1.2 Виды и причины взрывов на железнодорожном транспорте.

По своей природе взрывы делятся на: физические, химические и ядерные.

К физическим взрывам относят взрывы паровых котлов, баллонов со сжиженным и сжатым газом, смешивание горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, при вливании расплавленного металла в воду) и т.д.

Сила взрывов сжатых паров или газов характеризуется внутренним давлением, а разрушение вызывается ударной волной от расширяющегося газа и осколками разорвавшегося резервуара. Примерами физических взрывов на объектах железнодорожного транспорта являются взрывы паровых котлов паровозов или других тепловых установок для получения пара в случае нарушения правил их технической эксплуатации. К источникам физических взрывов можно отнести резервуары со сжатым воздухом, которые применяются, например, для обдува стрелок от снега в зимнее время.

Энергия при физических взрывах накапливается за счет внешних источников, например, сжигание угля или мазута в паровых котлах или электрической энергии, затрачиваемой на привод компрессоров на сжатие воздуха и т.п.

При химических взрывах энергия выделяется в результате чрезвычайно быстрой химической реакции окисления углерода (С) в оксид (СО) и диоксид (СО₂) и водорода (Н) в воду (Н₂О) кислородом (О₁), входящим в состав молекул взрывчатого вещества или кислородом атмосферного воздуха (О₂). Молекулы углерода и водорода являются основной составляющей ВВ, паров топлива, углеводородных газов и органической пыли. Полученная в результате химической реакции тепловая энергия преобразует воду в пар и нагревает образовавшиеся пары и газы до температуры 3000 – 4000°С, что способствует повышению давления в зоне взрыва до мПа. Такое давление оказывает разрушительное (бризантное) действие на окружающую среду в случае взрыва в замкнутых объемах, например, в оболочках боеприпасов, грунтах и т.п. В случае если взрыв происходит в атмосфере, то какая-то часть энергии взрыва затрачивается на образование воздушной ударной волны.

В перевозочном процессе на железнодорожном транспорте находится множество взрывоопасных материалов. К ним относятся взрывчатые вещества, применяемые как в военном деле, так и в экономике: жидкое топливо, образующее горючевоздушную смесь (ГВС); углеводородные газы (УВГ), образующие газовоздушную смесь. Кроме того, при различных погрузочно-разгрузочных операциях с органической (сахарной, угольной и т.п.) пылью могут образовываться пылевоздушные смеси (ПВС).

Взрывчатые вещества (ВВ) – это химические вещества или их смеси, которые под влиянием определенных внешних воздействий способны к быстрому самораспространяющемуся взрывчатому превращению с образованием нагретых и обладающих большим давлением газов, которые, расширяясь, производят механическую работу.

Взрывчатое превращение в зависимости от свойств вещества и вида воздействия на него может протекать в форме детонации или горения. Процесс взрывчатого превращения, обусловленный прохождением ударной волны по взрывчатому веществу и протекающий с постоянной (для данного вещества) сверхзвуковой скоростью, называется детонацией.

Скорость детонации для разных ВВ может находиться в пределах от 2000 до 8500 м/с.

Горение – процесс взрывчатого превращения, обусловленный передачей энергии от одного слоя ВВ к другому путем теплопроводности и излучения тепла газообразными продуктами. Процесс горения протекает сравнительно медленно, со скоростями, не превышающими несколько метров в секунду.

Скорость горения в значительной степени зависти от внутренних условий и, в первую очередь, от давления в зоне горения. С увеличением давления скорость горения возрастает, при этом горение может переходить во взрыв или детонацию. Горение бризантных веществ в замкнутом объеме, как правило, переходит в детонацию.

Возбуждение взрывчатого превращения ВВ называется инициированием, для чего ВВ требуется сообщить с определенной интенсивностью необходимое количество энергии (начальный импульс), которая может быть передана следующими способами:

• механическим (удар, накол, трение)

• тепловым (искра, пламя, нагревание)

• взрывом капсюля - детонатора или электродетонатора

Известно множество химических соединений и их смесей, способных к взрывчатому превращению. Но практическое применение нашли только те ВВ, которые отвечают следующим требованиям:

• обладают низкой чувствительностью к внешним воздействиям, что обеспечивает их безопасное использование, перевозку и хранение;

• безопасны в производстве;

• обладают стабильными физико-химическими свойствами;

• имеют достаточную сырьевую базу и, как следствие, низкую стоимость.

Все ВВ, применяемые в подрывных работах и для снаряжения различных боеприпасов, делятся на три основных группы:

• инициирующие;

• бризантные;

• метательные;

а) Инициирующие ВВ обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям (удару, трению и воздействию огня). Взрыв сравнительно небольших количеств инициирующих ВВ в непосредственном контакте с бризантными ВВ вызывает детонацию последних. Вследствие указанных свойств инициирующие ВВ применяются исключительно для снаряжения средств взрывания (капсюлей - детонаторов, электродетонаторов и др.) К инициирующим ВВ относятся: гремучая ртуть, азид свинца и тенерес. Совместное хранение и перевозка средств взрывания и ВВ категорически запрещается.

б) Бризантные ВВ в зависимости от количества тепла, выделяемого при взрыве, и скорости детонации делятся на ВВ повышенной, нормальной и пониженной мощности.

Взрывчатые вещества повышенной мощности (гексоген, тэн, тетрил) обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям. Так, механическое воздействие в виде удара ружейной пули ведет к взрыву, а горение даже при условии свободного отвода продуктов горения переходит в детонацию. С целью уменьшения чувствительности к механическим воздействиям ВВ повышенной мощности флегматизируют различного рода добавками (технический вазелин, церезин и др.)

Взрывчатые вещества нормальной мощности (тротил, пластит и мелинит) являются основными ВВ, применяемыми для ведения подрывных работ и снаряжения боеприпасов. К удару, трению и тепловому воздействию они малочувствительны. От удара ружейной пулей они не взрываются и не загораются.

Горение мелинита и пластита на открытом воздухе может переходить в детонацию, горение же тротила переходит в детонацию только в замкнутых пространствах.

Из взрывчатых веществ пониженной мощности наиболее широко применятся аммиачно-селитренные взрывчатые вещества. Они представляют собой механические взрывчатые смеси, основной частью которых является аммиачная селитра с различными взрывчатыми и горючими добавками.

В чистом виде аммиачная селитра в связи с ее низкой детонационной способностью и чувствительностью к внешним воздействиям по условиям хранения и транспортирования не относится к категории ВВ.

В зависимости от примешиваемых к аммиачной селитре добавок различают следующие виды аммиачно-селитренных ВВ:

- аммониты (аммиачная селитра + тротил)

- динамоны (аммиачная селитра + горючие добавки)

- аммоналы (аммиачная селитра + горючие добавки + алюминиевый порошок).

Эти ВВ называются промышленными ВВ и они широко применяются на открытых горных разработках, в строительстве новых железнодорожных линий, в проходческих работах в тоннелях и т.д. Они в наибольшем количестве перевозятся по железным дорогам. Известны случаи крупномасштабных взрывов при перевозке промышленных ВВ железнодорожным транспортом. Так, 4 июня 1988 года вблизи станции Арзамас произошел взрыв двух вагонов с ВВ общей массой 120т. В результате трагедии погибло 91 человек, полностью разрушено 150 жилых домов, 250 домов получили серьезные повреждения. На железнодорожном пути, на месте взрыва образовалась траншея длиной около 100м и глубиной около 30м, куски рельс были разбросаны на расстояние до одного километра. По официальным сообщениям, причиной взрыва стал пожар на локомотиве, который быстро перешел на вагоны с ВВ, находящиеся в «голове» состава.

