Вопрос. Безопасность на взрывоопасных объектах

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 народному хозяйству 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 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 образованием перегретых жидкостей. В этом случае энергия, выделяющаяся при взрыве, определяется процессами, связанными с адиабатическим расширением парогазовых сред и перегревом жидкостей. Так при выливании расплавленного металла в воду испарение протекает взрывным образом вследствие фрагментации капель расплава, быстрой теплоотдачи и перегрева холодной жидкости. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается образованием ударной волны.

На практике 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, те. количеством энергии, выделяемой в единицу времени в единице объема. При химических взрывах скорость энерговыделения определяется скоростью распространения детонации или скоростью распространения пламени в соответствующей среде. Для различных твердых и жидких взрывчатых веществ эта скорость находится в интервале 2-9 тыс.м/с, а для газов зависит от динамики изменения значений параметров, характеризующих газовую среду в процессе взрывного горения, и может 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 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 стехиометрического состава только по горючему веществу (стехиометрическим называется такой состав смеси, в которой горючее и окислитель находятся в пропорции, необходимой для их полного взаимодействия а процессе окисления). Так, например, теплота сгорания водорода по горючему веществу составляет 120 МДж/кг и значительно превосходит 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. После некоторой задержки, необходимой для формирования облака смеси по возможности близкой к стехиометрическому составу, оно подрывается при помощи детонаторов. 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 литературе и практике 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 взрывное горение или взрыв.

Различают два вида взрывного горения: дефлаграционное и детонационное. По своей природе они имеют много общего, близки и химические процессы, протекающие при этих явлениях.

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

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 распространение по взрывчатому веществу так называемой детонационной волны - зоны скачкообразного изменения параметров состояния вещества (давления, температуры, плотности и др.). При этом, во-первых, скорость распространения зоны значительно выше скорости теплопередачи при дефлаграционном горении, так как обуславливается распространением по веществу зоны высокого давления. Во-вторых, величина давления такова, что приводит к повышению температуры в веществе еще не охваченном горением до значений выше температуры самовоспламенения - процесс горения распространяется и является источником выделения энергии взрыва.

Скорость детонации есть скорость распространения детонационной волны во взрывчатом веществе. распространение детонационной волны происходит со сверхзвуковой скоростью: до 1-5 км/с в газовых смесях и до 8- 9 км/с в конденсированных ВВ. Давление во фронте детонационной волны для практической оценки разрушающей способности взрывов газовоздушных смесей на открытом воздухе в неблагоприятных условиях может доходить до 1000 кПа. В тоже время известны случаи, когда при взрывах ГВС фиксировалось давление до 2 МПа. При взрывах конденсированных ВВ давление может достигать 10 ГПа. В результате продукты детонации оказываются под большим давлением, что обуславливает соответствующие последствия взрыва - разлет элементов разрушенных конструкций, звуковой эффект и др

Взрывчатые вещества. 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, вызывающим нарушение устойчивого состояния взрывчатого вещества, например, воздействием ударной волны другого взрыва и т.п.), в них запускаются экзотермические процессы, протекающие с большой скоростью и приводящие к большому выделению энергии. Эти процессы можно разделить на две группы: процессы изменения нестабильной химической структуры вещества и окислительные процессы или процессы горения. В процессах горения необходимо наличие двух компонентов - горючего и окислителя.

Среди твердых и жидких веществ способных к взрывчатому превращению можно выделить вещества с нестабильной химической структурой, а также вещества, представляющие собой химически однородную структуру или смесь веществ, содержащие элементы горючего и окислителя. Эти вещества не требуют для взрыва никаких других веществ и называются конденсированными взрывчатыми веществами.

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.

Взрывоопасные воздушные смеси газов, паров и аэрозолей рассматриваются обычно отдельно ввиду особых свойств воздуха как окислителя, а также ввиду большого числа аварийных взрывов такого типа в быту и на производстве.

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.

З.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).