Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальные исследования быстрозатухающих взрывных процессов в пористых ВВ различного состава . 32
1.1. Исследуемые материалы и постановка эксперимента 32
1.2. Затухающие процессы в зарядах различного диаметра . 34
1.3. Затухающие процессы при различной мощности инициирования. 37
Глава 2. Исследование взрывных процессов способных к длительному самораспространению. Критические условия для распространения детонации . 45
2.1. Затухающие взрывные процессы в зарядах различного диаметра. 46
2.1.1. Индивидуальные ВВ . 46
2.1.2. Смесевые ВВ. 50
2.2. Чувствительность затухающих взрывных процессов к изменению мощности инициирования. 70
2.3. Затухающие взрывные процессы в оболочках из различных материалов. 73
2.4. Критический диаметр и критическая скорость детонации. 78
Глава 3. Сравнительный анализ затухающих и детонационных взрывных процессов по чувствительности к ударно-волновому импульсу и зависимости скорости фронта от диаметра заряда. 86
3.1. Чувствительность к ударно-волновому импульсу. 86
3.2. Зависимость скорости фронта от диаметра заряда . 95
Глава 4. Разработка стандартных методов оценки взрывоопасности для составов с низкой детонационной способностью . 104
4.1. Оценка детонационной способности. 106
4.1.1. Совместный анализ данных по затуханию и детонационной способности . 107
4.1.2. Оценка детонационной способности методом «затухания». 111
4.1.3. Стандартный метод определения критического диаметра детонации. 113
4.2. Оценка чувствительности к ударно-волновому импульсу методом «затухания». 116
Основные результаты. 123
Выводы. 125
Список литературы. 126
- Затухающие процессы в зарядах различного диаметра
- Индивидуальные ВВ
- Зависимость скорости фронта от диаметра заряда
- Совместный анализ данных по затуханию и детонационной способности
Введение к работе
Под словами «взрыв ВВ» понимают быстрое выделение потенциальной энергии, содержащейся во взрывчатом веществе, при его химическом превращении. Этому определению соответствуют все виды взрывных процессов и стационарные, и развивающиеся, и затухающие. Наиболее изученными формами взрыва на настоящее время являются нормальная и низкоскоростная детонация, а также переходные процессы, возникающие при инициировании. Планомерному исследованию затухающих взрывных процессов в зарядах ВВ в отличие, например, от развивающихся (наиболее известных как DDT, SDT, XDT или deflagration-, shock-, unknown-to-detonation transition) не уделяется должного внимания, несмотря на то, что вероятность их возникновения в условиях близких к критическим для распространения и возбуждения детонации очень высока. Объяснить сложившееся положение можно сложностью исследования нестационарных взрывных процессов вообще и сложностью наблюдения за такими процессами в веществах с высокой детонационной способностью, в частности. Отдельные отрывочные данные, касающиеся затухающих взрывных процессов, как правило, приводятся в работах по определению зависимости скорости детонации от диаметра заряда, определению критического или «failure» диаметра и для ограниченного круга взрывчатых веществ.
Получение новых знаний о взрывных процессах, способных к самораспространению в зарядах диаметром меньших, чем критический диаметр детонации, является актуальной научной задачей. Стационарный и затухающий взрывные процессы в пористых ВВ из-за способности последних к длительному самораспространению зачастую трудно различить между собой. В литературе практически невозможно найти закономерностей в поведении, общепринятых физических признаков, которые позволили бы охарактеризовать взрывной процесс, как затухающий, не прибегая к исследованию стационарности его распространения. Неопределенность
границ между различными явлениями может приводить к существенным ошибкам в значениях критических параметров детонации, которые широко используются при анализе механизма и кинетики превращения вещества в условиях высоких динамических нагрузок. В отношении затухающих взрывных процессов существует необходимость в получении фундаментальных данных о закономерностях их поведения. Новые экспериментальные данные позволят расширить представления о взрывных явлениях, происходящих в условиях, когда распространение детонации является не возможным. Эти знания также необходимы для определения пределов инициирования и распространения взрывных процессов с различной устойчивостью, разработки соответствующих теорий.
Практический интерес к затухающим взрывным процессам обусловлен тем, что от степени понимания закономерностей их возникновения зависит не только эффективность, но и безопасность использования энергии взрыва. При скоплении взрывоопасных веществ в большом количестве, возбуждение взрывных процессов с любым режимом распространения может привести к не меньшим катастрофическим последствиям, чем возбуждение детонации, несмотря на относительно низкие давления. Основная проблема в настоящее время заключается в том, что условия возникновения таких процессов при случайных внешних воздействиях практически непредсказуемы. Предотвращение опасных ситуаций при обращении со взрывчатыми и взрывоопасными веществами является важной задачей мирового масштаба. Проблема состоит в необходимости с одной стороны исключить полностью или резко снизить риск возникновения техногенных катастроф, связанных со случайными взрывами, с другой - надежно прогнозировать безопасность и эффективность взрывных технологий, используемых в различных областях человеческой деятельности. Исторически эта проблема возникла очень давно, со времен открытия пороховых составов, но нуждается в постоянном нахождении новых решений вместе с разработкой новых взрывоопасных веществ и способов их применения. Дополнительной проблемой в последнее
время стало использование простейших взрывчатых смесей типа окислитель-горючее в террористических целях. Как показывает опыт обращения со взрывоопасными веществами, решение этих проблем не может быть найдено без проведения детальных исследований поведения вещества в условиях интенсивных динамических и тепловых нагрузок. Особенно это касается условий, являющихся пограничными для распространения стационарных, развивающихся и затухающих взрывных процессов.
Цель работы является изучение взрывных процессов, распространяющихся по заряду гетерогенных, пористых взрывчатых веществ в затухающем режиме. В качестве отдельной задачи ставилось использование полученных экспериментальных данных для определения критических условий возбуждения и распространения взрывных процессов с различной устойчивостью, разработка стандартных методов испытаний для оценки взрывоопасности веществ с низкой детонационной способностью.
Объект исследования. В качестве основных объектов исследования в работе выбраны нитрат аммония и тротил как представители взрывчатых веществ, которые принято относить к двум разным группам, их механические смеси со взрывчатыми и невзрывчатыми добавками, в том числе в виде обратной эмульсии типа «вода в масле». Выбор тротила в качестве одного из основных объектов исследования обусловлен, прежде всего, его относительно низкой детонационной способностью по сравнению с большинством ВВ первой группы. Нитрат аммония отличает от всех известных ВВ второй группы продолжительное и очень широкое применение во многих областях промышленности при слабой изученности взрывных процессов в этом веществе, а также высокий уровень аварийности при обращении с ним и его многочисленными смесями, несмотря на считающийся низким уровень чувствительности.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Первая глава посвящена изучению затухающих взрывных процессов, обладающих невысокой способностью к самораспространению. В ней изложены результаты экспериментального определения длины прохождения взрывного процесса в зарядах различных ВВ в зависимости от диаметра и мощности инициирования ударно-волновым импульсом.
Вторая глава посвящена изучению взрывных процессов, способных к длительному самораспространению. Изложены результаты измерения скорости фронта и профиля массовой скорости продуктов взрыва на различных расстояниях от плоскости инициирования. Для затухающих взрывных процессов в индивидуальных и смесевых ВВ исследовано влияние на их параметры диаметра заряда и свойств оболочки, проведена оценка чувствительности к изменению мощности инициирования ударно-волновым импульсом. Для детонационных волн определены значения критического диаметра детонации с использованием критерия «взрыв-отказ» и с использованием полученных данных о стационарности распространения взрывных процессов в зарядах большой длины.
В третьей главе проведен сравнительный анализ затухающих и детонационных взрывных процессов по чувствительности к ударно-волновому импульсу и зависимости скорости фронта от диаметра заряда. Рассмотрены причины появления особенностей на зависимостях скорости детонации от диаметра заряда и возможность инициирования детонации пористого взрывчатого вещества затухающим взрывным процессом, способным к самораспространению в этом веществе.
Четвертая глава посвящена разработке стандартных методов оценки взрывоопасное для составов с низкой детонационной способностью, на основе экспериментальных данных о затухающих взрывных процессах. Предложен метод оценки чувствительности ВВ к ударно-волновому импульсу и несколько методов определения критического диаметра детонации и относительной оценки детонационной способности веществ.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты экспериментального исследования затухающих взрывных процессов в зарядах различного диаметра, при различной мощности инициирования ударно-волновым импульсом для смесевых и индивидуальных взрывчатых веществ.
Результаты исследования стационарности распространения взрывных процессов в зависимости от диаметра заряда, свойств оболочки, амплитуды инициирующей ударной волны для смесевых и индивидуальных взрывчатых веществ.
Результаты определения критического диаметра и критической скорости детонации, относительной оценки детонационной способности ВВ с различным размером частиц и в оболочках из различных материалов.
Результаты оценки чувствительности пористых ВВ к ударно-волновому импульсу.
Результаты сравнительного анализа затухающих и детонационных взрывных процессов в пористых ВВ по зависимости скорости фронта от диаметра заряда и чувствительности к ударно-волновому импульсу.
Комплекс стандартных методов оценки взрывоопасное ВВ, в том числе веществ с низкой детонационной способностью.
Научная новизна.
Впервые установлены закономерности распространения затухающих взрывных процессов в виде зависимостей относительной длины прохождения от диаметра заряда и мощности инициирования. Для гетерогенных, пористых ВВ с разными свойствами они оказались подобны. Выведено эмпирическое уравнение, с хорошей точностью описывающее экспериментальные данные, полученные в зарядах различного диаметра.
Установлены закономерности распространения взрывных процессов с различной устойчивостью в многокомпонентном смесевом ВВ, имеющем эмульсионную структуру для зарядов в оболочках из бумаги, стали и бетона.
Показано, что основное влияние добавок к исследованным ВВ сводится к изменению параметров и устойчивости взрывного процесса в заряде заданного диаметра, введение в нитрат аммония горючих добавок их повышает, а введение в бризантные ВВ инертных добавок их снижает.
На примере смесей нитрата аммония с тротилом и гексогеном показано, что нитрат аммония в стехиометрических смесях с бризантными ВВ, обладающими отрицательным кислородным балансом, может вести себя и как активная и как инертная добавка.
Показано, что критерий «взрыв-отказ» необоснованно используется для определения критического диаметра детонации, а появление особенностей на зависимостях скорости детонации от диаметра заряда могут быть связаны с ошибочной его оценкой, когда не контролируется стационарность распространения взрывного процесса.
Установлено, что изменение дисперсности ВВ и прочностных свойств оболочки могут оказывать слабое влияние на закономерности и параметры распространения взрывных процессов с различной устойчивостью.
Установлено, что взрывные процессы способные к длительному самораспространению, как нестационарные, так и стационарные, могут иметь близкий порог чувствительности к ударно-волновому импульсу.
Показано, что детонация в зарядах ВВ насыпной плотности может инициироваться ударно-волновым или взрывным импульсом с параметрами близкими к параметрам медленно затухающего взрывного процесса, способного к длительному самораспространению в инициируемом веществе.
Впервые получены экспериментальные данные, показывающие, что чувствительность нитрата аммония к ударно-волновому импульсу может находиться на неожиданно высоком уровне, сравнимом с уровнем чувствительности такого ВВ, как тротил.
Практическая ценность:
Полученные в работе данные о закономерностях возникновения и распространения затухающих взрывных процессов позволяют более точно
разграничить детонационные взрывные процессы от недетонационных и избегать нежелательного возникновения последних при практическом использовании энергии взрыва. Практический интерес представляют количественные данные о параметрах взрывных процессов в современных промышленных взрывчатых веществах, особенно в нитрате аммония и эмульсионном составе. Полученные данные по детонационной способности и чувствительности нитрата аммония, а также смесевых ВВ на его основе, могут быть использованы при выборе оптимальных условий инициирования и прохождения детонационного процесса в шпуровых и скважинных зарядах. Оптимизация этих условий позволит повысить эффективность и безопасность использования ВВ в условиях промышленного применения и, как следствие, улучшить экологию взрывных работ. Особенно это касается составов, обладающих низкой детонационной способностью.
Новые данные по детонационной способности и чувствительности нитрата аммония и смесевых составов на его основе могут быть использованы при оценке их взрывоопасности. Реальная оценка взрывоопасности нитрата аммония будет способствовать как повышению безопасности обращения с подобными веществами, так и снижению риска их использования в террористических целях.
Разработанные методы оценки детонационной способности и чувствительности могут быть использованы для получения объективных данных о взрывоопасности веществ, в том числе веществ, не предназначенных к использованию в качестве взрывчатых. Полученные данные могут быть использованы для усовершенствования системы классификации веществ по степени взрывоопасности.
Закономерности, установленные при исследовании взрывных процессов с различной устойчивостью, могут найти применение при разработке новых или корректировке существующих моделей для расчета критических параметров возбуждения и распространения взрывных процессов от затухающих до детонационных.
Апробация работы: Результаты работы докладывались и опубликованы в материалах всесоюзных, российских и международных научных конференций различной направленности: 4-е Всесоюзное Совещание по детонации (г. Телави, 1988), 10-ое Научно-техническое совещание «Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве» (г. Губкин, 1988), 16th Int. Pyrotechnic Seminar (Jonkoping Sweden, 1991), 17th Int. Pyrotechn. and 2nd Int. Symp. on Pyrotechn. and Explosions (Beijing, 1991), Всесоюзный Симпозиум «Газодинамика взрывных и ударных волн, детонационного и сверхзвукового горения» (г. Алма-ата, 1991), Международная школа-семинар «Физика и газодинамика ударных волн» (г. Минск, 1992), 9-й Симпозиум по горению и взрыву (п. Черноголовка, 1996), Int. Autumn Seminar on Propelants, Explosives and Pyrotechnics (Shenzen China, 1997), Научно-практическая конференция «Современное состояние проблемы производства аммиачной селитры» (г.Москва, 2004), Четвертая международная научная конференция «Физические проблемы разрушения горных пород» (г.Москва, 2004), III Межотраслевая научно-техническая конференция «Промышленные взрывчатые вещества (ПВВ): Состояние, перспективы разработки и применение» (г. Дзержинск, 2005), Всероссийская научно-техническая конференция «Успехи в специальной химии и химической технологии» ( г. Москва, 2005), а также на Межведомственных семинарах по использованию энергии взрыва в народном хозяйстве. По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 8 статей и 15 докладов на научных конференциях.
Благодарности:
Автор выражает глубокую признательность своим руководителям Шведову Константину Константиновичу за многолетнее научное руководство, Разоренову Сергею Владимировичу за терпеливое и чуткое научное руководство, полезные советы и постоянную поддержку работы. Автор выражает благодарность Уткину Александру Васильевичу за поддержку и плодотворное обсуждение результатов работы; Савченко А.В.,
Кузнецову С.Ф., Меркулову В.В., Кузьмичевой В.П. за помощь при выполнении работы; руководству и всему коллективу Отдела экстремальных состояний вещества РШХФ РАН за доброжелательное отношение и всевозможную помощь на всем протяжении работы.
Литературный обзор
1. Взрывчатые свойства и затухающие взрывные процессы в нитрате аммония.
Первые упоминания о применении нитрата аммония (НА) во взрывном деле относятся к третьей трети ХГХ века, когда были изобретены смесевые составы, где НА использовался как окислитель в смеси горючими компонентами. Однако широкое распространение смеси на основе нитрата аммония получили только в начале XX века, после открытия и начала производства тротила. С тех пор разработано десятки составов, в которых нитрату аммония как доступному окислителю, обладающему высокой стабильностью, отводится роль основной компоненты. В современных смесевых ВВ процентное содержание добавок к НА может не превышать единиц процентов.
В~~настоящее~время в различных-странах~~мира~~производится^и находится в обороте огромная масса нитрата аммония ( более 30 млн.т в год) для нужд сельского хозяйства. Значительная доля мирового производства (около 10 млн.т) используется как дешевое и безопасное сырье для изготовления промышленных взрывчатых смесей на местах применения вместо дорогих и опасных в обращении взрывчатых веществ заводского изготовления. Анализ состояния с исследованиями НА и его смесей с невзрывчатыми добавками показывает, что, несмотря на многолетнее использование этих веществ и их очевидную взрывоопасность, взрывные процессы в них остаются не достаточно изученными.
Можно записать несколько уравнений химического разложения молекулы НА, считается, что условиям детонации соответствует уравнение с максимально возможным тепловым эффектом, которое обычно записывается в виде:
NH4NO3 = N2 + 2Н20 + 0,5О2 + Q.
Расчетные значения теплоты взрыва и объема газов по этому уравнению составляют 380 ккал/кг и 980 л/кг, соответственно.
Первые систематические экспериментальные исследования взрывчатых свойств НА относятся к 30-ым годам прошлого века [1-3]. Используемые заряды имели небольшой диаметр (d) и длину (1), в некоторых опытах взрывной процесс имел очевидное затухание, в других оно не было очевидным, в результате чего авторы так и не пришли к единому мнению относительно возможности осуществления в селитре детонационного режима. Вплоть до середины XX века этот вопрос оставался открытым, несмотря на катастрофические последствия взрыва гурта АС на заводе в Оппау в 1921 году. Как считается, однозначный ответ на него был дан в 1945 году Беляевым и Харитоном [4, 5], в то же время был открыт и известный принцип Харитона. Экспериментальные результаты, полученные Беляевым, для технической, непарафинированной селитры приведены в табл. 1. Все опыты проводились при слабом инициировании. Можно видеть, что
Таблица 1
основанием для вывода о способности НА к детонации фактически послужило отсутствие отказа на длине не более пяти диаметров заряда.
Отдельные эксперименты были проведены и с зарядами, заключенными в оболочки из различных материалов (вода, песок, сталь и
бетон). Плотность НА в зарядах составляла 0.8-0.85 г/см3. Наиболее подробно исследовалось распространение взрывных процессов в водяной оболочке, толщина стенки которой была не менее двух диаметров заряда. В этих опытах также наблюдались затухающие процессы. В заряде диаметром 30 мм скорость распространения взрывного процесса непрерывно падала, и он обрывался, не проходя от инициатора расстояния в 3.5 d. В противоположность этому, в заряде диаметром 56 мм (при размере сосуда с водой в основании 210x300 мм и длине заряда около 4.5d) наблюдался, небольшой рост скорости от 1.2 до 1.4 км/с. Эти данные позволили автору сделать вывод о том, что критический диаметр детонации НА в водяной оболочке в 2-2.5 раза меньше, чем для открытого заряда. В той же серии экспериментов было «установлено, что в отношении величины критического диаметра и устойчивости детонации бетонная оболочка эквивалентна водяной; напротив, эффект песчаной оболочки оказался слабее эффекта водяной оболочки». Что касается оболочки из твердой стали (диаметр 7 мм, толщина стенки 20 мм), то по мнению автора, «детонация чистой аммиачной селитры» при скорости фронта 1.5 км/сек оказалась «вполне устойчивой». По этим словам трудно определить была эта скорость постоянной или нет.
На основании полученных данных автором было сделано два основных вывода относительно детонационной способности НА. Первый о том, что «аммиачная селитра в отношении устойчивости детонации не отличается принципиально от других взрывчатых веществ и не является каким-то особым веществом». Второй вывод сделан относительно размеров критического диаметра аммиачной селитры, который в работах Беляева определен, как «тот минимальный диаметр, при котором вещество ещё способно к устойчивой детонации без затухания». Критический диаметр открытого заряда исследованных образцов НА, по его мнению, оказался равным 80-100 мм, хотя для такого однозначного вывода полученные результаты не дают достаточных оснований. Как можно видеть из данных табл. 1, в единственном опыте с измерением скорости фронта при диаметре
82 мм было отмечено её затухание, и, следовательно, взрывной процесс нельзя считать устойчивым, а в двух других при малой длине заряда устойчивость взрывного процесса должным образом не контролировалась. Тем не менее, во многих, в том числе и широко известных работах можно найти ссылку на результаты Беляева, что измельченная аммиачная селитра плотностью 0.7-0.8 г/см3 способна детонировать в открытом заряде диаметром около 100 мм. Во многом это объясняется тем, что другие работы, где целью ставилось бы экспериментальное определение критического диаметра детонации (dKp) нитрата аммония, не проводились, либо не получили широкой известности. Надо сказать, что такое положение сложилось не только с исследованиями детонационной способности НА, но и детонационного процесса в целом.
Широко известны результаты лишь еще двух ранних работ в США [6] и России [7], где исследовалась детонация НА. Толчком для проведения исследований в США послужил ряд катастроф в конце 50-х годов прошлого века, произошедших при крупнотоннажных перевозках минеральных удобрений в виде гранул аммиачной селитры, которые были покрыты воском. Последовавшие за этим специальные исследования позволили не только разработать меры по уменьшению взрывоопасности обращения с НА, но и разработать составы, которые могли бы использоваться в качестве ВВ промышленного назначения. Наибольшую известность получили работы М.А. Кука [6], которые носили как прикладной, так и научный характер. В частности, в работе посвященной изучению детонации алюминизированных ВВ были проведены измерения скорости детонации (D) аммиачной селитры в широком диапазоне диаметров заряда. Диаметр заряда изменялся от 160 до 460 мм при плотности нитрата аммония 1.04 г/см и от 160 до 250 мм при плотности 0.95 г/см . Основной размер частиц ВВ составлял 150-400 мкм (около 80%). Экспериментальные данные, представленные автором в графическом виде, хорошо ложатся на прямую линию в координатах D от d. Для заряда с насыпной плотностью 1.04 г/см3 отклонение экспериментальных
точек от прямой линии, выраженной уравнением вида D=0.275+0.0052d, не превысило одного процента. При этом минимальное значение скорости составило 1.1 км/с, а максимальное - 2.7 км/с. Критический диаметр детонации был определен автором как 127-160 мм, однако какое-либо описание проведенного эксперимента в работе отсутствует. Подобные данные были получены и для образца меньшей плотности, с той лишь разницей, что значения скорости детонации для него оказались на 0.25 км/с выше, чем для образца большей плотности в зарядах того же диаметра. Этот факт, указывающий на аномальный ход зависимости скорости от плотности для НА, а также недостижимость идеального режима детонации даже в зарядах очень большого диаметра стали основными выводами работы. Кроме того, можно обратить внимание и на другие отличительные особенности нитрата аммония, как взрывчатого вещества. Это, прежде всего, несвойственный другим ВВ вид зависимости D(d), низкое значение критической скорости детонации и крайне низкую детонационную способность, однако необходимо отметить, что две первые особенности могут являться следствием заниженной оценки критического диаметра детонации.
Работа [7] до сих пор остается единственной, где кроме скорости фронта в НА определялся профиль массовой скорости продуктов взрыва. Эксперименты проводились с зарядами диаметром от 60 до 130 мм, длина которых составляла 3-4 диаметра, на образцах НА с частицами прошедшими через сито №15 плотностью 0.9 и 1.19 г/см (только при диаметре 100 мм). Инициирование осуществлялось зарядом молотого тротила массой 100-200 г, оболочка зарядов была картонной. В заряде диаметром 50 мм взрывной процесс во всех опытах затухал, как и в некоторых опытах с диаметром 60 мм. В качестве примера профиля массовой скорости для затухающего взрывного процесса авторами приводится профиль под буквой (л) (рис.1), наблюдавшийся, в том числе, при скорости фронта 1.5 км/сек в заряде диаметром 60 мм с длиной 6-12 d. Его отличает, прежде всего, медленное
нарастание массовой скорости во фронте волны и медленный ее спад за фронтом с неизменным градиентом по времени.
Ш 1*^1—8 ЯВИ
Рис.1. Профили массовой скорости в зарядах нитрата аммония различного диаметра (масштаб времени между метками 10 мкс) [7].
Основные результаты измерений были приведены авторами в табличном виде и на графике (рис.2), представленном ниже. Полученные данные указывают, прежде всего, на низкую детонационную способность,
Рис. 2. График зависимости скорости детонации, давления детонации и ширины зоны химической
реакции от диаметра заряда в селитре при
плотности 0,9 г/см3 Г7"|.
низкие параметры детонации и большие размеры зоны реакции в НА. В частности, наблюдалось пяти - шестикратное увеличение времени реакции по сравнению с тротилом близкой плотности. Эксперимент так же показал, что по виду зависимости параметров детонации НА от диаметра заряда
практически не отличаются от аналогичных зависимостей для такого вещества как тротил. Для них так же характерно насыщение зависимостей при больших диаметрах, чего не наблюдалось у Кука в работе, рассмотренной выше. Это не является противоречием между двумя массивами экспериментальных данных, так как в обоих случаях при плотности 0.9 - 0.95 г/см3 зависимости D(d) до значений скорости около 2 км/сек представляют собой прямые линии, участок насыщения должен был наблюдаться Куком, если бы использовались заряды еще большего диаметра. Из видимых отличий можно отметить лишь относительно медленное нарастание скорости с увеличением диаметра заряда. Сравнение значений скорости детонации при двух разных плотностях показало, что, как и в работе, рассмотренной выше, в заряде одинакового диаметра она выше у образца с меньшей плотностью. Этот необычный для ВВ факт объяснялся авторами различиями в составе продуктов взрыва образцов НА с разной плотностью и меньшей энергетикой более плотного образца.
Необходимо отметить, что полученные в рассмотренных работах данные, обладают как сходствами, так и различиями. Они, прежде всего, позволяют сделать несколько общих выводов относительно взрывчатых свойств нитрата аммония. Во-первых, нитрат аммония является веществом способным к детонации, но с очень низкой детонационной способностью (что, как считается, обусловлено медленной кинетикой химических реакций). Во-вторых, нитрат аммония является веществом с низкими детонационными параметрами (что принято объяснять низкой энергетикой реакции разложения); и, в-третьих, нитрат аммония отличается от других ВВ обратной зависимостью скорости от плотности. Главным отличием между данными о детонационной способности К.К. Шведова [7] с одной стороны, М.А. Кука [6] и А.Ф. Беляева [4, 5] с другой, следует считать заметные различия в значениях критической скорости детонации. В отличие от двух первых работ, где при плотностях и 0.8 и 1.04 г/см для НА регистрировалась скорость фронта около 1 км/сек, Шведовым скорости детонации менее 1.76
км/сек не наблюдалось. Дать однозначное объяснение такому расхождению на основе имеющегося массива экспериментальных данных невозможно, особенно если учитывать, что заряды имели небольшую длину, использовались разные схемы инициирования и то, что специальных наблюдений стационарности распространения взрывного процесса в зарядах «критического» диаметра не проводилось.
Несмотря на то, что в рассмотренных работах не были установлены ни критические, ни предельные параметры детонации, они на протяжении многих лет являлись и для многих исследователей до сих пор являются основным источником опытных данных по детонации нитрата аммония (аммиачной селитры). Ссылки на экспериментальные результаты этих работ можно найти в таких широко известных монографиях, как «Физика взрыва» [8] и «Промышленные взрывчатые вещества» [9]. В последней монографии можно найти и другие опытные данные. В ней, например, указывается, что в пылевидном образце НА наблюдалась детонация со скоростью 3.4 км/сек, однако при этом полностью отсутствует какое-либо описание эксперимента.
Особое место среди немногочисленных работ по изучению детонации нитрата аммония занимают работы [10, 11], которые дали однозначный ответ на вопрос о том является ли НА полноценным взрывчатым веществом, и насколько могут быть велики его параметры детонации. Для этого авторам пришлось использовать заряды, состоящие из пористых гранул НА с насыпной плотностью 0.82-0.85 г/см в толстостенных, стальных оболочках диаметром от 50 до 300 мм. Основные результаты одной из работ приведены на рис. 3. Проведенные эксперименты наглядно показали, что по параметрам детонации НА, считавшийся и до сих пор считающийся веществом, проявляющим слабые взрывчатые свойства, находится на уровне такого ВВ, как тротил. Особо следует подчеркнуть, что нитрат аммония имеет при этом почти втрое меньшую теплоту взрыва. Необходимо также отметить, что экспериментальные значения скорости, впервые оказались близки к расчетным, отмеченным на рис. 3 пунктирной линией.
wall thickness (mm)
charge diameter (mm)
Рис. 3. Скорость детонации нитрата аммония в зарядах плотностью 0,85 г/см3диаметром 100 мм (а) и в оболочках с толщиной стенки 10 мм(Ъ)[10].
Использование авторами работы зарядов длиной 1 м и непрерывной регистрации скорости фронта позволили определить и критические условия для распространения детонации. Оказалось, что взрывной процесс со скоростью меньшей 2.2 км/сек не всегда был стационарным. Так в оболочке
диаметром~16б~ мм~ и~то,ЛцщнЖ_стеш<иНГ^Г^взр1ів1юй процесс, распространявшийся по заряду со скоростью 1.7 км/сек, мог затухать с уменьшением скорости фронта вплоть до значений близких к скорости звука в исследуемом образце.
Таким образом, в работах [10, 11] для нитрата аммония были впервые определены не только параметры детонации близкие к параметрам идеальным, но и более точно оценены критические условия для распространения детонации. Эта оценка, в частности, показывает, что большинство полученных в более ранних работах данных нельзя безоговорочно соотносить с нормальным детонационным процессом в этом веществе. С большой долей вероятности большинство таких данных относится к низкоскоростным стационарным или квазистационарным, а также к нестационарным взрывным процессам, параметры которых зависят не только от диаметра заряда, но также от его длины и свойств инициатора.
2. Затухающие взрывные процессы при насыпной плотности в тротиле и других ВВ первой группы.
Работы [12, 13] являются одними из первых и немногими из тех, в которых целенаправленно изучалось затухание взрывных процессов (прекращение детонации) в бризантных ВВ, таких как гексоген, тротил, тэн, пикриновая кислота. Эксперименты проводились с зарядами насыпной плотности малого диаметра, что обеспечивало при длине заряда 300-500 мм наблюдение взрывного процесса при распространении на значительные расстояния, до 300 диаметров заряда. Наблюдение за процессом осуществлялось фотографическим методом. Некоторые результаты авторов представлены в табл.2. В результате проведенных исследований было установлено, что при диаметре заряда меньше некоторого (критического), когда взрывной процесс еще способен распространяться с постоянной скоростью, в исследованных ВВ могут наблюдаться затухающие взрывные процессы, проходящие на значительные расстояния от инициатора. Полное
Таблица 2
затухание взрывного процесса в этом случае регистрировалось на расстояниях в десятки диаметров заряда, характер прекращения «детонации» при этом мог быть самым разным. Наблюдалось не только плавное или резкое снижение скорости, но и многоступенчатые переходы от одной скорости к другой, в том числе и от меньшей к большей. Такое разнообразие
в поведении затухающих взрывных процессов трудно объяснить с физической точки зрения. По-видимому, оно в большей степени обусловлено неоднородностью зарядов по длине, свойства которых тем сложнее контролировать, чем меньше их диаметр. Каких-либо общих закономерностей выявлено не было, однако авторами был сделан вывод, что подобная картина должна наблюдаться для всех ВВ.
В работе [7] затухающие взрывные процессы в тротиле плотностью 0.95 г/см3 были зарегистрированы при определении зависимости параметров детонации от диаметра заряда. Измерения проводились электромагнитным методом. Заряды имели небольшую длину (до 12 диаметров) и инициировались мощным промежуточным детонатором из прессованного состава ТГ 50/50. В этих условиях эксперимента взрывной процесс полностью затухал при диаметре заряда 20 мм и в отдельных опытах при диаметре 22.5 мм. Примеры осциллограмм профиля массовой скорости представлены на рис. 4. Профили, полученные в заряде диаметром 22.5 мм для стационарного и затухающего взрывного процесса, приведены на рис. 4 е и ж, соответственно, в заряде 20 мм на рис. 4з. Можно видеть, что профили массовой скорости для затухающих и стационарных взрывных процессов,
Рис.4. Профили массовой скорости в зарядах тротила различного диаметра (масштаб времени между метками 2 мкс) [7].
заметно различаются между собой. Главные отличия в скорости нарастания и спада массовой скорости во фронте и за фронтом, наличии или отсутствии четко выраженного химического пика, характерного для нормальной детонационной волны.
В работе [ 14] специально исследовалась стационарность низкоскоростной детонации в зарядах тротила с размером частиц 0.5-1.0 мм насыпной плотности длиной до 40 диаметров. Диаметр зарядов изменялся от 24 до 40 мм с шагом 2 мм. Для инициирования использовались промежуточные детонаторы различной мощности. Особенностью работы являлось то, что наряду со следовой методикой и фоторегистрацией, использовался электромагнитный метод регистрации профиля массовой скорости продуктов взрыва. Так как низкоскоростная детонация не была обнаружена, большинство полученных авторами данных фактически относится к затухающим взрывным процессам. Было установлено, что независимо от свойств инициатора в зарядах диаметром 24-36 мм взрывной процесс в тротиле полностью затухает, не проходя расстояния в 20d. Характерной особенностью таких режимов, как отмечается, является отсутствие на профиле массовой скорости «химпика» и заметное уширение фронта волны. Примеры осциллограмм представлены на рис.5. Профиль, характерный для нормальной детонации приведен на рис. 5.2, остальные профили, полученные в заряде диаметром 40 мм, относятся к переходным
Рис. 5. Профили массовой скорости в зарядах тротила диаметром 38 мм (длина 10d) (1), диаметром 40 мм (2-6) [14].
процессам. Важное замечание заключалось в том, что взрывной процесс, распространявшийся по заряду диаметром 38 мм, при использовании следовой методики мог быть принят за стационарный даже при длине заряда 30d. Только измерения электромагнитным методом показали, что по мере его распространения происходит постепенное уменьшение и скорости фронта и
массовой скорости (рис. 5.1). Можно также отметить, что, несмотря на использование зарядов достаточно большой длины, в результате проведенных исследований никаких сложных переходов между взрывными процессами с различными скоростями обнаружено не было.
