книги / Основы технологической безопасности производств энергонасыщенных материалов и изделий

слота. Плотно спрессованное взрывчатое вещество передает детонацию дальше, чем то же вещество, но менее плотное. В направлении распространения детонации действие больше, чем в обратном или боковом. Дальность передачи детонации растет

сувеличением веса активного заряда.

2.Чувствительность к детонации и плотность пассивного заряда. Вещества, более чувствительные к детонации, детонируют при большем расстоянии от активного заряда, чем менее чувствительные. Так как при увеличении плотности чувствительность к детонации, как правило, уменьшается, то при увеличении плотности пассивного заряда дальность передачи детонации через влияние также уменьшается. Вообще все факторы, изменяющие чувствительность пассивного заряда к детонации, изменяют дальность передачи детонации через влияние.

3.Общая оболочка. Дальность передачи увеличивается при включении зарядов в общую оболочку, например, в трубу.

4.Характер среды, разделяющей заряды. Лучше всего детонация передается через воздух, хуже через воду, еще хуже через глину и хуже всего через сталь и порошкообразную среду, например, рыхлуюземлю, песокит.д.

Для проверки надежности передачи детонации от патрона к патрону определяют максимальное расстояние между двумя патронами, при котором еще происходит передача детонации.

Описанные виды начального импульса, за исключением взрывного, носят название простого начального импульса. Сюда относятся луч пламени, искра, удар, трение и др.

Во многих случаях наблюдается отсутствие эквивалентности между различными видами начального импульса. Так, например, дымный порох более чувствителен к лучу огня, чем некоторые ароматические нитросоединения, но менее чувствителен к удару. Азид свинца более чувствителен, чем тринитрорезорцинат свинца к механическим воздействиям, но менее чувствителен к тепловым.

111

3.4.5. Факторы, влияющие на чувствительность ЭКМ

Физическая структура и плотность ЭКМ. Влияние физи-

ческой структуры на чувствительность к детонации наглядно видноу пироксилинаивзрывчатых смесей ствердымиокислителями.

Прессованный пироксилин легко детонирует от капсюлядетонатора; но сплошной заряд из желатинированного пироксилина очень малочувствителен к детонации. Равным образом трудно возбудить детонацию заряда, состоящего из крупных пороховых элементов – лент, трубок и т.д.; заряд из этого же пороха, но достаточноизмельченного, легкодетонирует откапсюля-детонатора.

При повышении плотности аммиачно-селитренных ВВ их чувствительность к детонации уменьшается; начиная с некоторой величины плотности заряда, чувствительность понижается настолько, что детонация может быть вызвана только мощным детонатором.

Имеющиеся данные не позволяют пока установить единую, пригодную для всех ЭКМ количественную характеристику влияния структуры вещества и плотности на чувствительность. Как более или менее общую качественную характеристику можно указать, что увеличение плотности и переход от пористой структуры к сплошной снижают чувствительность ЭКМ, хотя и не в одинаковой мере для разных видов начального импульса.

Наряду с описанными физическими факторами на чувствительность ЭКМ влияет также его химическое строение. Чувствительность азотнокислых эфиров спиртов и углеводов возрастает

сувеличением числа нитратных групп в молекуле эфира.

Вслучае нитросоединения чувствительность к механическим воздействиям и к детонации тем выше, чем больше число нитрогрупп в молекуле. Например, мононитрофенол не взрывается от двухграммового капсюля-детонатора, а для взрыва тринитрофенола достаточно капсюля с 0,3 г гремучей ртути. В том же направлении увеличивается чувствительность к механическому и тепловому начальным импульсам.

112

Форма и размеры кристаллов. Для некоторых взрывча-

тых веществ (например, азида свинца, гремучей ртути) установлено заметное различие чувствительности различных кристаллических форм.

Азид свинца был получен в двух кристаллических формах – короткостолбчатой и игольчатой. Обыкновенный азид свинца имеет короткостолбчатую форму. Он менее чувствителен к удару и другим видам внешнего воздействия, чем кристаллы игольчатой формы. Образование крупных кристаллов игольчатой формы сопровождается иногда самопроизвольными взрывами.

Температура заряда. С повышением температуры вещества увеличивается число активных молекул, соответственно уменьшается количество энергии, необходимой для возбуждения взрывного превращения. Поэтому повышение температуры взрывчатого вещества увеличивает его чувствительность.

Нитроглицерин взрывается в определенных условиях, если работа удара составляет 1,962 Дж/см2 при температуре 16 °С или 0,981 Дж/см2 при температуре 94 °С. При температуре 182 °С нитроглицерин взрывается уже от ничтожного толчка. Целлулоид при обыкновенной температуре нечувствителен, а при 160–180 °С взрывается от удара.

