Бажин В.Е. Взрыв, взрывчатые вещества, их применение

Подождите немного. Документ загружается.

электричества не могут воспламенить ВВ, для которых значения

МЭВ10

-1

Дж.

Образование зарядов статического электричества происходит

в основном при удельном электрическом сопротивлении ВВ свыше

мОм 

. Например, для тротила удельное электрическое соп-

ротивление ρ = (10

…10

) Ом·м. Можно снизить поверхностное

электрическое сопротивление ВВ путём использования вводимых

в состав ВВ поверхностно-активных и антистатических добавок.

Повышения МЭВ можно добиться путём замены окислительной

воздушной среды при обработке ВВ на инертную среду (азот,

углекислый газ).

Физическая стойкость – способность ВВ сохранять свои

физические свойства в реальных условиях их хранения и применения.

Физическая стабильность характеризуется отсутствием у летучих

компонентов ВВ склонности с течением времени к выпотеванию

(экссудации) жидкой фазы. Физическая стабильность определяет

длительность гарантированного срока хранения ВВ и изделий, в состав

которых входят ВВ. Высокую физическую стабильность имеют

стабилизированные нитроцеллюлозные пороха и изделия на их основе,

имеющие срок хранения до двадцати лет. Невысока физическая

стабильность неочищенного тротила, выделяющего при повышенной

температуре тротиловое масло. Очень малой физической

стабильностью обладают, например, дымные пороха, а также

аммониты и другие аммиачноселитренные ВВ. Это объясняется

высокой гигроскопичностью и слёживаемостью аммиачной селитры,

которая увлажняется и слеживается. Физическая стабильность в ряде

случаев может быть существенно увеличена путём введения в состав

смесевых ВВ различных стабилизаторов.

Химическая стойкость – способность ВВ не претерпевать при

нормальных условиях хранения таких химических превращений,

которые делают ВВ непригодными или которые дают

самовоспламенение. Например, нитраты целлюлозы, не подвергнутые

стабилизации, под действием остаточной кислоты,

«закапсюлированной» в центральном канале пронитрованного

целлюлозного волокна, подвержены разложению с выделением

окислов азота – ускорителей реакции разложения. Для повышения

химической стойкости ВВ в него вводят стабилизаторы, такие,

например, как центролиты. Выделяющиеся при разложении ВВ

примеси (чаще всего это окислы азота) вступают со стабилизатором в

химическую реакцию, в результате чего количество окислов азота

уменьшается и их каталитическое действие в большой степени

нейтрализуется.

2.2 Чувствительность ВВ к механическому импульсу

Начальным механическим импульсом могут служить удар, накол,

прострел пулей (например, винтовочной) или осколком. При этом удар

и накол используются для инициирования взрывчатого превращения

инициирующих ВВ, для бризантных ВВ оценивают возможность

взрыва при простреле пулей (осколком).

Механизм инициирования взрывчатого превращения при

механическом воздействии объясняется двумя схемами. По первой,

предложенной Боуденом, при механическом воздействии на ВВ имеет

место адиабатическое сжатие микроскопических воздушных пузырьков,

находящихся между отдельными кристаллами или частицами ВВ (или

выделяющимися из растворённого в жидких ВВ воздуха). Вследствие

этого происходит локальный разогрев поверхностей, прилегающих к

воздушному пузырьку кристаллов и частиц ВВ, приводящий к

термическому разложению ВВ (см. в подразделе 2.1). По второй схеме

(пригодной лишь для твёрдых ВВ) происходит взаимное смещение

частиц ВВ при механическом воздействии. Это приводит к частичному

разрушению поверхности частиц при скольжении и внедрении острых

граней одного кристалла в толщу другого кристалла. Одновременно в

зоне механического разрушения поверхности происходит диссипация

энергии внешнего механического воздействия, приводящая к разогреву

деформируемого объёма ВВ с последующим развитием взрывчатого

превращения. В этих схемах механическое воздействие есть лишь

способ сообщения молекулам ВВ начального теплового импульса в

различных интерпретациях. В целом, теплоты, выделяющейся при

механическом воздействии, недостаточно для нагрева всей массы ВВ до

высокой температуры. Однако этой энергией можно повысить

температуру локальных участков ВВ до температуры взрывчатого

превращения.

Количественными показателями чувствительности ВВ к

механическим воздействиям принято считать чувствительность к удару

и ударному сдвигу и чувствительность к трению.

Чувствительность к удару представляет собой частоту взрывов

при испытании навески ВВ на копрах в серии из 10, 25 или более

испытаний при падении груза определенной массы с определенной

высоты. Для бризантных ВВ основным критерием чувствительности к

механическому воздействию является чувствительность к удару.

Для испытания чувствительности к удару бризантных ВВ

используют вертикальный копёр, схема которого показана на рис. 2.1.

