Прогнозирование последствий аварийных взрывов

Аварии на взрывоопасных объектах

I. Взрыв – это процесс быстрого, практически мгновенного высвобождения большого (громадного) количества энергии в ограниченном объёме с переходом её из потенциальной формы в кинетическую.

Для взрывчатых веществ (ВВ) взрыв является самораспространяющимся химическим превращением (распадом, разложением), подобно горению, с выделением громадного количества тепла и образованием газообразных продуктов. При обычном горении используется кислород атмосферы. При взрывах же используется связанный кислород, который содержится в большинстве ВВ. При этом кислород вступает во внутримолекулярные окислительно – восстановительные реакции распада или взаимодействия между составными частями ВВ, продуктами их разложения или газификации в результате чего выделяется тепло и газообразные продукты.

Химическое превращение ВВ может происходить в виде:

а) термического разложения; б) горения; в) детонации.

Термическое разложение является медленным процессом распада ВВ (например, «горение» мокрой травы, перегнивание навоза). Оно сопровождается выделением тепла.

Горение ВВ – экзотермическая реакция, протекающая в поверхностном слое вещества – в зоне пламени. Реакция поддерживается за счёт теплопроводности и (или) диффузионного теплообмена газообразных продуктов реакции с общей массой ВВ. Различают два вида горения – стационарное (послойное горение) и возмущенное (объемное горение; характерно резкое нарастание давления).

Детонация – особый вид экзотермической реакции. Скорость горения достигает 8,5 км/с. Подобная скорость горения способствует резкому нарастанию давления на фронте детонационной волны. Реакция протекает так быстро, что вся энергия, заключенная в ВВ, высвобождается до того, как наступает расширение продуктов распада. По сути вся освободившаяся энергия сосредоточена в объеме исходного ВВ. Давление может достигать до 10¹⁰ Па. Происходит взрыв.

Т. О., различие в химическом превращении ВВ состоит в скорости горения.

Наиболее сильные взрывы – ядерные (атомные), при которых выделяется огромная энергия, мощь которой превосходит на несколько порядков взрывы обычных ВВ. Атомная энергия может выделятся при:

а) делении ядер тяжелых элементов (урана U₂₃₃, _-235; плутония Pu₂₃₉) – ядерный (атомный) вид реакции на принципе «деления»;

б) реакции синтеза легких элементов (дейтерия и трития) в более тяжелые элементы – термоядерный (водородный) вид реакции на принципе «деление + синтез»;

в) комбинации первых двух видов реакции – реакции на принципе «деление + синтез + деление» (в последнем случае начинает деление природный уран U₂₃₈).

Ядерное оружие (ЯО) основано на использовании указанных видов реакции. Простая атомная (ядерная) бомба основана на принципе деления ядер тяжелых элементов. Термоядерная (водородная) бомба – это двойная бомба – основанная на втором принципе реакции. Атомный взрыв по сути является катализатором (условием), при котором начинает протекать реакция синтеза. На третьем виде реакции устроена «тройная» бомба, мощь которой превосходит мощь атомной и водородной бомб.

Реакции деления тяжелых ядер и синтеза легких ядер протекают практически мгновенно (за миллионные доли секунды). В зоне протекания ядерных реакций температура повышается до нескольких миллионов градусов, а максимальное давление достигает миллиардов атмосфер ( » 10¹⁵ Па).

Мощь ядерных взрывов (ЯВ) принято характеризовать тротиловым эквивалентом – килотоннами. Десять килотонн – 10 Кт – означают выделение энергии эквивалентной при взрыве 10 тонн тротила.

II. ВВ – это химические соединения или их смеси, способные под воздействием внешнего импульса (удара; трения; накола; нагрева и др.) к взрывчатому превращению (взрыву). Классификация ВВ вообще обширна. Их классифицируют по различным признакам, из которых ведущими для практики являются: по форме химического превращения; химической природе и составу; условиям применения; чувствительности к различным видам внешних воздействий.

По форме химического превращения ВВ делятся на: бризантные; метательные (пороха); пиротехнические составы.

