УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА Российский патент 1999 года по МПК F17C1/00 F42D5/00 

Изобретение относится к технике защиты от взрывного воздействия и герметичного удержания в замкнутом объеме устройства продуктов взрыва, содержащих высокоскоростные металлические осколки, аэрозоли и газообразные вещества.

Преимущественная область его применения (использования) - проектирование, изготовление новых, а также модернизация (дооснащение) существующих защитных устройств (сооружений), предназначенных для проведения особо опасных работ с различными взрывоопасными объектами и веществами, например боеприпасами, в том числе ядерными, химическими и другими.

Известно техническое решение на защитное устройство реакторного отделения атомной электростанции (АЭС) (Ядерные энергетические установки. Учебное пособие для вузов. / Б.Г. Ганчев, Л.П. Калишевский, Р.С. Демешев и др. Под общей редакцией Н. А. Доллежаля. -2-е издание-М.: Энергоатомиздат, 1990, 629 с.), выполненное в виде защитной герметичной оболочки из железобетона. Указанное выше сооружение наряду с биологической защитой персонала призвано обеспечить защиту основного оборудования и аварийных систем АЭС от динамических воздействий после аварийного разрыва трубопроводов, находящихся под большим давлением. Защитная оболочка сооружения рассчитана на сохранение герметичности при избыточном давлении до ~0,5 МПа. Недостатком указанного устройства является его неспособность сохранять герметичность и конструкционную целостность после аварийного взрыва взрывоопасных объектов с химическим взрывоопасным веществом.

Известно, что при взрыве химического взрывчатого вещества образуются: ударная волна (УВ) и газообразные продукты взрыва (ИВ), которые распространяются от места взрыва со скоростями до ~5-8 км/с. Давление за фронтом ударной волны в железобетонной оболочке защитного сооружения достигает величины 10-100 МПа. Если взрывоопасный объект имеет наружную оболочку (корпус) и конструктивные элементы вблизи корпуса, а также его окружают другие устройства (технологическая оснастка, подставка и т.д.), то при взрыве из окружающих взрывчатое вещество инертных масс образуются высокоскоростные осколки, обладающие высокой пробивной способностью. При определенных условиях в результате взрыва могут сформироваться кумулятивные (газодинамические) струи.

Эти факторы при воздействии на стенку защитного сооружения могут вызывать деформацию бетона, превышающую предел его прочности, и приводить, вследствие этого, к образованию в нем сквозных трещин. Так как в сооружении после взрыва возникает избыточное давление, из-за образования новых газов и нагрева до высокой температуры, то через трещины в бетоне ПВ и другие газообразные и мелкодисперсные вещества могут выноситься в окружающую среду, т. е. данное сооружение не выполняет своих защитных функций и область его применения в качестве защитного устройства сужается.

Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является устройство, предназначенное для локализации ПВ заряда ВВ (Тюняев Ю.И., Минеев В. И., Клаповский В.Е. и др. "Прочность железобетонных защитных оболочек при внутреннем взрывном нагружении". / Атомная энергия, т. 73, вып. 4, 1992, с. 263-268) и состоящее из наружной железобетонной и внутренней металлической оболочек, зазор между которыми заполнен слоем демпфирующего материала, а именно керамзитом.

В этом устройстве роль силовой оболочки выполняет железобетонная оболочка. Внутренняя тонкостенная стальная оболочка выполняет роль стенки сосуда, который заполняется демпфирующим материалом. Демпфирующий материал из керамзита, имеющий высокую пористость (насыпная плотность более чем в 2 раза ниже железобетона), предназначен для снижения величины пикового давления УВ и растягивания во времени импульса, который она несет.

К основным недостаткам прототипа следует отнести следующее:
1. В описанном устройстве (прототипе) априори не предприняты меры по сохранению герметичности защитного сооружения. Если внутреннюю металлическую оболочку и выполнить герметичной, она может быть разрушена, вследствие значительной упругопластической деформации, из-за уплотнения керамзита и прямого воздействия осколков, вызывающих сквозные пробоины. Следовательно, после взрыва, произошедшего внутри такого устройства, с учетом появления трещин в железобетонной силовой оболочке, имеется вероятность его разгерметизации.

2. Значительное увеличение толщины металлического и демпфирующего слоев для снижения импульсного давления на силовую оболочку с целью избежать образования в ней трещин приводит к уменьшению размеров внутреннего объема сооружения и росту остаточного давления внутри него. Это действие уменьшает полезный объем для проведения особо опасных работ и создает, учитывая повышение остаточного давления газов внутри сооружения, более напряженную ситуацию при ликвидации последствий аварии.