В работе [15] исследовались взрывные процессы, распространявшиеся в зарядах тротила плотностью 1 г/см при постоянном диаметре 12.2 мм. Использовались стеклянные оболочки длиной до 1.4 м (115d). Для того, чтобы изучить распространение взрывных процессов в различных режимах изменялся размер частиц тротила от 0.25 до 1.0 мм. В выбранных условиях эксперимента удалось наблюдать, как детонационный,процесс со скоростью фронта 3.6 км/сек, так и затухающие взрывные процессы. В отдельных опытах в затухающем режиме взрывной процесс распространялся на всю длину заряда. В этой же работе при исследовании детонации в зарядах дымного пороха с плотностью 0.7 г/см при определенных размерах металлической оболочки наблюдался уникальный пульсирующий взрывной процесс. Оболочка после его прохождения была разорвана не полностью, участки ее разрушения чередовались с участками, где она была лишь заметно раздута. В целом процесс хорошо воспроизводился, но длина и место ' расположение различных участков не оставалась постоянной.
3. Затухающие взрывные процессы в смесях нитрата аммония с тротилом и горючими добавками.
Известно немного работ, в которых были получены данные о затухающих взрывных процессах в смесях на основе нитрата аммония. Одной из первых является работа [16], в которой исследовались взрывные процессы в смесях гранулированной аммиачной селитры с различным содержанием солярового масла (0-8%). Заряды имели стальную оболочку диаметром 32 мм длиной 200 мм с толщиной стенки 2 мм. Инициирование осуществлялось электродетонатором и аммонитом, скорость фронта регистрировалась фотографическим методом через отверстия в оболочке.
Эксперимент показал, что устойчивость взрывных процессов в смеси зависит от процентного содержания компонент. В отсутствии горючей добавки взрывной процесс быстро затухал, не проходя до конца заряда. Но уже при добавлении 1% масла наблюдалось прохождение взрывного процесса на всю длину заряда со скоростью, которая изменялась от 1.6 до 1.0 км/с. Дальнейшее повышение содержания масла в смеси приводило к повышению скорости процесса до 1.8-2.2 км/сек и его устойчивости. Однако необходимо отметить, что короткие заряды и способ регистрации скорости не позволяют однозначно судить о стационарности его распространения на большие расстояния.
В работах [17, 18] исследовалась детонация трех промышленных ВВ Зерногранулите 80/20, Углените 7 и Гранулите АС-8, в том числе вблизи критических условий для распространения детонации. Первые два состава * содержали в своем составе небольшое количество^бризантного взрывчатого вещества, последний нитрат аммония, алюминий и дизельное топливо. Основные измерения проводились электромагнитным методом, особый интерес из всего массива полученных данных представляет записи профиля массовой скорости по длине заряда в случае затухающего взрывного процесса. Примеры таких осциллограмм приведены на рис. 6. Хорошо видно, как изменяется профиль массовой скорости, при уменьшении скорости фронта затухающего взрывного процесса от 1.6 до 1.3 км/сек (осциллограммы 1-2) в Зерногранулите и при падении скорости фронта ниже 1.2 км/сек (осциллограммы 5-7) в Углените. В обоих случаях помимо уменьшения амплитуды, размывается фронт и замедляется спад массовой скорости за фронтом, точно также как это наблюдалось для тротила. Необходимо заметить, что исследования стационарности распространения взрывного процесса в зарядах большего диаметра не проводилось. Поэтому является ли наблюдавшийся взрывной процесс детонационным остается под вопросом, несмотря на внешнее подобие профиля массовой скорости (рис. 6 4 и 8) профилю детонационному. Авторами этих работ неоднократно
3 »№ lfd=b,S и tft ш 10; tf = 100,/# = 3,5
еГ =~20 иЙ«Г a 4, W 8, t/d = їв и ^= 80 ни,
№ = 3,5 ооотвототвенно.
Первый слабый подави записи КО) (7) соответствует упругой водне, второй подьои - волне саатия. ЫаоштаС грама-ви ыекду иегками - 4,9 нкоев.
Рис. 6. Трансформация профиля массовой скорости при затухании взрывного процесса [18].
указывалось на то, что профиль без химпика является признаком затухающего взрывного процесса. Полученные экспериментальные данные однозначно на это указывают, однако они относятся к быстрозатухающим взрывным процессам. Будет ли это характерно для процессов способных распространяться на расстояния в десятки диаметров заряда и для большинства ли ВВ остается неизвестным. В работе [17] самими авторами указывается на то, что «отсутствие химпика на профиле массовой скорости еще не является достаточным основанием для утверждения, что взрывной процесс с таким профилем нестационарен».
В работах [19, 20] исследовались взрывные процессы в удлиненных зарядах стехиометрической смеси нитрата аммония и дизельного топлива (Игданита), заглубленных в грунт. Затухающие взрывные процессы наблюдались в зарядах диаметром 150, 180 мм и меньше. Характерной
особенностью этих процессов была способность к распространению на расстояния в десятки метров от места инициирования. Тенденция к затуханию могла быть отмечена только после прохождения 10 м (60d) от начала заряда, при этом процесс мог продолжать распространяться в затухающем режиме еще более 20 метров.
Нельзя не отметить, что пульсирующие по длине заряда взрывные процессы наблюдались и в смесевом взрывчатом веществе. В работе [15] такой режим зарегистрирован в низкоплотном (0.2 г/см) заряде смеси аммиачной селитры со вспененным полистиролом, когда он помещался в стальную оболочку диаметром 32 мм с толщиной стенки 2 мм. Скорость взрывного процесса периодически менялась от 0.3-0.7 до 1.5-1.9 км/сек, при этом на оболочке после взрыва оставались чередующиеся разорванные и раздутые, но не разорванные участки.
В заключение обзора_л]^р^уркмследует отметить, что в последнее время заметно повышается интерес к критическим детонационным и затухающим взрывным процессам. Изучению этих режимов посвящено несколько работ из последних симпозиумов по детонации, например [21-24]. В работе [21] исследования проводились на зарядах твердого ракетного топлива диаметром до 1.5 м. Измерялась скорость фронта на различных расстояниях от инициатора (одна точка в одном опыте). Во всех исследованных случаях отмечалось постепенное снижение скорости фронта, однако короткая длина зарядов (от 2.5 до 4d) и большой разброс полученных значений, не позволяет судить о характере распространения взрывного процесса в последующем. В работе [22] исследования проводились на зарядах флегматизированного ТАТВ (LX-17) различного диаметра с использованием нового Detonation Profile Test (DPT). Изучалось распространение детонационной волны в условиях близких к критическим при изменении нескольких начальных параметров и постоянной длине зарядов (около 2d). По результатам исследования авторы сделали вывод, что поведение детонационной волны в рассматриваемой постановке зависит от
длины инициатора, свойств оболочки, плотности, длины и диаметра образца. Каких-либо закономерностей в распространении волны, несмотря на большое количество экспериментальных данных, установить не удалось. В работе [23] на веществе РВХ 9502 разрабатывался способ исследования затухания детонационной волны с использованием конических зарядов. В работе [24] для нескольких гомогенных и гетерогенных ВВ проведено определение критических для распространения детонации размеров заряда в цилиндрической и плоской геометрии. Основной целью являлось получение экспериментальных данных, которые позволили бы провести корректное сравнение расчетных моделей по соотношению между критическим диаметром и критической толщиной. Полученные отклонения экспериментальных результатов от расчетных, позволили авторам сделать вывод о том, что модели, основанные на кривизне фронта, не в полной мере учитывают физические процессы, происходящие при распространении детонационной волны в критическом случае. Анализ последних работ позволяет сделать вывод, что в современных работах активно разрабатываются новые экспериментальные методики исследования критических режимов детонации с применением современной регистрирующей аппаратуры, апробируются и проверяются новые расчетные схемы, однако это не приводит пока к получению принципиально новых результатов.
Выводы
Приведенные в обзоре литературы результаты экспериментальных исследований взрывных процессов, возникающих в условиях близких к критическим условиям для распространения детонации в пористых ВВ, позволяют сделать следующие выводы относительно затухающих процессов. Затухающие взрывные процессы зарегистрированы во всех исследованных пористых веществах в зарядах диаметром меньше критического для распространения детонации. При приближении значения диаметра заряда к
критическому значению, наблюдается тенденция к возрастанию длины прохождения взрывного процесса. В этом случае его стационарность становится трудно контролировать с применением следовой методики. При наблюдении за затухающими взрывными процессами в пористых ВВ могут наблюдаться различные режимы их распространения: режимы с медленным и резким изменением скорости фронта, режимы с многоступенчатыми переходами с одной скорости на другую, пульсирующие режимы. Следует отметить, что ни причины, объясняющие такое поведение, ни закономерности их проявления установлены не были. Основная причина этого заключается в фактическом отсутствии планомерных исследований затухающих взрывных процессов во взрывчатых веществах.
