Распространение взрывчатого превращения из очага

Образование локальных очагов является необходимым, но недостаточным условием возникновения взрыва при механических воздействиях. Это обстоятельство отмечалось многими исследователями, т.к. при обследовании после испытания (удар или трение) невзорвавшихся навесок ВВ на многих из них были обнаружены характерные мелкие пятна, указывающие на наличие локального разложения. На этом основании был сделан вывод о том, что вторым необходимым условием возбуждения взрыва является распространение взрывчатого разложения из очага на значительную часть или всю массу ВВ.

Развитие взрывчатого превращения из очага протекает по общей схеме, которая может включать следующие стадии: I – воспламенение ВВ, прилегающее к локальному очагу, II – устойчивое послойное горение; III- неустойчивое конвективное горение; IV – низкоскоростная детонация; V – стационарная нормальная детонация. Каждая из стадий различается механизмом передачи энергии. Основным механизмом передачи энергии на первых двух стадиях является молекулярная теплопроводность, при конвективном горении – вынужденная конвекция, при детонации – ударная волна.

Пройдет ли распространение взрывчатого превращения из очага все стадии или нет, зависит от многих факторов: массы ВВ, давления, условий газооттока и теплообмена со средой и других. Однако возникновение горения в условиях получения или переработки ВВ уже является чрезвычайным происшествием, поскольку это потенциальная опасность взрыва. Поэтому анализ распространения взрывчатого превращения из очага на стадиях горения имеет первостепенное значение.

Покажем, что параметром, определяющим возможность распространения на первых трех стадиях, является величина скорости горения.

В теории воспламенения показывается, что воспламеняемость ВВ тем больше, чем меньше необходимый запас тепла в прогретом слое. Прогретый слой создается в ВВ источником воспламенения, в данном случае это локальный очаг. Запас тепла Q [Дж/м²] рассчитывается по формуле: (9)

где λ [Вт/(м∙К)] – коэффициент теплопроводности ВВ;

U [м/с] - скорость горения;

Т, Т_о – температура, до которой нагревается поверхность ВВ в результате контакта с очагом и начальная температура ВВ.

Из формулы (9) следует, что необходимый запас тепла в прогретом слое уменьшается при увеличении скорости горения, а следовательно, ВВ, имеющее при данных условиях более высокую скорость горения, будет легче воспламеняться.

Поскольку, ввиду малости размеров, запас тепла в очаге мал, то, как показал теоретический анализ, проведенный А.П.Амосовым, воспламенение от очага возможно тогда, когда ВВ при данных условиях имеет линейную скорость горения U [м/с]., которая не меньше некоторого критического значения U_кр [м/с]. Для расчета U_кр в случае плоского очага А.П.Амосовым выведена следующая формула:

где [м²/с] – коэффициент температуропроводности;

Т_г – температура стационарного горения ВВ;

Т_кр – температура очага;

Т_о – температура холодной массы ВВ, окружающей очаг

Высокая скорость горения ВВ способствует распространению взрывчатого превращения и на следующих стадиях. Чем выше скорость горения, тем быстрее в условиях затрудненного газооттока (а это характерно для очага) происходит нарушение стационарного послойного горения и возникает режим конвективного горения, при котором горение распространяется за счет проникновения в поры газообразных продуктов. Причем скорость конвективного горения в десятки и сотни раз превосходит скорость послойного горения, что может привести к возникновению детонации.

Из вышеизложенного следует: для распространения взрывчатого превращения из очага на стадиях воспламенения и горения ВВ должно иметь достаточно высокую скорость горения. Фактором, повышающим скорость горения, является давление. Как уже отмечалось ранее, зависимость скорости горения для ВВ от давления Р выражается эмпирической формулой (законом горения):

где, α, b, ν – константы для данного ВВ;

ν ≈ 1 – для БВВ; ν ≥ 1- для ИВВ; ν < 1- для порохов и ТРТ.

Таким образом, давление, возникающее при механических воздействиях, способствует образованию локальных очагов по двум основным причинам: - обеспечивает первоначальный разогрев ВВ в очаге до Т_кр; - способствует процессу распространения взрывчатого превращения из очага, т.к. повышается скорость горения ВВ.

Например, чувствительность тэна выше, чем тетрила, т.е. взрывчатое превращение возбуждается в тэне при меньших энергиях удара, и, следовательно, при меньших давлениях на заряд ВВ.

Оба ВВ имеют один механизм деформации заряда – прочностное разрушение. Прочностные характеристики зарядов близки. Значит на первой стадии – стадии образования локальных очагов – условия примерно равные. Однако скорость горения тэна возрастает с давлением быстрее, чем у тетрила, поэтому вторая стадия – стадия распространения из очага – для тэна будет иметь место при более низких давлениях.

В этой связи напомним о физической основе различия ИВВ и БВВ. Она заключается в том, что ИВВ уже при атмосферном давлении имеют высокую скорость горения (несколько десятков мм/с), поэтому их воспламенение почти мгновенно заканчивается детонацией. Скорость горения БВВ на один-два порядка меньше, чем у ИВВ, поэтому воспламеняются они хуже, а для перехода горения в детонацию необходимы высокие давления.

В целом следует отметить, что все быстрогорящие взрывчатые материалы более взрывоопасны при получении и переработке.

Лекция № 5.