присущие известным математическим моделям, методикам.

Системный аспект обусловлен особенностями как процесса ЧС, так и рассматриваемых объектов. Объекты хранения ВМ являются сложными организационно-техническими системами, элементы которых разнесены на площади. При этом элементы системы образуют иерархическую структуру: ВМ

- тара с ВМ - стопка - штабель - место - объект хранения ВМ. Элементы системы обладают разнообразными свойствами даже на одном и том же уровне системы.

Процесс возникновения и развития ЧС характеризуется:

наличием множества объективных и субъективных причин;

возможностью распространения ЧС от элемента к элементу в любом порядке, по различным вариантам;

комплексным действием совокупности поражающих факторов пожара и (или) взрыва.

Целевой аспект задачи заключается в многообразии достигаемых целей:

сравнительная оценка объектов хранения ВМ по критерию живучести;

выбор рациональных вариантов размещения мест хранения ВМ;

обоснование критического элемента на объекте хранения ВМ;

распределение средств по критерию «эффективность

- стоимость» при повышении живучести объектов хранения ВМ.

Экономический аспект задачи проявляется в размере возможного ущерба при ЧС в местах хранения ВМ (сотни, тысячи млрд. руб.).

Экологический аспект прогнозирования последствий ЧС в местах хранения ВМ обусловлен наличием угрозы и возможным ущербом окружающей среде, природным комплексам в районах размещения объектов хранения ВМ.

Социальный аспект задачи проявляется в обеспечении безопасности населения на прилегающей к объектам хранения ВМ территории, обслуживающего персонала как в случае ЧС, так и в штатном режиме функционирования рассматриваемых объектов.

Информационный аспект связан с необходимостью постоянного мониторинга объектов хранения ВМ: технического состояния ВМ, мест их хранения, контроля выполнения требований и правил нормативно-технической документации и др.

Оперативный аспект проявляется в обосновании и принятии рациональных решений для выполнения упреждающих мероприятий при возрастании вероятности ЧС.

Рассмотренные методологические аспекты позволяют сформулировать требования, которым должны соответствовать модели, методики и алгоритмы прогнозирования ЧС в местах хранения ВМ:

соответствие условной расчетной единицы (первичного элемента моделирования) целям решаемой задачи. В качестве условной расчетной единицы могут приниматься: единица ВМ, тара с ВМ, штабель, место хранения (множество штабелей), совокупность мест хранения ВМ (площадок открытого хранения или хранилищ). Расчетные единицы приведены в иерархическом порядке с возрастанием их сложности с позиций системного анализа;

соответствие математических моделей (частные, общие, макромодели) масштабу решаемой задачи. Частные модели применяются при исследовании объекта хранения ВМ (его части), состоящего из одного элемента, либо некоторой их однородной совокупности. К элементам объектов хранения ВМ могут относиться штабели, открытые площадки, хранилища. В зависимости от конкретной ситуации указанные элементы являются однородными при условии размещения одной и той же номенклатуры ВМ, одинакового количества ВВ, одного и того же инженерного оборудования. Общие модели используются в случае, когда рассматривается совокупность разнородных элементов. Макромодели разрабатываются и применяются при исследовании объектов хранения ВМ, включающих совокупность разнородных элементов;

наличие учета возможных вариантов развития ЧС на объектах хранения ВМ, развития ЧС в случае только пожара или взрыва, комплексного действия пожара и взрыва (взрывов), действия поражающих факторов пожара и (или) взрыва на соседние места хранения ВМ;

обеспечение оптимального расхода ресурсов при хранении ВМ.

Сформулированные требования свидетельствуют о невозможности их одновременного удовлетворения путем разработки одной универсальной модели. Для разрешения рассматриваемой задачи целесообразны разработка и применение на практике совокупности моделей различного целевого назначения.

Сдерживающим фактором разработки исследуемой задачи является ее формальная сложность, что влечет необходимость привлечения наукоёмких компьютерных технологий, в том числе на базе мультипроцессорных вычислительных систем [12]. Это позволит не только оценивать последствия ЧС, проводить оценку мероприятий по критерию «эффективность - стоимость», но и выполнять оптимальное размещение ВМ по местам хранения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мастрюков Б.С Безопасность в чрезвычайных ситуациях. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 336 с.

2. Кочетков К.Е., Котляревский В.А., Забегаев А.В. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Книга 2. - М.: Изд. Ассоциации строительных вузов, 1996. - 383 с.

3. Щукин Ю.Г., Кутузов Б.Н., Мацеевич Б.В., Татищев Ю.А. Промышленные взрывчатые вещества на основе утилизированных боеприпасов. - М.: Недра, 1998. - 319 с.

4. Нишпал Г.А., Мимхин Ю.М., Смирнов JI.A. и др. Теория и практика взрывобезопасности энергоемких материалов/ Под общ. ред. Нишпала Т.Н. - М.: УЭИ «Химмаш», 2002. - 113 с.

5. Дерябин ПН и др. Действие артиллерийских боеприпасов. - Пенза: ПАИИ, 2004. - 247 с.

6. Руководство по хранению боеприпасов на арсеналах, базах и складах. - М.: МО СССР, 1987. - 412 с.

7. ПлющА.А., Шкурко М.Д. Основы устройства, службы и безопасной жизнедеятельности баз боеприпасов: Учеб. пособие. - Пенза: ПАИИ, 2004. - 250 с.

8. Романенко Б.Г. и др. Основы обеспечения безопасности артиллерийских арсеналов, баз и складов боеприпасов. - Пенза: ПАИИ, 2000. - 130 с.

9. Повзик Я.С, Клюс П.П., Матвейкин A.M. Пожарная тактика. - М.: Стройиздат, 1990.

10. Руководство по организации и обеспечению противопожарной защиты арсеналов, баз и складов вооружения, ракет и боеприпасов. - М.: МО РФ, 2001. - 130 с.

11. Горение и тушение пожаров на складах лесопиломатериалов. Обзорная информация. Выпуск 6/85. - М.: МВДШИЦУИ, 1985.

12. Выявление тенденций в организации хранения ВМ. Определение в руководящих документах проблемных и недостаточно проработанных вопросов по размещению ВМна хранение с учетом выявленных тенденций и требований обеспечения живучести объектов их хранения: отчет о НИР «Триада» / ГУ «НИИ ВС РБ». - Мн., 2006. -94с- № ГР 2006156.

Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте