4. Поражающее действие взрыва.

1
ИСТОЧНИК: “Защита
в чрезвычайных ситуациях и гражданская оборона: в 2 частях,/
Ефимов В.Ф., Рябиков А.А., Титоренко Л.П., Чебыкин А.Д., под ред. Л.П. Титоренко Учебное
пособие, часть 1, М.: Изд. ООО «Ториус 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 выделением 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.
2
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.
3
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..
4
2.
2.1.
Взрывчатые вещества.
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.
Участвующие в химическом взрыве аэровзвеси состоят из мелкодисперсных горючих жидкостей (туманов) или твердых веществ (пыли) в
окислительной среде (обычно в воздухе). Источником энергии в этом случае
служит тепло их сгорания.
К взрывчатым могут быть отнесены любые вещества, способные к взрывчатому
превращению. Однако на практике к ВВ относят специальные группы веществ, которые
отвечают определенным требованиям:
1.Достаточно высокое содержание энергии в единице массы и большая мощность
развиваемая при взрыве, обусловленная скоростью процесса.
2.Определенные
пределы чувствительности к внешнему воздействию, обеспечивающие как достаточную
безопасность, так и легкость возбуждения взрыва.
3.Способность в течение длительного периода сохранять свои свойства.
4.Доступность исходных материалов,технологичность и безопасность в производстве.
5.Специальные свойства, зависящие от характера применения (например, нетоксичность
продуктов взрыва).
5
2.2. Классификация конденсированных взрывчатых веществ.
Конденсированные ВВ (твердые и жидкие) делятся на 4 группы:
-инициирующие - предназначены для возбуждения взрывчатого
превращения в ВВ других групп (гремучая ртуть, азид свинца, тетразен);
-бризантные - используемые в разрывных зарядах для боеприпасов,
для средств разрушения при добыче полезных ископаемых и др. Преимущественным видом их превращения является детонация. К ним относятся
однородные ВВ (тринитротолуол, нитроглицерин, пироксилин и др.) и неоднородные - механические смеси (аммониты, динамиты и др.);
Под бризантным действием понимают способность ВВ дробить соприкасающуюся среду.
Эта способность зависит от детонационного давления и времени его действия.
Различают фугасное и бризантное действие ВВ. Мерой фугасного действия служит
объем воронки, образованной взрывом 1 кг ВВ.
-метательные (чаще всего это пороха, использующиеся в качестве
метательных зарядов для огнестрельного оружия. Их взрывчатое превращение горение);
-пиротехнические составы.
По своему составу конденсированные ВВ можно подразделить на
смеси и однородные (гомогенные или унитарные) вещества.
(1) Рассмотрим некоторые вещества, представляющие собой смеси.
Черный порох представляет собой смесь калиевой селитры (KNO3) с углем. Эти
вещества представляют собой порошки, смесь которых крайне опасна и возгорается со
взрывом при малейшем воздействии теплом или трением. Для получения требуемой
скорости сгорания в смесь добавляется сера. Первым используемым на практике ВВ был
черный порох. В настоящее время пороха используют в качестве метательных ВВ.
Ракетные твердые топлива относятся к тому же классу ВВ, что и пороха.
Существует большое количество отличающихся по своему составу смесей, используемых в
качестве ракетных топлив. Их основными компонентами являются: порошки металлов (Al, Be, B, Mg)
или их гидридов (AlH3, LiH, MgH ), окислители (например перхлорат аммония - NH3ClO4), нитраты (например
нитрат калия - KNO3) и др. составляющие.
Аммониты представляют собой довольно большую группу веществ, широко
используемых в промышленности (горнодобывающей, строительной и др. отраслях) и
относящихся к классу бризантных ВВ. Это смеси окислителя (аммониевой селитры - NH3NO3) с
органическими веществами (угольная или мучная пыль, торф, опилки) - динамоны, с порошками металлов
(например алюминия) -аммонал, с тротилом - аматол, ..
(2)Однородные ВВ состоят из одного химическое соединение, в состав молекулы
которого входят составные части, например играющие роль и горючего и окислителя.
Наибольшее распространение в качестве таких ВВ получили органические
нитросоединения. К однородным ВВ относятся.
Пироксилин и бездымный порох. Эти вещества относятся к классу метательных
ВВ. Пироксилин (азотнокислый эфир целлюлозы или нитрат целлюлозы - C6H7O2(ONO2)3)
получается при нитровании целлюлозы (хлопка) азотной кислотой. Внешне сохраняет
вид волокон хлопка с повышенной хрупкостью. В настоящее время используется как сырье
для изготовления баллистных порохов. Бездымный порох используется в качестве топлива
реактивных снарядов для “Катюш” и минометов.
Гексоген (циклотриметилентринитроамин - (CH2NO2)3) и тротил (тринитротолуол C6H2CH3(NO2)3)относятся к классу бризантных ВВ и используются для начинки
боеприпасов.
6
2.3. Смеси газовоздушные (паровые) и пылевые (пылевоздушные)
2.3.1. Газовоздушные смеси.
Газовоздушные смеси (ГВС) образуются на ряде производств в нормальных
или аварийных условиях и могут стать источником очень мощных взрывов.
Наиболее опасны взрывы смесей с воздухом углеводородных газов (метана,
пропана, бутилена, бутана, этилена и др.), а также паров воспламеняющихся жидкостей.
Взрывы ГВС могут происходить во внутренних полостях оборудования и
трубопроводов, в помещениях (зданиях) в результате утечки газа, в емкостях для
хранения и транспортировки взрыво- и пожароопасных веществ (резервуарах,
газгольдерах, цистернах, грузовых отсеках танкеров) или на открытом пространстве при
разрушении газопроводов, разливе и испарении жидкостей.
Взрывы горючих газов с воздухом с тяжелыми последствиями происходят на шахтах.
Вероятность взрыва ГВС и его опасность определяются:
-(1) пределами взрывной концентрации паров жидкостей и газов (при
которых может возникнуть детонация) в процентах к объему ГВС,
например, пропан 3-7%; пропилен 3.5-8.5%; этан 4.0-9.2%;
-(2) температурой воспламенения - нижним пределом температуры, при
которой возможно их воспламенение от постороннего источника
зажигания ( ацетон -18оС, спирт 13оС, бензол -11оС );
-(3) плотностью паров и газов по отношению к плотности воздуха
(ацетон -2, ацетилен -0,9, метан - 0,55, бутан -2 );
-(4) температурой самовоспламенения ( ацетон 610оС, бензин 150оС, этиловый спирт 465оС);
-(5) минимальной энергией зажигания или эквивалентом критической
энергии электрической искры, необходимой для инициирования детонации.
Вероятность взрыва ГВС зависит от целого ряда обстоятельств. Статистика показывает, что при
авариях с образованием облака ГВС на открытом пространстве, случаи взрыва, случаи возникновения только
горения (пожаров) и случаи отсутствия воспламенения равновероятны.
Воспламенение облака ГВС происходит при наличии источника зажигания.
Первоначально скорость распространения пламени относительно не велика и составляет для большинства
углеводородных газов 0.32-0.40 м/с. При столь малых скоростях горения образования взрывной волны не
происходит. Однако в реальных условиях на процесс горения оказывают влияние множество факторов,
вызывающих турбулизацию фронта пламени и ускорение его распространения.
Применительно к случайным промышленным взрывам при достижении скоростей распространения пламени
100-300 м/с возникает дефлаграционное горение, при котором генерируются взрывные волны с максимальным
избыточным давлением 20-100 кПа. Продолжительность горения до достижения взрывного режима для газов
составляет около 0.1 с. При дальнейшем ускорении горения дефлаграционые процессы могут перерасти в
детонационные, скорость распространения которых значительно превышает скорость звука в воздухе и
достигает 1-5 км/с.
Переходу к детонации способствуют различные препятствия на пути распространения пламени
(строения , предметы, пересеченная местность). Детонация ГВС может произойти и без стадии
дефлаграционного горения, однако в этом случае необходим соответствующий источник энергетического
воздействия (достаточный электрический разряд, взрыв детонатора и др.).
