Лекция 10. Аварии на взрывоопасных опасных объектах (стр. 1 )

ИСТОЧНИК: “Защита  в  чрезвычайных ситуациях и гражданская оборона: в 2 частях,/ , , под ред. Учебное пособие, часть 1, М.:  Изд. 77», 2009 г.

Лекция 10.  Аварии  на  взрывоопасных опасных  объектах

ВЗРЫВ И ЕГО ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ.

1.        Общие сведения о взрыве.   1.1.        Характеристика процесса взрыва.

Взрыв - быстро протекающий процесс физического или химического превращения веществ, сопровождающийся освобождением большого количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная создать угрозу жизни и здоровью людей, нанести ущерб народному хозяйс­тву и окружающей среде, стать источником ЧС.

Взрыв представляет собой широкий круг явлений, связанных с очень быстрым выделе-нием значительного количества энергии, сопровождающимся расширением вещества, обладающего избыточной энергией, в среде с меньшим энергетическим потенциалом.  Расширение протекает с настолько большой ско­ростью (сотни м/с), что приводит к резкому  повышению давления, плотности, температуры и сопровождается значительными звуковыми эффектами.  Источ­ником энергии при взрыве могут быть как химические, так и физические процессы.  В подавляющем большинстве взрывов, с которыми приходится сталки­ваться на практике, источником выделения энергии являются химические превращения веществ. Это относится как к взрывам, предназначенным для достижения определенных целей (например в военной области или произ­водственной сфере), так и к взрывам аварийного характера.  Примерами взрывов, энерговыделение при которых обусловлено физически­ми процессами, могут служить взрывы сжатых газов  или взрывы, свя­занные с образованием перегретых жидкостей.  В этом случае энергия, выделяющаяся при взрыве, определяется  процессами, связанными с адиабатическим расширением парога­зовых сред и перегревом жидкостей. Так при выливании расплавленного металла в воду испарение  протекает взрывным образом вследствие фрагментации капель расплава, быстрой теплоотдачи и перегрева холодной жидкости. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается образованием ударной волны.

Детонация – это режим горения, в котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счет выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. 

Ударная волна – поверхность разрыва, которая движется внутри среды, при этом давление, температура и скорость испытывают скачок.

На практике взрывы, имеющие физическую природу, встречаются значительно реже, чем взрывы химического происхождения, и  как правило только при авариях, поэтому  далее будут рассматриваться только  химические взрывы.

Высвобождение энергии при взрывах в общем случае выражается удельной мощностью, т. е. количеством энергии, выделяемой в единицу времени в единице объема.

При химических взрывах скорость энерговыде­ления определяется скоростью распространения детонации или скоростью распространения пламени в соответствующей среде:  - для различных твердых и жидких взрывчатых веществ эта скорость находится в интервале 2-9 тыс. м/с,  - а для газов зависит от динамики изменения значений параметров, характеризующих газовую среду в процессе взрывного горения, и может в несколько раз превосходить скорость звука в невозмущенной  среде.

Возможное суммарное выделение энергии при взрыве называется  энер­гетическим потенциалом взрыва и определяет его масштабы и последствия. Для твердых и жидких конденсированных ВВ этот показатель зависит от  удельного энергетического потенциала вещества, находящегося в диапазоне 1.5 - 7.5 МДж/кг.

Следует отметить, что при определении этого показателя для твердого или жидкого взрывчатого вещества, в значение массы входят все его составляющие, т. е. части, играющие роль и горю­чего, и окислителя (в основном кислорода), и инертной компоненты.

  Удельная теплота взрыва парогазовых смесей рассчитывается для их стехиометрического состава только по горючему веществу.1 

  (? Стехиометри­ческим называется такой состав смеси, в которой горючее и окислитель находятся в пропорции, необходимой для их полного взаимодействия в процессе окисления.)

  Так например, теплота сгорания водорода по горючему веществу составляет 120 МДж/кг и значительно превосходит соответствующий показатель  троти­ла - 4520 кДж/кг.

Это обстоятельство использовано при создании боеприпасов объемно­го взрыва. В таких боеприпасах сначала подрывается вспомогательный за­ряд, разрушая корпус, содержащий горючее. Горючее распыляется в возду­хе, образуя в смеси с ним газовое облако, заполняющее негерметизиро­ванные полости и укрытия. После некоторой задержки, необходимой для формирования облака смеси по возможности близкой к стехиометрическому составу, оно подрывается при помощи детонатора.

В результате, например, мощность взрыва боеприпаса, содержащего этиленоксид, в 3-5 раз превосходит мощ­ность взрыва боеприпаса, начиненного тротилом в количестве, равном массе этиленоксида. Увеличение мощности достигается за счет того, что в качестве окислителя при взрыве этиленоксида используется воздух, находящийся на месте взрыва, т. е. не входивший в состав боеприпаса.

1.2.        Единство процессов горения и взрыва.

В случаях, когда процессы окисления протекают сравнительно мед­ленно, без образования ударной волны явления рассматриваются как горе­ние.

Аналогичные процессы во взрывчатых средах протекают значитель­но быстрее, чем при обычном горении, и определяются как взрыв.

Различают 2 вида взрывного горения:  дефлаграционное и детонационное.  По своей природе они имеют много общего, близки и химические процессы, протекающие при этих явлениях.

Дефлаграционное горение.

В основе механизма распространения дефлаграционного горения лежит теплопередача в соседние с зоной горения участки материала.  Скорость распространения процесса зависит от теплоемкости материала, его теп­лопроводности и некоторых других свойств.

Детонационное горение.

При детонации, как и при дефлаграционном горении реакция протека­ет в узкой зоне, перемещающейся по веществу, но механизм ее распрост­ранения принципиально другой. Причиной инициализации экзотермических реакций при детонационном горении является скачкообразное изменение параметров состояния вещества (давления, температуры, плотности и др.), называемое детонационной волной.  При этом происходит самовоспламенение  вещества, что и является источником выделения энергии взрыва.

Скорость детонации есть скорость распространения детонационной волны во взрывчатом веществе.

Распростране­ние детонационной  волны происходит со сверхзвуковой скоростью (до 1-5 км/с в газовых смесях и до 8-9 км/с в конденсированных ВВ). Давление во фронте детонационной волны для практической оценки разрушающей способности взрывов газовоздушных смесей (ГВС) на открытом воздухе в неблагоприятных условиях может доходить до 100 кПа. В тоже время известны случаи, когда при взрывах ГВС фиксировалось давление до 2 МПа. При взрывах конденсированных ВВ давление может достигать 10 ГПа.

(Перепад давления во фронте ударной волны, равный 0,2-0,3 кг/см2 (1 кг/см2≈10 5 Па= 100 кПа), может привести к разрывам барабанных перепонок, а равный 0,7-1,0 кг/см2, способен вызвать смертельные повреждения внутренних органов.

Импульсный шум, сопровождающий взрыв достигает 150-160 дБ (смертельный уровень).)

Продукты детонации оказываются под большим давле­нием, что обуславливает соответствующие последствия взрыва - разлет элементов разрушенных конструкций, звуковой эффект и др.

1.3.        Причины взрывов.

Непосредственными причинами взрывов могут быть любые физические явления, вызывающие нарушение устойчивого состояния взрывчатого вещества: изменение темпе­ратуры, химические реакции, резкие внешние воздействия (удар, трение), ударная волна другого взрыва и т. п..

2.        Взрывчатые  вещества.

2.1.        Определение взрывчатых веществ.

Во многих  веществах в том или ином виде запасено большое количество энергии, например в виде внутримолекулярных или межмолекулярных связ-ей. В нормальных условиях эти вещества достаточно устойчивы и могут находиться в твердом, жидком, газообразном или аэрозольном состоянии. Однако, в результате оказания инициирующего воздействия  (теплом, тре-нием, ударом или каким - либо другим способом, вызывающим нарушение устойчивого состояния ВВ, например, воздействием ударной волны  другого взрыва) в них запускаются экзотермические процессы, протекающие с большой скоростью и приводящие к большому выделению энергии.

Эти процессы можно разделить на 2 группы:

- процессы изменения нестабильной химической структуры вещества,  - и окислительные процессы (или процессы горения).

  Взрывы могут быть

- взрывами КОНДЕНСИРОВАННОГО (твердого и жидкого) ВВ;

- ОБЪЕМНЫМИ  взрывами ОБЛАКА пыли и/или газового (парового) ОБЛАКА.

КОНДЕНСИРОВАННЫМИ ВВ называют твердые и жидкие вещества, способные к взрывчатому превращению,  и не требующие для взрыва никаких ДРУГИХ веществ.

К  ним  относятся вещества

- с нестабильной химической структурой,

- представляющие собой химически однородную структуру

- смесь веществ, содержащие элементы горючего и окислителя.

Газообразные энергоносители представляют собой гомогенные смеси горючих газов (паров) с газообразными окислите­лями, либо нестабильные газообразные соединения, склонные к разложению в отсутствие окислителей (например ацетилен). В этих газообразных веществах при взрывах протекают экзотермические реакции окисления или реакции разложения нестабильных соединений.