§ 20. Методика оценки воздействия поражающих факторов ядерного взрыва.

Основные поражающие факторы, которые представляют главную опасность для наземных объектов, — ударная волна, световое излучение, вторичные поражающие факторы и радиоактивное заражение. Для некоторых объектов необходимо учитывать воздействие проникающей радиации и электромагнитного импульса ядерного взрыва. Расчет параметров проникающей радиации и некоторые сведения о радиационной стойкости материалов и элементов, применяемых в радио-, электро-, оптической и фотоаппаратуре, приведены в приложениях 3 и 5, а более полные данные в [7, 10]. Воздействие электромагнитного импульса в основном представляет опасность для предприятий, имеющих антенные устройства, большой протяженности линий связи и линии электропередач, а также электронные системы, методики оценки которых даны в [12, 13].

В качестве критериев оценки физической устойчивости приняты:

— при воздействии ударной волны — избыточные давления, при которых элементы производственного комплекса не разрушаются (не повреждаются) или получают такие повреждения или разрушения (слабые и средние разрушения), при которых они могут быть восстановлены в короткие сроки;

— при воздействии светового излучения — максимальные значения световых импульсов, при которых не происходит загорание материалов, сырья, оборудования, зданий и сооружений;

— при воздействии вторичных факторов поражения — избыточные давления, при которых происходящие разрушения и повреждения не приводят к авариям, пожарам, взрывам, затоплениям, опасному заражению местности и атмосферы, т. е. к поражению людей и выходу из строя средств производства.

Оценка физической устойчивости объекта производится последовательно по воздействию каждого поражающего фактора, а также вторичных факторов поражения. Эта оценка включает:

определение видов поражающих факторов, воздействие которых возможно на объект, и их параметров;

воздействие ударной волны на элементы объекта;

возможность возникновения пожаров;

воздействие вторичных поражающих факторов;

общие выводы (заключение) по физической устойчивости объекта к воздействию поражающих факторов возможного ядерного взрыва.

Определение физической устойчивости элементов объекта производится по избыточным давлениям во фронте ударной волны от 5кПа (0,05 кгс/см²) и кончая давлением, разрушающим данный элемент. Одновременно учитывается воздействие светового излучения и вторичных факторов поражения. Если имеются данные о предполагаемом виде, мощности, месте ядерного взрыва и метеорологических условиях, то параметры поражающих факторов могут быть рассчитаны. Пример такого расчета приведен в приложении 3.

Объекты в силу различного назначения, профиля и специализации отличаются друг от друга по конструкции зданий и сооружений, составу оборудования и технологической оснастке. Вместе с тем следует считать, что для всех промышленных объектов методика оценки устойчивости их работы при воздействии поражающих факторов ядерного взрыва может быть едина. Имеющиеся же особенности и различия в элементах производства каждого объекта должны учитываться при проведении конкретных расчетов.

Методика оценки воздействия ударной волны. Действие ударной волны на объект характеризуется сложным комплексом нагрузок: избыточным давлением, давлением отражения, давлением скоростного напора, давлением затекания, нагрузкой от сейсмовзрывных волн и т. д. Значение их зависит в основном от вида и мощности взрыва, расстояния до объекта, конструкции и размеров элементов объекта, ориентации относительно направления на взрыв, места расположения зданий и сооружений в общей застройке объекта и отдельных элементов производства в помещениях зданий, рельефа местности и некоторых других факторов. Учесть их в совокупности для каждого элемента объекта, как правило, невозможно. Поэтому сопротивляемость элементов действию ударной волны принято характеризовать избыточным давлением во фронте ударной волны. Иными словами, считают, что значения избыточных давлений, вызывающих одни и те же степени разрушения элементов, практически не зависят от мощности и высоты наиболее вероятных ядерных взрывов.

Определение степени разрушения или повреждения элементов объекта при воздействии ударной волны производится в следующем порядке:

1. Изучаются исходные данные и определяются параметры ударной волны.