При больших объемах горючих газовых смесей, наличии источников турбулизации фронта пламени и
отражении детонационной волны от препятствий давление за очень короткий промежуток времени (~1мс)
достигает высоких значений (~1.5 МПа).
7
2.3.2. Пыль и пылевоздушные смеси.
Взрывы пыли (пылевоздушных смесей - аэрозолей) представляют одну
из основных опасностей на производстве. Взрывы пыли происходят в
ограниченном пространстве - в помещениях зданий, внутри оборудования, в
штольнях шахт. Возможны взрывы пыли на мукомольном производстве, на зерновых
элеваторах (мучная пыль), при обращении с красителями, серой сахаром, другими пищевыми
продуктами, производстве пластмасс, лекарственных препаратов, на установках дробления
топлива (угольная пыль), в текстильном производстве.
Понятие промышленные пыли включает в себя тонкие дисперсии с
размерами частиц менее 800 мкм.
Взрывы, в основном, происходят по дефлаграционному механизму. Переход к
детонации возможен в вытянутых помещениях за счет турбулизации
процесса горения в облаке пылевоздушной смеси (ПВС), например в
штольнях шахт, на конвейерных линиях зернохранилищ.
Взрыв ПВС возможен только при наличии концентрации пыли в
воздухе не ниже определенного предела, измеряемого в г/м.куб: алюминий
58, уголь и сахар 35, резина 25, полиуретан 30 и т.д.
По степени пожаровзрывоопасности все промышленные пыли делятся на
4 класса:
1 класс - наиболее взрывоопасные пыли с Нижним Концентрационным
Пределом Распространения Пламени ( НКПР) равным 15 г/м.куб и ниже
(сера 2,3; нафталин 2,5).
Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (НКПРП и ВКПРП) —
минимальная (максимальная) концентрация горючего вещества (газа, паров горючей жидкости) в
однородной смеси с окислителем (воздух, кислород и др.) при котором возможно распространение пламени
по смеси на любое расстояние от источника зажигания (открытое внешнее пламя, искровой разряд).
2 класс - взрывоопасные пыли с НКПР от 16 до 65 г/м.куб (алюминий 58, овес
30.2, крахмал картофельный 40.3);
3 класс- наиболее пожароопасные пыли - с температурой воспламенения до
250 оС ;
4 класс - пожароопасные пыли - с температурой воспламенения >250 оС .
Взрывоопасные пыли - серы, канифоли, эбонита, магния, алюминия, титана;
Пожароопасные пыли - цинковые, древесные.
Температура самовоспламенения пыли равна в среднем 500оС. Пыль,
находящаяся в слоях воспламеняется при более низкой температуре, чем облако пыли разница достигает 200оС, причем чем толще слой пыли, тем ниже температура ее
самовоспламенения. Пыль в слоях не взрывается. Однако, если в слое пыли возникнет
горение (тление), то конвективные потоки горячих газов поднимают пыль в воздух,
образуется пылевоздушная смесь, которая может взрываться.
Опасность взрыва ПВС возрастает с уменьшением размеров частиц пыли.
Максимальное давление взрыва ПВС лежит в пределах от 700 до 500 кПа
(5-7 атм).
8
3.
Ударная волна и характеризующие ее параметры
3.1.
3.1. Общая характеристика ударной волны.
Энергия, выделяющаяся при взрыве, приводит к возникновению и
распространению в окружающей среде очень узкой зоны сжатияразрежения. В пределах этой зоны, распространяющейся со сверхзвуковой
скоростью, протекают физические процессы, называемые ударной волной.
Существо этих процессов состоит в скачкообразном изменении всех
параметров среды (давления, температуры, плотности).
Передняя граница зоны сжатия называется фронтом ударной волны.
Форма фронта ударной волны в однородной среде, например в воздухе,
представляет собой сферу и не зависит от формы взорвавшегося заряда.
Ударная волна имеет 2 основных отличия от звуковой волны:
-параметры среды в ней (давление, температура, плотность) изменяются
практически скачком;
-скорость ее распространения превышает скорость звука в
невозмущенной среде.
Основными параметрами ударной волны являются (1) давление,
(2)
удельный импульс, (3)скоростной напор.
(1)Давление является основным параметром, определяющим
поражающее действие ударной волны.
На рисунке 1 показано изменение во времени давления в некоторой точке при
прохождении через нее воздушной ударной волны (ВУВ).
Рисунок 1. Изменение давления в некоторой точке пространства
прохождении через нее ударной волны.
при
До прихода волны давление в точке определялось атмосферным давлением P0.
В момент прихода фронта волны за очень короткий промежуток времени, практически
мгновенно
(скачком),
давление
возрастает
на
величину
∆Pф.
После скачка давление начинает падать и через промежуток времени τ+ достигает
величины P0. (атмосферное давление). Дальнейшее снижение давления приводит к
образованию в рассматриваемой точке разрежения с амплитудой ∆P- , после чего рост
давления возобновляется и оно снова достигает величины P0. Период τ+ называется фазой
τ
сжатия, а - - фазой разрежения. Колебания давления в рассматриваемой точке
продолжаются и дальше, однако при оценке последствий взрывов их не принимают во
внимание вследствие незначительности амплитуды.
9
По мере удаления от места взрыва происходит постепенное “затухание” ударной
волны. При этом уменьшаются амплитуды ∆Pф и ∆P, крутизна скачка и крутизна спада
давления, увеличиваются интервалы τ+ и τ- , уменьшается скорость распространения
ударной волны и она постепенно трансформируется в звуковую. Скорость “затухания”
ударной волны зависит от состояния среды, в которой эта волна распространяется, и от
расстояния до места взрыва.
(2)Удельный импульс I является важной характеристикой ударной
волны, во многом определяющей ее воздействие, например, на здания и
сооружения.
Удельный импульс характеризует суммарное воздействие избыточного давления на
площадку единичного размера за время τ+ . Он числено равен площади под кривой
избыточного давления на рисунке 1.
При встрече ударной волны с препятствием, например со стеной здания, давление
вблизи от отражающей поверхности препятствия возрастает в несколько раз. Степень
роста амплитуды зависит от угла наклона отражающей поверхности к направлению
распространения ударной волны и от состояния среды у отражающей поверхности.
(3)Давление скоростного напора PСК также характеризует
поражающее действие ударной волны.
Скоростной напор возникает вследствие того, что частички воздуха во всех
точках фронта ударной волны совершают резкое смещение по
направлению от центра взрыва, а затем в обратную сторону.
Тело,
находящееся на пути смещения частиц воздуха, испытывает силовое воздействие,
представляющее собой векторную величину.
Направление вектора силового воздействия на тело совпадает с направлением
распространения ударной волны, а его длина - пропорциональна площади проекции
тела на плоскость, перпендикулярную направлению вектора.
Скоростной напор вызывает отбрасывание предметов, оказавшихся на
пути распространения ударной волны, т. е. оказывает на них метательное
воздействие.
В результате метательного воздействия незакрепленные предметы, а также люди могут быть
отброшены на расстояние в несколько метров и вследствие этого получить повреждения и
травмы по своей тяжести соизмеримые с последствиями воздействия давления ВУВ
(воздушной ударной волны)
Скоростной напор ВУВ приводит также к разрушению (сламыванию)
сооружений, имеющих значительную протяженность по сравнению с
поперечным сечением (столбы электропередач, заводские трубы, опоры и т.п.)
Помимо перечисленных ОСНОВНЫХ параметров ударной волны
(давление, удельный импульс, скоростной напор) имеются и другие её
параметры, определяющие ее поражающее действие.
Законы изменения во времени других параметров, характеризующих ударную волну
(например температуры или плотности среды), качественно аналогичны изменению
давления.
Для скоростного напора Pск, возникающего за счет перемещения частиц среды, период
больше, чем
τ+
вследствие инерционности этих частиц.
τ+ ск
несколько
10
Изменение других параметров среды в распространяющейся ударной волне также
может привести к опасным последствиям, например пожарам или детонации взрывчатых
веществ. Характер изменения значений этих параметров во времени аналогичен приведенной
на рисунке 1 зависимости. Основные отличия связаны со скоростью спада максимального
τ+. Так например,
для скоростного напора показатель τ+ СК может превышать аналогичный показатель для давления τ+ в 2.5
амплитудного значения параметра,
т.е. показателя
раза.
