Лекция 10. Аварии на взрывоопасных опасных объектах (стр. 2 )

Участвующие в химическом взрыве аэровзвеси состоят из мелкодис­персных горючих жидкостей (туманов) или твердых веществ (пыли) в окис­лительной среде (обычно в воздухе). Источником энергии в этом случае служит тепло их сгорания. 

К взрывчатым могут быть отнесены любые вещества, способные к взрывчатому превращению. Однако на практике к ВВ относят специальные группы ве­ществ, которые отвечают определенным требованиям:

1.Достаточно высокое содержание энергии в единице массы и большая мощность развиваемая при взрыве, обусловленная скоростью процесса.  2.Определенные пределы чувствительности к внешнему воздейс­твию, обеспечивающие как достаточную безопасность, так и легкость воз­буждения взрыва.  3.Способность в течение длительного периода сохранять свои свойс­тва.  4.Доступность исходных материалов, технологичность и безопасность в производстве.  5.Специальные свойства, зависящие от характера применения (например, нетоксичность продуктов взрыва).

2.2.        Классификация конденсированных взрывчатых веществ.

Конденсированные ВВ (твердые и жидкие) делятся на 4 группы:

-инициирующие - предназначены для возбуждения взрывчатого превра­щения в ВВ других групп (гремучая ртуть, азид свинца, тетразен);

-бризантные - используемые в разрывных зарядах для боеприпасов, для средств разрушения при добыче полезных ископаемых и др. Преиму­щественным видом их превращения является детонация. К ним относятся однородные ВВ (тринитротолуол, нитроглицерин, пироксилин и др.) и не­однородные - механические смеси (аммониты, динамиты и др.);

Под бризантным действием понимают способность ВВ дробить соприка­сающуюся среду. Эта способность зависит от детонационного давления и времени его действия.  Различают фугасное и бризантное действие ВВ. Мерой фугасного действия служит объем воронки, образованной взрывом 1 кг ВВ.

-метательные (чаще всего это пороха, использующиеся в качестве метательных зарядов для огнестрельного оружия. Их взрывчатое превраще­ние - горение);

-пиротехнические составы.

По своему составу конденсированные ВВ можно подразделить на смеси и однородные (гомогенные или унитарные) вещества.

Рассмотрим некоторые вещества, представляющие собой смеси.

Черный порох представляет собой смесь калиевой селитры (KNO3) с углем. Эти вещества представляют собой порошки, смесь которых крайне опасна и возгорается со взрывом при малейшем воздействии теплом или трением. Для получения требуемой скорости сгорания в смесь добавляется сера. Первым используемым на практике ВВ был черный порох. В настоящее время пороха используют в качестве метательных ВВ.

Ракетные твердые топлива относятся к тому же классу ВВ, что и пороха. Существует большое количество отличающихся по своему составу смесей, используемых в качестве ракетных  топлив. Их основными компонентами являются: порошки металлов (Al, Be, B, Mg) или их гидридов (AlH3, LiH, MgH ), окислители (например перхлорат аммония - NH3ClO4), нитраты (например нитрат калия - KNO3) и др. составляющие.

Аммониты представляют собой довольно большую группу веществ, широко используемых в промышленности (горнодобывающей, строительной и др. отраслях) и относящихся к классу бризантных ВВ. Это смеси окислителя (аммониевой селитры - NH3NO3) с органическими веществами (угольная или мучная пыль, торф, опилки) - динамоны, с порошками металлов (например алюминия) - аммонал, с тротилом - аматол, ..

(2)Однородные ВВ состоят из одного химическое соединение, в состав молекулы которого входят составные части, например играющие роль и горючего и окислителя. Наибольшее распространение в качестве таких ВВ получили органические нитросоединения. К однородным ВВ относятся. 

Пироксилин и бездымный порох. Эти вещества относятся к классу метательных ВВ. Пироксилин (азотнокислый эфир целлюлозы или нитрат целлюлозы - C6H7O2(ONO2)3) получается при нитровании целлюлозы (хлопка) азотной кислотой. Внешне сохраняет вид волокон хлопка с повышенной хрупкостью. В настоящее время используется как сырье для изготовления баллистных порохов.  Бездымный порох используется в качестве топлива реактивных снарядов для “Катюш” и минометов.

Гексоген (циклотриметилентринитроамин - (CH2NO2)3) и тротил (тринитротолуол - C6H2CH3(NO2)3)относятся к классу бризантных ВВ и используются для начинки боеприпасов.

2.3. Смеси  газовоздушные (паровые)  и пылевые (пылевоздушные)

2.3.1. Газовоздушные смеси.

Газовоздушные смеси (ГВС) образуются на ряде производств в нор­мальных или аварийных условиях и могут стать источником очень мощных взрывов. Наиболее опасны взрывы смесей с воздухом углеводородных газов (метана, пропана, бутилена, бутана, этилена и др.), а также паров воспламеняю­щихся жидкостей.

Взрывы ГВС могут происходить во внутренних полостях оборудования и трубопроводов, в помещениях (зданиях) в результате утечки газа, в емкостях для хранения и транспортировки взрыво - и пожароопасных веществ (резервуарах, газгольдерах, цистернах, грузовых отсеках танкеров) или на открытом пространстве при разрушении газопроводов, разливе и испарении жидкостей.  Взрывы горючих газов с воздухом с тяжелыми последствиями происходят на шахтах.