Надежным признаком, отличающим затухающий процесс от детонационного, до сих пор можно считать только один - это очевидное снижение скорости по мере распространения и наличие остатков заряда. Помимо непостоянства скорости фронта, еще одним признаком можно было бы считать отсутствие химпика на профиле массовой скорости, однако достаточного количества экспериментальных данных для такого утверждения получено не было. В качестве обобщения, вслед за авторами [22], можно отметить, что факторы, влияющие на детонационное поведение в области близкой к критическим условиям не достаточно хорошо понимаемы, и что, изучение детонационных явлений вблизи критического (failure) диаметра представляет как академический, так и практический интерес.
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию затухающих взрывных процессов в индивидуальных ВВ из первой и второй групп, смесях этих ВВ с инертными и активными добавками. Основное внимание уделялось установлению закономерностей распространения затухающей взрывной волны при изменении диаметра заряда, свойств оболочки и условий инициирования, определению граничных условий для распространения и инициирования взрывного процесса в затухающем и стационарном режиме. Исследовано влияние размера частиц ВВ, свойств
оболочки, наличия и свойств добавок на критические условия распространения затухающего и стационарного (детонационного) взрывного процесса. Основными измеряемыми параметрами были длина прохождения затухающей взрывной волны, скорость фронта и профиль массовой скорости продуктов взрыва, которые определялись на различных участках заряда. Результаты исследования послужили основой для разработки стандартных методов оценки взрывоопасности веществ, обладающих низкой детонационной способностью.
Затухающие процессы в зарядах различного диаметра
Первая серия экспериментов проводилась с аммонитом. Основной задачей была оценка воспроизводимости результатов при исследовании затухающих взрывных процессов и определение зависимости относительной длины прохождения от диаметра заряда. В качестве инициатора использовался заряд аммонита 6ЖВ диаметром 32 мм длиной 3d, который был отделен от основного заряда преградой толщиною 10 мм. Полученные данные приведены на рис. 8. Скорость детонации в заряде инициатора составляла 4 км/с, давление на фронте волны около 4 ГПа. Выбор был обусловлен тем, что эти параметры являются оптимальными для возбуждения детонации в исследованном аммоните. Аналогичная серия экспериментов была проведена со всеми исследуемыми веществами. В качестве инициирующего использовалось то же ВВ, но в заряде диаметром 65 и 80 мм, что обеспечивало давление на фронте инициирующей ударной волны 5.0-5.5 ГПа (табл.3). Все заряды имели бумажную оболочку диаметром от 20 до 80 мм длиной до 1м. Из представленных на рис. 9 результатов экспериментов, видно, что для всех исследованных ВВ относительная длина прохождения возрастает с увеличением диаметра заряда. Растет она и для инертного вещества, хотя для него этот рост является едва заметным. Граница между двумя областями проходит по диаметру 25-30 мм для чешуированного тротила, 45-50 мм для гранулированного тротила, 60-70 мм для граммонита. Для других ВВ эта граница проходит по диаметру величиной более 80 мм. Очевидно, если в области малых диаметров могут наблюдаться только быстрозатухающие взрывные процессы, то во второй области и медленнозатухающие, и квазистационарные и стационарные (детонационные) взрывные процессы, способные к длительному самораспространению. Следует отметить, что подобие кривых наблюдается для всех ВВ независимо от их свойств, кривые нигде не пересекаются и располагаются на графике в соответствии с рядом детонационной способности, который можно построить по известным „справочным и литературным данным. Чем меньшую детонационную способность имеет вещество, тем правее располагается кривая на рис. 9. Общность закономерностей для различных ВВ, указывает на определяющую роль в распространении исследуемых процессов газодинамики течений во взрывной волне.
Сравнительный анализ данных, полученных для различных ВВ, позволяет сделать ряд выводов о влиянии их свойств на способность взрывных процессов к самораспространению. К примеру, если анализировать данные, полученные в заряде диаметром 50 мм (рис. 9), то хорошо видно, что добавка к АС невзрывчатого горючего ДТ гораздо менее эффективно повышает эту способность, чем обладающий взрывчатыми свойствами тротил (кривые 3, 4, 5). Для тротила способность поддерживать самораспространение взрывных процессов заметно зависит от технологии изготовления его частиц. Сильное влияние размера частиц на процесс легко заметить, сравнивая результаты, полученные для аммонита и граммонита (рис. 8 и рис. 9, кривая 3). Следует заметить, что при подобном сравнении важен выбор соответствующего диаметра заряда, он не должен быть слишком малым. Так если проводить сравнение длины прохождения в аммиачной селитре и поваренной соли, полученных при том же диаметре 50 мм, то эти два вещества практически не будут различаться между собой, хотя хорошо известно, что одно из них способно к детонации, а другое нет.
На способность взрывных процессов к самораспространению определяющее влияние оказывает не только диаметр заряда, но и условия инициирования. В настоящем разделе приведены результаты исследования затухающих взрывных процессов, возникающих в зарядах малого диаметра при инициировании ударными волнами различной амплитуды.
В качестве примера на рис. 10 приведены экспериментальные данные по-зависимости„относительнрй_ длины прохождения от диаметра заряда, полученные в зарядах гранулированного ТНТ. Можно видеть, что рост относительной длины прохождения с увеличением диаметра заряда наблюдается при любой из выбранных амплитуд, однако характер этого роста заметно различается. Если при высоких амплитудах увеличение диаметра до 60-65 мм приводит к резкому увеличению способности инициированного взрывного процесса к самораспространению (процесс проходит на всю длину заряда), то при малых амплитудах этого не происходит. Увеличение диаметра заряда до 65 и даже до 80 мм не приводит к изменению характера нарастания длины прохождения, он остается таким же, как и при малых диаметрах. Следует заметить, что аналогичное поведение уже можно было наблюдать при мощном инициировании, но только для трудно-детонирующих АС и Игданита, а также инертного вещества к детонации полностью неспособного (Рис. 9). Для первых двух диаметр заряда 80 мм оказался слишком мал, чтобы в нем возникал взрывной процесс-способный_к длительному_самораспространению.
Из результатов исследования детонации известно, что способность взрывных процессов к самораспространению в равной степени ограничена как величиной диаметра заряда, так и мощностью инициирующего импульса. Так детонационный процесс в веществе способном к детонации не возникает, если диаметр заряда меньше критического, а инициирующий импульс не превосходит некоторую критическую величину. Другими словами при слабом инициирующем импульсе невозможно возбудить самораспространяющийся взрывной процесс, ни при каком значении диаметра заряда. Экспериментальные данные, приведенные на рис. 10, показывают, что, по-видимому, инициирующая ударная волна с заданным профилем, амплитудой 1.8 ГПа и менее не будет способна возбудить в исследуемом образце тротила самораспространяющийся взрывной процесс.
Индивидуальные ВВ
Экспериментально определялась скорость фронта на различных расстояниях от инициатора в зарядах грубодисперсного тротила, чешуированного и гранулированного (двух сортов), и гранулированного пористого нитрата аммония. Размер частиц чешуированного тротила был более 2.5 мм, основной размер частиц гранулированного тротила по ГОСТ 25857-83 составлял 3-5 мм, гранулированного конверсионного тротила 5-7 мм. Основной размер пористых гранул нитрата аммония составлял 1-2 мм. Все заряды имели насыпную плотность: 0.92-0.97 г/см для тротила чешуированного; 0.98-1.00 г/см и 1.02-1.04 г/см для тротила гранулированного и конверсионного, соответственно; и 0.75-0.78 г/см для нитрата аммония. Длина заряда для всех ВВ была около 1 м, их инициирование осуществлялось зарядом аммонита 6ЖВ того же диаметра, что и основной заряд.