Примеси и добавки. Примеси влияют на чувствительность ЭКМ к механическим воздействиям. Частицы с высокой температурой плавления, твердость которых больше твердости ЭКМ (например, песок, стекло, металлические порошки), повышают чувствительность к механическим воздействиям. Так, динитронафталин без примеси песка не взрывается при ударе грузом массой 2 кг, падающим с высоты 2 м; с добавкой 10 % песка он дает частичные взрывы уже при падении груза с высоты 70 см. Чувствительность тротила к удару сильно возрастает уже при незначительных примесях песка. Причиной повышения чувствительности в этих случаях является разогрев при трении песчинок о металл ударника и наковальни или друг о друга.

По данным Боудена, наряду с твердостью существенную роль играет также температура плавления частиц примеси. При-

113

месь повышает чувствительность только в том случае, если температура ее плавления выше некоторого минимума (400–500 °С).

В противоположном направлении действуют добавки легкоплавких веществ, покрывающих кристаллы ВВ тонкой пленкой. На нагрев и расплавление этих добавок расходуется часть теплоты участков разогрева, возникших при механическом воздействии на ВВ; поэтому при наличии таких добавок работа удара, необходимая для возбуждения взрыва ВВ, больше, чем при ее отсутствии.

Вещества, которые в сравнительно небольших количествах заметно понижают чувствительность ЭКМ, называют флегматизаторами, вещества, повышающие эту чувствительность, – сен-

сибилизаторами.

Контрольные вопросы

1.Какой процесс называют горением? Назовите его характерные признаки.

2.Какой процесс называют детонацией? Назовите его характерные признаки.

3.Каким образом оценивается работоспособность ВВ?

4.Какое влияние оказывают на чувствительность к трению дисперсность компонентов, плотность состава, наличие флегматизаторов?

5.Как сказывается отвод тепла из зоны трения на чувствительность ЭКМ к трению?

6.С какой теплопроводностью следует применять материалы для изготовления рабочих органов аппаратов для переработки ЭКМ?

7.Что такое температура вспышки?

8.Какова скорость горения смесевых и баллиститных ТРТ?

9.С какой скоростью распространяется детонация в твердых ВВ?

10.Перечислите меры защиты ЭКМ от электризации.

114

4.ВЗРЫВЫ И ВЗРЫВОЗАЩИТА

ВПРОИЗВОДСТВЕ ЭКМ

4.1.ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ВЗРЫВА

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

Анализ непосредственных причин, приводящих к возникновению начального очага загорания, позволяет расположить их в следующем порядке:

механические воздействия…..........................65–90 %;

разряд статического электричества…............5–30 %;

термическое разложение….............................5–10 %.

Таким образом, главной причиной возникновения начального очага загорания являются механические воздействия на ЭКМ при импульсных и длительных нагрузках.

Для конструкторов представляет наибольший интерес развитие взрыва при механическом инициировании (рис. 4).

Исходя из схемы возникновения и развития взрыва, стало возможным определять те этапы, на которых целесообразнее всего выбрать метод борьбы с взрывом применительно к конструкции аппарата и протекающим в нем процессам.

Обычные методы определения чувствительности дают представление только о первых трех стадиях этой схемы. Однако в реальных условиях взрыв может развиваться и минуя некоторые из этих стадий. Например, разрушение заряда (нарушение его сплошности, резкое увеличение поверхности горения и т.д.) может происходить не всегда; у зарядов высокой плотности процесс разрушения может не перейти во взрыв, а завершиться медленным горением (различие между порохом и бризантным ВВ).

Проведенными исследованиями также было установлено, что в ряде случаев, особенно для медленно горящих ВВ, основную рольвпроцессе возникновения взрыва играет не воспламенение,

115

ных труб, предназначенных для прерывания случайно возникшей детонации, стало причиной воспламенения и взрыва аэрозоля в результате накопления заряда статического электричества. Следовательно, чтобы выбрать оптимальный способ обеспечения безопасности, необходимо проанализировать весь технологический процесс в целом и определить в нем наиболее опасные фазы, а затем решить, как осуществлять защиту.

Главная задача – не дать процессу развития взрыва перейти в конечную стадию, где уже никакие способы защиты не смогут помочь, т.е. необходимо стараться прервать процесс взрыва на возможно более ранней стадии.

В процессе переработки в аппарате ЭКМ подвергается различным механическим воздействиям, интенсивность которых зависит, прежде всего, от конструкции аппарата, его производительности, технологических характеристик ЭКМ (вязкость, растекаемость, температура, давление и т.д.), т.е. является случайной величиной. При превышении некоторого предела интенсивности может возникнуть очаг загорания.

Знание функции распределения нагрузок, которым подвергается ЭКМ в процессе переработки, с одной стороны, и вероятностей возникновения взрывчатого разложения при механическом нагружении – с другой, дает возможность определить вероятность возникновения начального очага загорания в процессе переработки данного ЭКМ в конкретных условиях, но до настоящего времени эта задача еще не решена.

