Ударная волна - тонкая переходная область, распространяющая­

ся со сверхзвуковой скоростью, в которой происходит резкое увели­ чение плотности, давления и температуры вещества.

Явление дефлаграции и детонации наблюдается при взрывах, в основном, в газа-, паравоздушных смесях.

2.1. Разновидности взрывов

Взрывы подразделяются в зависимости от природы происхожде­ ния, агрегатного состояния среды, условий, вызывающих возникно­ вение взрыва.

По природе происхождения взрывы подразделяются на химиче­ ские и физические.

2. 1.1. Химические взрывы

К химическим взрывам относятся процессы быстрого химического превращения вещества, проявляющиеся горением и характеризую­ щиеся выделением тепловой энергии за короткий промежуток време­ ни и в таком объеме, что образуются волны давления, распростра­ няющиеся от источника взрыва.

Химические превращения происходят в результате следующих реакций:

•разложения;

•окислительно-восстановительных;

•поляризации, изомеризации и конденсации.

По характеру взрывного процесса в пространстве все химические взрывы подразделяются на:

•точечные (сосредоточенные);

•объемные.

То11е11ными взрывами являются, в основном, взрывы твердого или

жидкого вещества, занимающие малый объем относительно зоны воздействия. Примерам может служить взрыв заряда взрывчатого ве­ щества, например, тринитротолуола и др.

Объемный взрыв представляет собой взрыв газа-, параили пыле­ воздушного облака, занимающего значительный относительно зоны воздействия объем. При таком взрыве образуется значительное пара-, газовоздушное облако.

Облако представляет собой разогретую горящую смесь, называе­ мую огненным шаром. Огненный шар - это крупномасштабное диф­

фузное пламя сгорающей массы горючего или парового облака, под­

нимающеrося над поверхностью земли ( ГОСТ Р 1 2.3.047-98). Огнен­

ный шар распространяется в среде со значительной скоростью.

Итак, химические взрывы - это взрывы, связанные с внезапным изменением химического состояния вещества, сопровождающиеся крайне быстрым выделением энергии и образованием сжатых газов,

способных производить механическую работу.

2.1.2. Физические взрывы

К физическим взрывам относятся процессы, приводящие к воз­ никновению внутреннего давления, которое превышает предельно допустимые значения для оборудования.

Кфизическим относятся взрывы:

•сосудов, работающих под давлением;

•оборудования из-за увеличения давления внутри него выше нормы;

•электрические;

•за счет энергии фазового перехода <<Жидкость-кристалл>>,

атакже физическая детонация.

Взрывы сосудов, работающих под давлением

Причины, вызывающие взрывы:

•снижение прочности стенок сосуда;

•заполнение емкости сосуда сверх нормы;

•дефекты, допущенные при монтаже, ремонте сосуда;

•конструктивные недостатки сосуда;

•коррозия стенок сосуда, т. е. разрушение материала, вещества вследствие физико-химического воздействия на них других ве­ ществ, находящихся в сосуде или внешней среде;

•эрозия материала сосудов, т. е. разрушение материалов стенок вследствие механического воздействия находящихся в сосуде веществ и материалов или вследствие электрических разрядов.

При таких взрывах возникающее внутреннее давление в сосуде nревьrшает предельно допустимое значение. Это приводит к разгер­

метизации сосуда с последующим взрывом. В случае если хранящееся в сосуде вещество нагрето до температур, превьrшающих предельно

допустимые значения, происходит химическое превращение этого ве­ щества, которое приводит к росту внутреннего давления.

Взрывы оборудования из-за увеличен ия давпен ия внутри него

Причины возникновения таких взрывов:

•внезапное уменьшение или прекращение расхода воды в паро­

вых котлах;

•поломка приборов автоматики, контролирующих подачу пара;

•нарушение температурного режима оборудования, приводящее к нагреванию паров или газов выше установленного режима;

•снижение уровня воды (упуск) в паровых котлах.

Упуском воды называется такое нарушение работы котла или дру­

гого оборудования, при котором уровень воды в них снижается на­ столько, что часть поверхности нагрева оборудования перестает омы­ ваться водой и начинает перегреваться.

Электрические взрывы

Электрические взрывы - это мощные искровые разряды в газах (например, молния) и взрывы металлических проводников (ЭВП)

при пропускании через них токов большой плотности (порядка

1 07 А/см2) за 10-5- 1 0-7 с.

При газовых разрядах разность электрических потенциалов вы­ равнивается за малые промежутки времени, так что плотность вы­ деляемой при этом энергии соизмерима с параметрами ядерных взрывов.

Взрыв металлических проводников (проволочек) обусловлен бы­ стрым испарением металла и переходом его в плазменное состояние с последующим расширением плазмы и преобразованием тепловой энергии в потенциальную энергию сжатия. Чрезвычайно быстрый нагрев проволачек до температуры 1 04 К способствует их существен­ ному перегреву выше точки кипения металла, при этом наблюдается быстрое расширение паров металла с образованием ударных волн. В табл. 2 . 1 приведсны энергии, необходимые для электрического взрыва проводников (Э ВП ) различных металлов.

Таким образом , ЭВ П - это резкое изменение физического со­ стояния металла в результате интенсивного выделения в нем энергии,

приводящее к нарушению металлической электропроводности и со-

ударная волна с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающим тысячи атмосфер.

Физическая детонация происходит также при попадании холод­ ных сред на нагретые до высоких температур поверхности.

Примеры. Наиболее тяжелый по своим последствиям физический взрыв произошел в 1993 г. на Днепровском металлургическом комби­ нате в результате попадания в доменную печь с обрушившейся ших­ той большого количества воды (от 1 до 3 т) с последующим быстрым испарением и повышением давления в объеме печи, что привело к ее частичному разрушению с выбросом горячих газов. При взрыве по­ страдали 29 человек, из них 18 погибли.

На Новолипецком металлургическом комбинате 7 июня 1 991 г. из-за попадания воды в конвертор из прогоревшего резервуара (тор­ кретфурмы) произошел взрыв с вЬ1бросом из конвертора перегретого пара и продуктов расплава. В результате этого взрыва пострадали семь человек, были повреЖдены элементы котла-утилизатора и газо­ отводящего тракта, разрушена подкрановая балка и др.

2. 1.3. Комбинированные взрывы

Взрывы комбинированные , т. е. взрывы, сопровоЖдающиеся выде­ лением энергии и образованием сжатых газов в результате последова­ тельного протекания физического и химического взрывов (или сна­ чала химического взрыва, затем физического), работа которых полно­ стью или частично суммируется.

Комбинированые взрывы по природе механизма возникновения

энергии подразделяют следующим образом:

• явление BLEVE;

• ядерные взрывы;

• термоядерные взрывы.

Рассмотрим подробно каЖдый из них.

BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) - взрыв расши­

ряющихся паров вскипающей жидкости.

Сущность этого явления заключается в следующем: при наличии источника воспламенения происходит перегрев горючей жидкости или сжиженного горючего газа. Резкое падение давления в сосуде вы­ зывает вскипание находящейся в нем жидкости и образование воз­ душной ударной волны. Ударная волна вызывает разрушения обору­ дования, выброс газа-, паравоздушного облака.

Причины, вызывающие явление BLEVE:

•емкости под давлением, наполненные легкокипящей жидко­ стью (чаще всего - сжиженным горючим газом), подвергаются внешнему нагреву;

•в процессе нагрева отмечается рост внутреннего давления. BLEVE - термин, который используется для описания целой со­

вокупности явлений, сопровождающих внезапное разрушение сосуда

(баллона, резервуара) с перегретой горючей жидкостью или со сжи­

женным горючим газом при наличии источника воспламенения. На­

пример, причиной аварий на объектах СУГ (сжиженных углеводород­

ных элементов) является образование огненных шаров и взрывные явления типа BLEVE.

Для образования явления BLEVE необходимы следующие условия:

•жидкость, хранящаяся в герметичном сосуде под давлением, к моменту вскипания (за счет сброса давления) должна быть <<тер­ модинамически перегретой» выше некоторого характерного предела относительно состояния насыщения при атмосферном давлении;

•в результате аварийной разгерметизации или разрушения кор­ пуса сосуда должно произойти резкое падение давления над по­

верхностью раздела жидкой и паровой фаз.

Нарушение целостности сосуда может происходить из-за:

•переполнения сосуда СУГ с последующим его нагревом;

•внешних механических воздействий осколков от разрушения других сосудов, переворачивания и пробоя цистерн во время транспортирования и т. п.;

•внешних тепловых воздействий, таких как локальный перегрев корпуса и связанное с этим резкое снижение его механической прочности.

Втех случаях когда при сбросе давления не достигается граница

перегрева, мгновенного вскипания жидкости в объеме не происходит.

За счет возникшей неравновесности, т. е. временного термодинами­

ческого перегрева происходит превращение части внутренней энер­ гии в теплоту, которая далее реализуется испарением части жидкости

(по обычному механизму поверхностного кипения на центрах пара­ образования). Это приводит к равномерному понижению температу­ ры по всей массе жидкости.

При <•провале>> за границу предельного перегрева произойдет

<•паровой взрыв>>, давление в сосуде может возрасти в сотни раз,

вследствие чего сосуд будет разорван. За счет резкого сброса давле-

174 Раздел 2. Взры в

ния часть жидкости nревратится в пар, а оставшаяся часть уже <•nе­ реохлажденной>> жидкости будет практически nолностью захвачена резко расширяющимся nаром и вынесена с ним в окружающее nространство в виде аэрозоля. В результате образуется аэрозольное облако расширяющихся nаров, которое с большой вероятностью восnламенится за счет взаимодействия разрушающихся частей со­ суда друг с другом, соударения, трения и будет сгорать с высокой интенсивностью и мощным излучением теnла в окружающее nро­ странство.

За счет исходного эффекта расширения nри разрушении сосуда высокого давления, а также за счет расширения nродуктов сгорания образуется ударная волна, сnособная вызвать разрушения в nриле­ гающей к сосуду зоне.

Доnолнительным фактором оnасности nри возникновении эф­ фекта BLEVE являются осколки от разорвавшегося корnуса, увеличи­ ваюшие зону nотенциальной угрозы вокруг резервуаров для хранения сжиженных газов nри темnературе окружающей среды.

При быстром сгорании облака, как уже отмечалось, nроисходит мощное излучение теnлоты в окружающее nространство, сnособное вызвать возгорание горючих материалов и термическое nоражение людей на значительных расстояниях от места аварии.

Стадии образования расширяющихся nаров вскиnающей горючей жидкости:

•действие nламени на сосуд, находящийся под давлением;

•рост давления в сосуде;

•перегрев и nотеря nрочности стенок, не смоченных жидкостью и , как следствие, их разрушение под действием внутреннего давления с образованием волны давления в окружающей среде;

•выброс с одновременным дисnергированием жидкости в окру­ жающее nространство из сосуда и мгновенное ее испарение с образованием nарового облака;

•восnламенение этого облака с образованием волн давления и огненного шара.

Ядерные взрывы

Квзрывам, связанным с более фундаментальными nревращения­ ми веществ, относятся ядерные взрывы. При ядерном взрыве nроис­ ходит nревращение атомных ядер исходного вещества в ядра других элементов, которое соnровождается освобождением энергии связи элементарных частиц (nротонов и нейтронов), входящих в состав