Копёр состоит из нескольких (двух или трёх) направляющих 3, вдоль

которых может свободно перемещаться груз 5 (масса груза может

составлять 2, 5 или 10 кг). Верхняя часть груза зажимается при помощи

лапок пружинного выключателя 4. Выключатель может быть

установлен на требуемой высоте, определяемой по шкале 6. Для

подъёма груза служит специальное приспособление 1. Для разжимания

лапок выключателя предназначен трос с ручкой 2. На массивном

бетонном фундаменте 8 размещается сборка 7 – массивная стальная

наковальня с роликовым прибором.

1 – приспособление для подъёма груза; 2 – трос с ручкой для разжатия

лапок выключателя; 3 – направляющие; 4 – выключатель пружинный;

5 – груз; 6 – шкала; 7 – сборка (роликовый прибор); 8 – фундамент

Рисунок 2.1 – Схема вертикального копра для определения

чувствительности ВВ к удару

Для испытания готовят роликовый прибор (т.н. сборку), схема

которого приведена на рисунке 2.2. Навеска 3 массой 0,05 г при

загрузке равномерно распределяется по верхней поверхности ролика-

нако-вальни 5, установленного внутри направляющей муфты 2, сверху

устанавливается цилиндрический ролик-боёк 4. Муфта 2, имеющая

внешний диаметр 50 мм и высоту 30 мм, устанавливается на стальной

наковальне 1 копра. Диаметры роликов 4 и 5 составляют 10 мм.

Стандартной пробой (испытанием) является масса груза 10 кг и высота

падения 250 мм. Для особо чувствительных ВВ (например,

нитроглицерина) масса груза составляет 2 кг, а высота падения достигает

лишь 50 мм. Навеска ВВ роликом-наковальней загружается на дно

кольцевой матрицы внешним диаметром 50 мм и высотой 30 мм, сверху

устанавливается ролик-боёк. По ролику-бойку производится удар

падающим грузом. При взрыве навески слышен громкий хлопок. При

отказе слышен лишь

звонкий удар груза по ролику-бойку. Для серии испытаний определяют

процент взрывов.

1 – наковальня; 2 – муфта направляющая; 3 – навеска ВВ;

4 – ролик-боёк; 5 – ролик-наковальня

Рисунок 2.2 – Схема роликового прибора

Например, чувствительность тротила от 4 до 8 %, аммотола от 20

до 30 %, гексогена от 70 до 80 %, ТЭНа 100 %, нитроглицерина 100 %.

Чувствительность к трению представляет собой величину

давления прижатия навески ВВ, при сдвиге которой наблюдается та или

иная частота взрывов. Как правило, определяется давление прижатия

при 0, 50 и 100 процентах взрывов. При испытании на чувствительность

ВВ к трению используют приборы БоуденаКозлова, К-44-Ш, И-6-2.

Схема узла прибора БоуденаКозлова представлена на рисун-

ке 2.3. Навеска ВВ помещается между подвижным роликом 2 и

неподвижным роликом 3. Неподвижный ролик установлен в

направляющей муфте 6. С неподвижным роликом контактирует

поршень 5. Необходимое усилие прижатия создаётся гидравлическим

прессом (на схеме не показан). Подвижный ролик упирается в упорную

стойку 1. На подвижный ролик воздействует стержень с головкой 7,

который предназначен для передачи усилия удара маятника на

подвижный ролик.

1 – стойка упорная; 2 – ролик подвижный; 3 – ролик неподвижный;

4 – навеска ВВ; 5 – поршень, передающий усилие на ролик 3;

6 –направляющая муфта; 7 – стержень с головкой, передающий

усилие удара маятника на ролик 2

Рисунок 2.3 – Схема узла прибора для определения

чувствительности ВВ к трению

В приборе испытуемый образец ВВ сжимается при определенном

усилии между двумя твёрдыми поверхностями, после чего одна из

поверхностей подвергается сдвигу. Особенностью этих испытаний

является возможность воспроизведения реальных условий нагружения

ВВ и скорости воздействия на него рабочего органа, имеющих место,

например, в действующем оборудовании при обработке ВВ. В табли-

це 2.2. приведена чувствительность ряда ВВ к трению, определенная на

приборе К-44-Ш.

Таблица 2.2 – Чувствительность ВВ к трению

ВВ

Процент взрывов, %

0 50 100

Давление прижатия, МПа

Тротил 506 880 1100

Аммонит № 6 560 810 1100

Скальный аммонит № 1 470 650 900

Гексоген 270 530 650

Как можно видеть из таблицы, механическое воздействие на ВВ

носит не точечный характер, а распределяется на довольно большую

поверхность вещества. Энергия воздействия распределяется на

больший объем материала, и для возбуждения взрывчатого

превращения необходимо создать высокие значения давления

прижатия.

