Скорости горения некоторых ВВ и газовоздушных смесей, способных к горению и детонации

Вещество	Плотность, кг/м3	Критический диаметр горения, мм	Усредненная скорость горения, См/с
Тротил		27-30	0,018
Тетрил			0,067
Гексоген	900-1000		0,042
Нитроглицерин		0,5	0,14
Водород	0,089	-
Метан	0,72	-	3,4
Ацетилен	1,178	-
Пропан	2,01	-	3,9

Как видно, скорости горения у взрывоопасных газовоздушных смесей значительно выше. Кроме того зона химической реакции при детонации у ВВ составляет 0,01 – 0,5 мм, а у газовоздушных смесей она шире – от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

2. Взрывы, возникновение ударных волн.

Взрывы могут быть обусловлены физическими и химическими причинами.

Физические причины: создание большого (избыточного) давления внутри аппаратов, например парового котла, при этом давление превышает прочность материала котла, на которую он был рассчитан. В свою очередь причинами повышения давления могут быть нарушение материального баланса, повышение температуры, попадание внутрь подобного аппарата низкокипящих, а, следовательно, и легкоиспаряющихся жидкостей.

Химические причины: протекание химических реакций, в результате которых твердые и жидкие вещества превращаются в газы, и при этом выделяется большое количество тепла.

При химических взрывах и детонации к очень короткий промежуток времени образуется большое количество газообразных продуктов реакций, что неизбежно приводит к возрастанию давления и возникновению ударной волны.

Детонация – это режим горения, при котором фронт пламени распространяется за счет самовоспламенения горючей смеси во фронте бегущей впереди ударной волной.

Как возникает ударная волна? Представим себе трубу с поршнем (рис.1).

Рис.1. Схема образования ударной волны и распределения

давления при детонации

В трубе под давлением Р0 находится инертный газ плотностью r0. Если очень быстро, например, ударом молота сдвинуть поршень из положения 1 в положение 2 со скоростью v0, то при этом газ сожмется, но не весь, а только небольшой, прилегающий к поршню слой.

Давление и плотность в этой сжатой части газа, назовем ее волной сжатия, повысятся до значений Р и r. Волна сжатия представляет собой как бы газовую пробку. И если поршень остановить в положении 2, то пробка будет продолжать двигаться по трубе со скоростью v. Передняя ее граница, ее фронт будет перемещаться со скоростью D.

Если изобразить изменение давления в трубе в результате произведенных действий с поршнем, то получится следующая картина. При достаточно высокой скорости поршня v давление в волне сжатия будет возрастать и достигнет во фронте своего максимального значения. То есть здесь возникнет резкий скачок давления с амплитудой Dp. Поскольку волна сжатия действует как поршень, она увлекает за собой газ, смещая его вперед, поэтому за ней следом образуется зона разряжения.

Теория показывает, что такой скачок давления возникает в волне сжатия при скорости ее больше скорости звука в рассматриваемой газовой среде.

Благодаря скачку давления волна сжатия очень опасна для человека и материальных объектов. При встрече с препятствием она действует наподобие всесокрушающего молота, отчего и получила название - ударная волна. Поражающее действие ударной волны обеспечивается ее положительной фазой. При отражении ударной волны от препятствий под действием сил инерции происходит как бы дополнительное досжатие газа на поверхности преграды, вследствие чего давление в отраженной волне еще более возрастает. Например, для двухатомных газов давление в отраженной волне в 8 – 10 раз выше, чем в породившей ее падающей. Поэтому падающая ударная волна при избыточном давлении всего Dp = 35 кПа (0,35 атм) разрушает здания, с амплитудой Dp = 50 кПа – 200 кПа убивает человека, а с амплитудой всего лишь нескольких кПа – разрушает оконное остекление.

При весьма малой толщине скачка уплотнения в ударной волне, эта зона несет не только механический, но и тепловой удар Температура во фронте волны может достигать 3500 градусов. Эта температура тем выше, чем больше амплитуда волны.

Если поменять инертный газ в трубе на однородную горючую смесь, то при сжатии по воздействием волны сжатия смесь будет разогреваться, в некоторых случаях даже выше температуры самовоспламенения, и воспламеняться. И здесь возникает очень интересное явление. Ударная волна в инертном газе постепенно затухает, а в горючем - нет. Это происходит потому, что при горении смеси в ударной волне продукты горения, расширяясь, действуют как своего рода поршень, последовательно сжимая слои свежей горючей смеси, вызывая их зажигание. Тем самым продукты горения передают импульс давления все дальше и дальше по горючей смеси, поддерживая и распространяя ударную волну, а вместе с ней и фронт пламени. Такой режим горения называется детонационным.

Отсюда совершенно очевидно, что скорость распространения пламени при детонации целиком и полностью будет определяться скоростью распространения ударной волны:

D = v_ПГ + a_ПГ, м/с (3)

где v_ПГ - скорость продуктов горения, м/с;

a_ПГ - скорость звука в продуктах горения, м/с.

Скорость детонации в реальных горючих газовых системах может превышать 1 км/с. Опыт показывает, что для водорода, например, D = 2820 м/с.

3. Особенности детонации газопаровоздушных систем.

Графическая конфигурация ударных волн, генерируемых конденсированными ВВ и газовыми взрывами (в координатах ) имеет определенные отличия и особенности, представленные на рис.2.

Пиковое значение давления образовавшихся продуктов детонации у

конденсированных ВВ достигает значения сотен тысяч бар, в то время как давление при взрывах газов и аэродисперсий лежит в пределах 15-45 бар, но у газов длительность положительной фазы сжатия в среднем в 3-8 раз больше чем у ВВ. Это объясняет разрушительные последствия газовых взрывов.

Огромный профессиональный интерес для пожарных специалистов представляет явление самопроизвольного возникновения детонационного режима горения. Оно становится возможным при скорости распространения пламени около 500 м/с и довольно часто наблюдается при горении однородных паро- и газо-воздушных смесей в трубопроводах, различных узостях между оборудованием, в кабельных тоннелях, емкостях и т.п. В этих местах нормальный, дефлаграционный режим горения может перейти в детонационный со всеми последствиями.

Переход дефлаграции в детонацию обусловлен расширением при сгорании, турбулизацией горючей смеси. Турбулизация, например, в трубе приводит к возникновению сильно вытянутого "конуса" пламени, который быстро размывается. Раскаленные продукты горения хаотически перемешиваются со свежей смесью, возникает вибрация газа с появлением и отражением звуковых волн. Перед фронтом пламени появляется давление сжатия, которое при достижении определенного критического значения воспламеняет свежую смесь и скачком порождает детонационную волну. Экспериментально установлено, что для гладкой трубы преддетонационное расстояние составляет примерно 10-12 калибров или, другими словами, 10 -12 ее внутренних диаметров.

Преддетонационное расстояние резко сокращается при наличии на пути пламени различного рода турбулизаторов. В трубопроводах это могут быть продукты коррозии, диафрагмы, задвижки, вентили и т.п., в узостях - трубопроводы и запорно-регулирующая арматура, конструкции этажерок, лестницы, трапы и др.

Таблица 2