книги / Основы технологической безопасности производств энергонасыщенных материалов и изделий

идет о веществах одной природы. Температура вспышки нитроцеллюлозных порохов определяется термической стойкостью нитроцеллюлозы и нитроэфира. Поскольку температура интенсивного разложения компонентов смесевых ТРТ (связующих каучуков и ПХА) находится на уровне 200–300 °C, то и температура вспышки СТРТ составляет 200–300 °C.

Пороха и топлива по чувствительности к тепловому импульсу можно расположить в ряд: ПП > БП > СТРТ > ДП > ВВ.

Температуры вспышки важнейших ЭКМ приведены в табл. 12.

Температура вспышки является одним из основных показателей, по которым определяется пожароопасность ЭКМ.

Для расчета критических параметров теплового взрыва зарядов РДТТ в настоящее время используется следующий алгоритм. Критическими параметрами называют наименьшую температуру заряда Ткр, при которой возможно его тепловое самовоспламенение, и время до воспламенения τкр.

В качестве математической модели процесса теплового самовоспламенения используют уравнение теплового баланса

101

где g – количество тепла, накапливающееся в локальной облас-

ти исследуемой системы, g = ρc(T ) ∂T

∂t

образующееся в данной локальной области исследуемой систе-

мы за счет экзотермических реакций разложения, gвх = Q dη ; dt

gисх – дивергенция (расходимость) вектора потока тепла, обусловленная взаимодействием данной локальной области с окружающими локальными областями системы и окружающей средой, gисх = divλgradT.

Поскольку заряды, как правило, имеют форму цилиндра, уравнение теплопроводности для одномерного потока тепла в зарядеудобно представитьвцилиндрическихкоординатахкак

Таким образом, математическая модель процесса теплового самовоспламенения (системообразующее отношение) представляет собой дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка параболического типа, где Q – тепловой эффект термического разложения; η – глубина термического разложения (0 < η < 1); dη/dt – скорость реакции термического разложения; c (T) – теплоемкость; λ (T) – коэффициент теплопроводности; ρ – плотность топлива.

Любое из дифференциальных уравнений переноса, которое мы хотим использовать в качестве модели, является математической моделью целого класса явлений, т.е. оно в математической форме отражает всю совокупность явлений, характеризуемых одинаковым механизмом процессов. Чтобы получить из множества возможных решений данного уравнения одно частное решение, надо знать все конкретные особенности данного явления.

102

Конкретное явление характеризуется следующими индивидуальнымипризнаками, выделяющимиегоизцелогоклассаявлений.

1.Любая рассматриваемая система имеет определенные размеры и форму, поэтому в условия однозначности обязательно должны входить геометрические свойства системы (параметр формы, размеры).

2.Тела, составляющие данную систему, обладают определенными физическими свойствами. Поэтому для определения данного явления необходимо задать все физические свойства тел,

существенные для данного процесса: Q, η, dη/dt, c(T), λ(T), ρ.

3.Условия однозначности должны включать в себя временные условия, характеризующие состояние системы в исходный (начальный) момент времени.

4.Для того чтобы охарактеризовать полностью конкретное явление, необходимо еще знать условия на границах системы.

определяет единичное явление, т.е. является математической моделью конкретного теплового процесса.

Решение модели позволяет получить полную картину распределения температуры в теле или системе тел, проследить изменение температурных профилей во времени и на этой основе дать детальный анализ кинетики и динамики процесса развития теплового взрыва. В настоящее время разработано большое количество прикладных программ, позволяющих производить расчет распределения температуры в заряде или любом другом теле для различных условий его производства, хранения и эксплуатации.

На рис. 3 приведены результаты расчета критических параметров теплового взрыва в цилиндрическом заряде диаметром

100мм из пороха АПЦ–235: ρ = 1620 кг/м3; λ = 0,32 Вт/ (м·°C);

с= 1,64 Дж/(кг·°C); Q = 5099 кДж/кг (dη/ dt = 0,35 1011 e−113890/ RT ×

×(1− η)(0,05 + η) .

103

3.4.3. Статическое электричество как причина возникновения начального очага загорания

Под статическим электричеством (СЭ) принято понимать электрические заряды, находящиеся в состоянии относительного покоя, распределенные на поверхности или в объеме диэлектрика, или на поверхности изолированного проводника. Перемещение зарядов СЭ в пространстве обычно происходит вместе с наэлектризованными телами.