Вторым примером взрыва большой массы ВВ является взрыв 4 октября 1989г. на ст. Свердловск – Сортировочный двух вагонов с взрывчатыми веществами. Взрывом был поврежден ряд зданий и сооружений производственного и жилого назначения. Погибло 32 человека, 359 семей остались без крова. Наибольшие разрушения получило здание вагонного депо, расположенное в 400м от места взрыва. Взрывной волной к зданию депо были отброшены самые тяжелые части разрушенных вагонов. Колеса, оси пробили перекрытие и падали вместе с обрушившейся кровлей, одновременно начался пожар. Причиной трагедии стала ошибка при выполнении маневровых работ, вследствие чего вагоны с ВВ начали самопроизвольно двигаться под уклон и столкнулись с транзитным грузовым поездом, что привело к взрыву.

в) Метательными ВВ (порохами) называются такие вещества, основной формой взрывчатого превращения которых является горение. Пороха делятся на дымные и бездымные.

Дымный порох представляет собой механическую смесь калиевой селитры, древесного угля и серы. В сухом виде он чрезвычайно чувствителен к тепловому и механическому воздействию, поэтому при хранении, использовании и транспортировке необходимо соблюдать особые меры предосторожности. Дымный порох сильно гигроскопичен, под действием влаги и воды отсыревает и при влажности 2% теряет способность воспламеняться. Эти свойства могут быть использованы при ликвидации последствий аварий с подвижным составом, перевозящим дымный порох.

Бездымные пороха широко применяются в различного рода реактивных двигателях, артиллерийских системах и т.д. По своим свойствам они существенно отличаются от дымных порохов. Бездымные пороха менее чувствительны к удару и трению, они негигроскопичны и не боятся влаги. В случае взрыва другого заряда ВВ бездымные пороха способны детонировать со скоростью до 6300м/с, это свойство бездымных порохов должно быть учтено при ликвидации последствий аварий с подвижным составом, перевозящим боеприпасы, снаряженные как бездымными порохами, так и бризантными ВВ, так как в случае взрыва бризантных ВВ они вызывают детонацию порохов. В этом случае при определении безопасных расстояний предполагаемая масса бездымного пороха учитывается как бризантное ВВ нормальной мощности.

Горючевоздушные смеси (ГВС) представляют собой пары топлива, смешенные с кислородом воздуха. Основной причиной взрывов ГВС являются пожары и, как следствие, перегрев легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) находящихся в герметично закрытых емкостях (цистернах). Уровень перегрева жидкости обычно характеризуется разностью между температурой, до которой ЛВЖ нагревается при пожаре и температурой ее кипения при атмосферном давлении. Если происходит разрушение емкости с перегретой жидкостью, то она быстро испаряется, смешивается с кислородом воздуха, образуя взрывоопасную смесь. Начальным импульсом для взрыва является, как правило, открытый огонь, высокая температура и т.п.

При больших количествах горючего, например, в железнодорожной цистерне, может иметь место недостаток кислорода для поддержания взрывного горения. В этом случае возникают так называемые огненные шары, радиусом до 60м. Тепловое излучение огненных шаров может вызывать воспламенение других объектов, вследствие чего образуются крупные очаги пожаров. Кроме того, образование огненных шаров сопровождается мощной ударной волной сжатого газа.

Углеводородные газы (метан, пропан, бутан, этилен и др.) с кислородом воздуха образуют взрыво- и пожароопасные газо-воздушные смеси (УВГ). Наибольшие степени взрывоопасности наблюдаются при так называемом стехиометрическом смешении компонентов, когда кислорода воздуха достаточно для окисления всего углерода и водорода углеводородного газа. Такие смеси характеризуются минимальными температурами воспламенения, а также создаются лучшие условия для перехода дефлаграционного горения в детонационный режим.

Количество газа по объему составляет от 2 до 9%, т.е. на кубический метр воздуха для обеспечения взрыва в форме детонации должно быть от 20 до 90 литров газа. При большем содержании газа имеет место взрывное горение, что существенно уменьшает разрушающее действие УВГ.

