Учебное пособие: Использование взрывчатых веществ

Катализировать процесс разложения могут не только продукты собственного распада, но и некоторые примеси. Такими свойствами, в частности, обладают примеси азотной кислоты. Вот почему в технологическом процессе получения нитроэфиров и других мощных ВВ предусмотрена их тщательная отмывка от примесей азотной кислоты и других нестойких продуктов.

В таблице 3.3 приведены энергии активации и кинетические коэффициенты медленного химического разложения ряда индивидуальных взрывчатых веществ [7].

Таблица 3.3 - Энергии активации и кинетические коэффициенты разложения ряда индивидуальных ВВ

Методы определения химической стойкости ВВ

Для оценки стойкости ВВ обычно определяют скорость их разложения при повышенных температурах, в пределе - при температуре вспышки. Для сокращения времени испытания ограничиваются определением скорости только начальной стадии разложения.

Стойкость нитроглицерина и нитроэфиросодержащих ВВ определяют йодокрахмальной пробой, по которой продукты разложения (окислы азота) улавливаются чувствительной йодокрахмальной бумажкой. Окислы азота, воздействуя на бесцветный ион йода в йодистом калии, переводят его в элементарный йод, который с крахмалом окрашивается в бурый цвет. Для более четкого обнаружения реакции йодокрахмальную бумажку перед испытанием смачивают до половины водным раствором глицерина. Тогда на границе раздела сухой и влажной бумажки видна ясно различимая цветная полоса. Нитроглицерин, предназначенный для приготовления нитроэфиросодержащих ВВ, не окрашивает бумажку в течение 30 минут, нитроэфиросодержащие ВВ - в течение 10 минут [5].

Реологические свойства

К реологическим свойствам относятся пластичность и текучесть ВВ.

Пластичность - способность ВВ легко деформироваться под воздействием небольших нагрузок и сохранять придаваемую им форму. Пластичные промышленные ВВ характеризуются высоковязкой структурой, обусловленной наличием в них пластификаторов и связующих, в динамитах в виде динамитного желатина (раствор нитроклетчатки в нитроглицерине или нитрогликоле), в водосодержащих ВВ - в виде водного геля. Пластичные свойства ВВ зависят от вязкости динамитного желатина и его содержания в ВВ.

К пластичным промышленным ВВ относятся динамиты, содержащие взрывчатую желатину, и высоковязкие водосодержащие ВВ (акваниты, акваналы, гелеобразные акватолы). При очень высокой вязкости желатина и значительном содержании его в составе ВВ приобретают резиноподобную структуру, деформация становится упругой, ВВ теряет свойство пластичности. К таким ВВ, в частности, относятся динамиты, содержащие более 60 % желатины.

Текучесть - способность ВВ вытекать из емкостей под действием силы тяжести. Этим свойством помимо собственно жидких ВВ обладают низковязкие суспензии - смеси жидкостей и порошкообразных наполнителей. Как и жидкости, такие системы могут перекачиваться по трубам и шлангам с помощью насосов различной конструкции.

Некоторые пластичные ВВ при хранении приобретают структуру твердого тела и вновь становятся пластичными при разминании. Такое явление называется тиксотропией. Для стабилизации пластичности в состав ВВ вводят добавки поверхностно-активных веществ, таких как алкиламины.

Исследования структурно-механических (реологических) свойств показали, что водосодержащие ВВ как с алюминием, так и сенсибилизированные тротилом, по характеру аномалии вязкости относятся к неньютоновским жидкостям с ярко выраженными вязкопластичными и тиксотропными свойствами. При снижении вязкости увеличивается текучесть водосодержащих ВВ, которая обратно пропорциональна вязкости. Вязкость и пластичность ВВ определяется с помощью консистометра Геплера, которым измеряют скорость проникновения иглы с шариком на конце в массу вещества или деформацию цилиндриков из ВВ при действии на них в течение определенного времени заданной нагрузки. В таблице 3.4 приведены данные об изменении пластичности динамита и водосодержащего ВВ, определенные на консистометре Геплера.

Таблица 3.4 - Пластичность динамита и водосодержащего ВВ

Для определения пластичности ВВ чаще пользуются более простым прибором - пенетрометром (от лат. penetro - проникаю). Пластичность оценивается в этом случае скоростью проникновения иглы пенетрометра. Ниже приведены результаты испытания водосодержащего ВВ (ВВВ) пенетрометром (таблица 3.5).

Таблица 3.5 - Результаты определения пластичности пенетрометром

В полевых условиях пластичность ВВ качественно можно оценить по способности изделий разминаться в руке и сплющиваться в шпуре или скважине при нажатии забойником.

3.3 Разрушающие факторы взрывчатых веществ

Детонация ВВ

Детонация представляет собой самоподдерживающийся процесс перемещения по ВВ со сверхзвуковой скоростью ударного фронта (скачка давления), сопровождающийся химическим превращением вещества. Химическая реакция возникает в результате адиабатического сжатия и разогрева вещества в ударном фронте. Комплекс из ударного фронта и зоны химической реакции называется детонационной волной . Давление на ударном фронте имеет порядок от десятков атмосфер (газы) до сотен тысяч атмосфер (мощные бризантные вещества). Установившаяся (стационарная) детонационная волна распространяется по ВВ с постоянной скоростью (от 1 до 10 км/с). Постоянство параметров детонационной волны объясняется тем, что потери энергии, связанные со сжатием и вовлечением в движение вещества, компенсируются теплом, выделяющимся в ударно-сжатом ВВ при его химическом превращении.

