книги / Основы технологической безопасности производств энергонасыщенных материалов и изделий

Скорость детонации имеет наименьшее для данного ВВ значение, когда диаметр заряда равен критическому. С ростом диаметра до некоторого предела скорость детонации увеличивается, а затем дальнейшее увеличение диаметра не приводит к увеличению скорости детонации. Диаметр заряда, при котором скорость детонации достигает наибольшего значения, называет-

ся предельным.

3.4. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ЭКМ

Наличие взрывчатых свойств у того или иного вещества определяет лишь потенциальную возможность его взрывного превращения. Для того чтобы эта возможность реализовалась, необходимо произвести на ЭКМ определенное воздействие, способное вызвать взрыв. Такое воздействие называют начальным импульсом. Различные ЭКМ обладают разной чувствительностью к внешним воздействиям. Чувствительность есть способность ЭКМ реагировать на внешние воздействия возникновением горения или взрыва. Чувствительность ЭКМ харак-

теризуется минимальной величиной начального импульса, необходимой для возбуждения взрывчатого превращения.

Самыми распространенными начальными импульсами являются механический, тепловой, электрический и взрывной.

Основной причиной несанкционированных (случайных) загораний при производстве ЭКМ и изготовлении из них изделий является превышение допустимого уровня механического воздействия для перерабатываемого материала. Действительно, практически любые операции по переработке ЭКМ связаны с механическими воздействиями на них. Например, при операциях прессования зарядов, механической обработки на токарных и фрезерных станках, шнековании, чистке оборудования и т.д. на ЭКМ оказываются механические воздействия. Знание закономерностей воздействий и допустимых величин этих воз-

91

действий на ЭКМ, исключающих его загорание (т.е. допустимых тепловых воздействий, являющихся результатом перехода механической энергии в тепловую), – одно из главных условий организации безопасных методов переработки ЭКМ.

Под чувствительностью к механическим воздействиям (удару, ударному сдвигу, трению) понимают способность ЭКМ разогреваться в локальных точках до температуры вспышки при переходе механической энергии удара или трения в теплоту.

Температурой вспышки называют ту минимальную температуру, при которой теплоприход становится больше теплоотвода, и химическая реакция, вследствие ее ускорения и самоускорения, принимает характер взрывчатого превращения. Иными словами, температура вспышки – это та наименьшая температура, до которой должен быть нагрет ЭКМ, для того чтобы вызвать в нем необратимое химическое превращение с образованием конечных продуктов разложения, характерных для конкретного ЭКМ. Химическое превращение может протекать со скоростями, сопровождающимися звуковым и световым эффектами.

Под чувствительностью вещества к искровому разряду понимают его способность воспламеняться при воздействии на него электрического разряда с определенной энергией, например, обусловленного статическим электричеством.

При возбуждении взрывчатого превращения в ЭКМ энергией другого ЭКМ имеется ряд особенностей и закономерностей, которые зависят как от индивидуальных свойств ЭКМ, так и от условий, при которых происходит это возбуждение. В зависимости от целого ряда факторов и видов приложения энергии в ЭКМ могут протекать различные процессы, которые характеризуются целым рядом показателей:

а) минимальный инициирующий импульс – минимальное количество стандартного ЭКМ, при подрыве которого может быть возбуждена детонация исследуемого ЭКМ;

б) критический диаметр детонации – диаметр, при превышении которого в ЭКМ возможно протекание устойчивой, ста-

92

ционарной детонации открытого заряда. Критический диаметр определяется временем протекания химической реакции в зоне детонационной волны;

в) расстояние передачи детонации – максимальное расстояние между испытываемым зарядом и стандартным инициатором, при подрыве котopогo в испытуемом заряде еще возбуждается устойчивая детонация. Расстояние передачи детонации характеризует чувствительность ЭКМ к УВ;

г) критическое давление возбуждения детонации – минимальное давление УВ, при прохождении которой по заряду ЭКМ в нем возбуждается устойчивая, стационарная детонация.

Проводимая по указанным показателям оценка характеризует степень пожаровзрывоопасности перерабатываемого материала и служит отправной точкой для организации безопасного производства ЭКМ или его транспортирования.