Ударная волна при взрыве конденсированных ВВ.
Взрывы большинства конденсированных веществ протекают в режиме
детонации. Условно все пространство вокруг места взрыва можно
разделить на 3 зоны: (1)зону детонации, (2)зону действия продуктов
детонации и (3)зону действия ударной волны.
3.2.
(1)При взрыве детонационная волна распространяется внутри вещества
с очень большой скоростью.
Из-за малого времени процесса детонации (~10-5с) продукты взрыва не успевают
разлететься и образуют зону детонации, представляющую собой облако газа
сферической формы с высокой температурой 2000-4000оК и давлением до 10 ГПа (100
000 кгс/см2). Размеры этого облака или этой зоны составляют несколько характерных
размеров заряда и не зависят от его формы или от вида и состояния окружающей среды.
(2)В зоне за пределами этого облака поражающее действие взрыва
определяется действием расширяющихся продуктов детонации и по-прежнему
настолько велико, что вызывает безусловно тяжелые последствия. При взрыве
на открытом воздухе радиус зоны действия продуктов детонации
относительно невелик и составляет около 15 средних радиусов заряда. Если же
взрыв происходит в ограниченном пространстве (например в тоннеле), форма
этой зоны видоизменяется и ее размеры могу достигать значительной
величины, а расширяющиеся газы усиливают метательное действие взрыва,
что особенно заметно при взрывах зарядов относительно малой мощности
(например 1 кг тротила).
(3)На больших расстояниях от места взрыва на параметры среды продукты
детонации уже не оказывают влияния и их значения определяются действием
ударной волны и ее затуханием в зависимости от расстояния до места взрыва.
Именно эта зона - зона действия ударной волны представляет практический
интерес с точки зрения анализа влияния взрыва на степень разрушения зданий
сооружений, технику и людей.
Поскольку скорость детонации очень велика, а масса воздуха, вовлекаемая в движение
ударной волной, намного превосходит массу заряда, в ходе этого анализа для взрывов на
открытом воздухе можно условно принять следующие допущения:
-при взрыве
конденсированного ВВ энергия выделяется в точке;
-на всем
расстоянии от точки взрыва до точки анализа его последствий действует одна и та же
зависимость между параметрами ударной волны и удалением от места взрыва.
11
3.3. Ударная волна при взрыве газовоздушных смесей.
Взрыву газовоздушных смесей всегда предшествует образование облака, в
котором горючий компонент присутствует в смеси с окислителем (как
правило с кислородом воздуха) в определенном диапазоне концентраций.
Инициирование взрыва этого облака может осуществляться различными
способами, после чего взрывная волна распространяется в пределах облака с
огромной скоростью, доходящей до тысячи м/с.
Динамика процесса взрывного горения газовой смеси в пределах облака и значения параметров, характеризующих ударную волну за его пределами, зависят от физико - химических свойств смеси, формы и объема
облака на момент взрыва, от места инициирования взрыва (у центра или
края облака). Наиболее тяжелыми последствиями сопровождаются взрывные
процессы при центральном инициировании в смесях стехиометрического
состава.
Параметры распространения детонационной волны в пределах облака
существенно не меняются.
При выходе за пределы облака продукты детонации возбуждают
сферическую воздушную ударную волну.
На рисунке 2 показано изменение амплитуды давления при взрыве
газовоздушной смеси внутри облака и за его пределами.
(Радиус газового облака обозначается размером rо).
Для характеристики ударной волны при взрыве газовоздушных смесей
используются параметры по своему физическому содержанию аналогичные
параметрам ударной волны при взрыве конденсированных ВВ.
Рисунок 2. Изменение давления при взрыве газовоздушной смеси.
12
Ударная волна ядерного взрыва.
Основные параметры, характеризующие ударную волну ЯВ, для заряда
мощностью 30 Кт приведены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры ударной волны ЯВ мощностью 30 Кт
3.4.