Первую математическую модель детонационной волны в газах, опирающуюся на теорию ударных волн, в виде гидродинамической теории детонации разработали в конце прошлого века одновременно несколько ученых - В.А. Михельсон в России, Д.Л. Чепмен в Англии, Е. Жуге во Франции. Эта модель не рассматривает кинетики (пространственно-временных характеристик) химической реакции в детонационной волне, а представляет ударный фронт в ней формально в виде поверхности разрыва, отделяющей исходное вещество от продуктов его химического превращения. В подвижной системе координат процесс представляется таким образом, что в ударный фронт втекает вещество в исходном состоянии и вытекает из него в виде продуктов своего химического превращения. В этом случае, как и в теории ударных волн, но с учётом энерговыделения при детонации, основные соотношения между начальными и конечными параметрами состояния вещества, а также кинематическими параметрами детонации - скоростью перемещения фронта (скоростью детонации) D и массовой скоростью движения продуктов превращения за фронтом U находят из законов сохранения массы, количества движения (импульса) и энергии в волне.

Развитие эта теория получила в работах Я.Б. Зельдовича [10],

Д. Неймана, В. Деринга, независимо предложивших модель детонационной волны, учитывающую физическую зону превращения исходного ВВ в конечные продукты (зону «химпика»). Основные представления об этой модели дают рисунки 3.1 и 3.2. На рисунке 3.1 схематически показан профиль детонационной волны в координатах «давление-расстояние», а на рисунке 3.2 - PV_диаграмма волны.

Согласно данной модели исходное вещество с начальными параметрами P ₀ , V ₀ (точка А на рисунке 3.2) сжимается в ударном фронте до состояния, отвечающего точке В. В этом состоянии в результате адиабатического сжатия и разогрева в веществе возникает экзотермическая реакция взрывного превращения, заканчивающаяся в точке С, называемой точкой Жуге или Чепмена-Жуге и лежащей на адиабате продуктов детонации (адиабате Гюгонио). Процесс превращения сопровождается расширением нагретых газообразных продуктов детонации (ПД), поэтому давление ПД в точке Жуге Р_жпримерно в два раза ниже, чем в точке В. За точкой Жуге (плоскостью Чепмена-Жуге) происходит дальнейший спад давления в ПД вследствие их расширения (волна разгрузки). Прямую АВ, являющуюся касательной к адиабате Гюгонио в точке Жуге, называют прямой Михельсона.

На рисунке 3.1 адиабатическому сжатию вещества отвечает прямая АВ с очень малым наклоном относительно оси абсцисс, что свидетельствует о крайне малом времени сжатия и малой толщине сжатого слоя. Зоне химического пика отвечает участок ВС на кривой спада давления, точка излома С отвечает точке Жуге, участок за этой точкой характеризует спад давления в расширяющихся продуктах детонации.

Исходя из гидродинамической модели, основными соотношениями для детонационной волны являются, согласно законам сохранения:

Массы

,(3.5)

Импульса

,(3.6)

Энергии

,(3.7)

где U - массовая скорость движения продуктов взрыва за фронтом;

D - скорость детонации ВВ;

Е ₁ , Е ₂ - внутренняя энергия продуктов взрыва соответственно в начальном и конечном состоянии;

Q_взр - теплота взрыва;

V ₀ и P ₀ - соответственно удельный объём и давление исходного вещества;

P и V - соответственно давление и удельный объём продуктов детонации.

Совместное решение уравнений (3.5) и (3.6) дает формулы для расчета кинетических параметров детонации:

, (3.8)

. (3.9)

Данные выражения являются одной из форм записи уравнения ударной адиабаты Гюгонио для продуктов детонации.

Большинство исследователей пришли к выводу, что при

r₀ і1 г/см³ скорость детонации (D ) может быть описана линейной зависимостью вида

D= A+ B (r₀ ) (3.10)

или, как это предложил М.А. Кук:

D ₂ = D ₁ + M (r₂ -r₁ ), (3.11)

где D ₂ и D ₁ - скорость детонации при плотности ВВ соответственно r₂ и r₁ ;

М - размерный коэффициент.

М.А. Кук в качестве усредненного коэффициента М рекомендует величину 3500. Значения коэффициентов А , В и величин D _1,0 (плотность 1,0 г/см³ ) и D _1,6 (плотность 1,6 г/см³ ) для некоторых веществ приведены в таблице 3.6 [7].

Таблица 3.6 - Значения коэффициентов А , В и величин D _1,0 и D _1,6 для некоторых ВВ

Приведенные основные соотношения в детонационной волне приемлемы для случая плоской волны, когда вся потенциальная химическая энергия реализуется в детонационной волне и определяет параметры детонации - её скорость, давление и другие. В случае неодномерного течения за ударным фронтом параметры детонации в определенных границах становятся зависимыми от поперечных размеров заряда, как это впервые показал Ю.Б. Харитон. Так как зона химического превращения в детонационной волне имеет конечные размеры, то за время химической реакции (участок ВС на рисунке 3.2) образующиеся сжатые газообразные продукты стремятся к расширению в радиальном направлении. В результате этого в зону реакции с боковой поверхности входит волна разрежения, а охваченная ею масса вещества теряется как поставщик энергии относительного ударного фронта. Так как глубина проникновения волны разрежения обратно пропорциональна радиусу заряда, то относительные потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться с увеличением радиуса заряда, т.е. детонация может устойчиво распространяться по заряду, если продолжительность реакции t в волне меньше времени разброса вещества q в радиальном направлении. Исходя из этого, существует такой минимальный диаметр заряда d _кр , при котором еще возможно устойчивое распространение детонации. Этот диаметр называется критическим диаметром детонации . Его величина находится из условий устойчивости: