СПОСОБ ОЧИСТКИ СООРУЖЕНИЙ ОТ НАЛЕДЕЙ Российский патент 2008 года по МПК F42D7/00 E04D13/76 

Изобретение относится к области обеспечения безопасной эксплуатации инженерных сооружений в условиях их обледенения. Обледенение представляет серьезную угрозу работоспособности технических устройств и может приводить к аварийным ситуациям, поэтому существует потребность принятия экстренных эффективных мер по очистке сооружений от наледей [1].

К известным способам борьбы с обледенением относятся различные варианты антиадгезионной обработки поверхности конструкций. Полностью исключить адгезию льда при этом не удается [2]. Применяется также механическое удаление наледей ударами, что является малоэффективным и трудоемким делом, особенно при необходимости удаления наледей на крупных сооружениях.

Радикальным средством ударного воздействия можно считать взрыв, в частности взрыв топливовоздушной смеси (ТВС). В известном способе разрушения льда из подводного положения [3] в воду погружают оболочку, снаряженную инициирующими зарядами, закачивают в нее газовое топливо и окислитель и подрывают. В известном способе, применяемом в военном деле [4], объемно-детонирующую ТВС распыляют вышибным зарядом и поджигают вторым зарядом, замедленным относительно первого. В этих способах масса вышибных и инициирующих зарядов не ограничивается требованиями безопасности сооружения. Поэтому применение этих вариантов взрыва ТВС для удаления наледей, образующихся на сооружениях, не является безопасным для этих сооружений и рациональным в отношении использования энергии ТВС.

Задачей изобретения является повышение эффективности и снижение трудоемкости очистки сооружений от наледей с соблюдением условий безопасного применения предлагаемой технологии.

Поставленная задача достигается взрывом распыленного облака топливовоздушной смеси, накрывающего обледеневшее сооружение или его часть. При этом взрыв облака инициируется от взрывов поджигающих зарядов массой σ_кh³>m≥σ_лh³ (кг), где σ_л - прочность адгезии льда (МПа), σ_к - предельно допустимое давление на элементы конструкции сооружения (МПа), h - средняя толщина наледей (м), размещаемых во льду с объемной плотностью распределения n=αT_в/m (шт/м³) в области распыления заряда ТВС, где Т_в - температура воспламенения ТВС, α - расчетный коэффициент воспламенения ТВС воздушной ударной волной. Поджигающие заряды включают в электроподрывную цепь одновременного подрыва. Затем из пульверизаторов, распределенных по позициям возле той части сооружения, где намечается взрыв, и подключенных к одному компрессору, распыляют в области размещения поджигающих зарядов массу жидкого топлива

в смеси с красителем, где s - стехиометрическая концентрация топлива, ρ - плотность воздуха на месте проведения работ, N - количество размещенных поджигающих зарядов. Далее при визуальном наблюдении замыкают цепь электроподрыва в момент перекрытия облаком ТВС поджигающих зарядов. При этом в качестве красителя используют термит (смесь порошка алюминия с окислами железа).

Физические и технические основы способа заключаются в следующем.

Взрывы ТВС производят ударно-вибрационное воздействие на сооружение. Если облако ТВС примыкает к обледеневшим конструкциям, обволакивая их, то при взрыве ТВС на наледь воздействуют: 1) ударная волна, имеющая пик давления порядка 2-3 МПа [4]; 2) волны сжатия, отраженные от границ с невозмущенной средой, которые инвертируются в волны разряжения; 3) после выгорания смеси (примерно через 0,1-0,5 с в зависимости от ее объема и состава) в облаке с продуктами сгорания наступает отрицательный перепад давления до уровня ниже атмосферного, который сменяется повторным ударным сжатием облака [5].

Наледи представляют собой сплоченный массив льда - «ледовую шубу» на элементах конструкции. Чтобы отделить «шубу» от конструкции, требуется сначала фрагментировать ее, т.е. сделать отверстия или надрезы. Для этого предлагается размещать часть поджигающих зарядов на поверхности льда, причем масса отдельного заряда должна быть такой, чтобы ударной волной от его взрыва не повредить конструкцию.

Пик давления в ближней зоне ударной волны и в воздухе, и во льду описывается приблизительно одинаковой зависимостью [6]:

где R - расстояние пробега волны.