Показатели чувствительности ВВ к механическим воздействиям

(удару и трению) в высокой степени зависят от наличия в ВВ

посторонних примесей. Отмечено, что даже небольшое количество

посторонних твердых кристаллических частиц, таких как песок,

стеклянная крошка, металлический порошок, приводит к резкому

возрастанию чувствительности. На этом основан эффект

сенсибилизации ВВ, когда чувствительность ВВ может быть повышена

внесением тугоплавких добавок с температурой плавления не менее

500°C. Аналогично при добавке к ВВ веществ с низкой температурой

плавления можно обеспечить эффект флегматизации ВВ, снизив их

чувствительность. В качестве флегматизирующих добавок используют

воск или изокерит (горный воск), нанося их на поверхность частиц ВВ.

Ярко выраженным флегматизирующим действием обладает вода,

имеющая высокую теплоемкость и теплоту испарения при низкой

температуре плавления. Влажные ВВ или ВВ, находящиеся под

толщей воды, проявляют очень низкую чувствительность, что

используется для обеспечения безопасности изготовления и

переработки ВВ.

2.3 Чувствительность ВВ к детонационному импульсу

Начальным детонационным импульсом могут являться ударная

волна или детонационная волна, то есть непосредственное дробящее

действие продуктов взрыва некоторой массы ВВ. Под действием такого

детонационного инициирующего импульса в испытуемом ВВ

развивается взрывчатое превращение. Детонационный импульс

используется для взрыва бризантных ВВ, низкочувствительных к

простым начальным импульсам. Для этой цели применяют подрыв заряда

высокочувствительного инициирующего ВВ, передающего

детонирующий импульс более мощному заряду низкочувствительного

бризантного ВВ. Эта цепочка при подрыве особо мощных зарядов ВВ

может иметь до трёх ступеней, последовательно передающих друг другу

детонационный импульс.

Показателями чувствительности (восприимчивости) к детонации

являются критический диаметр детонации, минимальный

инициирующий импульс, расстояние передачи детонации и

критическое давление возбуждения детонации.

Критический диаметр детонации – наименьшая величина

диаметра круглого цилиндрического шпура длиной 1,5 м с зарядом ВВ,

в котором при подрыве одной стороны заряда ВВ детонирующий

импульс передается на всю длину заряда, вызывая взрывчатое

превращение всей массы ВВ. Детонация протекает устойчиво, если

продолжительность взрывной реакции (t

) во фронте детонационной

волны меньше, чем время (t

), в течение которого давление во фронте

этой же волны успеет разбросать реагирующее вещество. Это

определяется диаметром, массой цилиндрического заряда и массой его

оболочки. Должно иметь место неравенство (t

Минимальный инициирующий импульс – это наименьшее

количество (масса) заряда инициирующего ВВ (активного заряда),

расположенного на горизонтальной плоской твёрдой поверхности на

расстоянии до 100 мм от заряда другого ВВ (пассивного заряда), при

подрыве которого образующийся детонационный импульс вызывает

подрыв пассивного заряда.

Расстояние передачи детонации – это такое расстояние между

двумя зарядами ВВ, когда при взрыве одной массы ВВ возможен взрыв

другой массы. В производственных условиях при возникновении

аварийной ситуации, вызывающей взрыв сначала одной, затем другой

единицы оборудования, работающего с ВВ, в худшем случае

детонация может распространиться по всей технологической цепочке.

Во избежание этого крайне опасного явления необходимо

рассчитывать безопасные расстояния между техническими объектами,

с загруженным (обрабатываемым) ВВ, с учетом условий их

размещения в помещениях, массы единовременной загрузки ВВ и

конструктивных особенностей таких объектов.

Критическое давление возбуждения детонации есть

минимальное давление внешней детонационной волны, которое может

вызвать устойчивую детонацию массы ВВ. При анализе бризантности

полезно знать величину давления во фронте детонационной волны,

развиваемого в толще ВВ, которое может оказать разрушительное

воздействие на окружающее пространство, передавая через него

детонирующий импульс. Давление во фронте детонационной волны

зависит от плотности ВВ, скорости детонации ВВ, скорости вещества

во фронте детонационной волны. Одно и то же ВВ, в зависимости от

плотности заряжания (насыпанием, литьем или прессованием), по

различному воспринимает детонационный импульс.

3 ГОРЕНИЕ И ДЕТОНАЦИЯ

3.1 Горение газообразных и конденсированных ВВ

3.1.1 Горение газообразных ВВ

При нагревании газовой смеси происходит реакция между

горючими газами и кислородом. С ростом температуры скорость

реакции быстро возрастает, в связи с чем увеличивается количество

теплоты, выделяемое в единицу времени. Теплоотдача в окружающую

среду сравнительно мала, при низких температурах теплота реакции

успевает рассеяться, поэтому газ сохраняет практически температуру

окружающей среды. При нагреве газовой смеси теплоприход растет

быстрее теплоотдачи и становится больше её до достижения некоторой

температуры. Начиная с этого момента, температура газа быстро

возрастает, увеличивается скорость реакции, в результате чего

происходит взрыв.

