15

«АВАРИИ НА ВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ».

Общие сведения о взрыве.

Характеристика процесса взрыва.

Взрыв - быстро протекающий процесс физического или химического превращения веществ, сопровождающийся освобождением большого количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная создать угрозу жизни и здоровью людей, нанести ущерб предприятиям экономики и окружающей среде, стать источником ЧС.

Взрыв представляет собой широкий круг явлений, связанных с очень быстрым выделением значительного количества энергии, сопровождающимся расширением вещества, обладающего избыточной энергией, в среде с меньшим энергетическим потенциалом. Расширение протекает с настолько большой ско­ростью (сотни и тысячи м/с), что приводит к резкому повышению давления, плотности, температуры и сопровождается значительными звуковыми эффектами. Источ­ником энергии при взрыве могут быть как химические, так и физические процессы.

В подавляющем большинстве взрывов, с которыми приходится сталки­ваться на практике, источником выделения энергии являются химические превращения веществ. Это относится как к взрывам, предназначенным для достижения определенных целей (например, в военной области или произ­водственной сфере), так и к взрывам аварийного характера.

Примерами взрывов, энерговыделение при которых обусловлено физи­ческими процессами, могут служить взрывы сжатых газов или взрывы, свя­занные с преобразованием перегретых жидкостей, когда энергия, выделяющаяся при взрыве, определяется процессами, связанными с адиабатическим расширением парога­зовых сред. При выливании расплавленного металла в воду возможно испарение, протекающее взрывным образом вследствие фрагментации капель расплава, быстрой теплоотдачи и перегрева холодной жидкости. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается образованием ударной волны.

На практике аварийные взрывы, имеющие физическую природу, встречаются значительно реже, чем взрывы химического происхождения, поэтому далее будут рассматриваться только химические взрывы.

Высвобождение энергии при взрывах в общем случае выражается удельной мощностью, т.е. количеством энергии, выделяемой в единицу времени. При химических взрывах скорость энерговыде­ления определяется скоростью распространения пламени в соответствующей взрывоопасной среде. Для различных твердых и жидких взрывчатых веществ эта скорость может достигать 2-9 тыс.м/с, т.е. в несколько раз превосходить скорость звука в невозмущенной среде.

Возможное суммарное выделение энергии при взрыве называется энер­гетическим потенциалом взрыва и определяет его масштабы и последствия. Для твердых и жидких конденсированных ВВ этот показатель зависит от удельного энергетического потенциала вещества, находящегося в диапазоне 1.5 - 7.5 МДж/кг.

Следует отметить, что при определении этого показателя для твердого или жидкого конденсированного взрывчатого вещества, в значение массы входят все его составляющие, т.е. части, играющие роль и горю­чего, и окислителя (в основном кислорода), и инертной компоненты.

Удельная теплота взрыва парогазовых смесей рассчитывается для их стехиометрического¹ состава либо по горючему веществу, либо по массе смеси. Так например теплота сгорания водорода по горючему веществу составляет 120 МДж/кг. (для сравнения соответствующий показатель троти­ла - 4520 кДж/кг).

(Это обстоятельство использовано при создании боеприпасов объемно­го взрыва. В таких боеприпасах сначала подрывается вспомогательный за­ряд, разрушая корпус, содержащий горючее. Горючее распыляется в возду­хе, образуя в смеси с ним газовое облако, заполняющее негерметизиро­ванные полости и укрытия поражаемого помещения. После некоторой задержки, необходимой для формирования облака смеси по возможности близкой к стехиометрическому составу, оно подрывается при помощи детонатора. В результате, например, мощность взрыва боеприпаса, содержащего этиленоксид, в 3-5 раз превосходит мощ­ность взрыва боеприпаса, начиненного тротилом в количестве, равном массе этиленоксида. Увеличение мощности достигается за счет того, что в качестве окислителя при взрыве этиленоксида используется воздух, находящийся на месте взрыва, т.е. не входивший в состав боеприпаса).

Единство процессов горения и взрыва.

В специальной технической литературе установились определенные подходы и тер­минология при рассмотрении пожаров, взрывов и связанных с ними проб­лем. В случаях, когда процессы окисления протекают сравнительно мед­ленно, без образования ударной волны явления рассматриваются как горе­ние. Аналогичные процессы во взрывчатых средах протекают значитель­но быстрее, чем при обычном горении, и определяются как взрыв.

