Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: оценка и предупреждение

Подождите немного. Документ загружается.

Скорость энерговысвобождения в общем случае выражает-

ся удельной мощностью, т. е. количеством энергии, выделяе-

мой в единицу времени на единицу объема. При химических

взрывах скорость энерговыделения можно определить по ско-

ростям распространения детонации или пламени в газовой сре-

де. Скорость распространения детонации в твердом или жид-

ко^ ВВ приблизительно соответствует скорости звука в веще-

стве и находится в интервале 2-Ю

—9-10

м/с; при газовых

химических и физических взрывах волны сжатия двигаются со

скоростью, близкой к скорости звука в воздухе (последняя со-

ставляет 330 м/с).

Сила взрывов сжатого или сжиженного газа (пара) харак-

теризуется внутренним давлением, а разрушения вызываются

ударной волной от расширяющегося газа или осколками ра-

зорвавшегося резервуара. Известны многочисленные случаи

таких чисто физических взрывов сосудов со сжиженными га-

зами под давлением, не превышающим 4 МПа.

Физические взрывы возникают при смешивании горячей и

холодной жидкостей, когда температура одной из них значи-

тельно превышает температуру кипения другой (например,

при выливании расплавленного металла в воду). Испарение в

этом случае протекает взрывным образом вследствие фрагмен-

тации капель расплава, быстрой теплоотдачи от них и перегре-

ва холодной жидкости. Возникающая при этом физическая де-

тонация сопровождается образованием ударной волны с избы-

точным давлением в жидкой фазе, достигающим в ряде слу-

чаев сотен МПа.

Химические взрывы, вызываемые экзотермическими реак-

циями разложения в конденсированных ВВ или неустойчивых

соединений в газовой фазе, сопровождаются образованием

(увеличением) числа молей газов. Например, при взрыве 1 кг

тринитротолуола (ТНТ), являющегося веществом с отрицатель-

ным кислородным балансом, образуется ж20 моль газов (па-

ров) (0,6 —СО; 10,0 — С0

; 0,8 —Н

0; 6,0 -Ы

; 0,4 —ЫН

;

4,7 — СН

ОН; 1,0 —НСЫ) и 15 моль углерода. Большинство

других бризантных ВВ (за исключением нитроглицерина)

также являются веществами с отрицательным кислородным

балансом, т. е. числа атомов кислорода в их молекулах недо-

статочно для полного превращения имеющихся атомов угле-

рода в С0

и водорода в Н

0. Способность вещества к взрыв-

ному процессу подчиняется законам термохимии, согласно ко-

торым, если в данной реакции сумма теплот образования про-

дуктов меньше теплоты образования исходного соединения, то

это вещество потенциально взрывоопасно. Например, если ве-

щество А, разлагающееся по реакции А->-В-{-С-|-0, взрыво-

опасно, то должно соблюдаться условие д(А) ^д(В) +<7(С) +

+ <7(0), где

— энтальпия (теплота) образования; ^—имеет

положительные значения для соединений, образующихся с по-

глощением тепла (эндотермические процессы) и отрицатель-

ноё для соединений, образующихся с выделением тепла (экзо-

термические процессы).

Таким способом можно оценить лишь способность вещест-

ва к взрывному процессу; энергию и мощность взрыва опреде-

ляют по скорости реакции.

Источниками энергии взрывов могут быть окислительно-

восстановительные химические реакции, в которых воздух или

кислород взаимодействуют с восстановителем. Наряду с горю-

чими газами восстановителями могут быть мелкодисперсные

горючие твердые вещества (пыли) или диспергированные жид-

кости. Окислительно-восстановительные реакции в этих уело

виях могут протекать как в замкнутых, так и незамкнутых

объемах с достаточно высокими скоростями, при которых гене-

рируются ударные волны, способные вызывать ощутимые раз-

рушения.

1.2. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА

Важнейшей характеристикой энергии взрыва является сум-

марное энерговыделение. В официальной нормативно-техниче-

ской документации этот показатель называется энергетическим

потенциалом и входит во все параметры, характеризующие

масштабы и последствия взрыва.