3.4.1.Чувствительность

кмеханическим воздействиям

Практически все технологические приемы переработки ЭКМ связаны с механическими воздействиями и текучестью: разогрев и течение термопластичной пороховой массы на вальцах, в шнек-прессе и раструбном пресс-инструменте; перемешивание топливной массы и ее слив, поддавливание и другие операции при формовании изделий; прессование шашек из порошкообразных ЭКМ.

В настоящее время существует множество экспериментальных методов оценки чувствительности к механическим воздействиям, которые можно разделить на две группы.

К первой группе относятся методы относительной оценки, позволяющие построить ряд чувствительности ЭКМ, т.е. аттестовать данный ЭКМ по уровню его чувствительности к механическим воздействиям в стандартных условиях в ряду других ЭКМ. Необходимо отметить, что указанная группа мето-

93

дов широко распространена как в России, так и в США, Великобритании, ФРГ, Японии и др.

Кэтим методам относятся определение чувствительности

кудару, ударному сдвигу и трению.

Определение чувствительности ЭКМ к удару. Произво-

дится на вертикальном копре с помощью так называемого штемпельного приборчика. Вещество помещают между двумя стальными роликами, которые вставляются в стальную втулку (штемпельный приборчик). На верхний ролик сбрасывают груз, движущийся по вертикальным направляющим (рис. 2, а). При падении груза наблюдатель фиксирует наличие или отсутствие взрыва (хлопка, дыма, пламени). Чувствительность ЭКМ к удару характеризуется частостью взрывов, выражаемых в процен-

тах (груз массой 10 кг, высота падения 25 см):
тротил ....................................................................	4–8 %
аммотолы ...............................................................	20–30 %
пикриновая кислота...............................................	24–32 %
тетрил......................................................................	50–60 %
гексоген..................................................................	70–80 %
бездымный порох ..................................................	70–80 %
ТЭН.........................................................................	100 %

Рис. 2. Схемы приборчиков для копровых испытаний:

а– на удар, б – на ударный сдвиг; в – на неударное трение;

1– ролики; 2 – навеска испытуемого ЭКМ; 3 – поддон; 4 – муфта; 5 – вращающийся пуансон

94

Навеска испытуемого материала – 0,1 г. Используют грузы массой 10, 5 или 2 кг. Иногда чувствительность определяют по удельной работе удара (Дж/м2), которую определяют по формуле Ауд = mgh/S, где m – масса груза, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2; h – высота падения, м; S – площадь навески испытуемого ЭКМ в приборе, м2.

Определение чувствительности к ударному сдвигу про-

изводится на приборе марки К–44–Ш, в который помещен приборчик для копровых испытаний (рис. 2, б). Масса навески испытуемого материала 0,02 г. Оценку результата производят по максимальной величине давления прижатия образца ЭКМ при отсутствии взрывов (нижний предел), при относительном сдвиге образца от удара маятникового груза массой 2 кг по ролику с различных углов или по работе трения (Дж) в этих условиях, вычисляемой по формуле

Атр = Kтр pпр Lсдв S,

где Kтр – коэффициент трения; pпр – давление прижатия образца, Па; Lcдв – относительное перемещение ролика по образцу, м; S – площадь образца, м2.

Определение чувствительности к трению производится на приборе марки И–6–2 (рис. 2, в), в который помещен приборчик для копровых испытаний. Оценку результатов 25 параллельных испытаний (при отсутствии следов взрывчатого разложения) производят по максимальному значению давления прижатия образца (нижний предел), при вращении пуансона с угловой скоростью 54,5 рад/с (520 об/мин) в течение 3 с, если не произошло воспламенения (взрыва) образца.

Несомненным достоинством первой группы методов является их простота, малая навеска испытуемого вещества (0,02–0,1 г), атакже относительно малая стоимость и оперативность испытаний. Существенным недостатком данной группы методов является относительность оценки чувствительности испытуемых ЭКМ, т.е. построение только ряда чувствительностииспытуемыхЭКМ.

95

Результаты исследований, полученные при помощи методов относительной оценки чувствительности к механическим воздействиям, не могут быть непосредственно использованы при проектировании технологической аппаратуры и организации технологического процесса. Эти задачи решают только с использованием модельных методов испытаний, которые либо воспроизводят работу отдельного узла аппарата, либо моделируют в количественном измерении процессы, происходящие в ЭКМ. Однако эти методы при всей их необходимости могут быть применены только при наличии действующей или, по крайней мере, уже спроектированной аппаратуры, а также достаточного количества испытуемого ЭКМ (десятки и сотни граммов, а иногда и больше).

Ко второй группе относятся разработанные в нашей стране оригинальные модельные методы испытаний ЭКМ, которые позволяют воспроизвести реальные механические воздействия, имеющие место в отдельных узлах аппаратов, отдельной фазе производства и других практических условиях. В ряде случаев эти методы дают возможность определить основные критические параметры загорания исследуемого ЭКМ (давление, скорость, время), знание которых необходимо для конструирования аппаратуры в целях безопасной переработки ЭКМ.

Анализ работы технологического оборудования, применяемого при производстве ЭКМ, позволяет при всей его сложности выделить несколько типов механического воздействия на перерабатываемый материал, соответствующих реальным условиям производства, таких как объемное сжатие, трение при сдвиге, течение через канал (зазор) и т.п. (табл. 11).

Представленная классификация механических воздействий позволяет путем создания несложных устройств произвести экспериментальное моделирование и определение критических параметров загорания применительно к технологической аппаратуре, используемой в производстве ЭКМ. Основными параметрами, характеризующими условия загорания ЭКМ, являют-

96

ся: удельное давление в зоне воздействия (руд, Па), относительная скорость перемещения ЭКМ (V, м/с), а также длительность этого воздействия (t, с).

Таблица 1 1

Классификация механических воздействий при технологических операциях в процессе производства ЭКМ

Тип	Технологическиеоперации	Определяемые
воздействия	илиоборудование	параметры
Объемноесжатие	Поддавливание, полимеризация,	р, МПа
	слив, прессование
Трение присдвиге	Поршни, шнеки, скребки	V, м/с; р, МПа
Трение прибеско-	Уплотнения, механическаяобра-	V, м/с; р, МПа
нечном сдвиге	ботка
Течениечерез канал	Шнеки, решетки, вальцы	W, мин–1; р, МПа
Скоростнойудар	Центробежноесмешивание	V, м/с

Существуют определенные положения для создания моделей, при разработке которых необходимо выполнить ряд следующих требований: ЭКМ и основные материалы, контактирующие с ним, должны соответствовать натурным; должна соблюдаться идентичность механизма инициирования взрывчатого превращения; условия развития процесса должны соответствовать натурным (превышение критического диаметра детонации, предельные давления, инерционность и др.).

Разработанные методы моделирования механических воздействий, применительно к производству и эксплуатации ЭКМ, нашли достаточно широкое применение и хорошо зарекомендовали себя. При этом одной из наиболее сложных задач, требующей специального решения для каждого конкретного случая, является выполнение требований геометрического и энергетического подобия. В настоящее время в некоторых случаях принято считать, что геометрическое подобие можно принимать в масштабе 1:(5–10), а энергетическое 1:125. Однако этот вопрос требует дальнейшего изучения.

97

Таким образом, целесообразность использования обеих групп методов оценки чувствительности не вызывает сомнений. Преимущество каждой из групп на определенном этапе разработки нового ЭКМ очевидно, так как на первоначальном этапе решающую роль при аттестации ЭКМ в ряду уже известных играют результаты относительной оценки чувствительности, при организации же безопасного технологического процесса необходимо знание критических параметров загорания, которые можно получить при помощи модельных испытаний.

3.4.2. Чувствительность к тепловым воздействиям (тепловой начальный импульс)

Рассмотрим две разновидности теплового начального импульса:

1)нагрев (поджог) ЭКМ пламенем, или огневой начальный импульс;

2)нагрев ЭКМ источником тепла без пламени.

Огневой начальный импульс. Чаще всего огневой началь-

ный импульс применяется для зажигания порохового заряда при стрельбе и при запуске ракетных или реактивных систем, а также для возбуждения детонации капсюля-детонатора. С позиций обеспечения безопасности рассматривают возможность воспламенения ЭКМ в процессе его производства при воздействии открытого пламени, например, при пожаре.

