CC BY
119
УДК: 662.215: 662.311
А. П. Павлов, В. П. Афанасьев, Р. Ф. Гатина,
А. И. Хацринов, Ю. М. Михайлов
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ, ИСКЛЮЧАЮЩИХ ПЕРЕХОД ГОРЕНИЯ НИТРАТЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ПОРОХОВ ВО ВЗРЫВ И ДЕТОНАЦИЮ
Ключевые слова: порох, переход горения во взрыв и детонацию.
На основании исследований по установлению условий исключающих переход горения порохов во взрыв и детонацию определены формулы, позволяющие рассчитать взрывобезопасные нормы загрузок технологических аппаратов и упаковок.
Keywords: gunpowder, burning transition in explosion and detonation.
On the basis of researches on an establishment of conditions excluding transition of burning of gunpowder in explosion and a detonation the formulas are defined, allowing to calculate explosion-proof norms of loadings of technological devices and packings.
Достаточно надежным способом взрывозащиты оборудования и зданий является применение устройств сброса давлений при случайных загораниях и взрывах: взрывных клапанов, мембран, вышибных мембран, вышибных проемов и легкосбрасываемой кровли. Для этого необходимо выполнить два условия: обеспечить срабатывание предохранительных устройств при заданном давлении и обеспечить их достаточную пропускную способность [1].
В производстве нитратцеллюлозных порохов такими предохранительными устройствами на технологическом оборудовании являются вышибные поверхности (ВП) -поронитовые мембраны, металлические листы и легкосбрасываемые конструкции (ЛСК) -окна, двери, проемы в зданиях и сооружениях.
В настоящее время эта задача решена для производств плотных нитратцеллюлозных порохов путем установки на аппаратах и упаковках динамически ослабленных поверхностей. Это решение подтверждено натурными испытаниями на технологическую взрывобезопасность.
Для пористых порохов, обладающих более высокими скоростями нарастания давления, аналогичных испытаний не проводилось. Случайное загорание порохов, имеющих такие взаимосвязанные характеристики, как низкая насыпная плотность, повышенная пористость и вследствие этого заниженная прочность пороховых элементов, при определенных условиях может привести к нарушению послойного горения с дальнейшим переходом во взрыв и детонацию. Кроме этого следует учитывать и тот факт, что инерционность срабатывания ВП и наличие критической массы в аппаратах, плотное размещение штатных упаковок с порохами внутри транспортных средств и строительных сооружений без установления обоснованных взрывобезопасных загрузок емкостей могут привести к взрывным процессам.
Поэтому в настоящее время установление норм загрузок в аппаратах, зданиях и сооружениях производится путем определения критических и безопасных насыпных слоев порохов в моделях аппаратов различного диаметра.
Физическое моделирование переходных процессов проводилось в условиях максимального приближения к натуральным, а именно: испытания проводились в
цилиндрических стальных емкостях с приваренным дном диаметрами 100, 300, 500 мм, высота всех моделей составляла 1000 мм, толщина стенки 2 мм.
С целью создания жестких условий испытаний воспламенение порохов проводилось мостиком накаливания, изготовленным из нихромовой спирали, с донной части модели. За критическую высоту слоя принималась наименьшая величина, при которой происходит переход горения во взрыв и детонацию (Нкр). За безопасную высоту слоя принималась наибольшая величина, при которой происходит выгорание пороха (Нбез). К пористым
относились пороха с насыпной плотностью от 0,7 г/см3 и менее, к плотным - от 0,8 г/см3 и более.
В таблице 1 представлены результаты испытаний по определению критических и безопасных слоев для плотных и пористых порохов.
Таблица 1 - Влияние насыпной плотности (пористости) на критические и безопасные высоты слоев для плотных и пористых порохов
Марка пороха Насыпная плотность, г/см Безопасные высоты Нбез при диаметрах, мм Критические высоты Нкр при диаметрах, мм
100 300 500 100 300 500
ВУопыл 0,8 200 250 300 250 300 400
6/7сер 0,8 170 250 300 200 300 400
л ■& /7 0,85 350 700 - 600 1000 -
ВТМ 0,87 200 300 350 250 400 450
л 4/ 0,89 300 500 650 350 550 700
ССН-30/3,69 0,9 600 700 800 750 900 1000
Сунар М 0,55 90 120 - 140 170 -
Сунар СВМ 0,49 100 130 - 150 180 -
Сунар СФ 0,55 200 300 - 150 350 -
Результаты испытаний, представленные в таблице, показывают, что пористые пороха в отличие от плотных обладают наименьшими величинами высот критических слоев (для некоторых в 2,5 раза), т.е. они обладают большей склонностью горения к переходу во взрыв и детонацию. Поэтому и загрузка пористыми порохами аппаратов на конечных фазах производства соответственно должна устанавливаться в несколько раз меньше.
Известно [2], что с увеличением прочностных характеристик оболочек заряда (масса, толщина) повышаются скорость детонации и бризантное действие порохов, происходит уменьшение их критического диаметра вследствие ограничения разлета боковых волн разряжения и уменьшения потерь энергии из зоны химической реакции, т. е. происходит повышение энергетических возможностей или детонационной способности порохов.
Для определения влияния прочностных характеристик оболочек (масса, толщина) на взрывобезопасную загрузку технологических аппаратов, проводились испытания в стальных моделях с приваренным дном разного диаметра и толщиной стенки. Максимальная толщина 4 мм обусловлена тем, что в производстве порохов толщина рабочих камер аппаратов конечных фаз производства не превышает указанные величины.
Модели представляли собой металлические емкости диаметрами 90 и 150 мм, высотой 1000 мм и толщиной стенки 2 и 4 мм соответственно. К одному из торцов моделей приварено дно толщиной 4 мм.
Воспламенение пороха осуществлялось с донной части моделей мостиком накаливания из нихромовой спирали. Использование пороха ВТМ обусловлено тем, что он является одним из наиболее опасных в технологии производства нитратцеллюлозных порохов с точки зрения склонности его горения к переходу во взрыв и детонацию. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Зависимость величин безопасных и критических слоев пороха ВТМ от диаметра и толщины оболочки
Диаметр емкости/ толщина, мм Безопасный слой, мм Критический слой, мм
90/4 200 250
90/2 214 246
150/4 250 300
150/2 230 290
Примечание. В таблице для сравнения представлены величины безопасных и критических слоев для емкостей аналогичных размеров с толщиной стенки 2 мм.
Как видно из таблицы 2 величины безопасных и критических слоев для емкостей с толщиной стенок 2 и 4 мм находятся на одинаковом уровне и поэтому при расчетах взрывобезопасных норм загрузок технологических аппаратов толщину стенок рабочих камер можно не учитывать.
Для установления влияния геометрической формы существующих аппаратов на их взрывобезопасную загрузку проведены испытания в металлических емкостях с квадратным поперечным сечением 90х90 (мм) и 270х270 (мм). К одному из торцов емкости приварено дно из металлического листа. Высота емкостей 1000 мм, толщина стенок 2,5 мм.
Величины указанных размеров выбраны исходя из того, что площадь поперечного сечения Э: 90х90 (мм) и 270х270 (мм) соответствуют площади сечения ранее испытанных емкостей диаметрами 100 и 300 мм.
Таблица 3 - Зависимость безопасных и критических слоев порохов 6/7сер. и ВУопыл. от формы и площади поперечного сечения.
Характеристика пороха Площадь сечения 6/7сер. ВУопыл.
0100 мм 90х90 мм 0300 мм 270х270 мм 0100 мм 90х90 мм 0300 мм 270х270 мм
Нкр, мм 200 300 300 400 250 300 350 400
Э, см2 78,5 81,0 706,5 729,0 78,5 81,0 706,5 729,0
Нб, мм 170 250 250 300 200 250 350 350
Э, см2 78,5 81,0 706,5 729,0 78,5 81,0 706,5 729,0
Результаты таблицы 3 показывают, что переход горения во взрыв и детонацию в емкостях с круговым сечением наблюдается на более ранних стадиях, чем с квадратным сечением. Это обстоятельство при выводе формулы в дальнейшем будет учтено без ущерба ресурса безопасности.
Известно, что в ряде случаев при ударе, наколе, простреле пулей или осколком и при передаче детонации через преграду возбуждение взрыва носит вероятностный характер.
В нашем случае зависимость Нф=,Г^), функциональная, что позволило получить эмпирические формулы указанной зависимости.
Расчетные формулы, полученные после обработки методом наименьших квадратов результатов испытаний по определению критических и безопасных насыпных слоев порохов в емкостях различного диаметра, представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Расчетные формулы безопасных и критических слоев порохов.
Марка пороха Безопасный слой (Нбез), мм Критический слой (Нкр), мм
ВУОПЫ1Л. Нбез = 188- е1,05 -10-3- “ Нкр = 218- е1,18-10"й
ВТМ Нбез = 193- е1,19 ^ Нкр = 218- еи6-10-3- й
6/7сер Нбез = 147- е1,42 Нкр = 168- е1,733-10-3- й
4/1 фл Нбез = 299- е1,55 -10-3- “ Нкр = 358- е1Л2 10-3-й
Сунар М Нбез = 78- е1,438 -10-3- “ Нкр = 127- е °,971 10-3-й
Сунар СВМ Нбез = 88- е1,312-10"" Нкр = 124- е1,915 10-3-й
Сунар СФ Нбез = 179- е1Д16 -10^ Нкр = 228- е0,912-10-3- й кр
На основании результатов испытаний по определению критических и безопасных слоев в емкостях с круговым и квадратным сечением можно сделать вывод о том, что величину Ь, представленную в расчетных формулах таблицы 4, следует использовать как диаметр или сторону прямоугольной площадки технологических аппаратов и упаковок.
Таким образом, используя результаты вышеизложенных исследований можно рассчитать нормы загрузок, исключающие переход горения во взрыв и детонацию при случайных загораниях порохов в технологических аппаратах и упаковках.
Литература
1. Водяник, В.И. Взрывозащита технологического оборудования / В.И. Водяник. - М.: Химия, 1991.253с.
2. Харитон, Ю.Б. Об экзотермических системах/ Ю.Б. Харитон. - Сборник статей теории взрывчатых веществ ч. 2. - М.: Оборонгиз, 1940.-174с.
© А. П. Павлов - канд. техн. наук, нач. ИЦ БНПИ (170) ФКП «ГосНИИХП», [email protected].; В. П. Афанасьев - асп. КНИТУ, и.о. нач. лаб. 171 ИЦ БНПИ (170) ФКП «ГосНИИХП»; Р. Ф. Гатина -д-р хим. наук, директор ФКП «ГосНИИХП»; А. И. Хацринов - д-р техн. наук, зав. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, Ю. М. Михайлов - д-р хим. наук, член-корр. РАН, ВПК при правительстве РФ.