Параметры
Расстояние от центра взрыва (км)
0,5
0,75
1,0
1,5
2,0
2,5
Избыточное давление во фронте, кПа
135
75
48
26
17
12
Скорость фронта, м/с
494
432
402
374
364
357
Скорость воздуха во фронте, м/с
310
189
124
68
43
31
Тротиловый эквивалент атомной бомбы сброшенной (взорванной):
- в Хиросиме (06.08.45 г.) составил 13-18 кТонн, погибло от 90 до 166 тыс. человек;
- в Нагасаки (09.08.45 г.) составил 21 кТонн, погибло от 60 до 80 тыс. человек.
- на Новой Земле (30.10.61г.) составил 57-58,6 Мегатонн (самая мощная Советская
термоядерная «ЦАРЬ-бомба»,
В зависимости от высоты ЯВ распространение воздушной ударной волны
имеет свои особенности.
При наземном взрыве воздушная ударная волна имеет форму
полусферы с центром в точке взрыва ядерного боеприпаса.
Значения ∆Pф в этом случае будут примерно удваиваться по сравнению с
воздушным взрывом.
При воздушном взрыве ударная волна, достигая поверхности земли,
отражается от нее. Форма фронта отраженной волны близка к полу-сфере
с центром в точке встречи ударной волны с поверхностью земли.
На близких расстояниях от проекции эпицентра на поверхность земли угол
наклона падающей волны мал и точки, из которых исходят отраженные волны,
перемещаются вдоль поверхности земли. Эта зона называется зоной
регулярного отражения и ее радиус на поверхности земли Rэ примерно соответствует высоте воздушного взрыва H, т.е. Rэ=H.
На расстояниях Rэ>H в результате того, что отраженная волна движется в
воздухе уже прогретом падающей волной, она имеет большую скорость и
постепенно "набегает" на падающую волну, образуя головную ударную волну.
Сложение волн усиливает избыточное давление во фронте головной
волны. Коэффициент усиления составляет от 1.6 до 3 крат и зависит от
состояния приземного слоя воздуха. Наибольшее повышение давления
наблюдается при взрывах зимой, когда приземный слой воздуха почти не
13
прогревается световым излучением. При прогреве приземного слоя воздуха,
например за счет его запыления, скачек давления во фронте головной волны
уменьшается, но увеличивается время фазы сжатия и скоростной напор
движущихся частиц воздуха. Это приводит к усилению метательного
действия ударной волны.
.
На распространение ударной волны при ЯВ могут оказать существенное
влияние: рельеф местности, характер застройки, лесные массивы, метеорологические условия.
На расстояниях близких к месту взрыва амплитудные значения ∆PФ очень
велики и к тому моменту, когда они снижаются до значений, указанных в
таблице, т.е. до значений, представляющих практический интерес с точки
зрения анализа степени разрушающего воздействия ударной волны ЯВ,
зависимость ∆P(t)успевает видоизмениться.
Эти изменения состоят в увеличении τ+ и τ- , снижении скорости роста
давления во фронте ударной волны и более плавному падению давления за
фронтом волны.
В связи с этими изменениями приведенным в таблице значениям ∆PФ для
ЯВ соответствует больший удельный импульс, чем для аналогичных значений
давления при взрыве конденсированного ВВ.
Поэтому ударную волну ЯВ иногда называют “длинной волной”.
14
Поражающее действие взрыва.
Поражающими факторами при взрывах являются:
(1) прямое воздействие фронта ударной волны;
(2)так называемые вторичные поражающие факторы, определяемые
воздействием обломков разрушающихся зданий и сооружений, осколков
породы или оболочки заряда и т.п.;
(3)сейсмическое воздействие подземных взрывов.
4.
4.1.
Воздействие поражающих факторов взрыва на здания и сооружения.
Воздействие ударной волны взрыва может привести к различным
степеням разрушения (повреждения) зданий и сооружений.
Эти степени условно подразделяют на слабые, средние, сильные и полные.
(а) Слабые разрушения не выводят объект из строя, его эксплуатация
может продолжаться. Повреждения или серьезные деформации получают отдельные
легкие элементы конструкций (окна, двери, крыша и т.п.). Устранение слабых разрушений
возможно в процессе текущего ремонта.
