Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебник
.pdf
ТЕМА 15. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ДЕТОНАЦИИ
2
2( 1)DkQ= -×
В КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ
ВЕЩЕСТВАХ
Гидродинамическая теория детонации Гриба–Зельдовича–Нейма-
на–Деринга использует следующие предположения:
1) детонационный фронт плоский, течение в зоне химической ре-
акции одномерное;
2) конец зоны энерговыделения совпадает с плоскостью Чепмена–
Жуге.
Такую детонацию называют идеальной.
Из теории идеальной детонации известно, что при прочих равных
условиях скорость детонации ВВ зависит прежде всего от количества
энергии, выделяющегося в зоне реакции (теплоты взрывчатого превращения)
.
Величина Q зависит только от химического состава ВВ. Однако,
как показали многочисленные экспериментальные исследования, на
скорость распространения детонации в твердых и жидких ВВ существенное влияние оказывают физические характеристики заряда ВВ:
– размер (диаметр или толщина);
– форма (цилиндрический заряд, плоский заряд в виде слоя или
листа);
– плотность;
– структура и дисперсность (величина кристаллов);
– наличие оболочки или другого ограничения.
Некоторые из этих факторов оказывают влияние на возможность
процесса детонации и скорость ее лишь при определенных условиях.
Таким образом, детонация реальных зарядов ВВ не является иде-
альной.
Самым заметным проявлением неидеальности детонации, которое
обнаруживается без всяких измерений, является существование критического диаметра детонации d
(для плоского заряда – критической толщины), т.е. минимального диаметра заряда ВВ, при котором еще возможно распространение самоподдерживающейся детонации. В зарядах, диаметр которых меньше
критического d < d
, устойчивое распространение детонации невоз-
кр
можно.
для цилиндрического заряда ВВ
кр
161
Основными задачами теории неидеальной детонации являются:
1) установление природы критического диаметра детонации и по-
лучение зависимости для его определения;
2) определение зависимости скорости детонации от диаметра D(d).
15.1. Зависимость скорости детонации
от диаметра заряда
Изучением зависимости скорости детонации от диаметра заряда
занимались Дотриш, Бихель, Каст и многие другие исследователи.
Наиболее систематические и интересные исследования в этой области проведены в Советском Союзе А.Ф. Беляевым и В.К. Боболевым, а
за рубежом Куком и др.
На основании этих работ установлено, что с увеличением диаметра заряда скорость детонации повышается, достигая своего максимального значения при некотором предельном диаметре, который для
различных ВВ различный (табл. 15.1). Общий характер этой зависимости показан на рис. 15.1.
Таблица 15.1
Предельные диаметры зарядов ВВ
Взрывчатое вещество d
Литая аммиачная селитра с тротилом 50/50 Около 120
Патроны динамита 30
Литой тротил 30
Прессованный тротил при ρ
Гексоген при ρ
162
= 1,0 г/см
0
Рис. 15.1 Зависимость скорости детонации от диаметра заряда:
– предельный диаметр заряда; dкр – критический диаметр заряда
d
пр
= 1,60 г/см
0
3
3
, мм
пр
Около 10
3–4
Стационарный режим детонации возможен лишь при диаметре за-
ряда больше критического: d
> dкр. При диаметре заряда меньше
зар
критического устойчивое распространение процесса невозможно при
любом по мощности инициирующем импульсе и распространение
взрыва на некотором расстоянии от места инициирования прекращается. Таким образом, при dкр скорость детонации достигнет своего
наименьшего при данных условиях значения.
В основе большинства представлений о природе критического диаметра детонации лежит известный физический принцип Ю.Б. Харито-
на, согласно которому с уменьшением диаметра заряда ВВ увеличивается относительное количество реагирующего ВВ, разлетающегося из
зоны химической реакции в стороны. При этом возрастает потеря энергии из зоны реакции, которая в противном случае шла бы на поддержание детонационного фронта. Когда диаметр заряда достаточно велик,
указанная потеря энергии несущественна, и детонационная волна распространяется практически со скоростью идеальной детонации. Однако, начиная с некоторого диаметра, называемого предельным, становится заметным уменьшение скорости детонации по мере уменьшения
диаметра заряда ВВ. Наконец, при диаметре заряда, который называют
критическим, относительная потеря энергии возрастает настолько, что
в зоне химической реакции нарушается равновесие между выделением
энергии и ее рассеиванием и самоподдерживающееся распространение
детонации становится невозможным.
Исследования А.Ф. Беляева и В.К. Боболева показали, что dпр и dкр
даже для одного и того же ВВ не постоянны и существенно меняются
в зависимости от плотности заряда, оболочки и степени измельчения
ВВ.
15.2. Влияние типа ВВ на критический
диаметр заряда
Критический диаметр сильно зависит от химической природы ВВ.
На рис. 15.2 представлена зависимость dкр от состава смеси амми-
ачной селитры и тротила по данным А.Ф. Беляева.
Плотность зарядов изменялась в пределах 0,83…0,85 г/см3. Тротил
и селитра перед смешением просеивались через сито с диаметром отверстий около 0,4 мм. Как видно из рисунка, критический диаметр по
мере увеличения содержания селитры возрастает сначала медленно, а
потом весьма резко, начиная с состава 80/20. Скорость детонации для
163
состава 80/20–97/3 меняется от 1300 до 1100 м/с. Критический диаметр чистой аммиачной селитры при плотности 0,7…0,8 г/см3 оказался равным 80…100 мм, а критическая скорость детонации – 1100 м/с.
Рис. 15.2. Зависимость критического диаметра от состава
смеси аммиачной селитры и тротила (по данным А.Ф. Беляева)
Критические диаметры детонации для некоторых порошкообраз-
ных ВВ представлены в табл. 15.2.
Таблица 15.2
Критические диаметры зарядов порошкообразных ВВ при плотности зарядов
0,9…1 г/см3, размерах зерна ВВ 0,05…0,2 мм и оболочке – стеклянной трубке
Тип взрывчатого вещества d
Азид свинца 0,01…0,02
Тэн 1,0…1,5
Гексоген 1,0…1,5
Пикриновая кислота 6
Тротил 8…10
Аммонит 6ЖВ 10…12
Смесь 20 % алюминия и 80 % аммиачной селитры 12
Аммиачная селитра 100
кр
, мм
Некоторые ВВ, отличающиеся особо высокой восприимчивостью
к детонации, имеют весьма малые критические диаметры. Так, по
данным Боудена критический диаметр для азида свинца dкр ≈ 0,02 мм,
164
а предельный диаметр dпр ≈ 0,4 мм. Скорость детонации при этом соответственно возрастает от 2000 до 5500 м/с. При d
< dкр азид спо-
зар
собен лишь к медленному разложению.
Критические диаметры для типичных однородных ВВ значительно меньше, чем для NH4NO3 и аммиачно-селитренных составов. Критические скорости детонации зарядов типичных бризантных ВВ изменяются в пределах 2200…3000 м/с.
Критические диаметры детонации некоторых гранулированных
ВВ представлены в табл. 15.3.
Таблица 15.3
Критические диаметры детонации гранулированных ВВ
Тип взрывчатого вещества d
Граммонит 79/21 40…60
Гранулит АС-8 70…100
Игданит 100…120
Ифзанит 100…120
кр
, мм
Таким образом, у грубодисперсных ВВ с широкой зоной химической реакции критический диаметр будет больше, чем у порошкообразных.
15.3. Влияние степени измельчения взрывчатого
вещества на критический и предельный диаметр
С уменьшением размеров кристаллов ВВ dпр и dкр уменьшаются
и граница между ними сужается, что объясняется соответствующим
сокращением ширины зоны реакции во фронте детонационной волны. Эта зависимость имеет общий характер как для однородных, так
и для смесевых ВВ.
Для тротила и пикриновой кислоты значения критического и предельного диаметров детонации в зависимости от степени измельчения представлены в табл. 15.4.