По физико-химическому строению все вещества электрически нейтральны, т.е. обладают равным количеством положительных и отрицательных зарядов. Тело является наэлектризованным, если содержит избыток зарядов того или иного знака. Процесс электризации заключается в том, что одно тело приобретает или отдает другому электрические заряды преимущественно одного знака. Обмен зарядами между взаимодействующими телами происходит на границе их соприкосновения (или вблизи ее) за счет физико-химических процессов. Два электрически нейтральных тела, приведенные в соприкосновение, после разрыва контакта между ними могут оказаться наэлектризованными зарядами противоположного знака. Мерой электризации является количество электрических зарядов, перешедших с одного тела на другое в ходе их взаимодействия.

Наиболее ярко способность к электризации проявляется на диэлектрических материалах. Идеальных диэлектриков, совершенно не проводящих электрический ток, в природе не существует, поэтому проводимость любого диэлектрика не равна нулю. Следовательно, даже самый лучший диэлектрик способен рассеивать заряды, сообщенные ему в результате электризации, однако процесс этот происходитзначительно медленнее, чему проводников.

Электрические свойства диэлектрика характеризуются объемным сопротивлением ρ(Ом·м) или удельной объемной электропроводностью, т.е. способностью единицы объема материала проводить электрический ток. Кроме объемной электропроводно-

105

сти, большое значение для электризации имеет поверхностная электропроводность материала. Поверхностная электропроводность может быть существенно выше объемной зa счет наличия на поверхности диэлектрика всякого рода загрязнений, пленки влаги с рacтворенными в ней различными веществами и т.п., что способствует увеличению токов утечки. На величину поверхностной электропроводности иногда большое влияние оказывает температура и влажность окружающего воздуха. Поверхностная электропроводность часто играет определяющую роль, как в самом процессе электризации, так и в ходе рассеивания зарядов СЭ.

Мерой электризации является количество электрического заряда, перешедшего с одного тела на другое в процессе их взаимодействия. Плотность каждого из зарядов СЭ при этом будет меньше плотности зарядов разрушенного двойного слоя. Происходит это вследствие того, что в момент разделения двух поверхностей в результате деформации электрического поля двойного слоя происходит значительное возрастание напряженности поля в месте отрыва. Под действием этого поля заряды стремятся соединиться, нейтрализуя друг друга, но этот процесс ограничивается электропроводностью материалов.

У проводящих материалов заряды под действием силы поля движутся свободно и при разделении поверхностей практически полностью нейтрализуются. У диэлектриков, обладающих низкой электропроводностью, большая часть зарядов двойного слоя остается на разделяемых поверхностях.

Если заряд значителен по величине, то электрическое поле в образующемся между разделяемыми телами воздушном промежутке, возрастая, может достигнуть значений, при которых начинается развитие газового разряда. В этом случае за счет ионизации воздуха электрическим полем в воздушном промежутке появляются дополнительные положительные и отрицательные носители зарядов, которые под действием сил поля оседают на разделяемых поверхностях, частично их нейтрализуя, что проявляется в виде голубоватого свечения, искрения и потрескива-

106

ния. Чем выше скорость разделения взаимодействующих поверхностей и меньше их электропроводность, тем меньшая часть зарядов нейтрализуется. При быстром разделении непроводящих тел максимальная величина заряда СЭ ограничивается электрической прочностью воздуха. Плоская поверхность, таким образом, может нести заряд 26,5 мкКл/м2. Практически за счет малого числа контактных точек, утечки зарядов из-за проводимости и газового разряда наибольшая плотность заряда СЭ обычно составляет порядка 10 мкКл/м2.

Электризация твердых тел становится заметной, если удельное электрическое сопротивление материала превышает 1·108 Ом·м. Поскольку большинство ЭКМ по своей природе относятся либо к полупроводникам, либо к диэлектрикам (табл. 13), т.е. веществам, способным к статической электризации, то вопросы условий их воспламенения в результате разряда статического электричества являются принципиально важными с точки зрения обеспечения безопасности их переработки и использования.