Примером взрыва УВГ является катастрофа на магистральном продуктопроводе и железной дороге под Уфой.

Страшная трагедия произошла в ночь с 23 на 24 июня 1989 г. на перегоне между станциями Казаяк и Улу-Теляк на 1710 км Башкирского отделения Куйбышевской железной дороги. Местность здесь холмистая, покрытая лесным массивом, преимущественно с лиственными породами деревьев. Склон бли­жайшего холма от железной дороги крутой, прорезан глубоким оврагом. Там, где овраг пересекала железная дорога, находилась водосточная труба. В месте катастрофы под насыпью, на которой уложено двухпутное железнодорожное полотно (рис.1.1), проходил магистральный продуктопровод, предназначенный для перекачки под рабочим давлением 3,5—3,8 МПа углеводородной смеси.

Длина трубопровода составляла 1852 км, диаметр труб 720 мм (диаметр проходного сечения 700 мм). Плотность перекачиваемой жидкости при температуре 20 °С могла быть 565 кг/м³.

Рис.1.1. Схема расположения объектов на месте катастрофы:

1 - железная дорога (стрелкой показано западное направление); 2 - станция Казаяк; 3 - станция Улу-Теляк; 4 - место разрушения трубопровода; 5 - магистральный продуктопровод (стрелкой показано направление движения продукта)

Выброс сжиженного нефтяного газа (СНГ) — следствие разрушения продуктопровода на участке в 900 м от полотна железной дороги (Рис.1.1). Разрыв произошел в верхней части трубы. Длина раскрытой полости вдоль трубы составляла 1989 мм, максимальная ширина — 1060 мм.

Полагают, что первоначально в месте вмятины произошло локальное повреждение трубы с выбросом продукта в атмосферу. В результате интенсивного испарения легких углеводородов произошло переохлаждение металла, что повлекло за собой обширное разрушение трубопровода и интенсивное истечение продукта. Протяженность трубопровода между смежными насосными станциями составляла 555 км. Отключающая арматура с электроприводом по трассе была установлена через 10-13 км.

Из-за отсутствия дистанционных средств управления и сигнализации о снижении давления в системе, не удалось оперативно блокировать аварийный участок трубопровода и сигналы опасности не сработали. Вместо того, чтобы найти место утечки и предпринять какие-то меры, на нагнетательной станции лишь увеличили давление в трубопроводе, так как решили, что оно упало, отклонилось от нормы. Тем временем газ заполнял ложбину у железной дороги. Пары углеводородов распространились над поверхностью земли и достигли железной дороги. Идущие навстречу друг другу поезда, по-видимому, вызвали турбулизацию газовоздушной смеси, ее воспламенение. В 1 ч 10 мин местного времени прогремел взрыв чудовищной силы, пламя взметнулось на огромную высоту.

В зоне взрыва оказались два пассажирских поезда, в которых находились 1284 человека, в том числе 383 ребенка. Воздушной ударной волной было оторвано от поездов и сброшено с пути 11 вагонов, из которых 7 были полностью разрушены, а остальные обгорели снаружи и полностью выгорели внутри. Многих пассажиров выбросило в окна охваченных пламенем вагонов.

Один из немногих уцелевших проводников сообщил, что запах газа на приближавшемся к месту выброса поезде чувствовался до взрыва. То, что произошло потом, трудно описать: в щепки разлетелись все вагонные перегородки, состав вспыхнул, как факел. При катастрофе погибли или получили разной степени тяжелые повреждения 1138 человека; на месте аварии найдено 314 трупов (из них 86 — в степени обугливания).