Бризантные ВВ обладают большой скоростью детонации (до 8,5 км/с.) и способны производить при взрыве дробление среды. Типичный представитель этих ВВ – тротил; гексоген; ТЕН; тетрил; некоторые типы аммонитов и аммоналов и др. Этими ВВ взрывают горные породы, сооружения, конструкции, а также снаряжают боеприпасы. К этой группе относятся так называемые инициирующие ВВ, обладающие большой чувствительностью к удару, трению, наколу, искре (гремучая ртуть, азид свинца, тетрозен и др.). Их применяют для возбуждения взрывчатых превращений других ВВ, т.е. взрыва.

Пороха представляют собой многокомпонентные твердые ВВ, способные к стационарному горению параллельными слоями с образованием большого количества газообразных продуктов. Их энергия используется для метания снарядов, пуль, движения ракет, и в других целях. Различают баллистидные (бездымные) и дымные пороха.

Пиротехнические составы представляют собой различные смеси. Их отличает малая скорость горения. Они используются для зрелищных мероприятий (бенгальские огни, различные фейерверки). В военном деле и др. областях применяют осветительные, трассирующие, сигнальные, зажигательные, дымовые пиротехнические составы.

По своему химическому составу ВВ делятся на индивидуальные (содержат группы NO₂, ONO₂ и N-NO₂) и смесевые составы (состоят из двух и более компонентов для обеспечения заданных характеристик). Все промышленные ВВ по своему составу подразделяются на: нитросоединения; ВВ на основе аммиачной селитры; нитроэфиросодержащие; хлоратные и перхлоратные ВВ.

Все ВВ бризантного действия, типа тротила, ТЭНа, тетрила и др. – называют конденсированными.

Горючие газы (ГГ), содержащие атомы C, H, O, N, Cl, Br, J, F, пары легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) в смеси с воздухом при определенных концентрациях взрывоопасны. В замкнутых объемах при определенных концентрациях взрывоопасны в смеси с воздухом угольная, мучная, сахарная, древесная и др. пыли. Подобные смеси называют газопаровоздушными (ГПВС) и пылевоздушными (ПВС) смесями. Взрывы ГПВС и ПВС образуют класс объемных взрывов.

Таким образом, следует различать ядерные взрывы, взрывы конденсированных ВВ, взрывы ГПВС и ПВС, а также взрывы емкостей с газами (парами), находящимися под высоким давлением. Взрывы могут быть на земле (под землей), на воде (под водой) и в воздухе. Их называют наземный (подземный), надводный (подводный) и воздушный соответственно. Воздушные взрывы подразделяют на: низкие, высокие и высотные (H > 10 км.). При воздушных взрывах огненный шар не касается земли.

Исходя из изложенного, потенциальными объектами аварий, связанных со взрывами, могут стать: склады ВВ; склады боеприпасов; склады ракетного топлива; нефтебазы и нефтесклады; промышленные предприятия мучной, сахарной, угольной, древесной и др. пыльных отраслей; продукция химический и нефтеперерабатывающих предприятий; ЛВЖ при хранении, перевозках, производстве; газовые хранилища и путеводы; паровые котлы; все ВВ, ЛВЖ, сжиженные гази и газы под давлением при их транспортировке ж.д. и др. видами транспорта.HHHHHHHHН

III. К поражающим факторам взрывов конденсированных ВВ, ГПВС и ПВС относятся:

1.Ударная волна.

2.Тепловое (световое) излучение (тепловая волна, тепловая радиация).

1 3.Осколочное действие.

2 4.Воздействие на людей ядовитых газов, образующихся при взрыве (окись углерода, окись азота, сероводород, сернистый ангидрид и др.).

Наиболее мощные и обширные поражающие факторы образуются при ЯВ. К ним относятся: ударная волна; световое излучение; проникающая радиация (поток гамма-излучения и нейтронов, -изл. и n⁰⁾; радиоактивное загрязнение местности, приземного слоя атмосферы и объектов; электромагнитный импульс (ЭМИ).

Распределение энергии взрывов между поражающими факторами будет зависеть от вида взрыва и условий, в которых он происходит. Однозначно определить долю энергии, приходящуюся на каждый поражающий фактор, практически невозможно. Во всех случаях надо учитывать безвозвратные потери энергии, которая будет рассеиваться в окружающем пространстве (до 18%). Так, для ЯВ в воздухе (H до 10км) по 35% энергии расходуется на ударную волну и световое излучение; 7% на радиоактивное загрязнение местности; 5% на проникающую радиацию и ЭМИ.У нейтронного боеприпаса до 70% от всей энергии расходуется на проникающую радиацию. Учитывая, что взрывы подчиняются законам подобия, указанное соотношение можно принимать для расчётных данных.