Решаемой технической задачей, свободной от указанных недостатков, является разработка устройства, локализующего внутри его объема продукты взрыва. Причем сооружение без снижения ресурса и запаса прочности, наряду с сохранением конструкционной целостности после взрыва, должно обладать свойством герметичного удержания ПВ и сопутствующих взрыву газов, а также мелкодисперсных аэрозолей.

Ожидаемый результат - обеспечение герметичности новых защитных сооружений после взрыва с осколочным воздействием, а также расширение области применения существующих сооружений при их модернизации.

Задача решается тем, что в устройстве для локализации ПВ, содержащем наружную железобетонную оболочку и внутреннюю металлическую оболочку, зазор между которыми заполнен слоем демпфирующего материала, согласно изобретению введена между железобетонной оболочкой и демпфирующим слоем дополнительная замкнутая металлическая оболочка. В частности, замкнутая металлическая оболочка может быть выполнена из кюветообразных панелей, герметично соединенных между собой по периметру открытых торцов и обращенных днищами панелей к силовой железобетонной оболочке.

Размещение замкнутой герметизирующей оболочки после демпфирующего слоя исключает пробивание ее осколками, а плотное прилегание к железобетонной оболочке позволит избежать локальных повреждений после прохождения УВ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана схема устройства для локализации ПВ.

Устройство для локализации ПВ содержит наружную железобетонную оболочку 1 и внутреннюю металлическую оболочку 2, зазор между которыми заполнен слоем демпфирующего материала 3. Между железобетонной оболочкой 1 и демпфирующим слоем 3 располагается замкнутая металлическая оболочка 4 (герметизирующая оболочка). Для примера, ее можно выполнить из кюветообразных панелей, герметично соединенных между собой по периметру открытых торцов и обращенных днищами панелей к железобетонной оболочке.

Основное направление воздействия взрыва 5 на чертеже указано стрелкой.

Устройство, выполненное в соответствии с техническим решением, в условиях взрывного воздействия работает следующим образом.

Слой демпфирующего материала уменьшает амплитуду импульса давления УВ на герметизирующую металлическую оболочку и на силовую железобетонную оболочку, растягивая импульс во времени. Данный слой и, частично, внутренняя металлическая оболочка поглощают энергию ПВ, осколков, кумулятивных струй и снижают локальные интенсивные нагрузки на указанные оболочки. При этом демпфирующий слой и внутренняя металлическая оболочка частично разрушаются.

Внутренняя металлическая оболочка способствует также снижению температуры ПВ и горячих газов после взрыва, что уменьшает квазистатическое давление газов во внутреннем объеме сооружения.

Экспериментально установлены минимальные толщины демпфирующего слоя из гетерогенных материалов (например: керамзит, керамзитобетон - керамзит, скрепленный раствором цемента, металлическая сетка, стеклопластик и др.), которые улавливают металлические и др. осколки массой до 12 г, имеющие скорости от ~ 1,0 до 4,5 км/с, которые являются наиболее опасными из металлических осколков, образующихся при аварийном взрыве различных боеприпасов.

Замкнутая металлическая герметизирующая оболочка прилегает к силовой железобетонной оболочке и работает с ней совместно. В случае изготовления ее из кюветообразных панелей, днища которых обращены к железобетонной оболочке, эта тонкостенная оболочка, за счет складчатой формы, при действии динамических нагрузок допускает большие упругопластические деформации без разрушения. Значительное уменьшение локальной деформации герметизирующей оболочки обеспечивается плотным прилеганием ее к стенке силовой железобетонной оболочки, для чего зазоры между ними заполняются, например, цементным раствором марки 100 с добавкой суперпластификаторов. При такой конструкции исключается образование протяженных магистральных трещин в металлической герметизирующей оболочке.

Металлическая герметизирующая и железобетонная оболочки воспринимают импульсные (динамические) и статические (квазистатические) давления от взрыва, передаваемые через демпфирующий слой. За счет смещения (колебания) стенки устройства, металлическая оболочка испытывает упругопластическую деформацию, сохраняя при этом герметичность. Железобетонная оболочка, обеспечивая конструкционную целостность всего устройства, может быть повреждена с образованием сквозных микротрещин в железобетоне. Однако, металлическая герметизирующая оболочка препятствует проникновению ПВ, газов и мелкодисперсных аэрозолей в атмосферу и грунт через возможные трещины в железобетонной оболочке. Такая ситуация реализуется в силу того, что в условиях предполагаемого взрывного воздействия напряжение в бетоне превышает предел его прочности при растяжении, тогда как в металле этот предел не достигается.