По характеру разрушений на железной дороге можно судить, что избыточное давление взрыва облака было очень высоким. Нельзя исключить и детонацию в отдельных локальных зонах с препятствиями в условиях интенсивной турбулизации горючей смеси в воздушных потоках, возникающих при встрече поездов, идущих навстречу друг другу по параллельным путям. На месте катастрофы полностью разрушены участки железнодорожного пути протяженностью 350 м, контактной сети (3 км), воздушной линии связи и линии электропередачи (1,7 км), металлические опоры контактной сети и железнодорожные опоры линии электропередачи.

От воздействия ударной волны в районе взрыва образовалась зона сплошного завала леса на площади 2,5км² (направление падения деревьев совпадает с направлением ударной волны и фронта пламени горения парового облака); повалены деревья (дуб, липа) диаметром 0,9 м; на границе зоны сплошного завала обломаны ветви и верхушки деревьев, содрана кора. В радиусе до 15 км от места взрыва в населенных пунктах выбиты стекла в домах, полностью или частично разрушены рамы и шиферные фронтоны (покрытия).

По оценкам ряда специалистов энергия взрыва углеводородовоздушной смеси оценивается тротиловым эквивалентом 200 - 300 т. Такой большой интервал обусловлен сложностью оценки общей энергии взрыва из-за неопределенности формы и массы парового облака, а также объясняется характером местности — пересеченный рельеф, лесистость.

Пылевоздушные смеси (ПВС) представляют собой смесь органической пыли (угольной, древесной, мучной, сахарной и т.д.) с кислородом воздуха. Сила и интенсивность взрыва пыли зависит от многих факторов и достигают максимальных значений при соответствующем соотношении горючей массы и кислорода. Скорость образования взрывоопасной смеси возрастает по мере увеличения контакта частиц пыли с воздухом, поэтому опасность взрыва зависит от размера частиц пыли. Мелкодисперсная пыль с сильно развитой поверхностью характеризуется большой активностью, более низкой температурой воспламенения и широким пределом между низким и верхним концентрационными пределами взрываемости. Все эти факторы важно учитывать при проведении погрузо-выгрузочных работ с органическими пылями и организации их хранения и т.п.

Источником энергии ядерного взрыва являются процессы освобождения энергии, заключенной в ядрах атомов химических элементов. Процесс изменения структуры ядра путем его деления (ядерные боеприпасы) или синтеза (термоядерные боеприпасы) называется ядерной реакцией.

Для получения взрыва используют деление ядер тяжелых изотопов (нуклидов): уран-235, плутоний-239, уран-233. Из них практически только уран-235 существует в природе. Изотопы плутония-239 и урана-233 в промышленных количествах получают в результате облучения нейтронами в ядерных реакторах урана-238 и тория-232.

Формула, с помощью которой можно описать реакцию деления ядерного ядра и природу образования поражающих факторов ядерного взрыва может быть представлена в следующем виде:

Если на изотоп урана-235 с положительным зарядом 92 воздействовать нейтроном ₀n любой энергии, образуется неустойчивый изотоп ₉₂U²³⁶ с возбужденным составным ядром, который мгновенно распадается на 2 из 60 возможных изотопов X и Y с суммарным зарядом 92 и суммарным количеством нуклонов 234. При этом испускается 2 нейтрона, способных вызвать деление других ядер и γ-кванты.

В большой массе изотопов под воздействием нейтронов возникает саморазвивающаяся цепная ядерная реакция деления, сопровождающаяся лавинообразным нарастанием числа делящихся ядер и выделением в следствии этого большого количества избыточной энергии ΔE в течении малого промежутка времени. В ходе протекания ядерной реакции температура повышается до нескольких миллионов градусов, а максимальное давление достигает миллиардов атмосфер. Следовательно, избыточная энергия ΔE является источником возникновения двух поражающих факторов: ударной волны и светового излучения.

Поток γ-квантов и нейтронов ₀n испускаемый из зоны взрыва в окружающую среду, образует проникающую радиацию, которая продолжается несколько секунд.