Поэтому условием фрагментации «шубы» будет: σ_к≥Р*≥σ_л, R=h, т.е. σ_кh³>m≥σ_лh³. Для пресных льдов σ=0,5 МПа, для морских льдов σ=0,2 МПа [2].

Взрыв ТВС необходимо осуществить одновременно во всем ее объеме, так как только в этом случае достигается максимальный эффект отрыва фрагментированной наледи волной разряжения на стадии полного выгорания ТВС. Для этого необходимо поддерживать детонационный режим возгорания ТВС по мере распространения ударной волны от инициирующих зарядов. Этого можно добиться, разместив поджигающие заряды избранной малой массы m по объему V распыленного облака ТВС с равномерной плотностью распределения (с расстоянием r между поджигающими зарядами) в количестве

так, чтобы температура воздуха на фронте инициирующей ударной волны во всех точках заряда ТВС была Т_в≥Т - температуры воспламенения топлива.

Температура воздуха на фронте инициирующей ударной волны зависит от давления P*(R) [5]:

где k - табулировано [5], Р₀ - атмосферное давление (0,1 МПа), Т₀=288К.

Принимая и производя соответствующие подстановки, получим:

так как из (2) и (4)

Тогда, учитывая, что n=αT_в/m, из (5) значение коэффициента воспламенения ТВС будет

Пример расчета:

Выбираем в качестве топлива керосин. Температура воспламенения паров керосина в воздухе Т_в=508÷538К. По таблице параметров ударной волны в воздухе [5] для температуры Т_в находим: k≅3 при давлении Р*≅0,5 МПа. Рассчитываем значение плотности распределения поджигающих зарядов

Рассмотрим случай обледенения с параметрами: σ_л=0,5 МПа, h=0,1 м. Для фрагментации ледовой «шубы» масса отдельного поджигающего заряда, расположенного на поверхности, должна быть: m≥σ_лh³=0,5·10^-3 кг. Следовательно, n≤120÷130 шт/м³.

Предположим, что предельно допустимое воздействие ударной волны на конструкцию определяется допустимыми напряжениями на срез для сварных швов: σ_к≈7 кг/мм² (70 МПа). Тогда максимально допустимая масса поджигающего заряда будет равна m≤σ_кh³=70·10^-3=0,7 кг, а плотность распределения поджигающих зарядов составит n≈0,1 шт/м³. Рамочное условие σ_кh³>m≥σ_лh³ гарантирует фрагментацию наледи и взрыв ТВС в режиме догорания за фронтом инициирующей ударной волны. Если исходить из возможности использования стандартных упаковок тротила, например, применять шашки массой m=0,1 кг, то безопасность сварных швов будет гарантирована, а плотность распределения шашек не превысит значения n≈1 шт/м³.

Для осуществления одновременности подрыва ТВС поджигающие заряды включают в цепь электроподрыва по возможности без замедления в цепи, т.е. параллельным включением.

Необходимая масса топлива выбирается из расчета полного ее выгорания в воздухе при сохранении стехиометрической концентрации в облаке заряда ТВС. Так как масса кислорода в воздухе составляет 23%, то массу топлива желательно выбирать не менее определяемой уравнением (1).

На основании ранжирования дистанций безопасности по давлению ударной волны от взрыва выбранной смеси, определяемой соотношением [5]:

где q - тротиловый эквивалент теплоты сгорания топлива, проводятся предохранительные мероприятия с чувствительным оборудованием и живыми организмами. При этом для ранжирования используют критерии разрушения сооружений и материалов и критерии поражения живых организмов [7]. После этого можно распылять топливо в намеченном поджигающими зарядами объеме обледеневшего сооружения. Подача и распыление топлива осуществляется устройством, в состав которого входят пульверизаторы, компрессор и шланги-воздухопроводы. Компрессор находится за чертой безопасности, а пульверизаторы с топливом - в зоне предполагаемого распыления. Пульверизаторы запускаются в работу одновременно от одного компрессора.