(б)Средние разрушения соответствуют разрушению второстепенных
конструкций и деформации (прогибу) основных ограждающих и несущих
конструкций. Средние разрушения устранимы, но требуют прекращения
эксплуатации объекта и проведения его капитального ремонта.
(в)Сильные разрушения приводят к частичному разрушению стен
колонн и перекрытий, а также к полному разрушению легких
конструктивных элементов.
Сильно разрушенные здания не
восстановимы. При таком разрушении объект в какой-то мере сохраняет свои
контуры. Некоторые его элементы могут быть использованы, например для ремонта других
сооружений.
(г)Полное разрушение сопряжено не только с прекращением
возможности восстановления объекта, но и с резким изменением внешних
очертаний объекта, с невозможностью использования его и его элементов в
какой-либо мере.
4.2.
Воздействие поражающих факторов взрыва на людей.
Воздействие (1) избыточного давления ударной волны на человека
воспринимается как резкий удар, а (2) скоростного напора - в виде толчка
(отбрасывания) по направлению распространения ударной волны.
При этом от давления ударной волны происходят разрывы крове- и
газонаполненных органов, возникают травмы конечностей, ушибы, вывихи.
По степени тяжести различают крайне тяжелые, тяжелые, средние и легкие
поражения людей.
15
Крайне тяжелые поражения у людей возникают при избыточном
давлении во фронте более 100 кПа.
Эти поражения, как правило, заканчиваются смертельным исходом. Они
сопровождаются разрывами внутренних органов и сосудов, наполненных
кровью (или другими жидкостями), или газом.
Тяжелые поражения человек получает при 60-100 кПа.
К тяжелым поражениям относят сильные контузии, потерю сознания,
внутренние кровотечения, кровотечение из ушей и носа.
Средние поражения наступают при 40-60 кПа.
К ним относят контузию головного мозга, множественные вывихи, потерю
слуха.
Легкие поражения, не требующие госпитализации, наступают при 20-40
кПа.
К ним относят скоропроходящую головную боль, головокружение.
Воздействие скоростного напора (метательное действие взрыва)
приводит к отбрасыванию людей на расстояния в несколько метров, что
вызывает травмы по своим последствиям соизмеримые с воздействием
давления. Помимо непосредственного поражения от воздействия ударной
волны человек может пострадать от вторичных факторов взрыва (обломков
разрушаемых зданий, осколков стекол и т.п.). Максимальному расстоянию
такого поражения примерно соответствует 20 кПа.
4.3.
Воздействие ударной волны на вооружение и технику.
Степень повреждения вооружения и военной техники под воздействием
∆Pф может достигать следующих размеров:
- слабые повреждения танков (отрыв антенн, фар и другого наружного
оборудования) 30-50 кПа;
- полное разрушение танков
1-2 МПа;
- средние повреждения артиллерийских орудий
40- 70 кПа;
- полное разрушение артиллерийских орудий
0.2-1 МПа;
- выход из строя самолетов, вертолетов, ракет
10-30 кПа.
Метательное действие ударной волны, определяемое скоростным
напором, является решающим для вывода из строя вооружения и военной
техники (танков боевых машин, орудий, автомобилей и т.п.). Повреждения от
удара о грунт при отбрасывании за счет метательного воздействия могут быть
более значительными, чем от воздействия ∆Pф.
16
5.
Мероприятия по обеспечению взрывобезопасности.
Масштабы разрушений и уровни поражения при взрывах определяются
количеством и скоростью высвобождения энергии.
Состав конкретных мер, обеспечивающих требуемую степень защищенности
от воздействия поражающих факторов взрыва определяется по результатам
проведения исследования функционирования потенциально опасного объекта.
При проведении исследования анализируются различные сценарии
возникновения и развития аварий и различные виды возможных опасностей, а
не только поражающее действие собственно взрыва. К таким опасностям может
например относиться химическое или биологическое воздействие исходных
хранящихся веществ или продуктов, получающихся в результате взрыва.
В ходе исследований проводятся расчеты по определению значений
параметров, характеризующих поражающие факторы.
Расчеты обычно ведутся для худшего сценария развития аварии.