1. Ударная волна.

Она является одним из основных поражающих факторов взрывов. В зависимости от того, в какой среде она возникает и распространяется, её называют воздушной ударной волной (ВУВ) – в воздухе; сейсмовзрывной волной – в грунте; ударной волной – в воде.

ВУВ называется область резкого сжатия воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Она обладает большим запасом энергии и способна разрушать различные сооружения, здания и др. объекты, а также наносить поражение людям (животным) на различных расстояниях от центра взрыва. С удалением от центра взрыва её интенсивность убывает и она вырождается в обыкновенную акустическую волну. Её источник образования – центр взрыва, где давление и температура достигают миллионов Па и градусов.

Переднюю границу волны называют фронтом ВУВ, где скачком повышено давление, температура, плотность и скорость частиц среды (массовая скорость). При взрыве в воздухе фронт ВУВ будет сферическим.

Характер изменения давления в точке пространства при прохождении через неё волны показан на рис 4.1.

Рис.4.1. Изменение давления в точке пространства при прохождении через нее ВУВ.

С приходом волны в точку пространства в момент t₀ давление в ней резко повышается на величину , а затем убывает до атмосферного P₀ и ниже его. Период называется фазой сжатия, а период - пониженного давления – фазой разряжения. В фазе сжатия воздушные массы движутся в сторону движения фронта волны (от центра), а фазе разряжения – к центру взрыва.

Повышение давления в какой либо точке пространства представляет собой резкий, кратковременный удар громадной силы на преграду (объект; человека), что ведёт к разрушениям (поражениям).

Форма ВУВ при наземном и воздушном взрывах показана на рис. 4.2,4.3. ВУВ при этом будет иметь некоторые особенности.

При наземном взрыве ВУВ имеет форму полусферы с центром в точке взрыва. За счёт уменьшения объёма взрыва плотность энергии, а следовательно и , будут в два раза больше, чем при воздушном взрыве.

Поражающее действие волны при наземном взрыве в ближней зоне (R<H) будет больше, чем при воздушном взрыве. Однако, радиус зоны выхода из строя малопрочных объектов при наземном взрыве будет меньше, чем при воздушном взрыве одинаковой мощности, так как сказывается эффект сложения падающей и отраженной волны в дальней зоне, R>H.

Рис.4.2. Распространение ВУВ при наземном ЯВ

Рис.4.3 Образование и распространение ударных волн при воздушном ЯВ.

При воздушном взрыве ВУВ, достигая земли, отражается от неё. Отраженная волна, перемещаясь в более нагретой среде за счёт падающей волны, догоняет падающую волну. Их энергия сливается, образуя фронт головной ударной волны, где давление в 1,6-3 раза более падающей волны. На участках, где отражённая волна ещё не догнала падающую волну, объект испытывает ударную нагрузку от падающей и отражённой волн (двойную нагрузку). Двойную нагрузку также будут испытывать высотные объекты и в дальней зоне, т.е. от головной ударной волны и отражённой. Заметим сразу, что давление отражённой волны может в 2-8 и более раз превосходить давление падающей волны.

Итак, основными параметрами ВУВ, характеризующими ее разрушающее и поражающее действие, являются: избыточное давление на фронте волны ,Па; давление скоростного напора ,Па; длительность фазы сжатия ,с (она определяет время действия избыточного давления); скорость фронта волны V_ф; температура фронта волны Т_ф и др. Скоростной напор определяет метательное действие волны, а - барическое действие волны.

Заметим, что данные параметры волны будут зависеть от массы заряда, высоты взрыва, расстояния от центра взрыва и условий взрыва.

ВУВ может отражаться от крупных преград, обтекать различные преграды и затекать в укрытия.

2. Световое излучение взрыва.

