 |
Переход горения в детонацию
|
|
|
|
Наибольшую опасность при производстве и эксплуатации ВМ представляет переход горения во взрыв (детонацию) (ПГД). Действительно, вероятность загорания ВМ и их полуфабрикатов в условиях производства и при обращении с ними 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 ВМ в производстве - обычным пожаром или это горение может перейти во взрыв или детонацию, и какие при этом необходимо разрабатывать меры защиты работающих, какие средства необходимо затратить. Достаточно привести только один пример, который ярко проиллюстрирует сказанное.
На первоначальном этапе производства БП при формовании зарядов использовали шнек-прессы таких конструкций, загорание полуфабриката в которых при определенных условиях давало ПГД с дальнейшим распространением детонации на всю загрузку, что было эквивалентно взрыву нескольких сотен килограмм ТНТ. Взрыв такого количества ВМ приводил практически к полному разрушению оборудования и строительных конструкций, т.е. 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. Иначе говоря, 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 ВМ?
К.К. Андреев в своих работах указывал, что условием образования ударной волны является наличие нарастающего давления (dpldx > 0). Однако, как показала практика, этого условия еще не достаточно, чтобы образовать УВ необходимой интенсивности для возбуждения детонационного процесса при горении подавляющего большинства конденсированных ВМ.
И.Я. Петровский в своих исследованиях доказал, что для обеспечения перехода горения в детонацию (ПГД) обязательно соблюдение следующих условий:
· наличие нарастающего давления (dpldx > 0);
· наличие бегущей волны давления dpldl * 0;
· наличие некоторой минимально необходимой длины заряда.
Естественно, что эти условия будут реализовываться тем легче, чем выше восприимчивость конкретного ВМ 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 этот фактор практически для всех ВМ превосходит критическое значение. Поэтому при ПГД исключительную важность приобретает уровень ударно-волновой чувствительности ВМ (критическое давление возбуждения детонации). Известно, что ударно-волновая чувствительность со снижением плотности ВМ увеличивается, т.е. критическое значение давления в УВ падает. Например, критическое давление возбуждения детонации шашек баллиститных порохов составляет десятки килобар, в дезинтегрированном виде (таблетка, крошка уже значительно меньше - до 19 кбар). То же самое наблюдается у типичных ВВ: гексогена, тротила и т.п. Так, для порошкообразных ВВ типа гексогена давление возбуждения составляет всего 0,5... 1 кбар. Именно по этой причине в трубках К.К. Андреева у таких порошкообразных ВВ, как гексоген, легко происходил ПГД, а у полуфабрикатов БП имели место отказы даже при разрыве трубки.
|
|
|
Указанные условия создания УВ, с необходимыми для возникновения в ВМ 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) ВМ достаточно условие, при котором L = (15...20) d.
Естественно, что это условие может реализоваться также и при других видах оболочки, а для больших масс ВМ и без оболочки. Однако диаметр оболочки при этом или масса ВМ должны обеспечивать условия возникновения УВ.
При исследованиях ПГД в лабораторных условиях наибольшее распространение получил так называемый метод длинной трубки. Этот метод исследования (рис. 19) позволяет при помощи фоторегистрации, осуществляемой с помощью фоторазверток типа ЖФР, определить скорость и характер процесса ПГД, замерить длину преддетонационного участка, рассчитать критическую прочность оболочки в зависимости от ее диаметра и т.п. (рис. 20).
Универсальность, простота, надежность и возможность проведения точных измерений стали основанием для широкого распространения этого метода не только в нашей стране, но и за рубежом. Рассмотренный в Комитете экспертов ООН метод длинной трубки был включен в международный сборник методов для определения класса опасности энергоемких материалов, в том числе ВМ.
Рис. 19. Схема регистрации ПГД в ВМ
при испытании в стальной трубе
|
Рис. 20 Рис. 20. Типичные фотозаписи перехода горения в детонацию (ПГД) ВМ в
|
|
|
стальной трубе с соотношением длины к диаметру 15:1: а — схема опыта и фотозапись ПГД с наличием зоны горения, поршневания (темный участок на фотозаписи между зонами) и детонации: 1 - ВМ; 2 - оболочка; 3 - воспламенитель; 4 - индикатор детонации; б - фотозапись ПГД при формировании ударной волны в зоне горения
Сущность механизма ПГД состоит в том, что в зоне воспламенения ВМ 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 ВМ начинают двигаться как поршень, впереди которого на определенном расстоянии возникает УВ. Такой механизм подобен классической задаче Я.Б. Зельдовича о движении поршня в трубе в воздушной среде. 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 ВМ) достигает необходимой интенсивности, то на определенном расстоянии от зоны воспламенения возникает детонационный процесс. При этом часть ВМ (зона сжатого ВМ) может и не прореагировать, а быть разбросанной, однако это составляет небольшую величину, порядка 35 % от общего количества ВМ (рис. 20, 21). Особенности процесса ПГД зависят от энергетического уровня физико-химических свойств ВМ. Широко известен механизм волнового горения, характерный для ВМ, обладающих высокой воспламеняемостью и скоростью горения, когда зарождение и развитие УВ происходит в горящем ВМ.
Рис. 21. Схема формирования ударной волны при переходе горения
ВМ в детонацию в прочной оболочке (одномерный случай):
1- оболочка (стальная труба); 2 - зона горения;
3 - зона сжатого ВМ (поршень); 4 - переходная
зона; 5 - детонация в несжатом ВМ
В таких ВМ УВ не только возникает в зоне горения, но и успевает приобрести необходимые параметры для возбуждения детонации. Анализируя данные, полученные М. Патри, можно сделать однозначный вывод о том, что именно механизм волнового горения он наблюдал, изучая горение гремучей ртути.
|
|
|
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 ВМ (рис. 22).
Рис. 22. Внешний вид стальных труб после
проведения испытаний на ПГД ВМ:
а - отсутствие ПГД; б – ПГД
Многочисленные результаты экспериментов, полученные при изучении ПГД в различных видах оболочек и при различной влажности исследуемого ВМ, показывают, что реализация описанных механизмов ПГД зависит как от природы ВМ и его физико-химического состояния (энергетический уровень, скорость горения, воспламеняемость, плотность, влажность, газопроницаемость), так и от внешних факторов: общей массы ВМ, прочности и массы оболочки, т.е. от условий образования УВ и необходимых критических параметров для возбуждения детонации во ВМ. В табл. 5 представлены результаты исследований по оценке условий ПГД при различном соотношении длины оболочек к их диаметру - от 1:1 до 25:1 - для некоторых известных ВМ.
Таблица 5.
Результаты испытаний некоторых ВИ на склонность ПГД
| ВМ | Параметры оболочки | Плотность заряда, г/см3 | Длина Преддето- Ционного участка, мм | Скорость процесса | Результат: ПГД +; отсутствие ПГД - | ||
| мм | Р разрыва стали, МПа | Масса на ед. поверхности г/см2 | |||||
| Гексоген полидис- Персный (сухой) | 0,27 7,6 0,10 7,6 0,54 | 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 | - <50 - | - - - | + + - + - | ||
| Гексоген полидис- персный: влажность 15% влажность 20% | 7,6 7,6 | 1,3 1,3 | - | - - | + | ||
| Октоген полидис- персный (сухой) | 0,5 | 7,6 1,52 1,52 1,52 | 1,2 1,2 1,2 1,2 | 620** 800** | - - | + + - | |
| П Х А дисперс- ность<50 мкм (сухой) | 7,6 8,2 | 1,1 1,1 | - | - | - + | ||
| Смесь ПХА (сухой) с горючих добавок | 7,6 | 1,1 | + | ||||
| Тротил чешуйчатый | 1300 50 | 7,6 2,3 | 1,0 1,0 | - | + | ||
| «Результаты испытаний С. Е. Малинина.» Высота насыпного слоя, мм |
Рассмотрим влияние некоторых основных факторов, имеющих практическое значение:
· наличие зависимости между прочностью оболочки и количеством ВМ, участвующим в процессе;
· прочность и масса оболочки заряда, в котором произошло загорание;
|
|
|
· влияние влажности ВМ на склонность к ПГД.
При исследовании ряда ВМ было замечено, что при увеличении диаметра заряда критическая разрывная прочность оболочки, при которой происходит ПГД, снижается, т.е. наблюдается функциональная зависимость
Р ~ 1/D
Разр
где Р - разрывная прочность оболочки, МПа; D- диаметр заряда, мм.
Приведенная функциональная зависимость указывает на то, что для конкретного ВМ существует определенная критическая масса, при превышении которой его загорание может привести к ПГД без наличия оболочки, обладающей статической прочностью (при складировании больших масс ВМ, загрузке вагонов и т.п.). Прямыми экспериментами, проведенными независимо друг от друга А.В. Соколовым и СЕ. Малининым, было установлено, что для таких ВМ, как гексоген и октоген, критическая масса для ПГД составляет порядка 3000 кг. Причем СЕ. Малинин считает, что обязательным условием для ПГД является достижение в центре воспламенения ВМ давления 5...6 МПа. Такой вывод в определенной степени подтверждается работами, проведенными под руководством С.П.Смирнова, по исследованию процессов горения мешков с ВМ (октоген, флегматизированный гексоген), уложенных в штабели высотой 2 м. Размещенные в вагоне с деревянной облицовкой, штабели мешков с 9000 кг ВМ сгорели за 4 мин без взрывного эффекта. В вагоне с металлической облицовкой (толщиной до 15 мм) зажигание 14 000 кг аналогично размещенных ВМ привело к ПГД с полным разрушением вагона и образованием воронки.
И, наконец, классическим примером взаимного влияния прочности и массы оболочки являются проведенные авторами 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 чрезвычайно легкой оболочке, практически не имеющей статической прочности (ацетатная пленка). При этом в первом случае наблюдали отсутствие ПГД, а во втором устойчивое его наличие.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что на склонность к ПГД оказывают влияние такие факторы, как статическая и динамическая составляющие прочности и массы оболочки и ВМ, что укладывается в описанные выше представления о механизмах ПГД. 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, при превышении которой возможен ПГД, в зависимости от диаметра аппарата и прочности материала, из которого он изготовлен:
где σ-толщинастенки аппарата (оболочки), см, d- диаметр аппарата, см; δ - 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 и небезопасной. Для исключения такого существенного недостатка необходимо использовать принцип динамического ослабления. Практически установлено, что для обеспечения взрывозащиты достаточно динамически ослабить 30...40 % поверхности аппарата или контейнера.
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.
И.Я.Петровский и В.С.Михалев предложили следующий подход к расчету вышибного элемента. Оболочка без вышибных элементов работает как сосуд, подвергнутый внутреннему давлению. Прочность такого сосуда в этом случае оценивается по формуле, принятой для разрыва тонкостенных оболочек:
где P1, - прочность сосуда на разрыв, кгс/см:;
P2, - прочность оболочки на срез, кгс/см2;
ор- прочность материала оболочки на разрыв, кгс/см2;
ор - прочность материала на срез, кгс/см2;
δ1 — толщина стенки оболочки, см;
δ2, - толщина вышибного элемента, см;
d0 - диаметр сосуда, см;
B- ширина вышибного элемента, см.
По условию равнопрочности при статическом нагружении Р1 = P2 т.е.
откуда
при этом необходимо учитывать, что ас /аг = 0,5...0,7.
Таким образом, при прочих равных условиях, не теряя прочности и жесткости конструкции, удельную массу вышибных элементов можно снизить только за счет рациональных конструктивных решений больше чем на порядок. Применяя легкие материалы (высокопрочные сплавы с малой удельной массой, пластические массы, современные материалы на основе древесины и т.п.), можно создать транспортные упаковочные комплекты, обеспечивающие в случае аварийной ситуации невозможность ПГД даже для весьма взрывоопасных ВВ типа гексогена.
Вопросы к лекции «Переход горения в детонацию»
1. Какими процессами характеризуется такое явление как переход горения в детонацию?
2. Чего достаточно для образования ударной волны по мнению К.К. Андреева?
3. Какими факторами характеризуется восприимчивость к детонации?
4. В чем состоит сущность механизма ПГД?
5. От чего зависят особенности процесса ПГД?
6. Что такое уровень ударно-волновой чувствительности ВМ, с какими величинами связан?
7. Преимущества метода длинной трубки?
8. Каким образом характеризуется внешнее проявление ПГД или его отсутствие?
9. Какие факторы влияют на реализацию механизмов ПГД?
10. Какие материалы нужно применять для снижения удельной массы взрывных элементов, обращаясь к рациональному конструктивному решению, т.е. не теряя прочности и жесткости конструкций при прочих равных условиях?
|
|
|
