книги / Основы технологической безопасности производств энергонасыщенных материалов и изделий

дующий слой. Послойное горение лежит в основе использования порохов, твердых ракетных топлив и пиротехнических смесей.

Процесс зависит от характера протекающей химической реакции и скорости передачи тепла к новому, прогреваемому слою. В обычных условиях горение – сравнительно медленный процесс. Если изменить условия теплопередачи, то это сразу же скажется на процессе горения ЭКМ.

Каждый материал имеет свою строго определенную скорость горения. Под скоростью горения понимают линейную скорость распространения фронта реакции вглубь вещества перпендикулярно поверхности горения. В зависимости от условий скорость горения изменяется в широких пределах (от долей миллиметра до нескольких метров в секунду) даже у одного и того же вещества.

Скорость горения ЭКМ с увеличением давления возрастает согласно закону, конкретное выражение которого зависит от индивидуальных свойств ЭКМ. Конкретное аналитическое выражение закона горения имеет большое значение в практике.

Наряду с нормальным послойным горением существует взрывное горение. Если вещество пористое или порошкообразное, то при давлении, превышающем определенное критическое значение, газообразные горячие продукты горения могут проникать вглубь вещества и поджигать его перед фронтом горения. Тогда горение будет протекать уже не послойно, не параллельными слоями, а охватывать определенный объем. Скорость горения вещества при этом резко возрастает до десятков и даже сотен метров в секунду. Такой вид горения обычно называют взрывным горением (конвективное горение, дефлаграция).

В природе существуют различные виды взрывного горения, но наиболее распространенным из них является так называемое фильтрационное (конвективное) горение. Этот вид горения происходит тогда, когда проникновение газов внутрь вещества, например шашки топлива, происходит только при наличии внешнего по отношению к горящему веществу давления (горение

71

в замкнутом объеме, в камере ракетного двигателя и т.п.). Другим видом взрывного горения является процесс, для протекания которого необязательно наличие внешнего давления, а необходим только локальный очаг высокого давления для инициирования процесса. В дальнейшем роль оболочки выполняет само вещество. В этом случае его сгорание происходит за доли секунды, и оно превращается в газы, сжатые в первоначальном объеме вещества, и такой вид горения называют объемным горением.

Если при местном прохождении химической реакции с тем же энергетическим эффектом возникает большое давление, то передача энергии может осуществляться путем распространения скачка давления, так называемой ударной волной. Скорость передачи энергии таким путем несравненно выше скорости теплопередачи, соответственно быстрее распространяется и химическая реакция. Повышение давления при ней весьма велико, равно как и обусловленное им разрушительное действие. Это явление называется детонацией взрывчатого вещества.

Именно высокая скорость реакции обеспечивает ту огромную мощность, которая является характерным признаком взрыва. Поэтому, если даже выполняются остальные условия, но скорость реакции низка, взрыва не происходит. Так, уголь горит без всякого взрыва и при этом выделяется много тепла и газов, но скорость реакции невысока, так как она протекает только на поверхности контакта кислорода воздуха с горящим материалом, потому что отношение поверхности горения к объему горящего материала мало.

Детонация – самораспространяющийся процесс чрезвычайно быстрого химического превращения вещества. Детонация обеспечивается распространением по веществу механической волны с очень крутым фронтом, которую называют ударной волной (УВ). Распространяясь по веществу, УВ сжимает его в своем фронте до очень высоких давлений (порядка десятков мегапаскалей). За счет этого в ЭКМ (в отличие от инертных веществ) выделяется очень большое количество тепла, в результате

72

чего происходит химическая реакция. Выделяющаяся тепловая энергия при этом поддерживает параметры УВ, и она становится стационарной. Такая волна называется детонационной. Детонационная волна в зависимости от индивидуальных свойств вещества (плотности, химического состава и других факторов) может распространяться со скоростью от десятых долей до нескольких километров в секунду. Например, штатные ВВ имеют скорость детонации 5–7 км/с.

Согласно теории Ю.Б. Харитона, детонация может протекать устойчиво, если продолжительность реакции во фронте детонационной волны меньше, чем время, в течение которого давление во фронте той же волны успеет разбросать реагирующее вещество. Иначе говоря, должно иметь место неравенство τ < θ, где τ – время реакции, а θ – время разброса взрывчатого вещества. Величина τ зависит от свойств ВВ. Величина θ определяется диаметром заряда ЭКМ и массой оболочки.

Время θ, необходимое для разлета частиц ЭКМ, убывает

суменьшением диаметра заряда, тогда как продолжительность реакции от диаметра не зависит. При достаточно малом диаметре заряда величина θ может настолько уменьшиться, что условие τ < θ окажется невыполненным, а детонация – невозможной. В этом случае вещество будет разбросано раньше, чем химическое превращение успеет пройти до конца.

Опыты, проведенные Ю.Б. Харитоном и В.О. Розингом

снитроглицерином, показали, что он детонирует в стеклянной трубке, когда диаметр ее не меньше 2 мм. При меньших диаметрах детонация не происходит. Аналогичные результаты были в дальнейшем получены и для других ВВ. Для каждого из них существует некоторый критический диаметр детонации. Так назван минимальный диаметр, при котором взрывчатое вещество способно к устойчивой детонации.

Наличие оболочки затрудняет разброс частиц взрывчатого вещества и действует подобно увеличению диаметра заряда. Действие оболочки определяется прежде всего ее массой, а проч-

73

ность является лишь добавочным фактором. Например, при одинаковой толщине свинцовой и железной оболочек одинаковый заряд дает больший эффект в свинцовой оболочке, чем в железной, несмотря на значительно большую прочность последней.

Критический диаметр однородных веществ уменьшается с увеличением плотности заряда. Критический диаметр уменьшается с уменьшением величины частиц, как у однородных веществ, так и у смесей. Например, критический диаметр заряда тротила, кристаллы которого имеют размеры от 0,01 до 0,015 мм при плотности 0,85 г/см3, равен 5,5 мм, а при размере кристаллов 0,07–0,2 мм и той же плотности он равен 11,0 мм.

Влияние степени измельчения на критический диаметр объясняется тем, что продолжительность химической реакции уменьшается с уменьшением величины частиц реагирующих компонентов.

Из сказанного следует, что в одном и том же ЭКМ можно возбудить процессы горения или детонации в зависимости от вида инициатора, физического состояния вещества и ряда внешних факторов.

Современное производство ТРТ отличается многотоннажностью изделий из них, поэтому даже загорание на отдельной фазе технологического потока чревато тяжелыми последствиями. Кроме того, при определенных условиях горение может переходить в детонацию, а детонация вырождаться в горение. Эти переходы крайне нежелательны, ибо переход горения в детонацию приводит к катастрофам, а переход детонации в горение – к отказу действия боеприпасов у цели.

Знание условий возбуждения и протекания взрывных процессов в ЭКМ чрезвычайно важно с точки зрения недопустимости несанкционированного возникновения любых взрывных процессов, особенно детонации при изготовлении и хранении зарядов из порохов и ТРТ.

74

3.2.3. Переход горения в детонацию

Наибольшую опасность при производстве и эксплуатации ЭКМ представляет переход горения во взрыв или детонацию (ПГВ или ПГД). Действительно, вероятность загорания ЭКМ и их полуфабрикатов в условиях производства и при обращении

сними полностью не исключена и, естественно, при проектировании производственных зданий, формировании технологического процесса и конструировании аппаратуры чрезвычайно важно знать, каковы условия перехода горения в детонацию для конкретных составов и полуфабрикатов, находящихся в аппаратах.

Очень важно знать, чем может закончиться загорание ЭКМ впроизводстве – обычным пожаром или взрывом либо детонацией, какие при этом необходимо разрабатывать меры защиты работающих и какие средства необходимо затратить. Достаточно привести только одинпример, который яркопроиллюстрирует сказанное.

На первоначальном этапе производства баллиститных порохов (БП) при формовании зарядов использовали шнек-прессы таких конструкций, загорание полуфабриката в которых при определенных условиях давало переход горения в детонацию

сдальнейшим распространением детонации на всю загрузку, что было эквивалентно взрыву нескольких сотен килограммов тротила. Взрыв такого количества БП приводил практически к полному разрушению оборудования и строительных конструкций, т.е. к полному выводу из строя производственных мощностей. Это потребовало дополнительных капиталовложений на строительство обваловок, мощных железобетонных кабин, не говоря уже о затратах на работы по восстановлению строительных конструкций и оборудования. Была предложена принципиально новая конструкция так называемой динамически ослабленной втулки (ДОВ), которая обеспечивала сброс давления при загорании. Давление резко падало, порох продолжал гореть, но взрыва уже не происходило. На прессе менялась втулка, и он снова включался в работу.

