RU2130563C1 - Device for localization of products of explosion - Google Patents

Abstract

FIELD: protection of surrounding medium against action of explosion and keeping explosion products, metal fragments, gaseous and other agents formed in the course of explosion including chemically toxic agents and radioactive aerosols in closed volume. SUBSTANCE: device includes external reinforced concrete shell and internal metal shell; space between these shells is filled with damping material. Closed sealing metal envelope is introduced between reinforced concrete shell and damping layer. This envelope may be made from ditch-shaped panels hermetically interconnected over perimeter of open ends and directed by their bottoms towards reinforced concrete shell. EFFECT: extended capabilities of device in designing and modification (introduction of additional equipment) of reinforced concrete protection structures; hermetic isolation of explosion products, accompanying gases and finely-dispersed aerosols in handling nuclear, chemical and other ammunitions. 2 cl, 1 dwg

Description

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. The invention relates to techniques for protection against explosive effects and tight containment in a closed volume of the device of explosion products containing high-speed metal fragments, aerosols and gaseous substances.

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. The predominant area of its application (use) is the design, manufacture of new, as well as the modernization (retrofitting) of existing protective devices (structures) designed to carry out especially dangerous work with various explosive objects and substances, such as ammunition, including nuclear, chemical and other .

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. Known technical solution for the protective device of the reactor compartment of a nuclear power plant (NPP) (Nuclear Power Plants. Textbook for universities. / B. G. Ganchev, L. P. Kalishevsky, R. S. Demeshev, etc. Under the general editorship of N. A . Dollezhal. -2nd edition-M .: Energoatomizdat, 1990, 629 p.), Made in the form of a protective sealed shell made of reinforced concrete. The above construction along with the biological protection of personnel is intended to protect the main equipment and emergency systems of nuclear power plants from dynamic effects after an emergency rupture of pipelines under high pressure. The protective shell of the structure is designed to maintain tightness at an overpressure of up to ~ 0.5 MPa. The disadvantage of this device is its inability to maintain tightness and structural integrity after an accidental explosion of explosive objects with a chemical explosive substance.

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. It is known that during the explosion of a chemical explosive, the following are formed: a shock wave (HC) and gaseous products of the explosion (VI), which propagate from the explosion site at speeds of up to ~ 5-8 km / s. The pressure behind the front of the shock wave in the reinforced concrete shell of the protective structure reaches 10-100 MPa. If the explosive object has an outer shell (case) and structural elements near the case, as well as other devices (technological equipment, stand, etc.) surround it, then during the explosion from the inert mass surrounding the explosive, high-speed fragments with high breakdown ability are formed . Under certain conditions, cumulative (gas-dynamic) jets can form as a result of the explosion.

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. These factors, when exposed to the wall of a protective structure, can cause concrete deformation that exceeds its tensile strength and, as a result, lead to the formation of through cracks in it. Since overpressure occurs in the structure after the explosion due to the formation of new gases and heating to high temperatures, PV and other gaseous and finely dispersed substances can be released into the environment through cracks in concrete, i.e., this structure does not fulfill its protective functions and its scope as a protective device narrows.

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. Closest to the invention, the technical solution (prototype) is a device designed to localize the PV charge of explosives (Tyunyaev Yu.I., Mineev V.I., Klapovsky V.E. et al. "Strength of reinforced concrete protective shells with internal explosive loading". / Atomic energy, vol. 73, issue 4, 1992, pp. 263-268) and consisting of an outer reinforced concrete and an inner metal shell, the gap between which is filled with a layer of damping material, namely expanded clay.

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. In this device, the role of the power shell is performed by the reinforced concrete shell. The inner thin-walled steel shell acts as a vessel wall, which is filled with damping material. Expanded clay damping material having high porosity (bulk density more than 2 times lower than reinforced concrete) is designed to reduce the peak pressure of the shock wave and to stretch the pulse that it carries.

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.The main disadvantages of the prototype include the following:
1. In the described device (prototype) a priori no measures were taken to maintain the tightness of the protective structure. If the inner metal shell is sealed, it can be destroyed, due to significant elastoplastic deformation, due to compaction of expanded clay and direct exposure to fragments, causing through holes. Therefore, after the explosion that occurred inside such a device, taking into account the appearance of cracks in the reinforced concrete power shell, there is a possibility of its depressurization.

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. 2. A significant increase in the thickness of the metal and damping layers to reduce the pulse pressure on the power shell in order to avoid the formation of cracks in it leads to a decrease in the size of the internal volume of the structure and an increase in the residual pressure inside it. This action reduces the usable volume for carrying out especially dangerous work and creates, given the increase in the residual gas pressure inside the structure, a more tense situation in the aftermath of the accident.

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. The technical problem to be solved, free of these drawbacks, is the development of a device that localizes explosion products within its volume. Moreover, the construction without reducing the resource and margin of safety, along with the preservation of structural integrity after the explosion, must have the property of tight containment of PV and gases accompanying the explosion, as well as fine aerosols.

Ожидаемый результат - обеспечение герметичности новых защитных сооружений после взрыва с осколочным воздействием, а также расширение области применения существующих сооружений при их модернизации. The expected result is to ensure the tightness of new protective structures after an explosion with shrapnel impact, as well as expanding the scope of existing structures during their modernization.

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. The problem is solved in that in the device for the localization of the airspace containing the outer reinforced concrete shell and the inner metal shell, the gap between which is filled with a layer of damping material, according to the invention, an additional closed metal shell is introduced between the reinforced concrete shell and the damping layer. In particular, a closed metal shell can be made of cuvette-shaped panels hermetically connected to each other along the perimeter of open ends and facing the bottom of the panels to a power reinforced concrete shell.