Источником возникновения электромагнитного импульса (ЭМИ) также является поток γ-квантов и нейтронов, под воздействием которых в окружающей среде возникают кратковременные электрические и магнитные поля, представляющие собой ЭМИ.

Источником радиоактивного заражения местности (РЗМ) являются: радионуклиды (X, Y), образовавшиеся как продукт ядерной реакции; непрореагирующая часть ядерного заряда; наведенная радиоактивность в районе ядерного взрыва, образованная в грунте и других материалах под воздействием нейтронов.

Ударная волна – основной поражающий фактор ядерного взрыва. Большинство разрушений и повреждений зданий, железнодорожных сооружений и устройств, а так же поражение людей обусловлено, как правило, воздействием ударной волны. В то же время защитить объекты от ударной волны гораздо труднее, чем от других поражающих факторов.

Сущность и основные параметры ударной волны ядерного взрыва аналогичны взрыву обычных взрывоопасных материалов.

Так как мощность ядерного взрыва во многих случаях значительно превышает мощность взрыва обычных ВВ, то радиус зоны ее поражающего действия значительно больше.

Распространение ударной волны ядерного взрыва на большие расстояния требует учета влияния на ее разрушающее и поражающее действие рельефа местности, лесных массивов в районе взрыва, а так же метеоусловий.

На долю ударной волны приходиться около 50 % всей энергии ядреного взрыва.

Световое излучение ядерного взрыва – совокупность видимого света и близких к нему по спектру ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.

Источник светового излучения – светящаяся область взрыва, состоящая из нагретых до высокой температуры веществ ядерного боеприпаса, воздуха и грунта (при наземном взрыве).

Из этой области излучается большое количество энергии в чрезвычайно короткий промежуток времени, вследствие чего происходит быстрый нагрев облучаемых предметов, обугливание или воспламенение горючих материалов и ожог живых тканей.

На долю светового излучения приходится 30-40% всей энергии ядерного взрыва. На открытой местности световое излучение обладает большим радиусом действия по сравнению с ударной волной и проникающей радиацией.

Световое излучение ядерного взрыва при непосредственном воздействии на людей вызывает ожоги открытых участков тела, временное ослепление или ожоги сетчатки глаза. Возможны вторичные ожоги, возникающие от пламени горящих зданий, растительности, воспламенившейся или тлеющей одежды.

Степень ожогов зависит от характера одежды: ее цвета, плотности, толщины, прилегания к телу.

Степень поражения элементов объекта от светового излучения зависит как от светового импульса и времени его действия, так и от свойств материала и расположения поверхности элемента к падающему световому излучению.

При ядерном взрыве выделяют три основные зоны пожаров, вызванные световым излучением: зона отдельных пожаров, зона сплошных пожаров и зона пожаров в завалах.

Зона отдельных пожаров охватывает район, в котором пожары возникают в отдельных зданиях и сооружениях. Пожары по району рассредоточены. Внешняя граница этой зоны характеризуется световым импульсов 100-200 кДж на м², а внутренняя – 400-600 кДж на м² в зависимости от мощности ядерного взрыва (нижняя граница соответствует мощности до 100 кт, верхняя – 100 кт и более).

Зона сплошных пожаров – территория, где возникают пожары более, чем в 50% зданий и в течение 1-2 часов огонь распространяется на подавляющее большинство зданий и образуется сплошной пожар, при котором огонь охватывает более 90% зданий.

Возможен огненный шторм. Эта зона характеризуется световым импульсом 400-600 кДж на м² и более. Превращение отдельных пожаров в сплошной зависит, главным образом, от степени огнестойкости зданий и сооружений, категории пожарной опасности производства, а так же плотности застройки.

Зона пожара в завалах характеризуется сильным задымлением и продолжительным (до нескольких суток) горением в завалах, интенсивным выделением продуктов неполного сгорания и токсических веществ.

В зонах задымления возникает опасность отравления людей как находящихся в убежищах, где отсутствует регенерация воздуха, так и участвующих в АСДНР.