75

Таким образом, материальные затраты на формирование технологического процесса, обеспечивающего безопасность обслуживающего персонала, в первую очередь определяются и зависят от возможности и реализации ПГД конкретного материала при его случайном загорании.

Переход горения в детонацию – это явление, характеризуемое двумя качественно отличающимися друг от друга процессами: горением и детонацией. ПГД заключается в изменении механизма возбуждения химической реакции: от теплопроводности при горении к ударно-волновому за счет образования в горящем веществе УВ с параметрами, достаточными для возбуждения детонации. Каковы же должны быть условия, при которых образуется УВ в процессе горения ЭКМ?

И.Я. Петровский в своих исследованиях доказал, что для обеспечения перехода горения в детонацию (ПГД) обязательно соблюдение следующих условий:

♦наличие нарастающего давления (dp/dτ > 0);

♦наличие бегущей волны давления dp/dl ≠ 0, а также некоторой минимально необходимой длины заряда.

Естественно, что эти условия будут реализовываться тем легче, чем выше восприимчивость конкретного ЭКМ к детонации. Известно, что восприимчивость к детонации характеризуется двумя факторами:

1) возбудимостью химической реакции, характеризующейся интенсивностью УВ, т.е. давлением возбуждения детонации;

2) возможностью химической реакции (шириной фронта), которая характеризуется критическим диаметром детонации.

Как правило, в реальных условиях последний фактор практически для всех ЭКМ превосходит критическое значение. Поэтому при ПГД исключительную важность приобретает уровень ударно-волновой чувствительности ЭКМ (критическое давление возбуждения детонации).

Известно, что ударно-волновая чувствительность со снижением плотности ЭКМ увеличивается, т.е. критическое значение

76

давления в УВ падает. Например, критическое давление возбуждения детонации шашек баллиститных порохов составляет несколько тысяч мегапаскалей, в дезинтегрированном виде (таблетка, крошка – уже значительно меньше, до 2000 МПа). Для порошкообразных ВВ типа гексогена давление возбуждения составляет всего 50–100 МПа. Именно по этой причине у таких порошкообразных ВВ, как гексоген, легко происходил ПГД, а у полуфабрикатов БП имели место отказыдажепри разрыветрубки.

Указанные условия создания УВ с необходимыми для возникновения в ЭКМ детонационного процесса параметрами, проще всего реализуются в удлиненной прочной трубе, даже без закрытых торцов (L >> d). Практика показывает, что для подавляющего большинства порошкообразных (кристаллических и зерненых) ЭКМ достаточно условие, при котором L = (15…25)d. Естественно, что это условие может реализоваться также и при других видах оболочки, а для больших масс ЭКМ и без оболочки. Однако диаметр оболочки при этом или масса ЭКМ должны обеспечивать условия возникновения УВ.

Сущность механизма ПГД состоит в том, что в зоне воспламенения ЭКМ за счет газообразования продуктов горения возрастает давление, что приводит к увеличению скорости горения и дальнейшему более интенсивному газообразованию. Под действием давления близлежащие, но еще не воспламенившиеся слои ЭКМ начинают двигаться как поршень, впереди которого на определенном расстоянии возникает УВ. Образованию слоя, работающего как поршень, и его движению способствует либо прочная оболочка (одномерный случай), либо большие массы еще не воспламенившегося материала, выполняющие роль инертной дополнительной динамической оболочки (многомерный случай). Естественно, что если образовавшаяся УВ по мере своего усиления (до разрыва оболочки или разбрасывания массы ЭКМ) достигает необходимой интенсивности, то на определенном расстоянии от зоны воспламенения возникает детонационный процесс. При этом часть ЭКМ (зона сжатого ЭКМ, ко-

77

торая составляет небольшую величину, порядка 3–5 % от общего количества) может не прореагировать, а быть разбросанной.

Внешнее проявление ПГД или его отсутствие характеризуется различием в деформации оболочки. Если при наличии ПГД оболочка дробится на мелкие и крупные осколки, то при отсутствии ПГД деформация оболочки наблюдается только в районе воспламенения испытуемого ЭКМ.

