Взрывы конденсированных взрывчатых веществ, газо-, паро- и пылевоздушных смесей

Пожары и взрывы представляют собой явления, в результате которых исходное вещество переходит в качественно новое состояние. Схожесть этих процессов заключается в преобразовании энергии межмолекулярных и межатомных связей в энергии меньшего уровня, принимающие форму тепловой и кинетической, и об­разовании веществ, плотность которых гораздо меньше первоначальной.

Процессы, лежащие в основе пожаров, только химические, а в основе взрывов — и химические, обусловленные реакцией окисления, и физические. При этом для пожаров характерны только диффузионные реакции, а для взрывов газопаро­воздушных (ГПВС) и пылевоздушных смесей (ПЛВС) — только кинетические. Обычно под горением понимается самоускоряющееся быстрое химическое пре­вращение, сопровождающееся интенсивным выделением тепла и света. Это оп­ределение не универсально. Существует целый класс химических реакций, про­текающих с так называемым холодным пламенем и умеренной скоростью. Одна­ко холодное пламя возникает лишь в особых условиях и интересует нас лишь постольку, поскольку возможен его переход в обычное горячее пламя. Соот­ветственно, пламенем (горячим) называется газообразная среда, в которой ин­тенсивная химическая реакция приводит к свечению, выделению тепла и само- разогреву.

Горение — это быстрое окисление кислородом (содержащимся в воздухе или чистым) горючих веществ — угля, жидких нефтяных продуктов, газообразных углеводородов и т. д. Однако химические превращения, соответствующие горению, не ограничиваются процессами соединения с кислородом. В горючих смесях различают горючее и окислитель. Окислителем при горении могут быть также оксиды азота, галоиды, озон. Кроме того, известны процессы горения, в которых участвует только один исходный продукт, способный к быстрому распаду, например, ацетилен (C₂H₂), взрывчатые вещества, пороха.

Конденсированные взрывчатые вещества. Конденсированными взрывчатыми веществами (КВВ) являются химические соединения или смеси, находящиеся в твердом или жидком состоянии, которые под влиянием определенных внешних условий способны к быстрому самораспространяющемуся химическому превращению с образованием сильно нагретых и обладающих большим давлением га­зов, которые, расширяясь, производят механическую работу. Такое химическое превращение ВВ принято называть взрывчатым превращением.

Взрывчатое превращение в зависимости от свойств взрывчатого вещества и вида воздействия на него может протекать в виде взрыва или горения. Взрыв распро­страняется по взрывчатому веществу с большой переменной скоростью, изме­ряемой сотнями или тысячами метров в секунду. Процесс взрывчатого превращения, обусловленный прохождением ударной волны по взрывчатому веществу и протекающий с постоянной (для данного вещества при данном его состоянии) сверхзвуковой скоростью, называется детонацией. В случае снижения качеств ВВ (увлажнение, слеживание) или недостаточного начального импульса детонация может перейти в горение или совсем затухнуть — такая детонация называется неполной. Горение конденсированных взрывчатых веществ КВВ — это процесс взрывчатого превращения, обусловлен­ный передачей энергии от одного слоя взрывчатого вещества к другому путем теплопроводности и излучения тепла газообразными продуктами. Процесс го­рения ВВ (за исключением инициирующих веществ) протекает сравнительно медленно, со скоростями, не превышающими нескольких метров в секунду. Скорость горения в значительной степени зависит от внешних условий, и в первую очередь от давления в окружающем пространстве: с увеличением давления скорость горения возрастает, при этом в некоторых случаях горение может перейти во взрыв. Горение бризантных ВВ в замкнутом объеме, как правило, переходит в детонацию.

Возбуждение взрывчатого превращения ВВ называется инициированием. Для воз­буждения взрывчатого превращения ВВ требуется сообщить ему с определенной интенсивностью необходимое количество энергии (начальный импульс), кото­рая может быть передана одним из следующих способов:

□ механическим (удар, накол, трение);

□ тепловым (искра, пламя, нагревание);

□ электрическим (нагревание, искровой разряд);

□ химическим (реакции с интенсивным выделением тепла);

□ взрывом другого заряда ВВ (взрыв капсюля-детонатора или соседнего заряда).

Все ВВ, применяемые в производстве, делятся на три основные группы: иниции­рующие, бризантные, метательные (пороха).

Классификация ВВ

I Чрезвычайно опасные вещества. Нестабильны. Взрываются даже в самых ма­лых количествах

Трихлорид азота; некоторые органические пероксидные соединения; ацетиленид меди, образующийся при контакте ацетилена с медью или медесодержа­щим сплавом

II Первичные ВВ. Менее опасные вещества. Инициирующие соединения. Обла­дают очень высокой чувствительностью к удару и тепловому воздействию. Ис­пользуются в основном в капсюлях-детонаторах для возбуждения детонации в зарядах ВВ

Азид свинца, гремучая ртуть (фульманг ртути)

III Вторичные ВВ (бризантные ВВ). Возбуждение детонации в них происходит при воздействии достаточно сильной ударной волны. Последняя может созда­ваться в процессе их горения или с помощью детонатора. Как правило, ВВ этой группы сравнительно безопасны в обращении и могут храниться в тече­ние длительных промежутков времени

Динамиты, тротил, гексоген, октоген, центратил

IV Метательные ВВ, пороха. Чувствительность к удару очень мала, относительно медленно горят. Баллиститные пороха — смесь нитроцеллюлозы, нитроглице­рина и других технологических добавок

Загораются от пламени, искры или нагрева. На открытом воздухе быстро го­рят. В закрытом сосуде взрываются. На местах взрыва черного пороха, со­держащего азотнокислый калий, серу и древесный уголь в соотношениях 75:15:10, остается черный остаток, содержащий углерод

Смесевые твердые ракетные топлива — смесь перхлората аммония (или другого твердого окислителя) и органического связующего (например, полиуретана)

Приведенная существующая классификация ВВ является условной, так как поведение указанных веществ зависит от условий, в которых они находятся, и способов инициирования. Так, например, аммиачная селитра, используемая в качестве сельскохозяйственного удобрения и даже не относи­мая некоторыми специалистами к числу ВВ, проявляет себя как весьма сильное взрывчатое вещество, о чем свидетельствуют данные об авариях. Так в г. Людвигсгафен (Германия) в 1921 г. на территории компании BASF произошел гигант­ский взрыв аммиачной селитры массой 4500 т, в результате пострадало более 2000 человек, в том числе погиб 561 человек.

Взрывчатые вещества в зависимости от их природы и состояния обладают опре­деленными взрывчатыми характеристиками. Наиболее важными из них являются:

□ чувствительность к внешним воздействиям;

□ энергия (теплота) взрывчатого вещества;

□ скорость детонации;

□ бризантность;

□ фугасность (работоспособность).

Из-за высокой начальной плотности конденсированных ВВ при их детонации развиваются колоссальные давления — до 39 ГПа. Пылевоздушные смеси и особенности их горения. Некоторые промышленные производства сопровождаются образованием ПЛВС. Практически все взрывы ПЛВС происходят в ограниченном пространстве, тогда как взрывы газопаро­воздушных ГПВС могут происходить как в ограниченном, так и в неограниченном пространстве. Пыле­воздушную смесь иногда называют пылевым облаком, а взрыв ПЛВС — взрывом пылевого облака.

Механизм взрыва пыли аналогичен процессу окисления перемешанных ГПВС, когда окислителем выступает кислород воздуха. При этом процесс окисления протекает на поверхности твердых частиц пыли. Интенсивность горения ПЛВС зависит от размера частиц и содержания кислорода в системе. Мелкодисперсная пыль обладает большей активностью, более низкой температурой самовоспламе­нения и широким интервалом между нижним и верхним концентрационными пределами взрываемости. Если концентрация пыли в определенном объеме не­достаточна (то есть расстояние между отдельными частицами, находящимися во взвешенном состоянии, велико), то перенос пламени от частицы к частице не­возможен, и, значит, взрыв не произойдет. Чрезмерно большое количество пыли также препятствует взрыву, так как в этом случае слишком мало кислорода для сгорания пыли. Уровень опасности пыли, так же, как и ГПВС, характеризует­ся следующими основными показателями:

□ концентрационными пределами воспламенения;

□ объемной плотностью энерговыделения;

□ максимальным давлением, возникающим при воспламенении;

□ скоростью распространения пламени;

□ временем нарастания давления при взрыве;

□ максимально допустимым содержанием кислорода в смеси пыли с воздухом, при котором пыль не воспламеняется.

Взрывоопасные ПЛВС могут возникать спонтанно, например, при встряхивании осевшей пыли. В замкнутом объеме технологического аппарата начавшееся горе­ние и распространение пламени в ПЛВС приводит к быстро нарастающему повышению давления, что может вызвать разрыв аппарата, а затем и взрыв в по­мещении. Так как в условиях производства довольно сложно создать высокие концентрации пыли, то возможности взрывов ПЛВС оценивают по нижнему кон­центрационному пределу распространения пламени и смеси.

Под максимальным давлением взрыва ПЛВС понимается наибольшее давление, возникающее при дефлаграционном горении в замкнутом объеме при начальном атмосферном давлении. Максимальное давление взрывов различных ПЛВС составляет от 700 до 1200 кПа, то есть может превышать атмосферное давле­ние в 7-12 раз.

Особенности физического взрыва. Физические взрывы, как правило, связыва­ют со взрывами сосудов от давления паров и газов. Их основной причиной явля­ется не химическая реакция, а физический процесс, обусловленный высвобожде­нием внутренней энергии сжатого или сжиженного газа. Сила таких взрывов зависит от внутреннего давления, а разрушения вызывают ударная волна от расширяющегося газа или осколки разорвавшегося сосуда. Физический взрыв может произойти в случае, например, падения переносного баллона с газом под давлением и срыва вентиля, понижающего давление. Давление сжиженного газа редко превышает 40 бар (критическое давление большинства обычных сжи­женных газов).

К физическим взрывам относится также явление так называемой физической де­тонации. Оно возникает при смешении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения дру­гой (например, при выливании расплавленного металла в воду). Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным дав­лением в жидкой фазе, достигающим в некоторых случаях более 1000 атм. Этот процесс наблюдается в производстве при взаимодействии, например, расплав­ленного алюминия с водой (при аварии на атомном реакторе), контакте с водой расплавленной стали (в литейном цехе) или расплаве солей (Na₂CO₃ и Na₂S) — при производстве бумаги.

Взрыв вулкана Каракатау в 1883 г. — пример физической детонации, так как он возник в результате взаимодействия расплавленной лавы с водой. Гул взрыва был слышен на расстоянии 5000 км в течение четырех часов после события. Многие жидкости хранятся или используются в условиях, когда давление их па­ров значительно превышает атмосферное. К числу таких жидкостей относятся сжиженные горючие газы (например, пропан, бутан), сжиженные хладагенты — аммиак или фреон (хранимые при комнатной температуре), метан, который дол­жен храниться при пониженной температуре, перегретая вода в паровых котлах. Если емкость с перегретой жидкостью повреждается, то происходит истечение пара в окружающее пространство и быстрое частичное испарение жидкости. При быстром расширении и истечении пара в окружающей среде генерируются взрывные волны.

Причинами взрывов сосудов с газами и парами под давлением являются:

□ нарушение целостности корпуса из-за поломки какого-либо узла, поврежде­ния или коррозии при неправильной эксплуатации;

□ перегрев сосуда из-за нарушений в электрообогреве или режиме работы топоч­ного устройства. В этом случае давление внутри сосуда повышается, а прочность корпуса понижается до состояния, при котором происходит его повреждение. Реальные взрывы сосудов будут менее интенсивными, чем расчетные, так как пластичность материала обусловливает более медленный разрыв сосуда;

□ превышение допустимого давления. Например, крупный паровой котел об­щего назначения может взорваться, если внутреннее давление повысится на 10-15 кПа. Повышение давления может произойти вследствие утечки пара в топку, вызванной повреждением трубы или водяного коллектора. Эти быст­ро протекающие аварийные процессы делают невозможным сброс избыточ­ного давления в котле.

Взрывы газовых емкостей с последующим горением в атмосфере имеют те же причины, что и физические взрывы. Основное различие заключается в образовании в данном случае огненного шара, размер которого зависит от количества выброшенного в атмосферу газообразного горючего. Оно, в свою очередь, зави­сит от физического состояния, в котором находится газ в емкости. Количество газообразного горючего намного меньше, чем сжиженного, содержащегося в той же емкости.

Таким образом, пожары являются результатом химических экзотермических ре­акций, а взрывы — физических превращений, они образуют зоны, в которых действуют опасные факторы. Определить параметры опасных зон для интересую­щего объекта — значит оценить опасность. Учесть эту опасность, удалить объект из опасной зоны, уменьшить ее размеры либо повысить защитные свойства объ­екта — значит решить проблему его безопасности.