- •7. Взрывы газопаровоздушных смесей и взрывчатых веществ
- •7. 1. Условия возникновения взрыва
- •7. 2. Классификация взрывов
- •7.3. Особенности горения взрывчатых веществ
- •7.4. Взрыв газопаровоздушных смесей, классификация взрывоопасных смесей
- •7.5. Механизм образования взрывной волны и ее распространение
- •7.6. Основные параметры взрыва
- •Факторы, влияющие на давление взрыва. Давление взрыва зависит от:
- •7.7. Возможные последствия взрыва
- •Вопросы для самоконтроля
7. 2. Классификация взрывов
Взрывы, наиболее часто встречающиеся на практике, можно разделить на две основные группы: физические и химические (см. рис. 7.2).
К физическим взрывам относят процессы, приводящие к взрыву и не сопровождающиеся химическим превращением вещества.
К химическим взрывам относят процессы, химического превращения вещества, проявляющиеся горением и характеризующиеся выделением тепловой энергии за короткий промежуток времени и в таком объеме, что образуются волны давления, распространяющиеся от источника взрыва.
Причиной случайных взрывов чаще всего являются процессы горения. Взрывы такого рода чаще всего происходят при хранении, транспортировке и изготовлении ВВ. Они имеют место при обращении с ВВ и взрывоопасными веществами в химической и нефтехимической промышленности; при утечках природного газа в жилых домах; при изготовлении, транспортировке и хранении легколетучих или сжиженных горючих веществ; при промывке резервуаров для хранения жидкого топлива; при изготовлении, хранении и использовании горючих пылевых систем и некоторых самовозгорающихся твердых и жидких веществ.
Рис. 7.2. Классификация взрывов, наиболее часто встречающихся на практике
При физическом взрыве высвобождающаяся энергия является внутренней энергией сжатого или сжиженного газа (более строго, сжиженного пара). Сила таких взрывов зависит от внутреннего давления, а разрушения могут быть вызваны ударной волной от расширяющегося газа или осколками разорвавшегося резервуара. В ряде аварий отмечались физические взрывы, возникающие от полного разрушения автоцистерн. В зависимости от обстоятельств части такого резервуара разлетались на сотни метров.
То же может случиться (в меньших масштабах) с переносными баллонами для газа, если такой баллон упадет и сорвется вентиль, понижающий давление. Известны многочисленные случаи таких чисто физических взрывов сосудов со сжиженными газами под давлением, не превышающим 4 МПа.
К физическим взрывам следует отнести и явление так называемой физической (или термической) детонации, которая возникает при смешении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, при выливании расплавленного железа в воду). В образовавшейся парожидкостной смеси испарение может протекать взрывным образом вследствие развивающихся процессов тонкой фрагментации капель расплава, быстрого отвода от них и перегрева холодной жидкости. Физическая детонация сопровождается образованием ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающим в некоторых случаях сотен мегапаскалей. Указанное явление может стать причиной крупных аварий в ядерных реакторах и на промышленных предприятиях металлургической, химической и бумажной промышленности.
Источники энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объемах аппаратуры могут быть как внешними, так и внутренними. Внешние – это электрическая энергия, используемая для сжатия газов и нагнетания жидкостей; теплоносители, в том числе электрические, обеспечивающие нагрев жидкостей и газов в замкнутых объемах аппаратуры. К внутренним источникам относится энергия экзотермических физико-химических и тепломассообменных процессов в замкнутом объеме аппаратуры, приводящая к интенсивному испарению жидких сред или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывных явлений.
Химические взрывы делят на объемные (см. рис. 7.3) и взрывы конденсированных ВВ. Источником химического взрыва являются быстро протекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или термического разложения нестабильных соединений. При некоторых обстоятельствах возможны неконтролируемые реакции, сопровождающиеся возрастанием давления в реакционном сосуде, который может полностью разрушиться, если нет предохранительного клапана. При этом могут образоваться ударная волна и осколочное поле.
