Классификация начальных импульсов

В процессе изготовления и эксплуатации ВМ подвергаются воздействию различных начальных импульсов:

• тепловые импульсы (нагрев и луч пламени);

• механические импульсы (удар, трение, накол жалом);

• ударно-волновой или детонационный импульс;

• действие на ВМ электронов, нейтронов, различного вида излучений, ультразвука и т.д.

Наиболее важное значение имеют первые три вида начальных импульсов.

ВМ избирательно чувствительны к различным видам воздействия. Например, азид свинца (ИВВ) имеет более высокую температуру вспышки (~330ºC), чем тротил (~300ºС), но к трению тротил гораздо менее чувствителен, чем азид свинца.

Даже при близких по воздействию импульсах, например тепловых, наблюдается избирательность. Дымный ружейный порох имеет более высокую температуру вспышки (315ºC), чем бездымный порох (200ºC), но лучом огня ДРП воспламеняется гораздо легче, чем бездымный. Поэтому чувствительность ВМ обычно классифицируют по видам начального импульса. Избирательная чувствительность ВМ к различным начальным импульсам может быть объяснена различием физических и химических свойств ВМ, условиями воздействия на них и т.д. Но из этого обстоятельства нельзя делать вывод о принципиальном различии в механизме возбуждения взрыва при различных воздействиях.

При сравнительно слабом воздействии, не приводящем к ударно-волновому сжатию ВМ, начавшийся процесс разложения может развиваться до детонации, проходя последовательно ряд стадий:

• инициирование экзотермической реакции в определенной области заряда;

• формирование в окрестности этой области очага горения;

• ускорение горения и переход в низкоскоростную детонацию;

• распространение детонации с малой скоростью;

• распространение детонации с большой скоростью.

Развитие процесса или затухание зависят не только от свойств ВМ, особенностей заряда, но и вида и интенсивности начального импульса, наличия оболочки и т. д.

Ч увствительность к тепловым импульсам

Тепловое воздействие может проявляться в форме длительного нагревания при получении, хранении и переработке или в форме импульсного воздействия (луч огня, перегорающая нить накаливания) при служебном применении.

ВВ разлагаются с выделением тепла. Скорость разложения в большой степени зависит от температуры ВВ.

Рис. 15. Профили температур в ВМ при длительном тепловом воздействии

1-нагрев ВМ как инертного материала; 2-саморазогрев (вспышка); 3- зажигание или воспламенение с поверхности

Если поместить ВВ в термостат с достаточно высокой постоянной или медленно возрастающей температурой, то через некоторое время можно наблюдать вспышку.

Характер поведения ВМ при длительном тепловом воздействии может быть представлен следующим образом (при допущении, что температура поверхности ВМ мгновенно принимает значение температуры теплового потока) (рисунок 1):

В первом случае ВМ нагревается тепловым потоком как инертное тело: температура ВМ Т₀ с течением времени достигнет температуры теплового потока Т₁. Этот случай для ВМ возможен при сравнительно низких значениях Т. Предельное значение Т_1, до которого ВМ можно нагревать как инертный материал, зависит от термостабильности ВМ. Чем выше термостабильность ВМ, тем выше предельное значение Т₁ . В первом приближении предельное значение Т₁ для конкретного ВМ можно принять на 100-130 ⁰С ниже температуры вспышки ВМ.

Во втором случае с течением времени в удалении от поверхности ВМ, на которую действует тепловой поток, наблюдается резкий рост температуры. Причем температура ВМ в этой области значительно превосходит температуру теплового источника Т. Это явление называют самовоспламенением, вспышкой или тепловым взрывом ВМ. Причина такого поведения ВМ заключается в экзотермичности реакции разложения ВМ. Выделяющаяся при этом энергия вызывает тепловое самоускорение разложения. Характеристикой самовоспламенения ВМ является температура вспышки (Т_всп). Под Т_всп понимают температуру среды, окружающую ВМ, при которой при той или иной задержке во времени происходит тепловой взрыв ВМ. Значения Т_всп некоторых ВМ приведены в таблице 2.

Таблица 2- Температура вспышки различных ВМ (время задержки 5 с)

БВВ	Температура вспышки, 0С	ИВВ	Температура вспышки, 0С
Нитроглицерин ТