Промышленные конденсированные взрывчатые вещества

Взрывчатыми веществами являются химические соединения или смеси веществ, способные к быстрой химической реакции, сопровождающейся выделением большого количества тепла и образованием газов под высоким давлением, которые расширяясь, производят ту или иную механическую работу.

В промышленности в качестве взрывчатых веществ и компонентов взрывчатых смесей применяют нитросоединения: тротил (ТНТ – тринитротолуол, тол), тетрил, гексоген, октоген, ТЭН – тетранитропентаэритрит (нитроэфир), нитроклетчатка и др., а также соли азотной кислоты, особенно нитрат аммония (аммиачная селитра). Их называют конденсированные взрывчатые вещества (КВВ) или обычные взрывчатые вещества (ВВ).

Эти вещества обычно применяют в виде смесей, одним из основных компонентов которых является аммиачная селитра. Смеси селитры с горючим (соляровое масло) называют динамонами; с тротилом – амматолами; с гексогеном и тротилом – скальными аммонитами; с порошкообразным алюминием, гексогеном и тротилом – скальными аммоналами. Для уменьшения чувствительности и опасности в обращении взрывчатые вещества смешивают с парафином, церезином и другими легкоплавкими добавками (процесс флегматизации ВВ).

Аммиачная селитра, широко применяемая в сельском хозяйстве в качестве минерального удобрения, при длительном хранении и определенных условиях способна к детонации. Так, например, в 1921 г. в г. Оппау (Германия) взорвался открытый склад, на котором хранилось около 4000 тонн аммиачной селитры. В результате взрыва погибло 1100 человек, ранено 1500 человек и повреждены строения в радиусе до 7 км.

По взрывчатым свойствам (условиям перехода горения в детонацию) и обусловленным ими областям применения, КВВ подразделяются на инициирующие (первичные), бризантные (вторичные) и метательные (пиротехнические или пороха).

Инициирующие ВВ – азид свинца, гремучая ртуть, тетразен и др., характеризуются высокой скоростью взрывного превращения. Чувствительны к удару, трению, поджиганию. Горят неустойчиво, с быстрым переходом в детонацию. Используют их для возбуждения детонации вторичных (менее чувствительных) ВВ в капсюлях-детонаторах.

Бризантные ВВ (франц. briser – дробить, разламывать) – более инертны, не детонируют от простых начальных импульсов, как искра, луч пламени. К ним относят конденсированные ВВ. Основной режим их взрывного превращения – детонация со скоростью распространения 6000-9000 м/с, возбуждаемая не-большим зарядом инициирующего ВВ. Бризантные ВВ применяют для взрывных работ и в военном деле.

Метательные ВВ (пороха) не детонируют при горении, которое является основным режимом взрывного превращения. Их отличие от бризантных ВВ определяется не химическим составом, а физической структурой этих веществ (плотностью и прочностью заряда). Метательные свойства таких ВВ характеризуются скоростью и объемом продуктов горения.

Метательные ВВ применяют в качестве пороховых зарядов артил-лерийских и минометных выстрелов, патронов для стрелкового и охотничьего оружия, твердотопливных ракетных двигателей и др.

Объемные взрывы

К классу объемных взрывов относят углеводородные продукты (УВП) – бутан, пропан, метан, этан, этилен и др., а также ряд химических соединений, относящихся к группе опасных химических веществ (ОХВ), которые при авариях (утечке) с выбросом их в атмосферу, испаряются, и в смеси с кислородом воздуха образуют газопаровоздушные смеси способные к взрыву.

Объемные взрывы представляют собой газо-фазовые реакции, сопровож-дающиеся окислительно-восстановительными процессами между кислородом воздуха и воспламеняющимися молекулами газа, когда концентрация веществ достигает критического значения и находится между нижним ( ) и верхним ( ) концентрационными пределами детонации.

Детонационную волну в газовых смесях представляют как ударную волну, сопровождаемую волной горения. В отличие от дефлаграционного, данный процесс связан с разогревом газа ударной волной до температуры, обеспе-чивающей высокую скорость реакции (2000-3000 м/с) и распространение пламе-ни, соизмеримую со скоростью ударной волны.

Давление на фронте детонационной волны в газовых смесях может достигать 2 МПа, а при взаимодействии её с конструкциями в помещениях, вследствие многократных отражений, может повышаться до 10 МПа.

Сформировавшееся при быстром испарении сферическое облако ГПВС считают неизменным в течении всего периода распространения фронта детонационной волны до внешней границы облака, схематично представленной на рис. 5 полусферой с радиусом R₁ и центром на поверхности грунта, совмещенным с источником инициирования.

При выходе за пределы границы облака расширяющие её продукты детонации возбуждают воздушную ударную волну, которая распространяется вдоль поверхности земли со сверхзвуковой скоростью.

В реальных условиях может образоваться несферическое облако ГПВС. Пропан, пропилен, бутадиен и другие газы с плотностью, превышающей плотность воздуха, образуют при испарении сплюснутое облако. При непре-рывном истечении продукта и действии ветра облако становится сильно вытянутым, что может привести к значительному снижению давления взрыва по сравнению со взрывом сферического облака ГПВС.