При визуальном наблюдении расширения капельно-воздушного облака ТВС замыкают цепь электроподрыва в момент перекрытия облаком совокупности поджигающих зарядов. Для осуществления визуального наблюдения за облаком ТВС с дистанции безопасности в состав топлива включают краситель, который поможет определить нештатную ситуацию, например, в связи с действием ветра, и вовремя отказаться от взрыва ТВС. Для усиления энергетики взрыва в качестве красителя полезно использовать термит (смесь порошка алюминия с окислами железа).

Следует отметить, что в экологическом отношении эпизод взрыва ТВС не более опасен, чем работа двигателя внутреннего сгорания.

Источники информации

1. Панов В.В. Обледенение судов // Труды ААНИИ, 1976. - Т.334. - 262 с.

2. Панов В.В., Панюшкин А.В., Шванштейн З.И. Экспериментальное изучение адгезии льда в лабораторных и натурных условиях // Труды ААНИИ, 1975. - Т.326. - С.147-154.

3. Воронцов В.Р. и др. Разрушение ледяного покрова газовым взрывом // Труды МГТУ, 1992. - №557. - С.41-43.

4. Дмитриев В. Боеприпасы объемного взрыва // Зарубежное военное обозрение, 1984. - №9. - С.48-53.

5. Физика взрыва / под ред. Л.П.Орленко. - М.: Физматлит, 2002. - Т.1. - 823 с.

6. Лебедев Г.А., Трипольников В.П. // Труды RAO/CIS OFFSHORE 2005. Санкт-Петербург, 2005. - С.480-483.

7. Баткер У. и др. Взрывные явления. Оценка и последствия / перевод с англ. - М.: Мир, 1986. - Кн.1, 2.

Изобретение относится к области обеспечения безопасной эксплуатации инженерных сооружений в условиях их обледенения. Способ очистки сооружения от наледей включает воздействие на них взрыва облака топливовоздушной смеси, накрывающей обледеневшее сооружение или его часть. При этом в области распыления, в том числе на поверхности наледи, размещают с плотностью распределения n=αT_в/m, шт/м³; поджигающие заряды ВВ массой σ_кh³>m≥σ_лh³ , кг, в тротиловом эквиваленте, где σ_л - прочность адгезии льда, МПа; σ_к - предельно допустимое давление на элементы конструкции, МПа; h - средняя толщина наледей, м; Т - температура воспламенения топлива, К; α - расчетный коэффициент воспламенения топливовоздушной смеси воздушной ударной волной и включают их в цепь одновременного подрыва. После этого распыляют массу жидкого топлива M=0,23sρN/n, кг, в смеси с красителем, где s - стехиометрическая концентрация топлива, ρ - плотность воздуха на месте проведения работ, кг/м³; N - количество размещенных поджигающих зарядов, шт; и при визуальном наблюдении замыкают цепь электроподрыва в момент перекрытия облаком топливовоздушной смеси поджигающих зарядов. Топливо распыляют из пульверизаторов, распределенных по позициям возле сооружения и подключенных к одному воздушному компрессору. В качестве красителя используют термит. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и снижение трудоемкости очистки сооружений от наледей. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ очистки сооружения от наледей взрывом облака распыленной топливовоздушной смеси, накрывающей обледеневшее сооружение или его часть, отличающийся тем, что в области распыления, в том числе на поверхности наледи, размещают с плотностью распределения n=αТ_в/m, шт/м³ поджигающие заряды ВВ массой σ_кh³>m≥σ_лh³, кг, в тротиловом эквиваленте, где σ_л - прочность адгезии льда, МПа; σ_к - предельно допустимое давление на элементы конструкции, МПа; h - средняя толщина наледей, м; Т_в - температура воспламенения топлива, °К; α - расчетный коэффициент воспламенения топливовоздушной смеси воздушной ударной волной, и включают их в цепь одновременного подрыва; распыляют массу жидкого топлива M=0,23sρN/n, кг, в смеси с красителем, где s - стехиометрическая концентрация топлива, ρ - плотность воздуха на месте проведения работ, кг/м³; N - количество размещенных поджигающих зарядов, шт; и при визуальном наблюдении замыкают цепь электроподрыва в момент перекрытия облаком топливовоздушной смеси поджигающих зарядов.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливо распыляют из пульверизаторов, распределенных по позициям возле сооружения и подключенных к одному воздушному компрессору.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве красителя используют термит.