В современном производстве ЭКМ существует ряд технологических операций, при которых наблюдается электризация перерабатываемых веществ. В первую очередь это операции, связанные с обработкой и транспортированием дисперсных материалов: просеивание, сушка в кипящем слое, пневмовакуум-

107

транспортирование и т.п. Поскольку большинство сыпучих материалов, применяемых в производстве ЭКМ, обладают низкой электропроводностью, то они способны электризоваться, что

вряде случаев может нарушить ход технологических операций, например, в результате налипания материала на стенки оборудования, а при определенных условиях создает угрозу возникновения пожара и взрыва за счет разрядов СЭ.

Для того чтобы оценить степень опасности электрических разрядов, которые могут возникнуть в той или иной горючей среде, необходимо знать, какова же энергия электрического разряда, который может воспламенить эту среду. Тот факт, что такой высокотемпературный источник воспламенения, как электрическая искра, температура которой превышает 10 000 К, не всегда вызывает устойчивое распространение фронта пламени после окончания разряда, объясняется тем, что для воспламенения необходимо создать условия, аналогичные горению во фронте пламени. Другими словами, необходимо прогреть до температуры горения объем, характерный размер которого в несколько раз больше характерной ширины зоны ламинарного пламени. В этом случае близлежащие слои горючей среды успевают воспламениться прежде, чем нагретый искрой объем остынет.

Ксожалению, теории, позволяющей достаточно точно количественно рассчитать минимальную энергию зажигания (МЭЗ) для конкретной среды, в настоящее время не существует, поэтому определение МЭЗ производится экспериментально.

Для определения минимальной энергии зажигания твердых, пастообразных и жидких веществ используются установки,

вкоторых электрический разряд происходит непосредственно над поверхностью испытуемого образца. При этом энергия разряда рассчитывается по известной формуле

W = CU2/2,

где W – энергия разряда, Дж; С – электрическая емкость, Ф; U – электрический потенциал, В.

108

Фактические значения минимальной энергии зажигания для различных ЭКМ, а также для других материалов, используемых в производстве, представлены в табл. 14. Следует отметить, что некоторые твердые ЭКМ, имеющие высокую скорость горения, обладают низкими значениями МЭЗ (<10 мДж).

Таблица 1 4

Примеры минимальной энергии зажигания горючих сред, встречающихся в производстве ЭКМ

На практике возможны три источника статического электричества:

1)разряды с заряженных диэлектрических материалов; могут представлять опасность для сред с МЭЗ менее 4–5 мДж;

2)разряд с тела человека (среди других видов разрядов СЭ чаще всего является причиной пожаров и взрывов) опасен для сред с МЭЗ менее 50 мДж;

3)разряд с незаземленных электропроводных элементов оборудования; в принципе представляет опасность для сред

слюбой МЭЗ.

Разряд СЭ может стать источником воспламенения при соблюдении следующих четырех условий:

1)существование источника электрических зарядов;

2)накопление зарядов на контактирующих поверхностях; заряды создают электрическое поле с напряженностью, достаточной для возникновения электрического разряда;

109

3)энергия разрядов должна быть достаточной для воспламенения горючей смеси;

4)горючая смесь должна иметь концентрацию, при которой возможно ее воспламенение.

Отсутствие хотя бы одного из указанных условий делает невозможным возникновение взрыва или пожара из-за разряда СЭ. На этомпринципеи основаны общиеметодызащиты.

Основными способами обеспечения электростатической безопасности являются:

♦заземление проводящих элементов оборудования;

♦увеличение объемной и поверхностной проводимости диэлектриков;

♦использование нейтрализаторов;

♦подбор контактных пар;

♦снижение скорости и корректировка технологического процесса (исключение разбрызгивания, барботирования, перемешивания жидкости и сыпучего материала и т.п.);

♦проведение технологических процессов в средах, в которыхразряд статического электричестванепредставляетопасности.

3.4.4. Детонация через влияние

При детонации нескольких зарядов ЭКМ второй заряд может взорваться не только при его расположении впритык к первому, но и тогда, когда он находится от него на некотором расстоянии. Такая передача детонации называется дето-

нацией через влияние; первый заряд называют активным за-

рядом, а расположенный на некотором расстоянии от перво-

го – пассивным.

Расстояние, на которое передается детонация, зависит от ряда факторов, из которых отметим главные.

1. Бризантность, величина, расположение и форма активного заряда. ТЭН и гексоген передают детонацию на большее расстояние, чем менее бризантные – тротил или пикриновая ки-

110