Поражающими действиями объемного взрыва являются мощная воздушная ударная волна, сильное температурное воздействие (тепловое поле), а также токсическое воздействие газа и продуктов его сгорания.

При анализе случайных взрывов после массовой утечки газов установлено, что существует порог массы пролития, ниже которого взрыв не может вызвать разрушений. Так, при разливе 100-2000 кг разрушения возникают лишь для метана, этилена, водорода, смеси водорода с окисью углерода. Для других горючих веществ разрушения наблюдаются при разливах более 2000 кг.

Если сравнивать поражающую (разрушительную) способность взрыва облака ГПВС и взрыва обычного конденсированного ВВ, можно сделать следующие выводы:

· энергия, выделяющаяся в результате сгорания УВП, более чем в 10 раз превышает энергию взрыва обычных конденсированных ВВ (удельная тепловая энергия горения ГПВС составляет 46-50 МДж/кг, а тротила – 4,2 МДж/кг). По энергии взрыва 1 тонна УВП соответствует 2,5-3 тоннам тротила.

· максимальное избыточное давление взрыва облака ГПВС не превышает 2МПа, в то время, как максимальное избыточное давление конденсированного ВВ вблизи центра взрыва может достигать 20-50 ГПа.

· продолжительность действия ударной волны взрыва облака ГПВС составляет несколько сотен миллисекунд (мс), а конденсированных ВВ составляет десятые доли миллисекунд.

На практике степень разрушения элементов техносферы и поражения людей при взрывах газопаровоздушных смесей (объемных взрывов) оценивается в тротиловом эквиваленте, т.е. в указании того, какое количество тротила может вызывать эквивалентное разрушение или поражение людей.

В этом случае массу горючих газов, исходя из тротилового эквивалента определяют по формуле:

, т, (2.1а)

где: – тротиловый эквивалент газовоздушной смеси, т; 0,9 – доля энергии взрыва тротила, идущая непосредственно на формирование воздушной ударной волны; 0,4 – доля парогазовой среды (энергии), формирующая воздушную ударную волну; – теплота сгорания парогазовой среды (см. приложение 2) МДж/кг; – теплота взрыва тротила (см. приложение 1), МДж/кг; Z=0,5 – доля массы парогазовой среды, учавствующей во взрыве; – масса газовоздушной смеси, т.

По величине и формуле (3.12) можно определить давление на фронте воздушной ударной волны на любом расстоянии R>R₂ (за пределами зоны действия продуктов взрыва, §3.4.1) и другие параметры.

По степени разрушения здания (приложение ) и расстоянию от центра взрыва реально возможный тротиловый эквивалент взрыва каких-либо КВВ и ГВС определяют по формуле:

, кг (2.1б)

где: R – расстояние от центра взрыва до рассматриваемого здания (радиус зоны разрушения), м; k – коэффициент, учитывающий степень разрушения здания: k=3,8 – полное разрушение здания; k=5,6–50% разрушение здания, которое подлежит сносу; k=9,6 – средие повреждения без обрушения, возможно воостановление; k=28 – умеренное (слабое) разрушение здания с разрушением дверей, оконных переплетов, кровли, внутренних перегородок; k=56 – малые повреждения с разрушением 90% остекления; k>56 (при DР_ф=0,2 кПа) – разрушено 50% остекления; k>56 (при DР_ф=0,05кПа) разрушено 5% остекления.

По формулам 2.1, 3.1 определяют вес конкретного конденсированого ВВ, а по формуле 2.1а - вес газовоздушной смеси.

Таким образом, ударная волна взрыва облака ГПВС обладает большим импульсом при одинаковом избыточном давлении и, следовательно, может оказывать большее разрушающее действие.

Пылевоздушные смеси

Взрывы пыли (пылевоздушных смесей – аэрозолей) представляют одну из опасностей химических производств и происходят обычно в ограниченном пространстве: в помещениях, зданиях, внутри различного оборудования, штольнях шахт.

Наибольшее количество взрывов пылевоздушных смесей происходит в мукомольном, сахарном, текстильном производствах, а также при изготовлении пластмассы, лекарственных препаратов, на установках дробления топлива (угольная пыль).

Взрывы пыли, в основном, происходят по дефлаграционному процессу (взрывное горение) при нижнем концентрационном пределе горения. Переход к детонации возможен в длинных штольнях шахт, на конвейерных линиях большой протяженности за счет турбулизации пыли.

Максимальное избыточное давление (DР_а) взрыва аэрозоля в помещениях зданий определяется по формуле:

, (МПа), (2.2)

где: – общая масса дисперсного продукта, кг; – удельная теплота сгорания ве-щества, кДж/кг; – свободный объем (помещения, емкости), м³; – начальное давле-ние в объеме, МПа; – плотность воздуха, равная 1,293 кг/м³ при нормальном давлении; – температура воздуха в объеме, ºК; – теплоемкость воздуха, равная Дж/кг׺К; – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и не-адиабатность процесса горения (для герметичных помещений k_н=1, для большинства зданий k_н=3); Z – доля участия дисперсного продукта взрыва (как правило, Z=0,5, с учетом запаса Z=1).

Параметры пылевых взрывов различных веществ показаны в приложении 17.