Минимальная температура газовой смеси, при которой

теплоотдача становится меньше теплоприхода, а химическая реакция

принимает характер взрывного превращения, называется температурой

воспламенения или температурой вспышки. Температура

воспламенения зависит от ряда условий, определяющих величину

теплоприхода и теплоотвода. Например, если газовая смесь заключена

в сферическом сосуде малого диаметра, то температура воспламенения

выше, чем в

сосуде большего диаметра. Таким образом, теплоотдача

пропорциональна поверхности, то есть квадрату диаметра,

теплоприход пропорционален объёму сосуда, то есть кубу диаметра.

Если газовая смесь находится под повышенным давлением, то

температура самовоспламенения будет меньше, то есть давление

увеличивает скорость реакции, но на теплоотдачу практически не

влияет.

Практика показывает, что при нагревании взрывчатой газовой

смеси до температуры самовоспламенения вспышка возникает не

мгновенно, а спустя некоторое время, которое называется временем

задержки.

Задержка самовоспламенения имеет те же причины, что и

задержка вспышки у конденсированных взрывчатых веществ (ВВ), то

есть у твердых и жидких веществ. Время задержки самовоспламенения

смесей воздуха с окисью углерода или водорода значительно меньше,

чем у метановоздушных смесей. Время задержки самовоспламенения

метановоздушных смесей представлено в таблице 3.1.

Горение газовых смесей происходит лишь при определенном

содержании в них горючего компонента. Пределы горючести газовых

смесей зависят от природы горючего компонента и инертных

примесей, температуры, давления, диаметра сосуда. Минимальное

содержание горючего, при котором еще возможно горение, определяет

нижний предел горючести, а максимальное соответственно верхний

предел горючести. Время задержки самовоспламенения

метановоздушных смесей представлено в таблице 3.2.

Таблица 3.1 − Время задержки самовоспламенения (в секундах)

метановоздушных смесей

Объёмное

содержание

метана (%)

Температура сосуда (°С)

720 775 825 875 975 1075

6 6,4 1,08 0,58 0,35 0,12 0,039

9 − 1,30 0,65 0,39 0,14 0,044

12 − 1,64 0,74 0,44 0,16 0,055

Таблица 3.2 − Пределы горючести некоторых смесей газов и паров

с воздухом

Газ

Химическая

формула

Пределы горючести в % объёмного

содержания горючего газа

нижний верхний

Водород H

4,00 74,20

Окись

углерода

CO 12,50 74,20

Метан NH

5,00 15,00

Ацетилен C

2,50 80,00

Если газовая смесь по объему неравномерно нагрета, например, на

некотором участке на неё действует источник тепла высокой

температуры, интенсивная реакция возникает в тонком слое вещества,

которое подверглось непосредственному воздействию, происходит

воспламенение. От горячих продуктов горения тепловая энергия

вследствие теплопроводности передается от одного слоя к ближайшему

слою и, нагревая его, вызывает интенсивную реакцию. Если теплота

реакции новых слоев газов превышает теплопотери, то реакция

распространяется от слоя к слою, и происходит горение. В противном

случае реакция не распространяется. Таким образом, механизм горения

газовых смесей состоит в распространении по газу тепловой волны,

которая сопровождается экзотермической химической реакцией.

Скорость горения газовых смесей зависит от давления,

температуры и других факторов.

К.К. Андреев и А.Ф. Беляев при исследовании устойчивости

горения [13] показали важное значение соотношения между

газопритоком и газооттоком. Представим себе, что взрывчатое

вещество, заполняющее цилиндрическую трубку, зажжено и горит по

торцу. Образующиеся газы оттекают в направлении, противоположном

направлению распространения горения, вследствие чего давление над

поверхностью ВВ возрастает. Давление над поверхностью ВВ будет

зависеть от соотношения между скоростью газопритока (зависящей от

скорости горения взрывчатого вещества) и скоростью газооттока.

Скорость газопритока и скорость газооттока растут с увеличением

давления, но значения скорости их роста могут быть различны.

Соотношение между газопритоком и газооттоком зависит от

характера горения при данном внешнем давлении и его изменения с

ростом давления.

В зависимости от свойств взрывчатого вещества и условий, при

которых идет горение, возможны два крайних случая:

1) скорость оттока газов равна скорости их образования, в этом

случае имеем стационарный процесс горения, т.е. горение с

постоянной скоростью;

2) скорость газопритока больше скорости газооттока; в этом

случае давление во фронте горения будет непрерывно повышаться и

скорость горения возрастать.

Если для данного ВВ и условий опыта скорость газопритока при