Таблица 15.4
Значения критического и предельного диаметра детонации
ля тротила и пикриновой кислоты
Размеры зерен, мм
0,75…0,1 11,0 30,0 9,0 17,0
Более мелкие кристаллы 5,5 9,0 5,5 11,0
Тротил (ρ
d
= 0,85 г/см3)
0
, мм dпр, мм dкр, мм dпр, мм
кр
Пикриновая кислота
= 0,95 г/см3)
(ρ
0
165
На рис. 15.3 изображены зависимости скорости детонации от диа-
метра заряда и размеров частиц ВВ для тротила и пикриновой кислоты.
Рис. 15.3. Влияние диаметра заряда и степени измельчения ВВ
на скорость детонации
Из сопоставления кривых на рис. 15.3 следует, что:
1) при уменьшении величины зерна критический и предельный
диаметры детонации существенно уменьшаются. Более резко это сказывается на dкр и dпр зарядов тротила;
2) размеры зерен не влияют на максимальную скорость детонации
при заданной плотности, а только определяют, насколько быстро скорость детонации достигает предельного значения с увеличением диаметра заряда;
3) критическая скорость детонации при заданной плотности заряда также не зависит от величины кристаллов ВВ.
Установленные выше закономерности справедливы также и для
взрывчатых смесей, однако dкр и dпр для них обычно значительно
больше, чем у однородных ВВ. Так, по данным А.Ф. Беляева, даже для
весьма хорошо измельченного динамона (12 % торфа и 88 % NH4NO3)
диаметр вплоть до 80 мм еще сильно влияет на скорость детонации.
Отсюда можно заключить, что в условиях практического применения
заряды аммиачно-селитренных ВВ во многих случаях имеют диаметры меньше предельного (характерно для шпуровых зарядов).
166
15.4. Влияние оболочки на скорость
и предельные условия распространения
детонации
Влияние оболочки зарядов ВВ на скорость и предельные условия распространения детонации рассмотрено в работах А.Ф. Беляева,
В.К. Боболева, И.Ф. Кобылкина и других исследователей. Оболочка заряда ВВ ограничивает проникновение боковых волн разрежения в зону
химической реакции, что затрудняет разлет продуктов взрыва и способствует более полному использованию энергии в детонационной волне.
Если заряд ВВ окружен прочной оболочкой, то его критический и
предельный диаметр уменьшаются. Особенно заметно это проявляется для смесевых аммиачно-селитренных ВВ. Например, применяя
массивную стальную оболочку с толщиной стенок 20 мм, А.Ф. Беляев зарегистрировал устойчивую детонацию аммиачной селитры при
диаметре всего 7 мм. Скорость детонации аммиачной селитры при
этом оказалась порядка 1500 м/с. При взрыве в стеклянной трубке
критический диаметр аммиачной селитры составляет 100 мм. Для индивидуальных (тэн, гексоген) и особенно инициирующих ВВ оболочка не оказывает заметного влияния.
В табл. 15.5 приведены критические диаметры смесей аммиачной
селитры с тротилом без оболочки и в водяной оболочке.
Таблица 15.5
Критические диаметры смесей аммиачной селитры с тротилом плотностью
ρ0 = 0,8…0,85 г/см3 без оболочки и в водяной оболочке толщиной порядка
2–3 диаметров заряда (данные А.Ф. Беляева)
Состав смеси Критический диаметр d
% тротила
100 0 9 –
22 78 12 4
12 88 15 5
6 94 21 8
3 97 30 14
0 100 100 40
% аммиачной
селитры
без оболочки водяная оболочка
кр
, мм
Из таблицы видно, что применение оболочки значительно расширяет область устойчивости детонации.
Основными факторами, определяющими эффект оболочки, являются ее сжимаемость и толщина.
167
Сжимаемость оболочки определяется импедансом материала обо-
об об об
ρАС=×
лочки, кг/(м2·с),
,
где ρ
– плотность оболочки, кг/м3; Соб – скорость продольных волн
об
в оболочке, м/с.
Чем выше импеданс материала и толщина оболочки, тем значительнее будет снижаться величина критического диаметра заряда ВВ
(рис. 15.4, 15.5).
Рис. 15.4. Типичная зависимость критического диаметра
заряда ВВ от импеданса материала оболочки
168
Рис. 15.5. Типичная зависимость критического
диаметра заряда ВВ от толщины оболочки
Помещение зарядов ВВ в прочные оболочки способно заметно
увеличить их скорость детонации, но только в том случае если диаметр этих зарядов меньше предельного. Если диаметр заряда ВВ
больше предельного оболочка любой прочности не способна повысить скорость его детонации. Также оболочка при любом инициирующем импульсе не оказывает заметного влияния на критическую скорость детонации заряда, свойственную ему при данной плотности.
Итак, при применении ВВ в зарядах небольшого диаметра необходимо обеспечивать тщательное заполнение шпура ВВ, чтобы последний выполнял роль оболочки, а также делать качественную забойку
заряда. При взрывах зарядов большого диаметра эти факторы меньше
влияют на устойчивость детонации.
15.5. Влияние примесей на скорость детонации
При разбавлении ВВ органическими и неорганическими горючими, способными участвовать в реакции взрывчатого превращения,
скорость детонации ВВ, как и газовых смесей, изменяется в зависимости от химической природы примеси и самого ВВ. Например,
при флегматизации гексогена пятью процентами парафина скорость
детонации его заметно уменьшается: для чистого гексогена при
ρ0 = 1,50 г/см3 D = 7900 м/с, для флегматизированного гексогена при
той же плотности D = 7640 м/с. При флегматизации гремучей ртути
небольшим количеством парафина или воска (3–5 %) скорость детонации, наоборот, несколько возрастает.
Введение инертных веществ в состав ВВ, как правило, приводит к
уменьшению скорости детонации. Данные, подтверждающие это положение, приведены в табл. 15.6.
Таблица 15.6
Влияние примесей на скорость детонации тротила
Состав взрывчатого вещества ρ
Тротил 1,61 6850
50 % тротила + 50 % NaCl 1,85 6010
75 % тротила + 25 % BaSO
85 % тротила + 15 % BaSO
74 % тротила + 26 % Al 1,80 6530
4
4
3
, г/см
0
2,02 6540
1,82 6690
D, м/с
Из таблицы видно, что несмотря на весьма значительное разбавле-
ние тротила хлоридом натрия и серноксидым барием, скорость дето-
169
нации его уменьшилась сравнительно немного. Это указывает на то,
2
2( 1)DkQ= -×
что подобные примеси в основном выполняют роль чисто механических агентов, в большей или меньшей степени затрудняющих передачу детонации по массе взрывчатого компонента.
Весьма показательно, что добавка к тротилу алюминия также приводит к снижению скорости детонации, несмотря на то, что теплота
взрыва и фугасный эффект при этом существенно (до 40 %) увеличиваются. Из таблицы видно, что при равном содержании алюминия и сернокислого бария скорость детонации зарядов примерно одинакова, т.е.
алюминий ведет себя в данном случае как обычное инертное вещество.
Объясняется это тем, что вследствие относительно малой скорости
реакции алюминий реагирует с продуктами разложения тротила лишь
в зоне, охваченной волной разрежения, что исключает передачу выделяющейся при данном процессе дополнительной энергии во фронт
детонационной волны.
15.6. Влияние плотности на скорость
и пределы устойчивости детонации
Характер зависимости скорости детонации от плотности определяется соотношением между диаметром заряда ВВ d
диаметром детонации для данного ВВ dпр:
1. Диаметр заряда ВВ больше предельного диаметра детонации
для данного ВВ (d
> dпр).
зар
Если диаметр заряда ВВ больше предельного, то на скорость детонации, в соответствии с выводами гидродинамической теории детонации, оказывают влияние только теплота взрыва Q и плотность заряда ρ0, определяющая показатель изоэнтропы k
и предельным
зар
.
Все остальные факторы в этом случае могут сказаться лишь на
восприимчивости заряда к детонации и условиях ее возбуждения
(мощность инициирующего импульса, величина начального участка).
Итак, при d
> dпр с увеличением плотности заряда скорость дето-
зар
нации возрастает. Это условие легко выполняется для взрывчатых химических соединений (однородных ВВ: тротил, тетрил, гексоген и др.).
2. Диаметр заряда ВВ меньше предельного диаметра детонации
для данного ВВ (d
170
< dпр).
зар
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]