Под световым излучением понимается электромагнитное излучение оптического диапазона в видимой и невидимой (ультрафиолетовой и инфракрасной) областях спектора. Энергия светового (теплового) излучения поглощается поверхностями тел, которые при этом нагреваются. Температура нагрева будет зависеть от многих факторов (интенсивности излучения, его времени действия, состояния погоды, рельефа местности физико-химических свойств предметов и др.) и может быть такой, что поверхность объекта может обуглиться, оплавиться или воспламениться. Источником излучения является светящаяся область взрыва, состоящая из нагретых до высокой температуры паров конструкционных материалов и воздуха (температура в центре взрыва достигает миллионов градусов). Длительность светового излучения зависит от мощности взрыва и может достигать значение от долей секунды и до десятков секунд (для ЯВ) и десятых и сотых долей секунды при взрывах обычных ВВ.

Основными параметрами светового (теплового) излучения являются: тепловой поток (энергетическая освещённость) q,Вт/м²; длительность огненного шара, t_ош,с; тепловая доза (тепловой импульс, энергетическая экспозиция), Q, Дж/м².

Заметим, что при наземных взрывах световой поток значительно ослабляется за счет его экранирования (затенения) местными объектами и пылью. Реальное его значение будет меньше расчетного на 25 – 50 %, т.е. близко к значению потока от воздушного взрыва (при одинаковых массах зарядов), хотя мощность наземного взрыва превосходит примерно в два раза мощность воздушного взрыва.

3.Проникающая радиация.

Проникающая радиация действует только при ЯВ. Она представляет собой поток -излучения и нейтронов (n⁰). Нейтроны и g - изл. различны по своим физическим свойствам (см. раздел радиацию), а общим для них является то, что они распространяются в воздухе во все стороны на расстояние до 2-3 км. Проходя через биологическую ткань (любую среду), -излучение и n⁰ ионизируют атомы и молекулы живых клеток (среды), что ведёт в итоге к лучевой болезни (выходу из строя технических устройств). Длительность излучения - считанные секунды и определяется мощностью взрыва и временем подъема облака взрыва на высоту, при которой -изл. поглощается толщей воздуха и практически не достигает земли.

Гамма-кванты могут быть: мгновенными, испускаемые в ходе протекания ЯВ; осколочными (образуются при радиоактивном распаде осколков деления); захватными (возникают при ядерных реакциях захвата n⁰ атомами воздуха и грунта на значительных расстояниях от центра взрыва).

Нейтроны - могут быть мгновенными (испускаются в ходе протекания ядерных реакций взрыва) и запаздывающими (образуются в процессе распада осколков деления в течении первых 2-3 с после взрыва).

Поражающее действие проникающей радиацией оценивается дозой излучения, т.е. количеством энергии излучений, поглощённой единицей массы облучаемой среды. Измеряется в Гр (грей) в СИ. 1 Гр = 1 Дж/кг;

1 Гр = 100 рад.

4. Радиоактивное загрязнение местности (РЗМ).

РЗМ возникает при ЯВ и в результате выпадения радиоактивных веществ (РВ) из облака взрыва. Поражающее действие РЗМ как фактора определяется тем, что высокие уровни радиации наблюдаются не только в районе взрыва, но и на расстоянии десятков и сотен километров от взрыва. Кроме этого, РЗМ, как поражающий фактор, действует и может быть опасным на протяжении нескольких суток и недель. Наиболее сильное РЗМ происходит при наземных ЯВ, когда площади загрязнения с опасными уровнями радиации во много раз превышают размеры зон поражения ударной волной, светового излучения и проникающей радиации.

Источником РЗМ при ЯВ являются: продукты деления (осколки деления) ядерного заряда (U₂₃₅,_-238, Pu₂₃₉); радиоактивные изотопы (радионуклиды), которые образуются в грунте и других материалах под воздействием нейтронов - наведенная активность; не разделившаяся часть ядерного заряда. Продукты деления ядерного заряда, выпадающие из облака взрыва, представляют собой смесь около 80 изотопов 35 химических элементов. Всего же на разных этапах радиоактивного распада возникает до 300 различных радионуклидов.