На ПГД оказывают практическое влияние следующие факторы:

♦наличие зависимости между прочностью оболочки и количеством ЭКМ, участвующим в процессе;

♦прочность и масса оболочки заряда, в котором произошло загорание;

♦влажность ЭКМ.

При исследовании ряда ЭКМ было замечено, что для конкретного ЭКМ существует определенная критическая масса, при превышении которой его загорание может привести к ПГД без наличия оболочки, обладающей статической прочностью (при складировании больших масс ЭКМ, загрузке вагонов и т.п.). Такой вывод, в определенной степени, подтверждается работами, проведенными под руководством С.П. Смирнова, по исследованию процессов горения мешков с ЭКМ (октоген, флегматизированный гексоген), уложенных в штабеля высотой 2 м. Размещенные в вагоне с деревянной облицовкой штабеля мешков с 9000 кг ЭКМ сгорели за 4 мин без взрывного эффекта. В вагоне с металлической облицовкой (толщиной до 15 мм) зажигание 14 000 кг аналогично размещенных ЭКМ привело к ПГД с полным разрушением вагона и образованием воронки.

Классическим примером взаимного влияния прочности и массы оболочки являются эксперименты по оценке склонности к ПГД специально пересушенного полуфабриката порохов в длинных трубах с идентичной статической прочностью. Некоторые эксперименты отличались тем, что испытуемые трубы были окружены дополнительной массой (водой) в чрезвы-

78

чайно легкой оболочке, практически не имеющей статической прочности (ацетатная пленка). При этом в первом случае наблюдали отсутствие ПГД, а во втором – устойчивое его наличие.

Все сказанное имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение в области обеспечения взрывобезопасности любых энергоемких материалов и объяснения причин и механизмов развития аварийных ситуаций.

Учитывая результаты экспериментов и полагая, что оболочка представляет собой тонкостенный сосуд, можно получить зависимость для расчета толщины стенок аппарата δ, при превышении которой возможен ПГД. В зависимости от диаметра аппарата и прочности материала, из которого он изготовлен, толщина стенки аппарата (оболочки), см,

δ = 2(200 − d) ,

σ

где d – диаметр аппарата, см; σ – разрывная прочность материала, МПа.

Использование приведенной зависимости требует отступлений от традиционных методов конструирования аппаратов в связи с тем, что их конструкция должна быть предельно облегчена с учетом взрывозащиты. Как показывает практика, применение новых легких конструкционных материалов в сочетании с принципами динамического ослабления позволяет успешно создавать аппаратуру, отвечающую современным требованиям взрывозащищенности.

Безусловно, снижение статической прочности аппарата или транспортного контейнера влечет за собой потерю конструктивной жесткости, и эксплуатация такого устройства становится проблематичной н небезопасной. Для исключения такого существенного недостатка и используется принцип динамического ослабления. Практически установлено, что для обеспечения взрывозащиты достаточно динамически ослабить 30–40 % поверхности аппарата или контейнера.

79

Динамическое ослабление должно основываться на двух принципах:

1)максимально возможное уменьшение удельной поверхностной массы оболочки, которое достигается снижением толщины вышибного элемента и применения легких конструкционных материалов;

2)работа на срез отдельного вышибного элемента, в отличие от работы на растяжение всей оболочки (конструкции) неослабленного типа, вне зависимости от геометрических размеров (площади) вышибного элемента.

Как показывают расчеты, только за счет рациональных конструктивных решений, не теряя прочности и жесткости конструкции, удельную массу вышибных элементов можно снизить больше чем на порядок и тем самым обеспечить в случае аварийной ситуации невозможность ПГД даже для весьма взрывоопасных ВВ типа гексогена.

3.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ВЗРЫВЧАТЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКМ

К числу важнейших характеристик ЭКМ, играющих большую роль в расчетах конструкторов артиллерийских и ракетных систем, стрелкового оружия и боеприпасов, а также для оценки риска опасности при их производстве относятся: теплота и температура взрыва, удельный объем и состав продуктов взрыва, создаваемое ими давление, а также характеристики их работоспособности.

Теплота взрывного превращения Q. Теплотой взрывного превращения называют то количество теплоты, которое выделяется при взрывном превращении 1 моль или 1 кг ЭКМ.

Теплота взрыва некоторых ЭКМ может быть определена опытным путем, например, с помощью калориметрической бомбы Бертло, но только таких, которые способны детонировать от теплового импульса в небольших количествах (например, ини-

80