2. Для установленных значений избыточных давлений оценивается степень разрушения рассматриваемых элементов.

3. Одновременно с непосредственным разрушающим действием ударной волны оценивается возможность возникновения вторичных факторов поражения.

4. По степени разрушения слабого элемента объекта определяется степень разрушения объекта в целом.

Исходными данными для оценки физической устойчивости являются: конструктивные особенности элемента, его форма; вес элемента (оборудования, прибора); габариты (длина, ширина, высота, диаметр и т. п.), прочностные характеристики и другие необходимые сведения для оценки сопротивляемости элемента воздействию механических нагрузок.

Оценка степени разрушений зданий и сооружений, защитных сооружений ГО, энергетического оборудования и сетей, станочного и технологического оборудования, измерительной аппаратуры, средств связи и оповещения, транспортных и других средств может производиться методами: сравнения имеющихся справочных данных для рассматриваемого вида или аналогичного ему элемента; расчета воздействия ударных нагрузок и сил смещения на элемент.

Метод расчета предусматривает определение динамических нагрузок, создаваемых избыточным давлением во фронте ударной волны, и реакцию элемента на эти нагрузки. Способы расчета параметров ударной волны были рассмотрены в гл. 2, некоторые инженерные методы расчетов воздействия динамических нагрузок ударной волны на отдельные конструкции приведены в приложении 4.

Сравнительная оценка сопротивляемости действию ударной волны элементов объекта проводится на основе анализа справочных данных. Возможные степени разрушения элементов объекта: зданий, сооружений и транспорта в зависимости от избыточного давления во фронте ударной волны приведены в табл. 26; оборудования, энергетических сооружений и сетей — в табл. 27. Они составлены по источникам иностранной литературы на основании статистических данных, полученных при анализе разрушений в городах Хиросима и Нагасаки, а также экспериментальных исследований [5,6, 13]. Справочные данные могут пополняться сведениями, полученными в результате расчетов при конструировании новых элементов.

Пример оценки физической устойчивости элементов объекта к воздействию ударной волны показан в табл. 28. Степень разрушений зданий, оборудования, трубопроводов, линий связи в зависимости от избыточного давления во фронте ударной волны оценивалась методом сравнения на основании данных, имеющихся в табл. 26, 27, степень разрушения блоков программных устройств к станкам — методом расчета: определялись возможные механические нагрузки, создаваемые ударной волной, и устанавливался характер повреждения блоков при воздействии этих нагрузок. В результате этих расчетов установлено, что блок программных устройств в цехе № 1 будет смещен со своего места и получит слабое разрушение при среднем избыточном давлении 11 кПа, будет опрокинут (свален) и получит среднее разрушение при 17 кПа (см. примеры расчета в приложении 4).

Из данных табл. 28 следует: здание цеха № 1 получит средние разрушения при избыточном давлении 35 кПа, слабые разрушения — при 25 кПа и не будет разрушено (кроме остекления) — до 20 кПа; тяжелое крановое оборудование — при 40, 25 и 20 кПа, станки — при 50, 33 и 25 кПа, блоки программных устройств к станкам— при 17, 11 и 8 кПа, трубопроводы на эстакаде — при 35, 25 и 20 кПа соответственно (для средних и слабых разрушений приведены средние значения избыточных давлений). Таким образом, наиболее уязвимым элементом цеха № 1, имеющим существенное значение для функционирования производства, являются блоки программных устройств к станкам.

На основании проведенной оценки могут быть установлены целесообразные пределы (уровень) повышения физической устойчивости уязвимых элементов. Таким уровнем для цеха № 1 является избыточное давление во фронте ударной волны 40 кПа (0,4 кгс/см²), при превышении которого возможно сильное разрушение здания цеха, а следовательно, и кранового оборудования, восстановление которого в военное время нецелесообразно.

В процессе оценки характера разрушения каждого элемента и цеха в целом определяют возможность образования вторичных факторов поражения, определяется степень разрушения цеха (объекта) в целом.