Применительно к проблеме взрывозащиты оборудования рассмотренную принципиальную схему развития взрыва трудно связать с конкретными условиями. Поэтому для использования при проектировании химического оборудования была предложена схема развития аварии в укрупненных стадиях развития, зависящих от ряда конкретных условий (табл. 15).

Таким образом, авария развивается по определенным стадиям, которые зависят не только от свойств самого ЭКМ, но и внешних факторов (конструкции аппарата, особенностей тех-

117

нологического процесса и т.д.). В связи с этим для обоснования безопасности производства конкретного ЭКМ необходимо знание всего комплекса его взрывчатых свойств в различных физических состояниях и влияния технологических режимов на эти свойства.

Принципиальную важность такого подхода можно проиллюстрировать примером аварии, имевшей место при производстве лекарственных препаратов, совершенно не имеющих отношения к ЭКМ. В 1970-х гг. в СССР на одном из заводов при изготовлении исходных материалов для получения левомицетина произошел взрыв в аппарате нитрования промежуточного продукта. По оценке специалистов, он был эквивалентен 5000 кг тротила. Этот случай явился неожиданностью не только для работников завода, не имевших никакого отношения к ЭКМ, но и для специалистов в области физики взрыва. Для выяснения причин такого необычного явления были проведены специальные исследования, связанные не только с проверкой свойств конечного продукта, но был проведен тщательный анализ оборудования и технологического процесса.

118

В результате этого анализа было установлено, что при определенных сочетаниях промежуточных технологических продуктов на коротком технологическом отрезке времени может образоваться взрывоопасная смесь, которая при определенном сочетании неблагоприятных факторов может привести к аварийной ситуации. Установление причины позволило внести соответствующие изменения в конструкцию аппарата и в технологические режимы переработки, что обеспечило высокую степень безопасности этого производства.

На этом примере выпукло показана необходимость знания комплекса взрывчатых свойств не только конечной продукции, но и полуфабрикатов, образующихся в процессе технологической переработки.

4.2. ПРОИЗВОДСТВОБАЛЛИСТИТНЫХПОРОХОВИТРТ

4.2.1.Особенности детонации

вбаллиститных порохах и ТРТ

При детонации ЭКМ теоретически возможны три основных механизма химических реакций: ударный, баллистический и смесевой.

Ударным называют такой механизм, при котором ЭКМ в результате сжатия и разогрева разлагается в зоне реакции детонационной волны одновременно во всех ее точках. Такой механизм характерен для высокогомогенных ЭКМ. Разновидностью ударного механизма является центровой механизм, при котором под действием УВ химические реакции возникают в локальных очагах – многочисленных центрах реакции. Такими центрами являются, прежде всего, высокоплотные минеральные добавки или кристаллы БВВ.

Баллистическим называют такой механизм взрывчатого превращения, когда в зоне реакции детонационной волны происходит горение с поверхности отдельных частиц. Такой механизм характерен для малоплотных или пористых ЭКМ.

119

Смесевым называют механизм реакций взаимодействия нескольких веществ, не находящихся в молекулярном контакте. Такой механизм характерен для гетерогенных систем. Процесс при этом имеет ряд стадий: разложение окислителя и горючего с дальнейшим взаимодействием продуктов их газификации.

Отличительная особенность технологического процесса изготовления зарядов из баллиститного пороха (БП) состоит в том, что при формовании заряда в шнек-пресс поступает полуфабрикат (таблетка) с низкой гравиметрической плотностью (ρ = 0,7…0,9 г/см3), и в витках шнека его плотность постепенно увеличивается до плотности готового пороха (ρ ≈ 1,6 г/см3).

Остановимся более подробно на особенностях детонации полуфабрикатов или так называемых рыхлых структур БП. Они в основном детонируют по баллистическому механизму (когда зерна сгорают с поверхности) с низкой (1000–4500 м/с) скоростью детонации. Однако полуфабрикаты некоторых БП способны детонировать с аномальновысокой скоростью(7000–7500 м/с).

Рыхлые структуры БП подразделяются на два класса. Рыхлые структуры первого класса отличаются тем, что размер отдельного зерна в заряде меньше критического диаметра детонации готового пороха в виде шашки высокой плотности. Поэтому отдельные зерна не способны детонировать, а могут только сгорать в общем фронте детонационной волны (т.е. детонировать только с очень низкой скоростью). Рыхлые структуры второго класса состоят из зерен, размер которых больше критического диаметра готового пороха в виде шашки высокой плотности. Такие зерна могут не только сгорать, но и детонировать (по центровому механизму) каждое в отдельности в общем фронте детонационной волны. Поэтому рыхлые структуры второго класса уже при насыпной плотности способны детонировать как в режиме низкой скорости (баллистический механизм), так и высокой (центровой механизм), в зависимости от условий инициирования. Низкие скорости детонации возникают в случае, если заряды этого класса инициировать УВ малой интен-

120