Рис. 7.3. Классификация объемных взрывов
Энергоносители химических взрывов могут быть твердыми, жидкими, газообразными веществами, а также аэровзвесями горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде (часто в воздухе). Взрывы газовых смесей и аэровзвесей горючих веществ иногда называют объемными взрывами. Твердые и жидкие энергоносители относятся в большинстве случаев к классу конденсированных ВВ. В состав этих веществ или их смесей входят восстановители и окислители или другие химически нестабильные соединения. При инициировании взрыва в этих веществах с огромной скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции термического разложения с выделением тепловой энергии (при взрывах конденсированного ВВ атомы углерода и водорода в молекулах вещества замещается атомами азота).
Газообразные энергоносители представляют собой гомогенные смеси горючих газов (паров) с газообразными окислителями, такими как воздух, кислород, хлор и др., либо нестабильные газообразные соединения, такие как ацетилен, этилен (склонные к термическому разложению в отсутствии окислителей). Источником взрывов газовых смесей являются экзотермические реакции окисления горючего вещества или реакции разложения нестабильных соединений.
Двухфазные взрывоопасные аэровзвеси состоят из мелкодисперсных горючих жидкостей («туманов») или твердых веществ (пыли) в окислительной среде, в основном, в воздухе. Источником энергии их взрывов также является тепло сгорания этих веществ.
Технологическая система взрывоопасна, если она обладает запасом потенциальной энергии, высвобождающейся с настолько большой скоростью, что она может генерировать воздушную ударную волну (ВУВ), способную вызвать крушения или поражения людей. Количество потенциальной энергии определяется соответствующими физико-химическими закономерностями энерговысвобождения.
Энергию взрыва парогазовых сред определяют по теплоте сгорания горючих веществ в смеси с воздухом (окислителем); конденсированных ВВ – по теплоте, выделяющейся при их детонации (реакции разложения); при физических взрывах систем со сжатыми газами и перегретыми жидкостями – по энергии адиабатического расширения парогазовых сред и перегрева жидкости.
Скорость высвобождения энергии в общем случае выражается удельной мощностью, т. е. количеством энергии, выделяемой в единицу времени на единицу объема. При химических взрывах скорость энерговыделения можно определить по скоростям распространения детонации или пламени в газовой среде. Скорость распространения детонации в твердом или жидком ВВ приблизительно соответствует скорости звука в веществе и находится в интервале 2.103-9.103 м/с; при газовых физических и химических взрывах волны сжатия двигаются со скоростью, близкой к скорости звука в воздухе.
Химические взрывы, вызываемые экзотермическими реакциями разложения в конденсированных ВВ или неустойчивых соединениях в газовой фазе, сопровождаются образованием (увеличением) числа моль газов. Например, при взрыве 1 кг тринитротолуола (ТНТ), являющегося веществом с отрицательным кислородным балансом, образуется приблизительно 20 моль газов (паров) (0,6 – СО; 10,0 – СО2; 0,8 – Н2О; 6,0 – N2; 0,4 – NH3; 4,7 –СН3ОН; 1,0 – HCN) и 15 моль углерода. Большинство других бризантных ВВ (за исключением нитроглицерина) также являются веществами с отрицательным кислородным балансом, т. е. числа атомов кислорода в их молекулах недостаточно для полного превращения имеющихся атомов углерода в СО2 и водорода в Н2О. Способность вещества к взрывному процессу подчиняется законам термохимии, согласно которым, если в данной реакции сумма теплот образования продуктов меньше теплоты образования исходного соединения, то это вещество потенциально взрывоопасно. Например, если вещество А, разлагающееся по реакции А → B + C + D, взрывоопасно, то должно соблюдаться условие:
q(A) ≥ q(B) + q(C) + q(D),
где q – энтальпия (теплота) образования; q имеет положительные значения для соединений, образующихся с поглощением тепла (эндотермические процессы) и отрицательное для соединений образующихся с выделением тепла (экзотермические процессы).
Таким образом можно оценить лишь способность вещества к взрывному процессу, а энергию и мощность взрыва определяют по скорости реакции.
Источниками энергии взрывов могут быть окислительно-восстановительные химические реакции, в которых воздух или кислород взаимодействуют с восстановителем. Наряду с горючими газами восстановителями могут быть мелкодисперсные горючие твердые вещества (пыли) или диспергированные жидкости. Окислительно-восстановительные реакции в этих условиях могут протекать как в замкнутых, так и незамкнутых объемах с достаточно высокими скоростями, при которых генерируются ударные волны, способные вызвать ощутимые разрушения.