Оценка возможности возникновения пожаров на объекте. Возможность возникновения очагов воспламенения и горения устанавливается по данным возгораемости материалов; вторичным факторам поражения, вызванным воздействием ударной волны (разрушение печей, газопроводов, порывы и пробои электропроводки, кабелей и т. п.).

Данные по загораемости материалов и изделий от светового излучения при взрывах ядерных боеприпасов крупного калибра приведены в табл. 29 [5, 6, 13]. Для материалов и изделий, не указанных в таблице, световой импульс можно рассчитать по их температуре загорания (нагрева) [3, 13]:

Здесь ∆T — повышение температуры материала с освещенной стороны, °С; U? — количество светового излучения, которое поглощается единицей поверхности материала (тепловой импульс), кДж/м²; λ— коэффициент теплопроводности, кВт/(м-К); Cυ — удельная теплоемкость вещества, кДж/(м³-К); —время наступления наибольшей температуры огненного шара (с), где q — мощность взрыва, т; А — коэффициент поглощения световой энергии материалом; α — угол между направлением распространения света и перпендикуляром к освещенной поверхности.

Образование очагов пожаров и их развитие зависит также от степени огнестойкости зданий и сооружений и пожароопасности технологических процессов.

По пожарной опасности объекты в соответствии с характером технологического процесса подразделяют на пять категорий: А, Б, В, Г и Д. Объекты категории А: нефтеперерабатывающие заводы, химические предприятия, цеха фабрик искусственного волокна, склады бензина, цехи обработки и применения металлического натрия, калия и др. Объекты категории Б: цеха приготовления и транспортировки угольной пыли и древесной муки, размолочные отделения мельниц, цеха обработки синтетического каучука, изготовления сахарной пудры, склады кинопленки и др. Пожары на предприятиях категорий А и Б возможны при средних и даже слабых разрушениях; наиболее уязвимы на этих объектах воздушные коммуникации. Объекты категории В: лесопильные, деревообрабатывающие, столярные, модельные и лесотарные цеха, открытые склады масла, масляное хозяйство электростанций, цеха текстильного производства и др. Объекты категории Г: металлические производства, предприятия горячей обработки металла, термические и другие цеха, а также котельные. Объекты категории Д: предприятия по холодной обработке металлов и другие, связанные с хранением и переработкой несгораемых материалов. На объектах категорий В, Г и Д возникновение отдельных пожаров будет зависеть от степени огнестойкости зданий, образование сплошных пожаров — от плотности застройки.

Здания и сооружения по огнестойкости делятся на пять степеней: I—основные элементы выполнены из несгораемых материалов, а несущие конструкции обладают повышенной сопротивляемостью к воздействию огня; II— основные элементы выполнены из несгораемых материалов; III—с каменными стенами и деревянными оштукатуренными перегородками и перекрытиями; IV—оштукатуренные деревянные здания; V — деревянные неоштукатуренные строения.

Наиболее опасными являются здания и сооружения, выполненные из сгораемых материалов—III, IV и V степени огнестойкости. Ориентировочное время развития пожара до полного охвата его огнем: для зданий и сооружений I и II степени — не более 2 ч, зданий и сооружений III степени— не более 1,5 ч; для зданий и сооружений IV и V степеней не более 1 ч.

На развитие пожаров на объекте влияет также степень разрушения зданий, сооружений, технологических линий ударной волной. Отдельные и сплошные пожары возможны только на тех предприятиях, здания и сооружения которых получили в основном слабые и средние разрушения. Ориентировочно можно считать, что возникновение и развитие пожара (а не тления или горения в завалах) в зданиях I, II и III степеней огнестойкости возможно при избыточных давлениях до 30—50 кПа, а в зданиях IV и V степеней — при давлениях до 20 кПа.