Это, прежде всего, высокоскоростные стационарные, низкоскоростные, выходящие на стационарный или квазистационарный режим распространения, и быстрозатухающие. Необходимо отметить, что детонационные и быстрозатухающие взрывные процессы хорошо воспроизводились от опыта к опыту для всех видов тротила. Однако, что касается низкоскоростных процессов, то они воспроизводились только в тротиле чешуированном. В зарядах гранулированных тротилов при изменении диаметра заряда в узком диапазоне наблюдался резкий переход от затухающего к стационарному процессу. Было отмечено заметное влияние на характер распространения взрывного процесса отклонений по диаметру заряда в 2-3% и по плотности в 5-6%, несмотря на предварительный отсев мелких фракций. В промежуточных диаметрах между 56 и 65 мм для тротила гранулированного и 75-85 мм для конверсионного могли наблюдаться и затухающие, и квазистационарные, и детонационные взрывные процессы. Так на расстоянии 5d от инициатора в различных опытах с зарядом 60 мм был зарегистрирован целый набор скоростей фронта: 4.00, 3.82, 3.69 и 1.54 км/с, которые соответствуют разным типам взрывного процесса. Отсутствие стабильно воспроизводящихся низкоскоростных режимов в гранулотоле может быть связано с высоким пороговым давлением возбуждения взрывчатого-превращенияз_тротиле_с_такимичастицами, что было отмечено выше при исследовании быстрозатухающих процессов (рис. 12). Необходимо также отметить, что резкие переходы от одного режима к другому в грубодисперсных образцах происходили, когда радиус заряда изменялся на величину, сравнимую с размером частиц ВВ, поэтому отмеченная неустойчивость может оказаться и не связанной с различиями в физических свойствах самих частиц. Возможно, что размер некоторых гранул был достаточно большим, чтобы детонационная волна могла распространяться по отдельным частицам, приводя к дополнительной неустойчивости взрывного процесса в целом.
Экспериментальные данные, представленные на рис. 13, наглядно указывают на разрывной, скачкообразный характер перехода от одного вида взрывного процесса к другому при изменении диаметра заряда бризантного ВВ, подобно тому, как это наблюдалось в работе [29]. Можно видеть, что изменение диаметра заряда чешуированного тротила всего на 5 мм в пределах от 35 до 40 мм, приводит к изменению режима распространения взрывного процесса от быстрозатухающего к низкоскоростному. Такое же изменение диаметра в пределах от 45 до 50 мм приводит к переходу от низкоскоростного режима распространения к высокоскоростному режиму. Максимальная скорость фронта низкоскоростных процессов составила 1.75 км/с, что несколько (на 0.5 км/с) ниже скорости, зарегистрированной в насыпном тротиле [29], поэтому наблюдавшийся в эксперименте диапазон изменения скорости, по-видимому, не является полным, что обусловлено выбором шага при изменении диаметра заряда.
Нитрат аммония относится к ВВ второй группы и обладает крайне низкой детонационной способностью. Как было показано в предыдущей главе, взрывной процесс даже при диаметре 80 мм очень быстро затухает, по этой причине эксперименты с этим веществом проводились в стальных оболочках с толщиной стенки 4-5 мм. Результаты отдельных опытов приведены на рис. 14. В заряде НА диаметром 130 мм скорость фронта имеет хреднее_значение 2.54_км/с, которое остается постоянным на всей длине заряда.
Изменение скорости фронта по длине заряда в зарядах нитрата аммония диаметром: 1 - d=69 мм, 2-80 мм, 3-100 мм, 4-130 мм. детонационной волне, с параметрами близкими к критическим. В заряде диаметром 100 мм отчетливо видна стабилизация процесса при скорости 1.9-2.0 км/с. Будет ли наблюдающийся взрывной процесс стационарным или медленнозатухающим не ясно, чтобы определить это необходимо проведение экспериментов с зарядами большей длины. По абсолютному значению скорости определенных выводов также сделать нельзя. С одной стороны стационарных режимов со скоростью ниже 2.2 км/с в работе [10] не наблюдалось, с другой - плотность НА в этой работе была выше. Что касается данных измерения скорости, полученных в заряде диаметром 80 мм, то они не имели хорошей воспроизводимости. Наряду с затухающими взрывными процессами, распространявшимися на всю длину заряда 12d, наблюдались и быстрозатухающие процессы с отказом при этой длине. В заряде такой же длины, но меньшего диаметра во всех опытах регистрировались только_отказы._Мшкно аметить, что при уменьшении диаметра заряда на 20-25% скорость фронта не претерпевает резких изменений, ее значение изменяется на 550-600 м/сек. Исходя из этих данных и данных работы [10] можно сделать вывод, что в отличие от бризантных ВВ, для гранулированного нитрата аммония не будет наблюдаться разрывной зависимости скорости фронта от диаметра заряда.
Зависимость скорости фронта от диаметра заряда
Зависимость скорости детонации от диаметра заряда является одной из фундаментальных зависимостей детонации. Существует множество работ, где она экспериментально определялась для ВВ различных групп и классов, разработано несколько теоретических моделей, дающих ее аналитическое выражение. Однако, несмотря на это, до настоящего времени исследователи детонации не пришли к общему мнению о виде этой зависимости. Для гетерогенных смесевых систем ситуация еще сложней. В смесях различного типа, таких как окислитель-горючее, ВВ - наполнитель, ВВ - инертная добавка, экспериментально наблюдались, как плавные, так и «S»-o6pa3Hbie или скачкообразные зависимости D(d), при этом причины появления особенностей на зависимостях во многих случаях нельзя считать выясненными до конца. Необходимо заметить, что в подавляющем большинстве случаев зависимости D(d) были получены на зарядах короткой длины при инициировании мощным промежуточным детонатором, без исследования стационарности взрывного процесса и точного определения критического диаметра детонации. Анализ экспериментальных данных, полученных в главе 2, показывает, что, если проводить измерения скорости на коротких зарядах, то вид зависимости скорости детонации от диаметра заряда в области малых диаметров может заметно искажаться из-за попадания на нее точек, к детонации не относящихся. Особенно это относится к смесевым ВВ.
В дополнение к данным, полученным в главе 2, для эмульсионного ВВ и смеси нитрата аммония с гексогеном были экспериментально определены зависимости скорости детонации от диаметра заряда в широком диапазоне изменения диаметров. Заряды имели диаметр больше критического для распространения детонации (табл. 7) и длину не менее 10d. Измерения
Как можно видеть, независимо от размера частиц НА, полученные при больших диаметрах заряда данные в пределах точности эксперимента описываются линейной зависимостью в координатах D(l/d), как и для многих бризантных ВВ [40, 43]. Однако при диаметрах менее 20 мм на зависимости наблюдается излом с хорошо разрешимым участком «псевдоидеальной» скорости, который заканчивается вторым изломом. Дальнейшее падение скорости продолжается приблизительно по тому же закону, что и в зарядах большого диаметра. В заряде диаметром 5 мм во всех опытах был зафиксирован отказ.
Подобные зависимости для смесевых ВВ можно найти в целом ряде других работ, например [44-48]. Все особенности на зависимости D(d) принято объяснять с позиций влияния диаметра заряда на механизм и кинетику разложения вещества в условиях детонации. Представленные на рис. 30 результаты также были рассмотрены с тех же позиций в работе [49], но это не позволило придти к однозначным выводам. Последующие, подробные исследования стационарности распространения взрывных процессов в зарядах малого диаметра показали, что далеко не при всех диаметрах заряда процесс имел постоянную скорость. Это наглядно показывают результаты эксперимента для смеси молотого нитрата аммония с гексогеном (раздел 2.1 рис. 17). Подобные данные были получены и для смеси гранулированного нитрата аммония с гексогеном того же состава. Так, например, в заряде диаметром 18 мм скорость фронта оставалась постоянной, и ее среднее значение составило 5.47 км/с. Практически то же значение скорости зарегистрировано и в заряде диаметром 16 мм, однако в одном опыте из трех ее значение постепенно уменьшалось с 5.47 до 5.20 км/с. В зарядах_ диаметром І 0-13 мм затухание взрывного процесса наблюдалось во всех опытах, но при этом ни одного отказа «детонации» на длине заряда до 25d зафиксировано не было. Отказ во всех опытах был получен только при d = 5 мм на расстоянии 5-9d от инициатора. Попытка получить отказ на заряде вдвое большего диаметра, увеличив длину заряда до 90d, не привела к ожидаемому результату. На больших расстояниях от инициатора в заряде диаметром 10 мм скорость фронта продолжала снижаться (с 5.01 при l=20d до 3.52 км/сек при l=80d), остатков заряда так и не было обнаружено.
Таким образом, эксперименты по измерению скорости фронта на удлиненных зарядах показывают, что зависимости D(d) для исследуемых пористых смесей нитрата аммония с гексогеном с процентным соотношением 50/50 в зарядах диаметром больше критического для распространения детонации особенностей не имеют. Несмотря на высокий абсолютный уровень скоростей фронта (4-5 км/сек), взрывные процессы в зарядах малого диаметра этих смесей оказываются нестационарными. Их параметры зависят от длины заряда, и по этой причине они не могут быть отнесены к детонационным. Зависимости скорости детонации от диаметра заряда, полученные на коротких зарядах (рис. 30) в области малых диаметров необходимо ограничить диаметром 18 мм, который является критическим диаметром детонации для исследованных смесей с точностью, принятой в эксперименте. Значения критической скорости детонации для смесей гексогена с крупными и мелкими частицами НА, соответствующие этому диаметру, равны 5.47 и 5.25 км/сек, соответственно. Так как участки «псевдоидеальной» скорости находятся в области диаметров заряда меньших критического, они не могут быть напрямую привлечены для изучения процесса детонации исследуемых смесей, как это обычно делается. Необходимо отметить, что без учета нестационарных процессов зависимость D(d) в исследованных смесях имеет вид, характерный для большинства взрывчатых веществ. Из этого следует, что необходимо с особым вниманием подходить к анализу экспериментальных данных по детонации составов, критический_диаметр которых_не определялся_или определен-по_критерию «взрыв-отказ» на зарядах небольшой длины. В рассматриваемом случае при длине заряда 10-12d критический диаметр оказался занижен в два с лишним раза.
