СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ РАЗВИТИЯ ВЗРЫВА ПРИ ВОСПЛАМЕНЕНИИ ВЗРЫВООПАСНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01N25/54 

Заявляемые изобретения относятся к исследованию материалов путем определения их взрывчатых свойств и могут быть использованы для изучения и обеспечения условий взрывобезопасности нефтеперерабатывающих предприятий.

Анализ статистики аварий на нефтеперерабатывающих предприятиях (см. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989 г.) показывает, что значительная часть их сопровождается взрывами паровых облаков углеводородных топлив. Такие аварии происходят в мире в среднем один раз в семь месяцев. Большой масштаб материального ущерба и числа жертв в них свидетельствует об актуальности исследований условий развития аварийных взрывов.

Известны способы исследования взрывчатых свойств газовых сред. Например, 30 октября 1973 года опубликовано изобретение, на которое выдан патент США 3768313, МКИ G 01 N 25/54, под названием "Способ определения степени опасности взрыва газовой среды и аппаратура для осуществления этого способа".

Известный способ включает подготовку исследуемой среды, закачку ее в запальную камеру и подачу энергии на инициатор воспламенения. Количество подаваемой энергии последовательно меняют до тех пор, пока оно не достигнет минимального уровня, достаточного для инициирования горения. Уровень энергии, при котором происходит воспламенение исследуемой среды, служит мерой воспламеняемости этой среды и определяется электрическим измерительным прибором, а воспламеняемость полагается показателем опасности взрыва.

2 октября 1974 года опубликовано изобретение под названием "Способ определения взрывчатости газовой среды и устройство для его осуществления", на которое подана заявка Великобритании 1369038, МКИ G 01 N 25/54. Способ включает подготовку среды, ввод ее в зонд и подачу энергии на воспламенитель. Энергию повышают до тех пор, пока не произойдет воспламенение среды. При этом измеряют энергию или температуру, при которой воспламеняется среда, что и является мерой взрывчатости среды.

Недостатком известных способов является невысокая достоверность получаемых сведений для условий, возникающих в действительности на предприятиях. Это связано с тем, что в аварийных ситуациях часто взрывные процессы зарождаются в смеси фрагментов несгоревшего газа с продуктами реакции при их турбулентном перемешивании (см. С.М. Фролов, Б.Е. Гельфанд и др. Спонтанные режимы горения. ФГВ, 1992, 5, с.13). В известных же способах среда до ее воспламенения находится при температуре окружающего воздуха в статическом состоянии.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа заявляемого изобретения-способа является способ экспериментальных исследований форкамерного зажигания для воспламенения запредельных по составу метановоздушных смесей (см. Ж. "Теплоэнергетика", 1987, 7, с. 33-35, В.Г. Ионов, О.В. Шимановский "Сжигание газовоздушной смеси запредельного состава при помощи форкамерного зажигания").

Способ включает подготовку среды в виде метановоздушной смеси (смеси топлива и окислителя), сжигание вспомогательного объема среды, подачу горячих продуктов горения вспомогательного объема в холодный основной объем смеси и регистрацию происходящих процессов. Подачу горячих продуктов горения осуществляют инжектированием со стороны торца емкости, имеющей продолговатую форму и содержащей основной объем среды. Затем последовательно основной объем среды разбавляют все увеличивающимися порциями метана до появления реакции смеси основного объема с продуктами сгорания. По результатам измерений судят о воспламеняемости среды.

В этой же статье описано устройство, предназначенное для осуществления известного способа. Устройство содержит форкамеру (выполняет роль вспомогательной камеры) и основную камеру, размещенные соосно, а также тракты для подачи исходной среды в камеры. Полости камер соединены узлом соединения в виде канала, перекрываемого стержнем с пробкой на конце. Дополнительная камера снабжена инициатором горения в виде свечи зажигания. Для взятия проб среды основная камера имеет кран. Для анализа среды используется прибор "Газохром 3101". Для изучения закономерностей зажигания устройство может быть снабжено оптическим прибором ИАБ-451 и скоростной камерой СКС-1 (см. Ж. "Физика горения и взрыва", 2, 1990, с.3-7, В.Г. Ионов "Исследование отдельных стадий форкамерного зажигания при помощи кинематографического анализа").

Недостатком известных описанных способа и устройства является невысокая достоверность получаемых сведений для условий, в действительности возникающих на предприятиях. Это обусловлено тем, что исследуется лишь воспламеняемость основного объема метановоздушной среды при смешении с продуктами горения вспомогательного объема среды, а также с продуктами горения самого основного объема среды. Но не изучаются условия возможного взрыва среды. Не обеспечивается создание объема смеси исходных реагентов с горячими продуктами горения, достаточного для исследования детонационной способности именно такой смеси.