Удельная теплота взрыва конденсированных ВВ характери-

зуется значениями от 1,5 до 7,5 МДж/кг. Наибольшей удель-

ной теплотой взрыва (но очень низкой стабильностью) облада-

ет стехиометрическая смесь жидких водорода и кислорода —

16,7 МДж/кг.

Для оценки случайных и преднамеренных взрывов широко

применяется метод адекватности разрушений, вызванных раз-

личными взрывчатыми веществами и средами. По этому мето-

ду степень разрушения характеризуют тротиловым эквивален-

том, т. е. определяют массу тротила, которая требуется, чтобы

вызвать данный уровень разрушений. Удельные тротиловые

эквиваленты взрыва известных конденсированных ВВ, найден-

ные по теплоте взрыва ТНТ (4520 кДж/кг), находятся в пре-

делах от 0,340 до 1,667 кг, а смеси жидких водорода и кисло-

рода — составляют 3,7 кг.

Поскольку в состав молекул большинства типичных кон-

денсированных ВВ входят атомы горючего вещества и окисли-

теля (в основном кислорода), а также инертного соединения

их удельная теплота взрыва значительно меньше энергии взры

ва парогазовых смесей, рассчитываемой только по горючем)

веществу. Горючими веществами в газовых смесях в боль

щинстве случаев являются газы (пары углеводородов, водоро;

и др.), а окислителем служит кислород атмосферного воздуха

Теплоты сгорания этих веществ составляют соответственн

(МДж/кг) для незамещенных углеводородов — 40—50, воде

рода — 120, углеводородов с одним заместителем — кислорс

дом —27—28, с хлором —19—27 МДж/кг. Этим значениям сс

ответствуют тротиловые эквиваленты (кг), равные 12—10;

23—65; 6,38—6,57; 4,58—6,53 (для расчета тротиловых экви-

валентов принята теплота детонации тротила, равная

4520 кДж/кг).

Большой тротиловый эквивалент взрыва парогазовоздуш-

ных смесей достигается в преднамеренных взрывах при ис-

пользовании военной техники, когда создаются условия для

достижения максимального разрушающего эффекта. В США в

отличие от традиционных ВВ в качестве горючего использова-

ли этиленоксид, смесь газов (метилацетилен, пропадиен, про-

пилен н-пропилнитрат), пропиленоксид. В таких боеприпасах

при взрыве центрального заряда разрушается корпус снаряда

и горючее распыляется в воздухе с образованием облака паро-

газовой и мелкодисперсной топливно-воздушной смеси, кото-

рое подрывается при помощи детонаторов после некоторой за-

держки, обеспечивающей необходимое время для перемешива-

ния горючего с воздухом. В этих условиях по разрушительной

способности такие вещества в несколько раз превышают тро-

тил такой же массы. Мощность взрыва, например этиленокси-

да с воздухом, по горючему веществу в 3—5 раз больше той,

которая достигается при детонации такой же массы тротила.

Энергетический потенциал взрывоопасности в ряде случаеъ

ошибочно приравнивают к энергии взрыва, а иногда (также

ошибочно) проводят прямое сопоставление энергии взрыва

чистых углеводородов с энергией взрыва конденсированного

ВВ, которую принято считать в 10 раз превышающей энергию

взрыва ТНТ. Например, полная тепловая энергия сгорания

пропана составляет «46-Ю

кДж/кг, что соответствует энер-

гетическому потенциалу взрывоопасности 1 кг углеводорода

В то же время тепловая энергия, выделяющаяся при детонации

ТНТ, составляет 4,2-10

кДж/кг. Такое сравнение не является

правомерным, так как полная энергия сгорания ТНТ '(вещест-

ва с отрицательным кислородным балансом) в кислороде ока-

зывается значительно больше и составляет 15-Ю

кДж/кг

(т. е. при детонации выделяется лишь 28% энергии его сгора-

ния), что численно равно энергии перехода в продукты разло-

жения кислорода, входящего в состав молекулы ТНТ. В то же

время энергетический потенциал взрывоопасности пропана

рассчитывают как энергию его полного сгорания (до СОг и

Н2О) по чистому веществу без учета эквивалентной массы кис-

лорода и азота в горючей пропан-воздушной смеси.