Распространение пожаров и превращение их в сплошные пожары при прочих равных условиях определяется плотностью застройки территории объекта. О влиянии плотности размещения зданий на вероятность распространения пожара от здания к зданию можно судить по ориентировочным данным, приведенным в табл. 30.

Обычно быстрое распространение пожара возможно при следующих сочетаниях степени огнестойкости зданий и сооружений с плотностью застройки: для зданий I и II степени огнестойкости плотность застройки должна быть более 30%, для зданий III степени — более 20 % и для зданий IV и V степеней — более 10%. При указанных сочетаниях скорость распространения огня при скорости ветра—3—5 м/с (11—18 км/ч) будет составлять: в застройке II и III степени огнестойкости — 60—120 м/ч, IV и V степени—120—300 м/ч.

Пример оценки физической устойчивости цеха к воздействию светового излучения приведен в табл. 31. Таким образом, при оценке возможности возникновения пожаров изучают все здания и сооружения, производственные установки на территории объекта (цеха) и определяют места возможного загорания, а также последствия, возникающие от пожара с учетом характера производства.

По огнестойкости отдельных зданий и сооружений и характеру технологического процесса делается вывод о пожароустойчивости каждого цеха и объекта в целом и на его основе вырабатываются мероприятия по повышению пожарной безопасности объекта.

Оценка воздействия вторичных поражающих факторов. Решение конкретных задач по оценке последствий воздействия вторичных факторов поражения ядерного взрыва зависит от специфики производства и особенностей, свойственных каждому объекту в отдельности. В качестве основы принимаются выводы из анализа характера и степени разрушений элементов объекта по вариантам воздействия ударной волны ядерного взрыва. Например, для оценки характера и масштабов поражающего действия применяющихся в производстве СДЯВ необходимо знать не только условия содержания их на объекте и степень разрушения емкостей и коммуникаций, но и их объем, токсичность, плотность производственной застройки на объекте, качество защитных сооружений ГО и обеспеченность ими людей, наличие средств индивидуальной защиты и т. д. Оценка поражающего действия вторичных факторов производится в следующем порядке:

1. Определяются элементы объекта, при воздействии на которые ударной волны, светового излучения, а в некоторых случаях проникающей радиации и электромагнитного импульса могут произойти взрывы, пожары, заражение атмосферы и местности и т. д. Эти элементы объекта являются внутренними источниками вторичных факторов поражения.

2. Из анализа особенностей характера производства близрасположенных объектов или отдельных его цехов определяются внешние источники возможных вторичных факторов поражения.

3. Устанавливается вид (характер) вторичного фактора поражения (разрушения) от данного источника и радиус его действия.

4. Исходя из месторасположения и метеорологических условий определяются время начала действий (после взрыва) и продолжительность действия вторичного фактора на каждый цех объекта.

5. На основании анализа воздействия возможных вторичных факторов поражения разрабатываются мероприятия по предотвращению их образования или снижению эффекта их воздействия. Пример оценки внутренних и внешних источников вторичных факторов поражения, характера воздействия на объект и возможные меры по снижению ущерба приведены в табл. 32.

Общие выводы по оценке устойчивости элементов объекта к воздействию поражающих факторов ядерного взрыва делаются на основании определения комплексного воздействия ударной волны, светового излучения и вторичных поражающих факторов, а также радиоактивного- заражения на территории объекта.

1. Оценивается степень повреждения каждого элемента объекта для заданных (рассчитанных) избыточных давлений во фронте ударной волны с учетом воздействия светового излучения и вторичных факторов.

2. На основании оценки степени повреждения выявляются наиболее слабые места и по ним оценивается уровень устойчивости элементов объекта(цеха). Этот уровень устойчивости определяется по избыточным давлениям во фронте ударной волны, при которых:

а) производство не останавливается;

б) требуется остановка производства для выполнения текущего ремонта (слабые разрушения);

в) требуется остановка производства для выполнения капитального ремонта (средние разрушения).