Расчеты по оценке прочности устройства при различных массах подрываемого ВВ, а также статических параметров герметизирующей оболочки показали что:
- устройство снижает уровень деформирования железобетона в среднем на 30%, при сохранении несущей способности железобетона;
- устройство локализует взрыв вплоть до максимальной энергии, при которой сохраняется целостность силовой оболочки из железобетона, и предотвращает выброс ПВ и сопутствующих продуктов в окружающую среду;
- герметизирующая оболочка толщиной ~1,5 - 2 мм обладает несущей способностью и достаточной статической устойчивостью (коэффициент запаса устойчивости ≥10).

Изготовлены и испытаны при статическом растяжении элементы оболочки из кюветообразных панелей в сборе. Испытания показали, что такая конструкция допускает упругопластические деформации практически до полного распрямления отбортовки кюветообразной панели.

Таким образом, предлагаемое изобретение на устройство для локализации продуктов взрыва:
1. Расширяет область применения защитных сооружений из железобетона и позволяет проводить в них особо опасные работы, не исключающие аварийный взрыв. Устройство может быть также применено в интересах создания контейнеров, складов, специальных вагонов или транспортных емкостей с силовой стенкой из железобетона для локализации ПВ и сопутствующих взрыву веществ.

2. Обеспечивает полную локализацию во внутреннем объеме сооружения ПВ, газообразных веществ и аэрозолей, сохраняя герметичность в условиях взрыва, сопровождаемого высокоскоростными металлическими осколками и кумулятивными струями.

3. Повышает свободный объем внутри сооружения за счет относительно малой толщины внутреннего металлического и демпфирующего слоев, при этом увеличиваются статическая и динамическая прочность и ресурс конструкции.

Применение предложенного устройства позволяет расширить возможности защитных сооружений из железобетона и применять их для локализации и герметичного удержания ПВ и сопутствующих взрыву других продуктов. Особенности конструкции защитного устройства позволяют как проектировать новые сооружения, так и модернизировать старые для придания им нового качества, заключающегося в обеспечении герметичности при локализации аварий со взрывом. Таким образом, предложенное изобретение направлено, в конечном счете, на защиту окружающей среды при проведении особо опасных работ со взрывоопасными объектами и веществами, например, боеприпасами, в том числе ядерными, химическими и другими.

Использование: для защиты окружающей среды от взрывного воздействия и удержания в замкнутом объеме устройства продуктов взрыва, металлических осколков, газообразных и других веществ, образовавшихся в результате взрыва, в том числе химически токсичных веществ и радиоактивных аэрозолей. Задача: проектирование, модернизация (дооснащение) и изготовление защитных устройств (сооружений), предназначенных для проведения особо опасных работ с различными взрывоопасными объектами и веществами, например, боеприпасами, в том числе ядерными, химическими и другими. Сущность изобретения: устройство для локализации продуктов взрыва содержит наружную железобетонную оболочку и внутреннюю металлическую оболочку, зазор между которыми заполнен слоем демпфирующего материала. Между железобетонной оболочкой и демпфирующим слоем введена замкнутая герметизирующая металлическая оболочка. В частности, она может быть выполнена из кюветообразных панелей, герметично соединенных между собой по периметру открытых торцов и обращенных днищами к железобетонной оболочке. Технический результат: устройство позволяет расширить возможности при проектировании и модернизации (дооснащении) защитных сооружений из железобетона и обеспечить конструкционную целостность сооружений после взрыва, герметичное удержание продуктов взрыва и сопутствующих взрыву газов, а также мелкодисперсных аэрозолей. 1 з.п. ф-лы., 1 ил.

1. Устройство для локализации продуктов взрыва, содержащее наружную железобетонную оболочку и внутреннюю металлическую оболочку, зазор между которыми заполнен слоем демпфирующего материала, отличающееся тем, что между железобетонной оболочкой и демпфирующим слоем введена замкнутая герметизирующая металлическая оболочка. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что герметизирующая металлическая оболочка выполнена из кюветообразных панелей, герметично соединенных между собой по периметру открытых торцов и обращенных днищами к железобетонной оболочке.