Для практических целей более точным представляется со-

поставление энергии детонации ТНТ с энергией экзотермичес-

кой реакции горючего газа в смеси с воздухом. Соответствен-

но для объективности сопоставления взрывов по эквивалент-

ной массе ТНТ энергию экзотермической реакции в газовых

средах следует рассчитывать по удельному энерговыделению

всей массы данного газа или его смеси (горючего вещества с

кислородом и азотом воздуха).

1.3. ВЗРЫВНЫЕ ВОЛНЫ И РЕЖИМЫ ГОРЕНИЯ

При взрывах как конденсированных, так и парогазовых

сред и аэровзвесей в воздухе происходит быстрое изменение

давления, плотности, температуры и массовой скорости; при

этом наиболее достоверно определяются характеристики не-

возмущенных каким-либо препятствием взрывных волн в воз-

духе, которые называют падающими или проходящими.

Следует иметь в виду, что давление проходящей волны со-

ответствует показателю давления на лицевой стороне датчика,

расположенного параллельно направлению распространения

взрывной волны. При расположении датчика под углом 90°

к направлению волны будет определяться избыточное давление

отраженной волны, которое может быть в 2—8 раз больше

избыточного давления проходящей. Под термином «избыточ-

ное давление» обычно подразумевается избыточное давление в

проходящей волне или максимальное избыточное давление.

В результате больших значений плотности заряда (1,3—

5 г/см

) и энергосодержания единицы массы конденсирован-

ных ВВ выделение всей энергии при взрыве происходит прак-

тически мгновенно в небольшом объеме при плотности про-

дуктов взрыва 1,4—1,6 г/см

, что способствует образованию

сильных ударных волн.

Взрывы большинства конденсированных ВВ протекают в

режиме детонации, при котором взрывная волна распространя-

ется с постоянной скоростью при данных плотности и форме

заряда. Значения скоростей детонации находятся в пределах

от 1,5 км/с для некоторых промышленных ВВ до 8 км/с для

мощных типичных ВВ; при этом давления взрывов достигают

20—38 ГПа.

Взрывная волна ослабляется по мере ее распространения и

по характеру воздействия подразделяется на три зоны: бли-

жайшая к источнику сильного взрыва — характеризуется

" огромными давлениями и температурами; промежуточная,

в которой избыточное давление достаточно велико для тяже-

лых разрушений; зона слабого взрыва, в которой возможно

установление зависимости изменения избыточного давления во

времени на больших расстояниях.

Взрывные волны, генерируемые взрывами парогазовых и

дисперсных сред, вследствие малых плотности и удельной

объемной энергоемкости и других особенностей процессов го-

рения характеризуются более низкими параметрами.

При спокойном гетерогенном двухфазном диффузионно\

горении, когда продолжительность химической реакции мала

скорость горения определяется скоростью диффузии кислоро

да к горючему веществу в зону горения. Пожары в большин

стве случаев — это диффузионное горение, при котором в не

замкнутых объемах взрыва не происходит.

В перемешанных газовых смесях, аэровзвесях и других

смесях, в которых могут протекать гомогенные экзотермичес-

кие реакции, при определенных условиях взрывные волны рас-

пространяются в виде самоподдерживающейся волны горения

(пламени) с звуковой скоростью.

При ламинарном режиме распространение пламени проис-

ходит от каждой точки фронта по нормали к его поверхности

так же, как и распространение сферического пламени при цент-

ральном зажигании. Такое горение и скорость перемещения

пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверх-

ности называются нормальными. Для некоторых горючих ве-

ществ в смеси с воздухом нормальные скорости горения со-

ставляют для предельных углеводородов 0,32—0,40 м/с, для

водорода — 2,7 м/с. При столь малых скоростях распростране-

ния пламени в газовых смесях повышения давления и образо-

вания ударной волны перед фронтом пламени не происходит.

В реальных же условиях вследствие протекания внутрен-

них процессов и при внешних осложняющих факторах проис-

ходит искривление фронта пламени. Например, в трубе ре-

альная скорость распространения пламени больше во столько

раз, ЕО сколько раз сферическая или искривленная поверхность

пламени больше поперечного сечения трубы. С увеличением по-

верхности фронта пламени скорость возрастает.

При достижении скоростей распространения пламени, со-

ставляющих десятки и сотни метров в секунду, но не превы-

шающих скорость распространения звука в данной среде

(300—320 м/с), происходит взрывное, или дефлеграционное,

горение. При взрывном горении продукты горения могут на-

греваться до 1500—3000 °С, а давление в закрытых системах

увеличивается до 0,6—0,9 МПа. Продолжительность реакции

горения до взрывного режима составляет приблизительно для

газов — 0,1 с, паров — 0,2—0,3 с, пыли — 0,5 с. Применительно

к случайным промышленным взрывам под дефлаграцией обыч-

но понимают горение облака с видимой скоростью порядка

100—300 м/с, при которой генерируются ударные волны с

максимальным давлением 20—100 кПа.

Описаны результаты испытаний, показывающих, что при

взрыве ж 640 м

смеси этилена с воздухом с помощью заряда

ленталита массой 20 г было достигнуто избыточное давление

ж 2 мПа. Согласно теоретической зависимости давления вол-

ны от скорости распространения пламени разрушающие давле-

ния («30 кПа) достигаются при скорости распространения

пламени 150—200 м/с.

В определенных условиях дефлаграционное (взрывное) го-

рение может перейти в детонационный процесс, при котором

скорость распространения пламени превышает скорость рас-

пространения звука и достигает 1—5 км/с. Это происходит

часто вследствие турбулизации материальных потоков, вызы-

вающей сильное искривление и большое увеличение поверх-

ности фронта пламени. При этом возникает ударная волна, ьо

фронте которой резко повышаются плотность, давление и тем-

пература смеси; при возрастании этих параметров смеси до

самовоспламенения горючего вещества возникает детонацион-

ная волна, являющаяся результатом сложения ударной вол-

ны и образующейся зоны сжатой, быстрореагирующей (само

воспламеняющейся) смеси. При этом скорость распростране-

ния детонационной волны и давление в ней не зависят от ско-

рости реакции в пламени, а определяются ее тепловым эф-

фектом и теплоемкостью продуктов сгорания.

В случае промышленных взрывов при огромном многооб-

разии условий, больших массах и объемах парогазовых х:ред,

а также при наличии препятствий движению их потоков про-

цессы турбулентного перемешивания оказываются настолько

существенными, что возможно непосредственное инициирова-

ние детонации парогазовых сред. Возбуждение детонации воз-

можно и многими другими способами —от точечных источни-

ков взрыва ВВ, электрических искр, локальным нагревом не-

которой массы реакционной смеси до температуры самовоспла-

менения, ультрафиолетовым излучением, при истечении смеси

из аппаратуры малых объемов в большие камеры, перемеши-

вании горячих потоков с холодными, ускорением движения

пламени в закрытых объемах, самовоспламенением по ради-

кальному механизму и др.

В процессах взрыва и детонации парогазовых сред удар-

ные волны достигают высоких параметров, характеризующих

их разрушающую способность. Так, избыточное давление в

пределах детонирующего облака смеси этиленоксида с возду-

хом составляет 2 МПа. Большинство же промышленных зда-

ний разрушается от значительно меньших давлений: 25—

30 кПа при внешних и 20—25 кПа при внутре::.чих взрывах.

Разрушающая способность взрывов парогазовых смесей и аэ-

ровзвесей при определенных условиях в промышленности ока-

зывается сопоставимой со взрывами типичных ВВ, применяе-

мых в военных целях. Поскольку по теплоте сгорания большин-

ство углеводородов в 10 раз превосходит тротил, то и оружие

с применением газовоздушных смесей этих веществ оказыва-

ется очень эффективным. В США газовоздушные смеси ис-

пользовали для имитации ядерных взрывов небольшой мощно-

сти. Испытания проводили с применением метан-кислородных

смесей в сферических баллонах диаметром до 33,5 м и полу-

сферических диаметром 38,5 м; при этом тротиловый эквива-

лент ДЪстигал 12 т.

Следует иметь в виду, что при детонационном режиме го-

рения облака большая часть энергии взрыва переходит в удар-

ную Еолну; при дефлеграционном горении со скоростью рас-

пространения пламени «200 м/с переход энергии в ударную

волну составляет ж30%, в то же время максимальный КПД

энергии взрыва парогазовых сред составляет ж 40%.

1.4. ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВНЫХ ВОЛН

К основным параметрам, характеризующим разрушающую

способность взрывной волны, относятся избыточное давление и

импульс взрыва, которые описываются зависимостью, пред-

ставленной на рис. 1.1. В момент прихода взрывных волн дав-

ление повышается до максимального:

Р+ + Р„ = Р+

+ Р

= Р-

+ Р

где Ро — давление окружающей среды до прихода ударных волн от взрывов

тротила; индексы «т» и «г» относятся к тротилу и парогазовой среде.

Затем за время ^

и и давление снижается до давления

окружающей среды Р

и продолжает снижаться до величины

Ро—Р~.1 т от взрыва тротила и Р

—Р~»г от взрыва этилен-воз-

душной смеси, а за время 1

и и— возвращается к исходному

давлению Р

= Т и = + . ВеЛИЧИНЭ Р+„

представляет собой максимальное невозмущенное избыточное

давление, или амплитуду избыточного давления.

Области взрывных волн, давление в которых превышает

давление окружающей среды, называют положительными фа-

зами, их продолжительность 1+. Области, где давление ниже

атмосферного (исходного), называют отрицательными фазами

или фазами разрежения с продолжительностью и амплиту-

дами Р~

(рис. 1.2).

5Т

1 1 1 1 1 1

1 1 1

Л*

г*- з

« 5 6

•<г

« 5 6

•<г

, V '

Тг

•<г

Рис. 1.1. Зависимость параметров

ударных волн от взрывов ТНТ (/)

и этиленовоздушной смеси (2) от

времени с момента взрыва

Рис. 1.2. Изменение давления в обла-

стях положительной и отрицательной

фаз при взрывах

Важнейшими параметрами взрывной волны являются поло-

жительные 1+

и отрицательные удельные импульсы, опре-

деляемые как функции времени амплитуд избыточного давле-

ния, отнесенного к единице поверхности:

РЩ-Ра]*-. ;-

= | [Р,-Р( 1)\<и. (1.1)

<а+<

2—1006

На достаточном удалении от места взрыва 1'+,+1

= 0. На-

пример, при избыточном давлении, превышающем 0,1 МПа,

и равенстве импульсов положительной и отрицательной фаз

продолжительность отрицательной фазы должна превышать

длительность положительной фазы.

В большинстве случаев определяют параметры взрывной

волны, связанные с положительной фазой. Однако иногда (на-

пример, при взрывах сосудов со сжатыми газами и протяжен-

ных источниках взрыва) параметры отрицательной фазы до-

стигают высоких значений и важны при оценке разрушающей

способности взрывной волны. Отрицательная фаза ударной

волны, вновь проходящая через центр, приводит к взаимонало-

жению волн. Это возможно в локальных зонах, в которых уро-

вень избыточного давления взрывающегося облака может со-

ставлять >

МПа.

В области положительной фазы используются другие пара-

метры ударных волн, наиболее важными из которых являются

плотность р и массовая скорость газа и за волной, скорость

ударной волны и, динамическое давление

= '/2ри

. Последний

показатель наиболее важен для оценки разрушающей способ-

ности ударной волны.

Параметры воздуха (газовой смеси) перед ударной волной

и за ней определяются следующими уравнениями:

р., (о —ы

) =р

ч; — + ^ = (1-2)

Здесь индекс «5» относится к параметрам воздуха непосред-

ственно за ударной волной, а абсолютное давление

Р.«

= Р

«-{-

+ Ро.

1.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗРЫВОВ

Моделирование взрывов основано на закономерностях по-

добия, в основу которых может быть положен принцип «куби-

ческого корня», сформулированный впервые в 1915 г. Хопкин-

соном и независимо от него Кранцем в 1926 г. Этот принцип

заключается в том, что если два заряда одного и того же ВВ

одинаковой формы, но разного размера взрываются в одной

и той же атмосфере, то подобные взрывные волны будут на-

блюдаться при одинаковом значении параметров расстояния:

К = К/ЕЧ

, (1.3)

где /? — расстояние от центра заряда; Е — полная энергия взрыва.

Так, при взрыве в атмосфере заряда размером й (рис.

1.3,о) взрывная волна на расстоянии от него Р характеризу-

ется амплитудой Р, продолжительностью / и импульсом I. Мо-

делирования взрыва подобного по форме заряда размером Ы

(рис. 1.3,6) приведет к подобной взрывной волне с амплиту-

дой Р, но продолжительностью XI и амплитудой XI на расстоя-

нии ХР. Согласно этому принципу с уменьшением заряда в

Рис. 1.3. Графическое выражение принципа подобия взрывов по закону куби-

ческого корня Хопкинсона

А, раз во столько же раз уменьшаются и соответствующие мет-

рические и временные характеристики взрывной волны; дав-

ление, температура, плотность газа за волной и плотность вол-

ны на расстоянии ХЯ. остаются неизменными.

Безразмерные значения давления Р = Р/Р

и импульса

Т=

-а

/(Е1/зр

а/8

)

(1.4)

являются функциями безразмерного расстояния

^=^„1/3/^1/3, (1.5)

где Ро и а

—давление и скорость звука в окружающей среде.

Имеются иные определения принципа «кубического корня»,

например: «подобные ударные волны образуются на тождест-

венно равных приведенных расстояниях в тех случаях, когда

два заряда одного и того же ВВ подобной геометрии, но раз-

личного размера детонируют в одинаковой атмосфере». Такое

определение может выражаться формулой

К = К/ Г1/з (1.6)

(где — приведенное расстояние, №— масса заряда). Анало-

гично масштабируются избыточное давление в проходящей

волне, скорость распространения ударной волны, длительность

и импульс. На равных приведенных расстояниях избыточные

давления будут равны, а импульс и длительность волны про-

порциональны. Согласно закону подобия Хопкинсона для лю-

бого конкретного взрыва длительность и, следовательно, им-

пульс устанавливаются для заданного уровня избыточного

давления.

Имеются сообщения о том, что длительность ударной вол-

ны от ядерного взрыва мощностью 1 кг изменяется в преде-

лах 0,10—0,40 с. Продолжительность ударной волны от взры-

2»

ва парового облака точно не установлена, но следует пола-

гать, что она превышает длительность ударной волны конден-

сированного ВВ на 3—4 порядка (пропорционально изменению

плотности веществ). Имеются также сообщения, что при взры-

вах' паровых облаков равной энергии разницы в длительности

ударных волн нет. Учитывая, что величина № относится к мас-

се стандартного ВВ, эти закономерности можно использовать

для других взрывающихся систем по энергетическому эквива-

ленту ТНТ. Принцип Хопкинсона — Кранца используется в ин-

тервалах масс от 100 г до 20 мт в тротиловом эквиваленте.

Практическим подтверждением этого принципа являются

результаты обширных исследований реальных разрушений кир-

пичных зданий при взрывах бомб во время второй мировой

войны в Англии. На основании этих исследований выведена

формула, устанавливающая зависимость массы заряда ВВ

(эквивалента энергии взрыва Е) от расстояния до объекта с

соответствующим уровнем разрушения от места взрыва /?:

К = КИР

/[\ + (710

)

]

/" (1.7)

(К — константа соответствующего уровня разрушения). Такая

зависимость применяется в США при выборе безопасных рас-

стояний от складов ВВ. Для этого определяют критерий, свя-

зывающий безопасное расстояние К с массой заряда

Я/В71 !»-А, (1.8)

где А — константа, являющаяся функцией типа здания или

технологического процесса.

Уточненная на базе реальных повреждений типовых зда-

ний и промышленных сооружений, вызванных ударными вол-

нами при взрывах ВВ, формула подобия широко используемая

в мировой практике, имеет вид

К = [1 + (3180/И?)а]1/«. (1.9)

Эта формула в Великобритании в настоящее время служит

основным критерием при выборе безопасных расстояний от

места взрыва; она приводится также в официальной норматив-

ной документации в Советском Союзе.

При массе №>5000 кг знаменатель в правой части урав-

нения практически становится равным 1, тогда формула (1.9)

будет иметь вид

К = (1.Ю) К=К/УV». (1-Й)

Ударные волны от взрывов конденсированных ВВ и паро-

газовых сред имеют области высоких давлений, значительно

превосходящих давления, при которых наблюдается полное

разрушение промышленных зданий и сооружений. В этих об-

ластях есть и зоны с узким интервалом параметров, соответ-

ствующих численному равенству расстояния их от источника

пп