Изменения активности во времени, как и уровней радиации на местности, определяются зависимостью (закон Вея-Вигнера, физики из Великобритании):

или ,

где и - активность (мощность дозы) ко времени t_o и t после взрыва. Из этой зависимости следует, что если время после взрыва увеличивается 7ⁿ раз, то активность (мощность дозы, уровень радиации) на местности уменьшается в 10ⁿ раз, т.е., если время после взрыва прошло двое суток - 48 часов (n=2 и 7²=49 ч.), то активность уменьшиться в 10²=100 раз и т.д. Вспомним, что активность радионуклидов в СИ измеряется в беккерелях - Бк ( 1 Бк равен одному распаду ядра в секунду). Внесистемная единица - кюри (1 Ки = 3,7 Бк).

На местности, подвергнувшейся загрязнению при ЯВ, выделяют два участка: район взрыва (его радиус не превышает 2 км) и след облака (выпадение радиоактивных осадков, перемещающихся по направлению ветра).

По степени опасности загрязненную местность по следу облака взрыва принято делить на четыре зоны. Границы зон РЗМ с разной степенью опасности можно характеризовать как мощностью дозы излучения (уровнем радиации) на определённое время после взрыва, так и дозой до полного распада радионуклидов.

Зона А - умеренного загрязнения. Дозы излучения до полного распада РВ на внешней границе зоны =40 рад, на внутренней границе =400 рад. Её площадь составляет 70-80 % от площади всего следа.

Зона Б - сильного загрязнения. Дозы излучения на её границах: внешней = 400 рад; внутренней = 1200 рад. На долю этой зоны приходится примерно 10 % площади следа.

Зона В - опасного загрязнения. Дозы излучения на её границах: внешней =1200 рад; внутренней = 4000 рад. Эта зона занимает примерно 8 – 10% площади следа облака.

Зона Г - чрезвычайно опасного загрязнения. Зона излучения для полного распада на её внешней границе =4000 рад, а в середине зоны =7000 рад.

Характеристики зон (глубина и ширина) приводятся в справочной литературе и учебнике.

5. Электромагнитный импульс (ЭМИ).

ЯВ в атмосфере приводят к возникновению мощных электромагнитных полей с длинами волн от 1 до 1000 метров. Эти поля ввиду их кратковременного существования принято называть ЭМИ. Поражающее действие ЭМИ обусловлено возникновением напряжений и токов в проводниках различной протяжённости, расположенных в воздухе, земле, на технике и других объектах. Наведенные напряжения и токи в линиях связи, радиотехнической и электротехнической аппаратуре могут превосходить номинальные значения и вызывать пробой изоляции, повреждение трансформаторов, сгорания разрядников, порчу полупроводниковых приборов, схем и т.п.

Высотный взрыв способен создать помехи в работе средств связи на очень больших площадях. Как вывод, отметим, что защита от ЭМИ необходима. Меры защиты от ЭМИ и других поражающих факторов взрывов, необходимые при этом расчёты будут изложены в последующих лекциях.

Взрывы гозопаровоздушных и пылевоздушных смесей

Взрывы ГПВС и ПВС образуют класс объёмных взрывов. Взрывы ГПВС могут происходить как в помещениях, так и в открытом (неограниченном) пространстве. Взрывы ПВС происходят в замкнутых объёмах (помещениях). Подобные взрывы происходят от искры, если размер облака смеси превышает некоторое критическое значение (минимальный диаметр смеси облака способного детонировать), а энергия искры превышает некоторое пороговое значение. Облако ГПВС в расчётах принимают за полусферу радиуса R_o c центром на поверхности грунта. При взрыве ГПВС в открытом пространстве выделяют 2 зоны: зону действия детонационной волны в пределах всего облака (зона 1, см. рис.4.4); зону действия ВУВ за пределами облака (зона 2). В пределах облака ГПВС (в зоне 1) избыточное давление детонационной волны постоянно и будет определяться конкретной величиной для исходного горючего материала, т.е. теплотой взрыва горючего. Давление на фронте детонационной волны может достигать 2 МПа, а вследствие многократных отражений в помещениях - доходить до 10 МПа.

Рис.4.4 Схема взрыва ГПВС и изменения давления.

Для расчёта поражающего действия взрыва определяют параметры детонационной волны и ВУВ.