В процессе горения пороха различают три фазы – зажжение, воспламенение и горение.

Зажжение – процесс начала горения пороха под влиянием внешнего импульса – создание локальных очагов взрывного превращения. После того как порох загорится хотя бы в одной точке, реакция горения идет уже сама собой за счет выделяемого при этом тепла. Бездымные пороха загораются при температуре около 200 °C, дымные – при температуре около 300 °C. После зажжения пороха одновременно идут два процесса – воспламенение и собственно горение.

98

Воспламенение пороха – процесс распространения реакции горения по поверхности пороховых зерен. Скорость воспламенения зависит, главным образом, от давления газов, а также от состояния поверхности пороха (гладкая, шероховатая), от его природы и формы, от состава газов и продуктов горения воспламенителя.

Горение пороха – процесс распространения реакции горения в толщу пороха, в глубь порохового зерна, перпендикулярно к поверхности пороха. Скорость горения также, в основном, зависит от давления газов, окружающих порох, от природы пороха и от его температуры, а также от скорости течения газов вдоль поверхности пороха (в ракетных двигателях).

На открытом воздухе скорость воспламенения uв бездымных порохов в 2–3 раза больше, чем скорость горения u (uв = 2…4 мм/с, u = 1…1,5 мм/с). Дымный порох воспламеняется в сотни раз быстрее, чем бездымный: uв = 1…3 м/с, в то время как u = 10 мм/с.

При использовании воспламенителей, образующих газы высокой температуры и создающих в объеме предварительное давление, процесс воспламенения пороха во много раз ускоряется, и в первом приближении можно принимать процесс воспламенения заряда близким к мгновенному.

Очевидно, что воспламенитель порохового заряда должен сообщить поверхности заряда температуру, необходимую для его зажжения.

Для оценки возможности воспламенения существует много эмпирических формул, разнообразных по составу и учету

различных факторов. Например, такая: ω= gS , где S – горя-

Q

щая поверхность пороха; q – количество тепла, приходящееся на единицу поверхности заряда, чтобы его надежно воспламенить (q = 7 ккал/кг); Q – количество тепла, подаваемого от внешнего источника.

99

Нагрев ЭКМ источником тепла без пламени. Чувстви-

тельность к тепловому импульсу без пламени чаще всего характеризуется температурой вспышки. Практически температуру вспышки ЭКМ определяют как наименьшую температуру, до которой надо нагреть взрывчатое вещество для того, чтобы вызвать в нем химическое превращение со скоростью, достаточной для получения звукового эффекта и пламени.

Температура вспышки не является строго постоянной для каждого вещества, а зависит от ряда причин, в первую очередь от условий, определяющих соотношение между теплоприходом и теплоотводом. Она зависит от температуры источника тепла, следовательно, от температуры испытуемого ЭКМ (чем меньше эта температура, тем ниже температура вспышки). Кроме того, она зависит от величины навески; при уменьшении величины навески увеличивается температура вспышки, а, начиная с некоторой величины навески, разложение вещества произойдет без вспышки (теплоприход пропорционален объему, а теплоотвод – поверхности).

Чтобы получить сравнимые результаты, температуру вспышки или самовоспламенения (т.е. воспламенение без поджигания) определяют в строго определенных условиях.

Опытное определение температуры вспышки. В специ-

альной железной бане расплавляют легкоплавкий металлический сплав. По достижении заданной температуры, близкой к ожидаемой температуре вспышки, в баню погружают стеклянную или металлическую пробирку с навеской массы в 0,1 г пороха или 0,05 г бризантного ЭКМ. Отмечают продолжительность выдержки до момента вспышки при этой температуре. Повторными опытами определяют с точностью до 5 °С минимальную температуру, ниже которой при выдержке в 5 с или 5 мин вспышки не наблюдается.

Температура вспышки не характеризует воспламеняемость ЭКМ, а лишь температурную устойчивость ЭКМ к нагреву и относительную химическую стойкость вещества, если речь

100