Критическим считается избыточное давление, выдерживаемое в заданных условиях наиболее уязвимым (слабым) элементом объекта, который при воздействии поражающих факторов ядерного взрыва или вторичных факторов поражения раньше других теряет способность сопротивляться и выходит из строя, вызывая частичную или полную остановку производства.

Оценка физической устойчивости цехов производится на основании данных по воздействию ударной волны (табл. 28), светового излучения (табл. 31), ядерного взрыва и вторичных поражающих факторов (табл. 32). Пример обобщенных результатов оценки физической устойчивости цехов по слабому элементу для средней степени разрушения приведен в табл. 33, в графах указаны средние значения избыточных давлений, кПа. Из этих данных следует: при действии ударной волны с избыточным давлением 15 кПа (0,15 кгс/см²) и вторичных поражающих факторов производство объекта будет остановлено; для его восстановления требуется выполнение капитального ремонта технологического оборудования в гальваническом и сборочном цехах и на АТС (средние разрушения), в цехе № 1 необходимо провести текущий ремонт блоков станков с программными устройствами (слабые разрушения — см. табл. 28); здание сборочного цеха требует капитального ремонта (среднее разрушение), водородная станция будет разрушена взрывом, поэтому после восстановления объекта необходимо принять меры по обеспечению технологического процесса водородом. Световое излучение в приведенном примере для производственного процесса не представляет опасности, так как световой импульс составляет 160 кДж/м² (получен методом интерполяции расчетных данных приложения 3). Аналогично определяется уровень устойчивости каждого цеха и объекта в целом по слабым разрушениям наиболее уязвимых элементов, а также определяются параметры поражающих факторов, не представляющих опасности для объекта.

3. Для установленных уровней разрушения элементов объекта оценивается вероятный материальный ущерб производства по всем основным фондам: состояние зданий и сооружений и возможность их использования; устойчивость систем электроснабжения, подачи газа, пара и т.д.; возможные потери станочного, технологического и лабораторного оборудования и др. Пример такой оценки по возможным повреждениям (потерям) станочного и технологического оборудования приведен в табл. 34. Из анализа физической устойчивости сооружений следует: при избыточных давлениях 11 кПа — все цеха получат повреждения (разрушено остекление, повреждены дверные проемы) и могут быть использованы полностью; при 15 кПа — цеха № 1 и АТС также будут повреждены, гальванический цех получит слабые разрушения, сборочный цех — среднее разрушение и т.д.

Устойчивость работы объекта в условиях радиоактивного заражения в первую очередь зависит от степени поражения людей. Критерием устойчивости является максимальная допустимая доза излучения, которая не приводит к потере их работоспособности и заболеванию лучевой болезнью. Обеспечение производственной деятельности объекта в условиях радиоактивного заражения и разработка режимов защиты рабочих и служащих были рассмотрено в гл. 4.

Оценка устойчивости работы объекта в целом производится по:

— уровню устойчивости элементов объекта;

— обеспеченности производственного персонала защитой от оружия массового поражения;

— возможности материально-технического обеспечения производства при временном нарушении поставок;

— готовности объекта к выполнению восстановительных работ;

— обеспеченности надежного управления деятельностью объекта.

Степень обеспеченности рабочих и служащих защитой от оружия массового поражения оценивается процентом укрытия наибольшей работающей смены в убежищах, обеспечением средствами индивидуальной защиты, а также готовностью объекта к размещению и защите отдыхающих смен в загородной зоне.

Возможность материально-технического обеспечения производства оценивается временем (в сутках), в течение которого объект может проработать в условиях автономности.

Готовность объекта к выполнению восстановительных работ оценивается для случаев получения объектом слабых и средних разрушений; наличием вариантов плана восстановления объекта и практической обеспеченностью восстановительных работ материалами и рабочей силой .

Обеспеченность надежного управления деятельностью объекта оценивается наличием, качеством и готовностью пунктов управления и средств связи, а также разработкой порядка замещения руководящего состава объекта при потерях,