Взрывы ГПВС (ПВС) в замкнутых объёмах (помещениях) происходят по дефлаграционному механизму (взрывного, возмущенного горения). При точечном зажигании горение в замкнутых объектах идёт послойно с дозвуковой скоростью распространения пламени при повышении давления во всём объеме, поскольку границы помещения не дают возможности расширяться продуктам горения. Поэтому давление нарастает в объеме до максимального значения постепенно. Переход к детонации возможен в протяжённых помещениях за счёт турбулизации смеси (пыли) (например, в штольнях шахт, конвейерных линиях зернохранилищ и т.п.).

При взрывах гибридных смесей, содержащих газы или пары и пыли, давление определяется суммой давления - для газа (пара) и - для пыли (аэрозоля), т.е.

Расчёт основных параметров поражающих факторов.

I. Взрывы конденсированных ВВ. Ядерные взрывы.

Массу заряда (мощность взрыва) ВВ принято характеризовать тротиловым эквивалентом. В общем случае тротиловый эквивалент, когда он не оговаривается, равен для: -воздушного взрыва; - наземного взрыва (1). В формулах (1): С – тротиловый эквивалент ,кг (килотонн ,кт; 1кт=1000т); К - коэффициент пересчета, ,где и теплоты взрыва данного ВВ и тротила ( = 4240 кДж/кг); 2h - поправочный коэффициент для наземного взрыва. Мощность наземного взрыва удваивается в связи с формированием полусферической волны и отражением части энергии от земли, а h учитывает расход энергии на деформацию грунта и образование воронки и равна для: 0,95¸1,0 –стальных плит; 0,85¸0,9 – бетона;0,8 –плотных грунтов (глина, суглинки); 0,6¸0,65 – средних грунтов.

Замечания. 1. В некоторые формулы (3,4,19,20) введены цифровые коэффициенты, которые не оговариваются и учитывают мощность вида взрыва – наземного или воздушного. В них тротиловый эквивалент равен: - для наземного взрыва и - для воздушного взрыва.

2. Для ЯВ тротиловый эквивалент по ударной волне равен: С = 0,5С - для воздушного взрыва; С = 2h0,5С =hС - для наземного взрыва. С - полный тротиловый эквивалент заряда.

Взрывы подчиняются закону подобия, в основе которого лежит корень кубический из отношений масс зарядов. Если известны и другие параметры ВУВ для заряда массой , кг, на расстоянии , м, то такое же и другие параметры волны для заряда массой будут на расстоянии ,то есть ; ;

. (2)

Если ввести понятие приведенного расстояния взрыва, то закон подобия можно формулировать как равенство параметров на приведенных расстояниях. Оно равно: - для воздушного взрыва; - для наземного, где R-расстояние от центра взрыва, м; С-масса заряда в тротиловом эквиваленте, кг.

Избыточное давление на фронте волны:

для воздушного взрыва ,кПа; (3)

для наземного взрыва , Па. (4)

Для расчета допустимо применять единую формулу для сферической ВУВ (для воздушного взрыва), то есть , кПа, где для наземного взрыва , а для наземного ЯВ = . Размерность всех величин аналогична указанным ранее.

Действующее (расчетное) избыточное давление на объекты с учетом различных экранирующих и иных факторов , кПа, где - табличные коэффициенты.(при максимальных значениях ).

Удельный импульс волны фазы сжатия

, ; А=0,4 (5)

Длительность фазы сжатия t₊, с, для наземного взрыва , (6)

Скоростной напор на фронте волны

, кПа (7)*

Избыточное давление в отраженной волне (волна отклоняется от преграды не более чем на 45 ) может в 2…8 раз превышать **. , кПа. (8)*

*Если принять =101,3 кПа при стандартных условиях =288,16 К и =1,225 кг/ воздуха, то формулы (7) и (8) примут указанный вид.

**Только для крупных протяженных объектов

Безопасное расстояние действия ВУВ на людей при наземном взрыве ( при этом считается равным 7,0 кПа), , где =15 для открытой местности и 9,3 для укрытий; С – тротиловый эквивалент воздушного или наземного взрыва, кг.

Расстояние до центра взрыва может быть ориентировочно

определено с помощью зависимости

, м, (7а)

где b - табличная величина; С – тротиловый эквивалент, кг.

, кПа
B	14,3	8,7	6,7	5,0

Максимальное давление разрежения ,МПа ; длительность фазы разрежения , C.

Величина избыточного давления в любой момент времени t после прихода фронта волны в данную точку пространства (8)