Вероятность взрыва ГВС и его опасность определяются:

-(1) пределами взрывной концентрации паров жидкостей и газов (при 

  ко­торых может возникнуть детонация) в процентах к объему ГВС, 

  напри­мер, пропан 3-7%; пропилен 3.5-8.5%; этан 4.0-9.2%;

-(2) температурой воспламенения - нижним пределом температуры, при которой  возможно  их  воспламенение  от постороннего источника зажигания ( ацетон -18оС, спирт 13оС, бензол -11оС );

-(3) плотностью паров и газов по отношению к плотности воздуха 

  (аце­тон -2, ацетилен -0,9, метан - 0,55, бутан -2  );

-(4) температурой самовоспламенения ( ацетон 610оС, бензин 150оС, эти­ловый спирт 465оС);

-(5) минимальной энергией зажигания или эквивалентом критической энергии электрической искры, необходимой для инициирования детонации.

Вероятность взрыва ГВС зависит от целого ряда обстоятельств. Статистика показывает, что  при авариях с образованием облака ГВС на открытом пространстве, случаи взрыва, случаи возникновения только горения (пожаров) и случаи отсутствия воспламенения равновероятны.

Воспламенение облака ГВС происходит при наличии источника зажигания.  Первоначально скорость распространения пламени относительно не велика и составляет для большинства углеводородных газов 0.32-0.40 м/с. При столь малых скоростях горения образования взрывной волны не происходит. Однако в реальных условиях на процесс горения оказывают влияние множество факторов, вызывающих турбулизацию фронта пламени и ускорение его распространения.  Применительно к случайным промышленным взрывам при достижении скоростей распространения пламени 100-300 м/с возникает дефлаграционное горение, при котором генерируются взрывные волны с максимальным избыточным давлением 20-100 кПа. Продолжительность горения до достижения взрывного режима  для газов составляет около 0.1 с. При дальнейшем ускорении горения дефлаграционые процессы могут перерасти в детонационные, скорость распространения которых значительно превышает скорость звука в воздухе и достигает 1-5 км/с.

Переходу к детонации способствуют различные препятствия на пути распространения пламени (строения, предметы, пересеченная местность). Детонация ГВС может произойти и без стадии дефлаграционного горения, однако в этом случае необходим соответствующий источник энергетического воздействия (достаточный электрический разряд, взрыв детонатора и др.).

При больших объемах горючих газовых смесей, наличии источников турбулизации фронта пламени и отражении детонационной волны от препятствий давление за очень короткий промежуток времени (~1мс) достигает высоких значений (~1.5 МПа).

2.3.2.        Пыль и пылевоздушные смеси.

Взрывы пыли (пылевоздушных смесей - аэрозолей) представляют одну из основных опасностей на производстве. Взрывы пыли происходят в ограниченном пространстве - в помещениях зданий, внутри оборудования, в штольнях шахт. Возможны взрывы пыли на мукомольном производстве, на  зерновых элеваторах (мучная пыль), при обращении с красителями, серой сахаром, другими пищевыми продуктами, производстве пластмасс, лекарственных препаратов, на установках дробления топлива (угольная пыль), в текстильном производстве.

Понятие промышленные пыли включает в себя тонкие дисперсии с размерами частиц менее 800 мкм.  Взрывы, в основном, происходят по дефлаграционному механизму. Переход к детонации возможен в вытянутых помещениях за счет турбулизации процесса горения в  облаке пылевоздушной смеси (ПВС), например в штольнях шахт, на конвейерных линиях зернохранилищ.

Взрыв ПВС возможен только при наличии концентрации пыли в воздухе не ниже определенного предела, измеряемого в г/м. куб:  алюминий 58, уголь и сахар 35, резина 25, полиуретан 30 и т. д.

По степени пожаровзрывоопасности все промышленные пыли делятся на  4 класса:

1 класс - наиболее взрывоопасные пыли с Нижним Концентрационным Пределом Распространения Пламени ( НКПР) равным 15 г/м. куб и ниже (сера 2,3; нафталин 2,5).  Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (НКПРП и ВКПРП) — минимальная (максимальная) концентрация горючего вещества (газа, паров горючей жидкости) в однородной смеси с окислителем (воздух, кислород и др.) при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания (открытое внешнее пламя, искровой разряд).  2 класс - взрывоопасные пыли с НКПР от 16 до 65 г/м. куб (алюминий 58, овес 30.2, крахмал картофельный 40.3);  3 класс - наиболее пожароопасные пыли - с температурой воспламе­нения до 250 оС ;  4 класс - пожароопасные пыли - с температурой воспламенения >250 оС.

Взрывоопасные пыли - серы, канифоли, эбонита, магния, алюминия, титана;

Пожароопасные пыли - цинковые, древесные.

Температура самовоспламенения пыли равна в среднем 500оС.  Пыль, находящаяся в слоях воспламеняется при более низкой температуре, чем облако пыли - разница достигает 200оС, причем чем толще слой пыли, тем ниже температура ее самовоспламенения. Пыль в слоях не взрывается. Однако, если в слое пыли возникнет горение (тление), то конвективные потоки горячих газов поднимают пыль в воздух, образуется пылевоздушная смесь, которая может взрываться.  Опасность взрыва ПВС возрастает с уменьшением размеров частиц пыли. Максимальное давление взрыва ПВС лежит в пределах от 700 до 500 кПа (5-7 атм).