Загальні відомості про вибух

 

Досвід експлуатації обладнання з вибухопожежонебезпечними технологічними процесами (приміщення та будівлі категорій А та Б) свідчить, що в окремих випадках в результаті аварій, а також порушення режиму експлуатації технологічного обладнання та невиконання техніки безпеки під час виконання робіт виникають вибухи, які супроводжуються загибеллю людей, руйнуванням будівельних конструкцій та технологічного обладнання.

В даний час з метою інтенсифікації виробництв у різних технологіях широке застосування знайшла енергія вибуху, що акумульована у вибухових речовинах (ВР). При будівництві доріг, спорудженні гребель, при обробці твердих будівельних матеріалів, видобутку корисних копалин, у військовій техніці (усі види вибухових боєприпасів), у наукових дослідженнях будови гірських порід (сейсмовибухи), у космонавтиці (ракети на твердому паливі) широко використовують вибухові речовини. Поводження цих речовин при нагріванні, ударі, горінні істотно відрізняється від горіння інших горючих речовин.

Вибухові речовини (ВР) – ті, що здатні до вибухових перетворень. Вибухові перетворення – це швидка хімічна реакція, що супроводжується вибухом.

Викликати вибух можуть фізичні процеси та хімічні перетворення. Тому прийнято розрізняти вибухи фізичні та хімічні (теплові). До фізичних відносяться вибухи, при яких не відбуваються хімічні реакції. Це вибухи посудин, що працюють під тиском, вибухи електродинамічні і термодинамічні. Хімічним вибухом ВР називають хімічне перетворення, що самопоширюється з великою швидкістю і протікає з виділенням великої кількості тепла та утворенням газів. До хімічних вибухів відносяться вибухи конденсованих ВР, вибухи пальних газопароповітряних або пилоповітряних сумішей. Прикладом є вибух димного пороху, при якому відбувається швидка хімічна реакція між селітрою, сіркою і вуглецем, що супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Таку хімічну реакцію можна записати у вигляді формули:

 

0,75KNO₃ + 0,15C + 0,1S = 0,375K₂O + 0,375CO₂ + 0,1SO₂ + 1,375O₂ +Q_виб. (12.1)

 

Газоподібні продукти, що утворилися, нагріваються за рахунок теплоти реакції до високої температури (кілька тисяч градусів) і мають високий тиск (сильно стиснуті). При розширенні ці гази роблять механічну роботу, тобто в ході вибуху відбувається звільнення накопиченого в речовині або в системі великого запасу енергії. Таким чином, можна визначити чотири умови, при яких хімічна реакція буде протікати у формі вибуху:

а) екзотермічність;

б) утворення газів;

в) велика швидкість;

г) здатність до самопоширення.

 

Вибух – це процес швидкого виділення великої кількості енергії, викликаного раптовим фізичним або хімічним перетворення речовини або суміші. Він може бути викликаний детонацією або фізичним розкладом речовин, а також під час хімічних перетворень, при швидкому згорянні газо-, паро- або пилоповітряних сумішей. Основною ознакою вибуху є миттєва зміна тиску, який залежить від температури та об'єму продуктів горіння.

У найбільш широкому значенні слова вибухом називають фізичне або хімічне перетворення речовини, що супроводжується украй швидким переходом його енергії в енергію стиску і руху вихідної речовини або продуктів його перетворення та навколишнього середовища.

При вибуху розрізняють дві стадії:

Перша стадія – перетворення того чи іншого виду енергії в енергію сильно стиснутих газів. У випадку вибуху димного пороху – це екзотермічна реакція, що протікає з дуже великою швидкістю і в якій утворюються сильно стиснуті гази та пари. При ядерному вибуху – це швидкопротікаючі ядерні або термоядерні реакції – реакції поділу або з'єднання атомних ядер, при яких звільняється велика кількість теплоти. Продукти реакції, оболонка атомної або водневої бомби і деяка кількість середовища навколо бомби миттєво перетворюються в нагріті до дуже високої температури гази, що мають високим тиском.

Друга стадія – миттєве розширення сильно стиснутих газів і парів. У процесі розширення потенційна енергія стиску звичайно переходить у механічну роботу. Ця робота приводить навколишнє середовище в рух, що може викликати руйнування конструкцій, якщо виниклі напруги перевищують їх межу міцності. Унаслідок швидкості, з якою реакція проходить по ВР, гази, що утворюються, навіть при відсутності міцної оболонки, набувають високого тиску і здатні, розповсюджуючись по навколишньому середовищу, породжувати в ньому ударні хвилі, здійснювати сильний удар, що руйнує і розкидає перепони. Таким чином, украй швидкий прояв дії тиску, як правило, дуже великого, являє собою основну характерну ознаку вибуху.

Спостерігаються дві форми вибуху:

1. Гомогенний вибух має місце, коли відбувається одночасне і рівномірне нагрівання всієї системи вибухової речовини, у результаті чого по досягненні температури самозапалювання або вибуху виникає вибухове перетворення по всій масі речовини.

2. Вибух, що самопоширюється, має місце тоді, коли вибухове перетворення виникає в якій-небудь ділянці заряду ВР і потім поширюється по речовині. Він характеризується наявністю фронту перетворення, тобто вузької зони інтенсивної хімічної реакції, що відокремлює в кожен даний момент продукти реакції від вихідної речовини, що ще не прореагувала, і рухається з визначеною швидкістю. Швидкість поширення вибухового перетворення визначається відстанню, на яке переміщається фронт реакції в одиницю часу.

 

Унаслідок вибуху звичайно утворюються вибухові хвилі.

Вибухові хвилі поширюються у вигляді ударних хвиль або хвиль стиску. На фронті ударних хвиль стрибкоподібно змінюється тиск, щільність, температура, швидкість руху часток середовища (рис. 12.1). Для хвиль стиску характерна поступова зміна цих параметрів. Під тиском мається на увазі надлишковий тиск, який виникає у середовищі при проходженні вибухової хвилі. Параметри хвиль (тиск, час дії, швидкість поширення і т.п.) залежать від:

– джерела енергії вибуху;

– навколишнього середовища (повітря, ґрунт, вода);

– інтенсивності протікання хімічної реакції (режиму горіння);

– інших факторів.

 

Рисунок 12.1 – Схема зміни тиску в часі у фіксованій на місці точці для ударної хвилі та хвилі стиску

Вибухові хвилі впливають на конструкції споруд як короткочасні динамічні навантаження. В залежності від призначення споруди та причин вибуху короткочасні динамічні навантаження можуть бути експлуатаційними та аварійними. При експлуатаційних навантаженнях у конструкціях не повинні виникати деформації, що порушують нормальну експлуатацію споруди. При аварійних навантаженнях у деяких конструкціях споруди можуть виникати пластичні деформації і, навіть, руйнації.

 

У залежності від механізму передачі теплоти від шару до шару ВР розрізняють два види вибухового перетворення: детонацію і дефлаграцію (горіння).

При дефлаграційному процесі (горінні) теплота, що виділяється в зоні реакції, передається шляхом теплопередачі від гарячих продуктів реакції до найближчого шару ВР, викликаючи в ньому, у свою чергу, інтенсивну хімічну реакцію. Процес повторюється й у наступних шарах ВР. У цьому випадку хімічне перетворення поширюється при атмосферному тиску з дозвуковою швидкістю. Швидкість поширення сильно залежить від тиску, при якому протікає процес.

Фронт дефлаграційного горіння нагадує " проникний поршень ", що створює при русі попереду себе хвилю стиску. Надмірний тиск ΔР_ф в хвилі стиску поступово збільшується від фронту хвилі до фронту полум'я. Хвиля стиску також утворює, так званий, швидкісний натиск – динамічне навантаження, що утворюється потоком повітря (див. додаток 42). Швидкісний натиск є основним руйнівним чинником для будівельних конструкцій. Максимальні значення надмірного тиску і швидкісного натиску досягаються перед фронтом полум'я, позаду якого утворюється вогненна куля з високою температурою випромінювання (1800…2500 °С).

 

Рисунок 12.2 – Схема зміни тиску і температури в часі у фіксованій на місці точці при дефлаграційному вибуху

 

Коли горіння відбувається в незамкнутому просторі, воно не супроводжується ані характерним звуковим ефектом, ані механічною роботою. У замкнутому ж просторі процес протікає енергійніше: швидко піднімається тиск, у зв'язку з чим збільшується швидкість горіння. При горінні в замкнутому об’ємі, наприклад у зарядній камері гармати або в шпурі, характерно більш-менш швидке, але не різке наростання тиску газів до значень декількох сотень МН/м² (декількох тисяч атмосфер).

 

При детонаційному процесі механізм поширення хімічного перетворення ВР обумовлений передачею енергії від шару до шару хвилею стиску, тобто ударною хвилею. У цьому випадку хімічне перетворення поширюється по речовині з надзвуковою швидкістю або швидкістю, близькою до швидкості звуку.