Различают два вида взрывного горения: дефлаграционное и детонационное. По своей природе они имеют много общего, близки и химические процессы, протекающие при этих явлениях. Основное отличие этих видов горения в природе процессов, определяющих скорость распространения пламени.

Дефлаграционное горение.

В основе механизма распространения дефлаграционного горения лежит теплопередача в соседние с зоной горения участки материала. Скорость распространения процесса зависит от теплоемкости материала, его теп­лопроводности и некоторых других свойств.

Детонационное горение.

При детонации, как и при дефлаграционном горении, реакция протека­ет в узкой зоне, перемещающейся по веществу, но механизм ее распрост­ранения принципиально другой. Причиной инициализации экзотермических реакций при детонационном горении является скачкообразное изменение параметров состояния вещества, в первую очередь давления, что ведет к повышению температуры вещества до значений, повышающих температуру самовоспламенения. Процессы распространения давления знчительно более быстрые по сравнению с процессами нагрева за счет теплопроводности.

Скорость детонации есть скорость распространения детонационной волны во взрывчатом веществе. Скорости распростране­ния детонационной волны достигают 1-5 км/с в газовых смесях и 8-9 км/с в конденсированных ВВ, т.е. значительно превосходят скорости звука в этих средах.

Продукты детонации оказываются под большим давле­нием, что обуславливает соответствующие последствия взрыва - разлет элементов разрушенных конструкций, звуковой эффект и др. Возникшее в зоне взрыва высокое давление приводит к распространению зоны высокого давления и в окружающей воздушной среде. Распространению зоны высокого давления в окружающей воздушной среде происходит в виде ударной волны. Причем повышение давления в окружающей среде происходит в виде распространяющегося резкого скачка, называемого фронтом ударной волны.

Скачок давления во фронте ударной волны при взрывах газовоздушных смесей на открытом воздухе в неблагоприятных условиях может находиться в диапазоне от 100 кПа до 2 Мпа. При взрывах конденсированных ВВ это давление может достигать значительно более высоких значений, измеряемых даже ГПа.

Непосредственными причинами взрывов химических взрывчатых веществ могут быть любые физические явления, вызывающие нарушение устойчивого состояния вещества. К таким явлениям относятся изменение темпе­ратуры, химические реакции, резкие внешние воздействия (удар, трение), ударная волна другого взрыва и т.п..

Взрывчатые вещества.

Определение взрывчатых веществ.

Существует много веществ, в которых в том или ином виде запасено большое количество энергии, например в виде внутримолекулярных или межмолекулярных связей. В нормальных условиях эти вещества достаточно устойчивы и могут находиться в твердом, жидком, газообразном или аэрозольном состоянии. Однако, в результате оказания инициирующего воздействия (теплом, трением, ударом или каким- либо другим способом) в них запускаются экзотермические процессы, протекающие с большой скоростью и приводящие к большому выделению энергии. Обычно говорят, что произошло взрывчатое превращение, а сами вещества называют взрывчатыми веществами или кратко ВВ.

Твердые и жидкие ВВ имеющие в своем составе химически нестабильные соеди­нения, а также восстановители или окислители либо в виде однородного вещества, либо в виде смеси нескольких веществ, называют конденсированными ВВ.

Газообразные энергоносители представляют собой гомогенные смеси горючих газов (паров) с газообразными окислите­лями, либо нестабильные газообразные соединения, склонные к разложению в отсутствие окислителей (например, ацетилен). В этих газообразных веществах при взрывах протекают экзотермические реакции окисления или реакции разложения нестабильных соединений.

Участвующие в химическом взрыве аэровзвеси состоят из мелкодис­персных горючих жидкостей (туманов) или твердых веществ (пыли) в окис­лительной среде (обычно в воздухе). Источником энергии в этом случае служит тепло их сгорания.

К взрывчатым могут быть отнесены любые вещества, способные к взрывчатому превращению. Однако на практике к ВВ относят специальные группы ве­ществ, которые отвечают определенным требованиям:

1.Достаточно высокое содержание энергии в единице массы и большая мощность развиваемая при взрыве, обусловленная скоростью процесса.

2.Определенные пределы чувствительности к внешнему воздейс­твию, обеспечивающие как достаточную безопасность, так и легкость воз­буждения взрыва.

3.Способность в течение длительного периода сохранять свои свойс­тва.

4.Доступность исходных материалов, технологичность и безопасность в производстве.

5.Специальные свойства, зависящие от характера применения (например, нетоксичность продуктов взрыва).

Классификация конденсированных взрывчатых веществ.

Конденсированные ВВ принято делить на 4 группы:

-инициирующие - предназначены для возбуждения взрывчатого превра­щения в ВВ других групп (гремучая ртуть, азид свинца, тетразен);

-бризантные - используемые в разрывных зарядах для боеприпасов, для средств разрушения при добыче полезных ископаемых и др. Преиму­щественным видом их превращения является детонация. К ним относятся однородные ВВ (тринитротолуол, нитроглицерин, пироксилин и др.) и не­однородные - механические смеси (аммониты, динамиты и др.);

-метательные (чаще всего это пороха, использующиеся в качестве метательных зарядов для огнестрельного оружия); их взрывчатое превраще­ние – взрывное горение;

-пиротехнические составы.

Различают фугасное и бризантное действие ВВ. Мерой фугасного действия служит объем воронки, образованной взрывом 1 кг ВВ.

Под бризантным действием понимают способность ВВ дробить соприка­сающуюся среду. Эта способность зависит от детонационного давления и времени его действия.

По своему составу конденсированные ВВ можно подразделить на смеси и однородные (гомогенные или унитарные) вещества.

Рассмотрим некоторые вещества, представляющие собой смеси.

Черный порох представляет собой смесь калиевой селитры (KNO₃) с углем. Эти вещества представляют собой порошки, смесь которых крайне опасна и возгорается со взрывом при малейшем воздействии теплом или трением. Для получения требуемой скорости сгорания в смесь добавляется сера. Первым используемым на практике ВВ был черный порох. В настоящее время пороха используют в качестве метательных ВВ.

Ракетные твердые топлива относятся к тому же классу ВВ, что и пороха. Существует большое количество отличающихся по своему составу смесей, используемых в качестве ракетных топлив. Их основными компонентами являются: порошки металлов (Al, Be, B, Mg) или их гидридов (AlH_3, LiH, MgH ), окислители (например перхлорат аммония - NH₃ClO₄), нитраты (например нитрат калия - KNO₃) и др. составляющие.

Аммониты представляют собой довольно большую группу веществ, широко используемых в промышленности (горнодобывающей, строительной и др. отраслях) и относящихся к классу бризантных ВВ. Как правило это смеси окислителя (аммониевой селитры - NH₃NO₃) с органическими веществами (угольная или мучная пыль, торф, опилки) - динамоны, с порошками металлов (например, алюминия) -аммонал, с тротилом - аматол, и др.

Однородные ВВ состоят из одного химического соединения, в состав молекулы которого входят составные части, например, играющие роль и горючего и окислителя. Наибольшее распространение в качестве таких ВВ получили органические нитросоединения. К однородным ВВ относятся:

1) Пироксилин и бездымный порох. Эти вещества относятся к классу метательных ВВ. Пироксилин (азотнокислый эфир целлюлозы или нитрат целлюлозы - C₆H₇O₂(ONO₂)₃) получается при нитровании целлюлозы (хлопка) азотной кислотой. Внешне сохраняет вид волокон хлопка с повышенной хрупкостью. В настоящее время используется как сырье для изготовления баллистных порохов. Бездымный порох используется в качестве топлива реактивных снарядов для “Катюш” и минометов.

2) Гексоген (циклотриметилентринитроамин - (CH₂NO₂)₃) и тротил (тринитротолуол - C₆H₂CH₃(NO₂)₃) относятся к классу бризантных ВВ и используются для начинки боеприпасов.

Газовоздушные смеси.

Газовоздушные смеси (ГВС) образуются на ряде производств в нор­мальных или аварийных условиях и могут стать источником очень мощных взрывов. Наиболее опасны взрывы смесей с воздухом углеводородных газов (метана, пропана, бутилена, бутана, этилена и др.), а также паров воспламеняю­щихся жидкостей.

Взрывы ГВС могут происходить во внутренних полостях оборудования и трубопроводов, в помещениях (зданиях) в результате утечки газа, в емкостях для хранения и транспортировки взрыво- и пожароопасных веществ (резервуарах, газгольдерах, цистернах, грузовых отсеках танкеров) или на открытом пространстве при разрушении газопроводов, разливе и испарении жидкостей. Взрывы горючих газов с воздухом с тяжелыми последствиями происходят на шахтах.

Вероятность взрыва ГВС и его опасность определяются:

-пределами взрывной концентрации паров жидкостей и газов (при ко­торых может возникнуть детонация) в процентах к объему ГВС, напри­мер, пропан 3-7%; пропилен 3.5-8.5%; этан 4.0-9.2%;