По результатам исследований принимаются решения о составе мероприятий,
направленных (1)либо на исключение возможности возникновения аварии,
(2) либо на ограничение возможных поражающих факторов, (3) либо на
защиту от их воздействия.
Главная защита ориентирована на ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВЗРЫВА.
Состав мероприятий в каждом конкретном случае уникален, однако их
обобщенный перечень применительно к защите от опасности взрыва может
быть представлен в следующем виде:
- 1. ограничение объемов единовременного накопления взрывоопасных
веществ;
- 2. промежуточное хранение взрывоопасных веществ в производственных
условиях;
- 3. рациональное размещение зданий и сооружений вблизи взрывоопасного
объекта;
- 4. реорганизация технологических процессов, в которых используются
взрывоопасные вещества;
- 5. создание надежных, взрывобезопасных конструкций оборудования и
конструкций, устойчивых к воздействию ударной волны;
- 6. подготовка персонала к работе в условиях повышенной взрывоопасности.
17
1.Полностью исключить накопление взрывоопасных веществ в условиях
производства невозможно.
В тоже время очевидно, что с увеличением объемов их накопления возрастает
степень тяжести возможных последствий аварийных взрывов. Для ограничения
запасов веществ, используемых в ходе производства или получающихся в ходе
технологических процессов применяют различного рода нормативы.
2. В тех случаях, когда по нормативам накапливать требуемые объемы
веществ не допускается, а по условиям производства необходимы большие
запасы, на безопасном расстоянии создаются промежуточные (развязочные)
хранилища, выполняющие буферные функции. В любом случае
необходимость создания складов как основного, так и промежуточного
хранения должна быть научно и технологически обоснована для каждого
конкретного производства.
3. Рациональное размещение промышленных объектов на территории
предприятия необходимо для того, чтобы взрывы и пожары не привели к
разрушению потенциально опасных объектов, например с запасом ядовитых
веществ. В зонах высокого уровня поражения часто находятся здания
заводоуправлений, проектно-конструкторских и других подразделений,
которые не связаны с эксплуатацией потенциально опасных объектов и могут
быть без ущерба для технологического процесса размещены на безопасном
расстоянии.
Особого внимания в этом отношении заслуживают различного рода
пульты управления, т.к. с одной стороны их обычно требуется приблизить к
месту реализации управляемым процессом, а с другой стороны именно такое
приближение создает опасность для диспетчеров, выполняющих управление в
случае аварии. Для снижения возможности поражения управленческого
персонала в случае аварии обычно применяют целую систему мер,
включающих в себя: максимально возможное удаление пультов управления от
потенциально опасного участка и их размещение вне зоны вероятного
распространения газового облака,, вывод на пульты управления ,
расположенные в опасной зоне, минимально необходимой информации и
соответствующее сокращение персонала, имеющего доступ в эту зону,
устройство помещений пультов управления повышенной пожаро и взрыво
защищенности, оснащение пультов управления средствами сигнализации и
противоаварийной защиты.
4. Возможных направлений реорганизации технологических процессов
достаточно много. Обычно они направлены на исключение потенциально
опасные вещества из производственного процесса, например путем замены на
другие, менее опасные, или на изменение условий использования веществ, в
которых они не могут гореть или взрываться.
Из других направлений можно отметить: секционирование и вынос наиболее
опасных процессов из помещений, флегматизацию опасных веществ,
сокращение числа производственных операций с участием персонала и др.
18
5. Создание надежных конструкций, которые исключают возможность
взрыва или снижают его вероятность достаточно сложная задача над решением
которой работают специалисты многих производственных отраслей. Для
каждого конкретного вида оборудования технические решения по повышению
его надежности специфичны. Среди наиболее часто используемых можно
отметить: устройство взрывонепроницаемых оболочек, устройство защитных
кожухов с повышенным давлением внутри, защита погружением в масло,
защита песком и др.
6. Подготовка персонала должна проводиться по двум основным
направлениям:
- знание своих функциональных обязанностей и готовность к
действиям в аварийных ситуациях;
- повышение уровня понимания существа технологических процессов
и возможных вариантов их развития при тех или иных условиях.