Детонація може виникнути при наявності деяких умов, при яких горіння вибухових речовин стає нестійким, швидкість його починає збільшуватися, а, починаючи з деякого її значення, змінюється режим вибухового перетворення – виникає ударна хвиля. Швидкість ударної хвилі продовжує наростати, але до деякого граничного значення. Таким чином, швидкість вибухового перетворення, що протікає по механізму детонації, безупинно зростає від мінімального до граничного, постійного значення.

Детонація характеризується різким стрибком тиску в місці вибухового перетворення до 30-40 млн. Н/м² (300-400 тис. кгс/см²) і дуже різкою дією на навколишнє середовище. У момент підходу ударної хвилі до перешкоди тиск стрибком підвищується від атмосферного Р_о до значення Р_о + ΔР_ф у фронті хвилі, а потім поступово убуває (рис. 12.3). Після часу τ_t від моменту приходу ударної хвилі фаза стиснення переходить у фазу розрядки, але максимальна розрядка ΔР < 0,3ΔР_ф. Одночасно з тиском у фазі стиснення виникає рух повітря у напрямі розповсюдження хвилі – швидкісний натиск, який рухається за фронтом ударної хвилі.

Безпосереднє ураження ударною хвилею виникає в результаті дії надлишкового тиску та швидкісного натиску повітря. Ступінь пошкодження будівель та споруд в залежності від їх конструктивних особливостей визначається або надлишковим тиском, або швидкісним натиском. Наприклад, при невеликих розмірах об'єкту ударна хвиля майже миттєво охоплює його та надає сильного тиску (людиною миттєве підвищення тиску сприймається як різкий удар). В той же час швидкісний натиск утворює сильний лобовий тиск на об'єкт, який обумовлює його зсув у просторі та/або перекидання.

У фазі розрядки повітря рухається у зворотному напрямі. А на дальніх відстанях ударні хвилі від вибухів переходять в слабкі хвилі стиску.

 

Рисунок 12.3 – Схема зміни тиску і температури в часі у фіксованій на місці точці при детонаційному вибуху

Класифікація вибухових речовин (ВР) здійснюється за декількома ознаками:

1) за агрегатним станом – гази, рідини і тверді речовини;

2) за складом – однорідні речовини і суміші;

3) за приналежністю до певного класу хімічних сполук;

4) за ступенем стійкості горіння.

Більшість вибухових речовин є твердими тілами (наприклад, тротил, ксиліл і т.п.). Менш поширені, але так само різноманітні рідкі вибухові речовини. Вибуховими речовинами можуть бути і гази, наприклад суміші повітря з парами бензину або горючими газами. Так суміш повітря з газом метаном приводить до вибухів у шахтах, якщо в них не забезпечена правильна вентиляція. Нарешті, вибуховою системою може бути пилоповітряні горючі суміші, наприклад вугільний пил, пил борошна і т.п.

ВР, що належать до одного класу хімічних сполук, можуть значно розрізнятися по стійкості горіння, тобто по характеру вибухового перетворення, а отже й по можливостях їхнього застосування. По зазначених ознаках розрізняють три групи ВР:

Група І – ініціюючі (первинні) вибухові речовини (ІВР). Вони легко вибухають від простих видів зовнішнього впливу – полум'я, удару, тертя. Тому вони служать для збудження детонації бризантних ВР. Найважливішими представниками ІВР є гримуча ртуть, тетразен, азид свинцю та ін. Призначення ІВР – запалення порохових зарядів, сповільнювачів у дистанційних трубках і підривниках та інших об'єктів.

Група ІІ – бризантні або подрібнювальні (вторинні) вибухові речовини (БВР). Характерним видом вибухового перетворення ВР цієї групи є детонація. У звичайних умовах БВР не здатні вибухати від підпалювання, тому для виникнення їх детонації застосовують ІВР. БВР застосовують головним чином для спорядження боєприпасів і для підривних робіт.

Група ІІІ – метальні вибухові речовини (МВР) або порохи. Для речовин цієї групи характерним видом вибухового перетворення є горіння, що не переходить у детонацію. Для збудження горіння необхідна дія полум'я.

Таким чином, вибух заряду ВР може бути збуджений вибухом іншого заряду. Заряд, що вибухає першим, називають ініціюючим зарядом. Заряд, що вибухає під впливом вибуху активного заряду, називають пасивним зарядом або зарядом, що ініціюється.