Задачей заявляемых изобретений является создание способа и устройства, позволяющих получить достоверные сведения об условиях развития взрыва при воспламенении взрывоопасной газовой среды.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретений и который обуславливает решение поставленной задачи, заключается в том, что обеспечивается создание:
- достаточного объема квазиоднородной смеси исследуемой среды и продуктов ее горения;
- условий для инициирования детонации смеси исходной среды и продуктов ее горения;
- возможности путем неоднократного повторения экспериментов исследовать роль градиента концентрации горячих продуктов горения в смеси в развитии в ней детонации и исследования условий передачи детонации в область только холодной среды;
- возможности определения минимальной энергии инициирования детонации варьированием этой энергии при повторных экспериментах.

Сущность изобретения-способа заключается в том, что в способе исследования условий развития взрыва при воспламенении взрывоопасной газовой среды, включающем подготовку среды в виде газовой смеси горючего и окислителя, сжигание вспомогательного объема среды, подачу горячих продуктов горения вспомогательного объема среды в холодный основной объем среды и регистрацию процесса, согласно изобретению подачу горячих продуктов горения вспомогательного объема осуществляют множеством струй по всему основному объему, а затем возбуждают детонацию смеси основного объема исследуемой среды с поданными в него продуктами горения вспомогательного объема и по полученным результатам судят о детонационной способности среды.

Сущность изобретения-устройства заключается в том, что устройство для исследования условий развития взрыва при воспламенении взрывоопасной газовой среды, содержащее основную камеру, дополнительную камеру с инициатором горения среды, узел соединения полостей камер между собой, системы впуска исходной среды в камеры и регистрирующую аппаратуру, согласно изобретению оно снабжено инициатором детонации среды в основной камере, системой синхронизации срабатывания инициатора горения и инициатора детонации, камеры размещены параллельно друг другу, а узел соединения полостей камер выполнен в виде каналов, снабженных разрушаемыми диафрагмами, причем выходы каналов из одной камеры и входы этих каналов в другую распределены по полостям камер.

Наличие у заявляемого изобретения признаков, отличающих его от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его условию "новизна".

При дополнительном поиске не выявлено объектов техники, имеющих аналогичное заявляемому изобретению назначение и содержащих признаки, отличающие его от прототипа. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию "изобретательский уровень".

Заявляемые изобретения иллюстрируются чертежами.

На фиг.1 изображен вид спереди устройства для исследования условий развития взрыва при воспламенении взрывоопасной газовой среды;
на фиг.2 - вид устройства сбоку.

Устройство содержит основную камеру 1 в виде трубы и расположенный в ней инициатор детонации 2 в виде заряда конденсированного взрывчатого вещества. Инициатор детонации может быть выполнен в виде искрового устройства, взрывающегося электрического проводника и т.п. Параллельно основной камере 1 и внутри нее установлена дополнительная камера 3. Дополнительная камера 3 может быть установлена вне основной камеры 1 (на фиг.1 показана штриховыми линиями) или охватывать ее, т. е. основная камера 1 может быть установлена внутри дополнительной камеры 3 (не показано). Камеры 1 и 3 выполнены в виде цилиндрических труб, закрытых с торцев герметизирующими фланцами 4. К камерам 1 и 3 с помощью труб 5, 6, 7, 8, 9, содержащих вентили 10, 11, 12, 13, 14, через редуктор 15 присоединен баллон 16 с горючим газом. На трубе 8 установлен счетчик газа (расходомер типа Д-4) 17. Труба 5 одним концом присоединена к дополнительной камере 3, вторым - к трубе 6, а труба 9 одним концом также присоединена к камере 3, вторым - к трубе 7. Между трубами 6 и 7 установлен электрический вентилятор 18 типа ДВ-472У4, вторыми концами трубы 6 и 7 присоединены к основной камере 1. Трубы 7 и 9 снабжены патрубками 19 и 20 с вентилями 21 и 22 для присоединения компенсаторов объема смеси (не показаны).

Во вспомогательной камере 3 установлен инициатор горения среды 23 в виде заряда конденсированного взрывчатого вещества. Горение среды может быть реализовано в детонационном режиме.

Полости камер 1 и 3 соединены с помощью каналов 24, выполненных в стенке камеры 3 и снабженных разрываемыми диафрагмами 25. Выходы каналов 24 из камеры 3 и входы их в камеру 1 распределены по полостям камер. Если камера 3 расположена вне камеры 1, то каналы 24 снабжают патрубками 26 и соединяют их с каналами (не показаны), дополнительно выполненными в стенке камеры 1. Если основная камера установлена внутри вспомогательной, каналы выполняют в основной камере.

Камеры 1 и 3 установлены на подставках 27.

На стенках камер 1 и 3 имеется система отверстий, в которые установлены различные датчики (фотодиоды, электроконтактные датчики, термодатчики, датчики давления, термопары и др.; не показано).

Для регистрации полученной с датчиков информации использовался измерительный комплекс, содержавший многоканальный цифровой регистратор и компьютер обработки результатов.

Кроме того, для регистрации структуры фронта детонации на выходе основной камеры использовалась скоростная киноаппаратура (не показана).

Способ реализовали следующим образом. В камерах 1 и 3 создавали среду в виде смеси воздуха и горючего газа, подаваемого из баллона 16 через трубы 5, 6, 7, 8, 9 при открытых вентилях 10, 11, 12, 13, 14 и установленных диафрагмах 25. Требуемую концентрацию газа обеспечивали с помощью расходомера 17. Чтобы при подаче газа в трубах 5, 6, 7, 8, 9 не создавалось избыточное давление, к патрубкам 19 и 20 присоединяли компенсаторы в виде пластиковых пакетов и открывали вентили 21 и 22. Для обеспечения равномерной концентрации газа перемешивание газа с воздухом в камерах 1 и 3 осуществляли с помощью вентилятора 18, поочередно подключавшегося к камерам 1 и 3 открытием-закрытием вентилей 10, 11, 12, 14.

После получения в камерах 1 и 3 требуемого состава среды все вентили закрывали, снимали расходомер 17 и отсоединяли баллон с газом 16. Затем с помощью инициатора горения 23 поджигали среду в дополнительной камере 3. В результате роста давления в камере 3 продукты горения разрывали диафрагмы 25, через каналы 24 поступали в полость камеры 1 и перемешивались со средой. После прохождения некоторого времени (1 мс - 1 с) с помощью инициатора 2 инициировали детонацию смеси исходной среды камеры 1 с продуктами горения, поступившими из камеры 3, и регистрировали параметры физических процессов - скорость детонационной волны и профиль давления в ней, стационарность режима распространения детонации, размер детонационной ячейки и другие параметры. В части опытов велась скоростная киносъемка физических явлений с торца основной камеры 1.

Изменяя исходные концентрации горючего газа в среде, концентрации продуктов горения, впрыснутых в исходную среду, энергию (мощность) инициатора 2, режим горения во вспомогательной камере 3 вплоть до детонациии, время существования смеси исходной среды с продуктами горения и другое, исследовали условия возбуждения и развития детонации в основной камере 1 для различных ситуаций, которые могут возникнуть в работе нефтеперерабатывающих предприятий. В частности, о детонационной способности смеси исходных реагентов с горячими продуктами горения судили по минимальной энергии инициирования ее и среднему размеру детонационной ячейки, регистрировавшейся следовым методом на стенке вспомогательной камеры 3.

Определяли состав смеси исходных реагентов с горячими продуктами, имеющий максимальную детонационную способность. Отношением этой максимальной детонационной способности исходных реагентов характеризовали степень повышения взрывоопасности исходных реагентов при попадании в них продуктов горения.

Способ включает подготовку среды в виде горючего газа и окислителя, сжигание вспомогательного объема среды, подачу горячих продуктов взрыва в холодный основной объем среды и регистрацию процесса. Подачу горячих продуктов горения осуществляют множеством струй по всему основному объему среды. После этого в нем возбуждают детонацию полученной смеси и по полученным результатам судят о детонационной способности среды. Устройство содержит основную камеру, дополнительную камеру с инициатором горения среды, узел соединения полостей камер между собой, системы впуска исследуемой среды в камеры и регистрирующую аппаратуру. Устройство снабжено инициатором детонации среды в основной камере, системой синхронизации срабатывания инициатора горения и инициатора детонации. Технический результат - повышение достоверности испытаний. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ исследования условий развития взрыва при воспламенении взрывоопасной газовой среды, включающий подготовку среды в виде газовой смеси горючего и окислителя, сжигание вспомогательного объема среды, подачу горячих продуктов горения вспомогательного объема среды в холодный основной объем среды и регистрацию процесса, отличающийся тем, что подачу горячих продуктов горения вспомогательного объема осуществляют множеством струй по всему основному объему среды, а затем возбуждают детонацию смеси основного объема исследуемой среды с поданными в него продуктами горения вспомогательного объема и по полученным результатам судят о детонационной способности среды. 2. Устройство для исследования условий развития взрыва при воспламенении взрывоопасной газовой среды, содержащее основную камеру, дополнительную камеру с инициатором горения среды, узел соединения полостей камер между собой, системы впуска исследуемой среды в камеры и регистрирующую аппаратуру, отличающееся тем, что оно снабжено инициатором детонации среды в основной камере, системой синхронизации срабатывания инициатора горения и инициатора детонации, а узел соединения полостей камер выполнен в виде каналов, снабженных разрушаемыми диафрагмами, причем выходы каналов из одной камеры и входы этих каналов в другую распределены по полостям камер.