До настоящего времени основным общепризнанным признаком, отличающим детонацию от других самораспространяющихся взрывных процессов, является постоянство параметров волны при неограниченной способности к распространению (стационарность процесса). Стационарность является универсальным критерием отличия детонации от других взрывных процессов для любого взрывчатого состава. Однако, как показали проведенные исследования для пористых ВВ, доказательство стационарности представляет собой не простую задачу, особенно в условиях близких к критическим условиям для распространения детонации. Другие признаки, по которым можно будет отличить детонационный процесс от любого другого не проходили тщательной экспериментальной проверки. При определении таких признаков, строго говоря, должно быть доказано, что они характерны для процесса стационарного и не характерны для процесса с изменяющимися в течение времени параметрами.
Совместный анализ данных по затуханию и детонационной способности
Общей задачей испытаний на детонационную способность является определение (оценка) минимальных размеров заряда, при которых в веществе может возникать детонационный процесс. Так как неспособность вещества детонировать (взрываться) может быть обусловлена не только малыми размерами заряда, но и слабостью инициирующего импульса, основным условием проведения испытаний на детонационную способность, является использование в качестве инициатора заряда ВВ, высокой мощности.
В физике взрыва общепризнанным показателем детонационной способности вещества является его критический диаметр детонации (d ) - минимальный диаметр цилиндрического заряда (d), при котором вещество еще способно детонировать.
Полученные в результате исследования затухающих взрывных процессов экспериментальные данные, представленные в предыдущих главах, показывают, что при использовании зарядов короткой длины и при отсутствии контроля стационарности распространения взрывного процесса, значения критического диаметра детонации могут оказаться сильно заниженными. Такой график, представляющий собой, дополненные значениями критического диаметра (табл. 7) рис. 8 и 9, приведен на рис. 31. Результаты эксперимента показывают, что величина Lp/d растет с увеличением d и для наиболее детонационноспособных составов асимптотически стремится к бесконечности при приближении диаметра заряда к критическому. Можно видеть, что при этом зависимости относительной длины прохождения от диаметра заряда для разных составов подобны. Подобие кривых Lp(d) для исследованных веществ, как и другие данные, полученные в работе, указывают на существование общих закономерностей в распространении по заряду затухающих взрывных процессов. Возможна также и более тесная корреляция между величинами, характеризующими способность к распространению взрывных процессов в нестационарном и стационарном режимах.
Анализ экспериментальных данных, приведенных на рис. 31, показывает, что для исследованных веществ одинаковые значения относительной длины прохождения наблюдается при различных диаметрах заряда, но при близких значениях отношения d/dKp. Так, например, прохождение затухающего взрывного процесса по заряду на расстояние равное 5d наблюдается при отношении d/dKp=0.39-K).42. Этот факт указывает на возможность описания полученных экспериментальных данных (рис. 31) единой зависимостью в относительных координатах. График такой зависимости в координатах Lp/d, dKp/d приведен на рис. 32. Можно видеть, что действительно все экспериментальные точки группируются вдоль единой кривой, имеющей вид гиперболы.
Очевидно, что к этому же значению должно стремиться отношение Lp/d и для взрывчатых веществ в выбранных условиях эксперимента, чему не противоречат имеющиеся экспериментальные данные. Численное значение другого коэффициента к в уравнении может быть получено путем сравнения результатов расчета и эксперимента. Расчеты показали, что наилучшая корреляция между двумя группами данных наблюдается при значении коэффициента близком к единице.
Легко видеть, что полученное эмпирическое уравнение позволяет, зная две из трех (a=Lp/do, Lp/d, dKp) экспериментально определяемых величин найти третью. Наибольший интерес, безусловно, представляет нахождение критического диаметра детонации по легко определяемым значениям Lp/d. Для этого последнее уравнение, с учетом к=1, может быть переписано в виде простого соотношения: d ±(Lp/d± Lp/doKCLp LpMo) (1). Результаты расчета dKp по этому уравнению и экспериментальные данные для исследованных ВВ приведены в табл. 8. Можно видеть, что использование для расчета практически любого из значений относительной длины прохождения дает близкое к экспериментальному расчетное значение критического диаметра детонации. Исключение составляет результат, полученный при минимальном диаметре заряда для гранулированного тротила и граммонита. Расчетное значение критического диаметра оказалось слишком малым, что, по-видимому, связано с сохраняющимся на такой длине сильным влиянием инициатора на распространение взрывного процесса по исследуемому веществу. Такую закономерность можно отметить и для двух других составов. В целом, совпадение результатов расчета и эксперимента можно считать хорошим, особенно, если иметь в виду, что все экспериментальные данные получены не на лабораторных образцах, а на полидисперсных ВВ заводского изготовления. Можно видеть, что какой бы диаметр заряда d dKp мы не взяли, длина прохождения по заряду затухающего взрывного процесса будет больше у вещества с меньшим критическим диаметром, поэтому ряды детонационной способности, построенные по показателям dKp" и Lp/d будут совпадать. Большее значение Lp/d в зарядах постоянного диаметра будет означать, что взрывной процесс в этом веществе более способен к самораспространению. Для того, чтобы оценить детонационную способность методом затухания, достаточно провести взрыв заряда с веществом стандартного диаметра стандартным промежуточным детонатором и измерить длину разорванной части оболочки, оставшейся после взрыва. При этом очевидно, что длина заряда, оболочка и промежуточный детонатор могут быть стандартными для веществ любого класса, в то время как стандартный диаметр для групп веществ с сильно отличающейся детонационной способностью должен быть у каждой свой. Из представленных данных видно, что если, к примеру, выбрать в качестве стандартного диаметр заряда 50 мм, то ряд веществ будет трудно сравнить между собой. Тротил и аммонит невозможно сравнить, так как они при данном диаметре детонируют (Lp = оо), а аммиачную селитру трудно сравнивать с другими ВВ, так как для нее, наоборот, длина прохождения в этом диаметре очень мала и по величине практически неотличима от величины, измеренной в инертном веществе. На первый взгляд, необходимость выбора нескольких стандартных диаметров заряда кажется неудобным. Однако, с точки зрения удобства проведения классификации веществ по детонационной способности, использование нескольких диаметров заряда не является недостатком. Во-первых, таких диаметров будет немного. Во-вторых, по порядковому номеру диаметра удобно устанавливать подкласс вещества, а по величине Lp/d положение вещества внутри подкласса. Оптимальной длиной заряда является длина равная 10d, в качестве стандартного промежуточного детонатора удобнее использовать заряды аммонита 6ЖВ с диаметром и длиной равными диаметру испытуемого заряда. Очевидными достоинствами метода являются низкая трудоемкость, простота, наглядность результата и возможность проведения испытаний неквалифицированным персоналом на любой специально отведенной для этого площадке. 2-й метод. Анализ данных, представленных на рис.31, показывает, что проводить оценку опасности ВВ на основе данных по затуханию взрывных процессов можно и другим способом, задавая постоянным не диаметр заряда, а относительную длину прохождения затухающего взрывного процесса. Сравнение различных ВВ должно проводиться по величине диаметра заряда (dx), в котором наблюдается заданное значение Lp, например, 5 или 10d. В этом случае величина dx для затухающего взрывного процесса с заданной способностью к самораспространению является полным аналогом величины dKp для процесса детонационного. Опаснее будет то вещество, для которого значение dx"1 больше. Этот метод не содержит в себе никаких ограничений в отношении испытуемых ВВ, но требует проведения значительно большего числа экспериментов, чем первый, с зарядами различного диаметра. Не трудно видеть, что и по своей сути и по исполнению метод является полным аналогом самого распространенного метода определения «критического диаметра детонации» с критерием «взрыв-отказ». Его основным преимуществом перед последним методом является корректная постановка задачи испытаний, а также более точная оценка детонационной способности. Это достигается тем, что конечным результатом испытаний является определение количественного значения определенной физической величины, а не абстрактного факта «взрыва-отказа» при нерегламентированной длине заряда.
