Вопрос 5. Взрывы: поражающие факторы и средства защиты

Особую опасность с точки зрения возможных потерь и ущерба пред­ставляют взрывы. Взрыв - это освобождение большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. Взрыв приводит к образованию сильно нагретого газа (плазмы) с очень высоким давлением, который при моментальном расширении оказывает ударное механическое воздействие (давление, разрушение) на окружающие тела.

В деятельности, не связанной с преднамеренными взрывами в условиях промышленного производства, под взрывом следует понимать быст­рое, неуправляемое высвобождение энергии, которое вызывает ударную волну, движущуюся на некотором удалении от источника. В результате взрыва вещество, заполняющее объем, в котором происходит высвобождение энергии, превращается в сильно нагретый газ (плазму) с очень высоким давлением, (до нескольких сотен тысяч атмос­фер). Этот газ, моментально расширяясь оказывает ударной механическое воздействия на окружающую среду, вызвав ее движение. Взрыв в твер­дой среде вызывает ее дробление и разрушение в гидравлической и воздушной среде - вызывает образование гидравлической и воздушной удар­ной (взрывной) волны.

Взрывная волна - есть движение среды, порожденное взрывом, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры среды. Фронт (передняя граница) взрывной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чего область, охваченная движени­ем, быстро расширяется.

Посредством взрывной волны (или разлетающихся продуктов взрыва - в вакууме) взрыв производит механическое воздействие на объекты, на­ходящиеся на различных удалениях от места взрыва. По мере увеличения расстояния от места взрыва механическое воздействие взрывной волны ослабевает. Таким образом, взрыв несет потенциальную опасность пора­жения людей и обладает разрушительной способностью.

Взрыв может быть вызван:

- детонацией конденсированных взрывчатых веществ (ВВ);

- быстрым сгоранием воспламеняющего облака газа или пыли;

- внезапным разрушением сосуда со сжатым газом или с перегретой жид­костью;

- смешиванием перегретых твердых веществ (расплава) с холодными жид­костями и т.д.

В зависимости от вида энергоносителей и условий энерговыделения, источниками энергии при взрыве могут быть как химические так и физические процессы. Источником энергии химических взрывов являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями или реакции термического разложения нестабильных соединений.

Источниками энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объемах аппаратуры (оборудования) могут быть как внешние (энергия, использу­емая для сжатия тазов, нагнетания жидкостей; теплоносители, обеспечивающие нагрев жидкости и газов в замкнутом пространстве) так и внутренние (экзотермические физико-химические процессы и процессы тепломассообмена в замкнутом объеме), приводящие к интенсивному испарению жидкостей или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывных явлений.

Источником энергии ядерных взрывов являются быстропротекающие цепные ядерные реакции синтеза легких ядер изотопов водорода (дей­терия и трития) или деления тяжелых ядер изотопов урана и плутония. Физические взрывы возникают при смещении горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превосходит темпера­туру кипения другой. Испарение в этом случае протекает взрывным об­разом. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением, достигающим в ряде случаев сотен МПа.

Энергоносителями химических взрывов могут быть твердые, жидкие, газообразные горючие вещества, а также аэровзвеси горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде, в т.ч. и в воздухе.

Взрывчатыми веществами называются химические соединения или смеси веществ, способные к быстрой химической реакции с выделением боль­шого количества тепла и образованием газа. В состав ВВ входят восстановители и окислители или другие хими­ческие нестабильные соединения. При инициировании взрыва в этих ве­ществах с огромной скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции термического разложения с выделением тепловой энергии и большого количества газа. Эта реакция, возникнув в какой-либо точке заряда в результате нагревания, удара, трения, взрыва другого ВВ или иного внешнего воздействия распространяется о заряду путем тепло- или массообмена, (горение), ибо удар­ной волны (детонация). ВВ обладают способностью к быстрому разложению, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде тепло­ты, причем -при повышении температуры скорость разложения ВВ увеличивается.

Основными характеристиками ВВ являются:

- бризантность;

- фугасность (работоспособность);

- химическая и физическая стойкость (способность сохранять свои свойства, при хранении и обращении с ними);

- чувствительность к внешним воздействиям (минимальное количество энергии, необходимое для возбуждения взрыва);

- детонационная способность (критический диаметр детонации).

К взрывоопасным веществам относятся:

- кислородсодержащие соединения (перекиси, озониды, органические соли хлорной и хлорноватой кислот, нитриты, нитрозосоединения и т.п.);

- некоторые вещества, не содержащие кислорода (азида, ацетилен, ацетиленида, диазосоединения, гидрозин, йодистый и хлористый азот, смеси горючих веществ с галогенами, соединения инертных газов и т.п.).

Из многих, способных к взрыву соединений, в качестве ВВ используются:

- нитросоединения (тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нитроглицерин, тэн, нитроклетчатка, нитрометан);

- соли азотной кислоты (нитрат аммония).

Как правило, эти вещества применяются не в чистом виде, а в виде смесей.

По взрывчатым свойствам (условиям перехода горения в детонацию) ВВ подразделяют на:

1) Инициирующие ВВ характеризуются очень высокой скорость взрывного превращения, высокой чувствительностью, неустойчивым горением, быст­рым его переходом в детонацию уже при атмосферном давлении. Взрыв может быть возбужден поджиганием, ударом или трением. Основными представителями инициирующих ВВ являются азид свинца, гремучая ртуть, тетразен, тринитрорезорцинат свинца. Инициирующие ВВ используются для возбуждения взрывов других ВВ.

2) Бризантные ВВ более инертны, обладают меньшей чувствительностью к внешним воздействиям. Горение этих ВВ может перейти в детонацию только при наличии прочной оболочки, либо большого количества ВВ. От­носительно безопасны в обращении. Основными представителями бризантных ВВ являются нитросоединения и взрывчатые смеси на основе нитратов, хлоратов, перхлоратов и жидкого кислорода: тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген др. Применяются при производстве взрывных работ и для снаряжения боеприпасов различных видов и назначения.

3) Метательные ВВ (пороха) обладают устойчивым горением, не детонируют в самих жестких условиях.

Все виды взрывов можно классифицировать на следующие три группы:

- неконтролируемое резкое высвобождение энергии за короткий промежуток времени и в ограничением пространстве (взрывные процессы);

- образование облаков топливно-воздушной смеси (ТВС) или других химических газообразных, пылеобразных веществ, их быстрые взрывные превращения (объемный взрыв);

- взрывы трубопроводов, сосудов, находящихся под высоким давлением или с перегретой жидкостью, прежде всего резервуаров со сниженным углеродным газом.

Наиболее часто взрывы происходят на взрывоопасных объектах (ВОО). Взрывоопасный объект - это объект, на котором хранятся, используются, производятся, транспортируются вещества (продукты) приобретающие при определенных условиях способность к взрыву. К взрывоопасным объектам относятся:

- предприятия оборонной, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой промышленности;

- предприятия хлебопродуктовой, текстильной и фармацевтической промышленности;

- склады легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и сжиженных газов.

Основными поражающими факторами взрыва являются:

1. воздушная ударная волна, возникающая при ядерных взрывах, взрывах инициирующих и детонирующих взрывчатых веществ, при взрывных превращениях топливо-воздушных смесей (ТВС), газовоздушных смесей (ГВС), взрывах ре­зервуаров с перегретой жидкостью и резервуаров под давлением,

2. осколочные поля, создаваемые летящими обломками разного рода объектов технологического оборудования, строительных деталей.

При взрыве газо-воздушной среды образуется три полусферические области (зоны рис.9.7):

I – зона непосредственного бризантного действия газо-воздушного взрыва вблизи земли (зона полных разрушений);

II – зона действия продуктов взрыва;

III – зона действия воздушной ударной волны.

Рисунок 9.7 – Зоны взрыва

Эффективное воздействие в I зоне характеризуется разрушениями, которые возникают в результате резкого удара продуктов детонации, находящихся внутри газо-воздушной смеси окружающих предметов. Радиус этой зоны определяется по таблицам или по формуле Ч_I = 1.7 Ч₀. При взрывах углеводорода, пропана и метана Ч₀ имеет значение 8.

Ударная волна любых взрывов вызывает большие людские потери и раз­рушения элементов сооружений. Размеры зон поражения от взрывов возраста­ют с увеличением их мощности. Действие ударной волны на элементы сооружения характеризуется сложным комплексом нагрузок:

- прямое давление;

-давление отражения;

- давление обтекания;

- давление затекания;

- нагрузка от сейсмовзрывных волн и т.п.

Сопротивляемость элементов сооружений действию ударной волны принято характеризовать величиной избыточного давления во фронте ударной волны, в Рф. Избыточное давление в Рф используется как универсальная характеристика сопротивляемости элементов сооружения действию ударной волны и для определения степени их разрушения и повреждения.

Факторы, влияющие на степень и характер повреждения сооружений при взрывах во время производственных аварий, приведены на рисунке 9.8.

Рисунок 9.8 - Факторы, влияющие на степень и характер повреждения сооружений при взрывах

В результате действия поражающих факторов взрыва происходит разру­шение или повреждение зданий, сооружений, технологического оборудования, транспортных средств, элементов коммуникаций и других объектов, гибель людей.

Известны три принципа предотвращения взрывов. К ним относятся

- исключение образования горючих систем;

- предотвращение инициирования горения;

- локализация очага горения в пределах определенного устройства, способного выдержать последствия горения.

Исключение образования горючих систем можно осуществлять тремя методами:

- поддержанием концентрации горючего вещества в смеси менее нижнего концентрационного предела воспламенения;

- флегматизацией взрывчатых смесей, т.е. добавлением в смесь с фиксированным соотношением горючего и окислителя инертных компонентов-флегматизаторов (СО₂,N₂, Н₂O) или ингибиторов (химически активных веществ, способных затормозить скорость химической реакции окисления).Добавление флегматизаторов к горючей смеси приводит к понижению температуры горения смеси, вместе с температурой горения понижается и скорость горения (скорость распространения пламени) соответствую­щим количеством флегматизаторов можно свести скорость горения к нулю и превратить смесь в негорючую.

- обезжириванием устройств и установок жидкого кислорода. Большую опасность представляют системы масло-кислород (воздух). Смазочные масла при перегреве подвергаются термическому разложению с выделением легкокипящих углеводородных фракций. При смешении указанных фракций с кислородом они взрываются под влиянием различных импульсов (искры ударной волны и т.д.)

Способы защиты персонала и оборудования от поражения и разруше­ния при взрывах смесей:

- проектирование прочных ограждений конструкций, способных выдержать нагрузку, равную максимальному давлению при взрыве;

- создание во взрывоопасных зонах инертной среды, в которой содержание кислорода было бы меньше необходимого для поддержания горения;
- изоляция взрывоопасной зоны прочными стенами;

- расположение взрывоопасного производства в местах, где при взрыве не будет причинен вред окружающей среде;

- установка специальных предохранительных клапанов для сброса давления взрыва;

- подавление взрыва (предотвращение распространения пламени);

- строительство для персонала защитных сооружений (убежищ).