Глава3. Техногенные аварии: поражающие свойства взрыва

Аварии и катастрофы, связанные со взрывом, относятся к числу наиболее опасных и непредсказуемых. При таких авариях образуются обширные очаги поражения в пределах которых разрушаются здания, сооружения, гибнут и получают различные травмы люди.

К потенциально опасным объектам, связанным со взрывами относят прежде всего хранилища и склады взрывчатых веществ (ВВ), боеприпасов, ракетного топлива, горюче-смазочных материалов, нефтебазы. Взрывы происходят и на промышленных предприятиях. Взрываются пары бензина и других компонентов на нефтеперегонных заводах, продукция и полуфабрикаты на химических предприятиях, мучная пыль на мельничных комбинатах и элеваторах, древесная пыль и пары лаков и красок на мебельных фабриках, котлы в котельных, газовые конденсаты при утечке из газопроводов. Взрывы имеют место при перевозках взрывчатых веществ, легковоспламеняющихся жидкостей и горючих газов железнодорожным, водным и автомобильным транспортом.

При анализе таких аварий полезно опираться на известные представления об общей физической картине взрыва. Для оценки поражающего действия различных взрывов и определения очагов поражения используется энергетический подход.

3.1 Определение взрыва. краткие сведения о природе взрывчатых превращений. Взрыв – это процесс быстрого превращения вещества, сопровождающийся выделением большого количества энергии. В результате взрыва вещество, заполнявшее определенный объем, превращается, как правило, в сильно нагретый и сжатый газ (продукты взрыва). Область , заполненная продуктами взрыва, стремительно расширяется, сжимая и приводя в движение окружающую среду. Порожденное взрывом движение внешней среды проявляется в виде специфического волнового процесса – ударной волны. Ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью. По мере удаления от центра взрыва скорость ударной волны снижается и на больших расстояниях приближается к звуковой. Ударная волна является основным поражающим фактором взрыва.

Взрывы могут быть вызваны различными физическими или химическими явлениями.

В инженерной практике и военном деле широкое распространение получили ВВ. Они используются в народном хозяйстве при ведении строительных и горных работ: для пробивания шпуров и скважин, выброса грунта, создания каналов. В военном деле ВВ применяются в различного рода огнестрельном оружии, в боеприпасах, подрывных средствах.

Химические ВВ представляют собой относительно неустойчивые в термодинамическом смысле системы, способные под влиянием внешних ударных или тепловых воздействий к быстрым экзотермическим превращениям. Источник энергии таких взрывов заключается в энергии молекулярных связей. При взрыве происходит превращение относительно сложных нестойких молекул исходного вещества в молекулы более простых и стойких веществ.

На основании известных положений термохимии можно выяснить, способно или не способно вещество к взрыву. Для этого определяют тепловой эффект превращения вещества А в вещества В, С, D (в общем случае таких веществ может быть и больше).

При взрыве имеет место соотношение согласно [52,55,56]:

А = В + С + D + Q_v, (3.1),

где Q_v – теплота (энергия), высвобождаемая при взрывчатом превращении.

Согласно закону Гесса Г.И. величиа Q_v определяется как разность между суммой теплот образования продуктов взрыва (Q_B, Q_C, Q_D) и теплотой образования взрывчатого вещества (Q_A).

Теплотой образования называется тепловой эффект, получающийся при образовании одного грамм–моля вещества из свободных элементов в стандартных условиях. За стандартные условия принимают температуру 25^о и давление 1 атм. всех веществ, участвующих в реакции. Теплота образования простых веществ (Н₂, О₂, N₂, С и др.) принимается равной нулю.

Величина Q_v является критерием мощности взрыва.

Важной характеристикой взрыва является скорость распространения взрывчатого превращения. В зависимости от величины этой скорости различают дефлаграционное (дозвуковое) горение и детонацию.

При детонации процесс взрывчатого превращения идет с максимально возможной для данного вещества скоростью, превышающей скорость звука. Скорость детонации является определенной константой каждого ВВ. В условиях детонации достигается максимальное разрушительное действие взрыва.

Дефлаграционное горение подразделяется на ламинарное, характеризуемое постоянной относительно небольшой обычно от долей сантиметра до нескольких метров в секунду скоростью распространения пламени и турбулентное, когда эта скорость со временем прогрессивно возрастает. При увеличении скорости распространения пламени до величин порядка нескольких десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорость звука в данной среде, имеет место взрывное горение, а само явление называется дефлаграционным взрывом.

Примерами взрывов, обусловленных физическими процессами могут служить взрывы паровых котлов и емкостей со сжатым газом; взрывы, возникающие при мощных искровых зарядах, например молниях.

При взрыве парового котла взрывной процесс связан с быстрым переходом перегретой воды в парообразное состояние; при взрыве емкости со сжатым газом - повышенным давлением газа. Взрыв происходит при разрушении стенок котла или оболочки емкости (резервуара, баллона).

При мощных искровых разрядах разность потенциалов выравнивается за промежутки времени 10^-6…10^-7с, вследствие чего в зоне разряда достигаются большая плотность энергии и высокая температура 20000 ^о…40000 ^о, что приводит к резкому подъему давления воздуха в месте разряда и распространению интенсивного возмущения в окружающей среде.

Можно привести и другие примеры взрывов, обусловленных физическими процессами, например взрывы, наблюдаемые при извержениях вулканов, падении космических тел на земную поверхность и др.

Экстремально высокие значения параметров взрывной реакции (температура и давление) имеют место при ядерных взрывах, обусловленных реакциями деления и синтеза атомов. Данному вопросу посвящена обширная литература [1-6,55.56].

Ниже рассматриваются основные особенности взрывов конденсированных химическими ВВ, газо- и пылевоздушных смесей, емкостей, содержащих газ, пар под давлением; ядерные взрывы освещаются конспективно.

3.2. Взрыв конденсированных химических взрывчатых веществ. параметры ударной волны.

Конденсированные взрывчатые вещества – это в основном твердые ВВ с плотностью = (1,3…4,5)^.10³ кг/м³, например, тротил С₆Н₂(NО₂)₃СН₃, гексоген (СН₂NNО₂)₃, тэн С(СН₂ONO₂)₄, гремучая ртуть Hg(ONC)₂ и др. Имеется некоторое количество жидких ВВ, например, нитроглицерин С₃Н₅(ONO₂)₃.

Рассмотрим реакции взрывчатого превращения широко применяемых в инженерной практике и военном деле ВВ типа С_аН_вО_сN_d. Здесь индексы a, b, c, d отвечают количеству атомов углерода, водорода, кислорода, азота в молекуле взрывчатого вещества соответственно. В результате взрыва образуются устойчивые продукты, в основном СО₂, СО,С, Н₂О, N₂, Н₂, О₂, С₂N₂ и в небольших количествах СН₄, NН₃, С₂Н₂, СN₂, НСN. В приближенных расчетах образующимися в небольших количествах СН₄, NН₃, С₂Н₂, СN₂, НСN пренебрегают. С учетом отмеченного обстоятельства реакции взрывчатого превращения рассматриваемых ВВ можно представить в виде [52].

Если выполняется условие с (2а + b/2), то

С_аН_вО_сN_d = aCO₂ + b/2H₂O + 1/2(c–a-b/2)O₂ + d/2N₂ + Q_v , (3.2),

при (a+b/2) < c < (2a+b/2) имеет место

С_аН_вО_сN_d =(c-a-b/2)CO₂ + (2a-c-b/2)CO + b/2H₂O + d/2N₂ +Q_v , (3.3),

А при (a+b/2) c получим

С_аН_вО_сN_d = (c-b/2)CO + (a-c-b/2)C + b/2H₂O + d/2N₂ +Q_v (3.4).

В качестве примера рассмотрим реакции взрывчатого превращения широко известных нитроглицерина, тэна, тротила.

Для нитроглицерина C₂H₅(ONO₂)₃ значения величин a=2, b=5, c=9, d=3 и выполняется условие с (2a+b/2). Следовательно, реакция взрывчатого превращения рассчитывается по соотношению (3.2).

Нетрудно показать, что реакции взрывчатого превращения для тэна и тротила рассчитываются по соотношениям (3.3), (3.4) соответственно.

Рассматриваемые реакции имеют вид:

нитроглицерин С₂Н₅(ОNO₂)₃ = 3CO₂ + 2,5H₂O + 0,25O₂ + 1,5N₂ + Q_v

тэн С(CH₂ONO₂)₄= 3CO₂ + 2CO + 4H₂O + 2N₂ + Q_v

тротил С₆Н₂ (NО₂)₃CH₃ = 3,5CO + 3,5C + 2,5H₂O + 1,5N₂ + Q_v

В строгих расчетах для реакций взрывчатого превращения используются более сложные соотношения, например, для тротила реакция имеет вид [5]

С₆Н₂ (NО₂)₃CH₃ = 2СO+1,2CO₂+3,8C+1,6H₂O+0,6H₂+1,4N₂ +0,2NH₃+Q_v

Р _g = 2( -1)Q_v

(3.5).

Ng =

Значения теплоты образования некоторых ВВ и продуктов взрыва приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1

Значения теплоты образования взрывчатых веществ и продуктов взрыва

Вещество	Химическая формула	Теплота образования Qv, ккал/гмоль
Гексоген Гремучая ртуть Нитроглицерин Тэн Тротил Двуокись углерода Окись углерода Вода (пар) Вода (жидкость) Закись азота Окись азота Двуокись азота Аммиак Метан Простые вещества	C3H6O6N6 Hg(ONC)2 C2H5(ONO2)3 C(CH2ONO2)4 C6H2(NO2)3CH3 CO2 CO H2O H2O N2O NO NO2 NH3 CH4 H2,O2,N2,C	-20,9 -65,4 82,7 123 13,0 94,5 26,4 57,7 67,5 -17,7 -21,6 -4,1 10,5 18,4 0

Примечание. Знак (+) при значении теплоты образования соответствует тепловому эффекту с выделением тепла, знак (-) - с поглощением.

В качестве примера оценим теплоту взрыва тэна.

Теплота образования 3СО₂ составляет 3 ^. 94,5=283,5ккал

2СО 2 ^. 26,4 = 52,8 ккал

4Н₂О 4 ^. 57,7 = 230,8 ккал

2N₂ 2 ^. 0 = 0

Всех продуктов 567,1 ккал

Тэна 123 ккал

Теплота взрыва тэна Q_v = 567,1-123=444 ккал/гмоль =

(444,1/316)^.1000ккал/кг 5,8 МДж/кг

Значения Q_v ряда ВВ приведены в таблице 3.2

Взрывы большинства конденсированных ВВ протекают в режиме детонации. Давление во фронте детонационной волны Р_g, П_а , и скорость распространения фронта N_g, м/с, определяются по соотношениям [52,55,56]:

Таблица 3.2.

Теплота (энергия) взрыва конденсированных взрывчатых веществ

Взрывчатое вещество	Плотность ВВ, кг/м3	Теплота взрыва Qv, МДж/кг
Тринитротолуол (тротил) – ТНТ Аммотол 80/20 (80% нитрата аммония + 20% ТНТ) Гексоген Гремучая ртуть Нитроглицерин Октоген Октан (70% октана + 30%ТНТ) Тетрил Тэн Тринотал (80% ТНТ + 20% алюминия) Торпекс (42%гексогена+40%ТНТ+18% алюминия) 60%-ный нитроглицериновый динамит Пластит (90%нитроглицерина + 7,9% нитроцеллюлозы+ 0,9%щелочи +0,2 % Н2О)	1600 1600 1650 4430 1590 1900 1800 1730 1770 1720 1760 1300 1300	4,52 2,65 5,36 1,79 6,70 5,68 4,50 4,52 5,80 7,41 7,54 2,71 4,52

В этих формулах  плотность ВВ, кг/м³, Q_v – теплота взрыва, Дж/кг, - показатель адиабаты продуктов взрыва ( = n_jC_pj / n_jC_vj , где n_j – число молей j-го продукта в уравнении взрывчатого превращения ВВ; C_pj, C_vj – средние молярные теплоемкости j-го продукта взрыва при постоянном давлении и постоянном объеме в диапазоне изменения температур от начальной Т_о до температуры взрыва Т).

В целом ряде случаев величину этого показателя принимают равной  3.

Характер изменения давления во времени (эпюра волны) при прохождении воздушной ударной волны показан на рис.3.1

Рис.3.1 Эпюра ударной волны1-фаза сжатия, 2- фаза разрежения

Передняя граница сжатой области называется фронтом ударной волны, а сама область – фазой сжатия. За фазой сжатия следует фаза разрежения, в которой давление воздуха ниже существовавшего до прихода волны. Разность Р_ф=Р_ф-Р_о, где Р_о- атмосферное давление, называется избыточным давлением во фронте ударной волны, время ₊- длительность фазы сжатия, время _- - длительность фазы разрежения. Воздух в фазе сжатия движется в сторону распространения фронта, в фазе разрежения – в противоположном направлении.

Скорость фронта ударной волны N_ф, м/с, скорость воздуха V_ф, м/с плотность воздуха _ф, кг/м³, за фронтом в зависимости от величины давления Р_ф, Па, определяется по формулам:

N _ф= С_о

V_ф= (3.7)

= ,

где С_о- скорость звука, - плотность воздуха в невозмущенной атмосфере, k=С_р/С_v=1,4 – показатель адиабаты воздуха.

Поражающее действие ударной волны связано в основном с действием избыточного давления и скоростного напора вохдуха в фазе сжатия.

Изменение давления во времени в фазе сжатия описывается соотношением вида

Р₊(t)= Р_ф(1- )ⁿ , (3.8.),

где _n= ^{0,19 при 28 кПа}

^{1,0 при < 28 кПа}

Максимальное давление скоростного напора воздуха за фронтом ударной волны , Па, находится по соотношению

= С_{х ,} (3.9),

где С_х – коэффициент лобового сопротивления тела.

Основные параметры ударной волны: давление во фронте длительность фазы сжатия , импульс давления в фазе сжатия J₊= зависят от мощности взрыва, удаления точки наблюдения от центра взрыва, а также вида взрыва. При авариях в промышленности и на транспорте, как правило, имеет место наземный взрыв. Ниже такой вид взрыва рассматривается как расчетный.

При наземном взрыве фронт воздушной ударной волны имеет форму полусферы.

Избыточное давление во фронте ударной волны при взрыве тротилового заряда определяется по формуле М.А.Садовского

_ф=95 +390 +1300 , (3.10),

где - избыточное давление, кПа; G - масса тротилового заряда, кг;

R – расстояние от центра взрыва, м.

Формула (4.10) справедлива в широком диапазоне изменения давления от нескольких кПа до нескольких тысяч кПа.