Размещение замкнутой герметизирующей оболочки после демпфирующего слоя исключает пробивание ее осколками, а плотное прилегание к железобетонной оболочке позволит избежать локальных повреждений после прохождения УВ. Placing a closed sealing shell after the damping layer eliminates its penetration by fragments, and a snug fit to the reinforced concrete shell will avoid local damage after passing through the shock wave.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана схема устройства для локализации ПВ. The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a device for the localization of PV.

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. The device for the localization of the containment includes an outer reinforced concrete shell 1 and an inner metal shell 2, the gap between which is filled with a layer of damping material 3. Between the reinforced concrete shell 1 and the damping layer 3 there is a closed metal shell 4 (sealing shell). For example, it can be made of cuvette-shaped panels hermetically connected to each other along the perimeter of open ends and facing the bottom of the panels to a reinforced concrete shell.

Основное направление воздействия взрыва 5 на чертеже указано стрелкой. The main direction of the explosion 5 in the drawing is indicated by an arrow.

Устройство, выполненное в соответствии с техническим решением, в условиях взрывного воздействия работает следующим образом. A device made in accordance with the technical solution, in the conditions of explosive exposure, operates as follows.

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. The layer of damping material reduces the amplitude of the shock wave pressure on the sealing metal shell and on the reinforced concrete shell, stretching the pulse over time. This layer and, partially, the inner metal shell absorb the energy of PV, fragments, cumulative jets and reduce local intense loads on these shells. In this case, the damping layer and the inner metal shell are partially destroyed.

Внутренняя металлическая оболочка способствует также снижению температуры ПВ и горячих газов после взрыва, что уменьшает квазистатическое давление газов во внутреннем объеме сооружения. The inner metal shell also contributes to the temperature reduction of the PV and hot gases after the explosion, which reduces the quasistatic pressure of the gases in the internal volume of the structure.

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. The minimum thickness of the damping layer of heterogeneous materials was experimentally established (for example: expanded clay, expanded clay concrete - expanded clay bonded with a cement mortar, metal mesh, fiberglass, etc.), which trap metal and other fragments weighing up to 12 g, having speeds from ~ 1.0 up to 4.5 km / s, which are the most dangerous of the metal fragments generated during the accidental explosion of various ammunition.

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. A closed metal sealing shell is adjacent to the power reinforced concrete shell and works together with it. In the case of manufacturing it from cuvette-shaped panels, the bottoms of which are facing the reinforced concrete shell, this thin-walled shell, due to the folded shape, under the action of dynamic loads allows large elastoplastic deformations without fracture. A significant reduction in the local deformation of the sealing shell is ensured by its tight fit to the wall of the reinforced concrete shell, for which the gaps between them are filled, for example, with cement mortar of grade 100 with the addition of superplasticizers. With this design, the formation of extended main cracks in the metal sealing shell is excluded.

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. Metal sealing and reinforced concrete shells perceive pulsed (dynamic) and static (quasistatic) explosion pressures transmitted through a damping layer. Due to the displacement (oscillation) of the device wall, the metal shell experiences elastoplastic deformation, while maintaining tightness. The reinforced concrete shell, providing the structural integrity of the entire device, can be damaged with the formation of through microcracks in reinforced concrete. However, the metal sealing shell prevents the penetration of PV, gases and fine aerosols into the atmosphere and soil through possible cracks in the reinforced concrete shell. This situation is realized due to the fact that under the conditions of the alleged explosive impact, the stress in concrete exceeds its tensile strength, while this limit is not reached in metal.

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).Calculations to assess the strength of the device at different masses of blasting explosives, as well as the static parameters of the sealing shell showed that
- the device reduces the level of deformation of reinforced concrete by an average of 30%, while maintaining the bearing capacity of reinforced concrete;
- the device localizes the explosion up to the maximum energy at which the integrity of the power shell of reinforced concrete is maintained, and prevents the release of PV and related products into the environment;
- the sealing shell with a thickness of ~ 1.5 - 2 mm has a bearing capacity and sufficient static stability (safety factor ≥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. Fabricated and tested under static tensile elements of the shell from the cuvette-shaped panels assembly. Tests have shown that such a design allows elastoplastic deformations almost until the flanging of the cuvette-shaped panel is completely straightened.

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.Thus, the present invention on a device for the localization of explosion products:
1. Extends the scope of protective structures made of reinforced concrete and allows them to carry out especially dangerous work, not excluding an emergency explosion. The device can also be used in the interests of creating containers, warehouses, special wagons or transport tanks with a reinforced concrete power wall for localizing airborne explosives and related explosives.

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. 2. Provides full localization in the internal volume of the PV structure, gaseous substances and aerosols, while maintaining tightness in the conditions of an explosion accompanied by high-speed metal fragments and cumulative jets.

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. 3. Increases the free volume inside the structure due to the relatively small thickness of the inner metal and damping layers, while increasing the static and dynamic strength and resource of the structure.

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. The application of the proposed device allows you to expand the capabilities of protective structures made of reinforced concrete and to use them for the localization and hermetic retention of air defense and other explosion-related products. The design features of the protective device allow both the design of new structures and the modernization of old ones to give them a new quality, which is to ensure tightness in the localization of accidents with an explosion. Thus, the proposed invention is aimed, ultimately, to protect the environment when carrying out especially dangerous work with explosive objects and substances, for example, ammunition, including nuclear, chemical and others.

Claims (2)

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. 1. A device for the localization of explosion products containing an outer reinforced concrete shell and an inner metal shell, the gap between which is filled with a layer of damping material, characterized in that a closed sealing metal shell is introduced between the reinforced concrete shell and the damping layer. 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. 2. The device according to claim 1, characterized in that the sealing metal shell is made of cuvette panels, tightly interconnected around the perimeter of the open ends and facing the bottoms to the reinforced concrete shell.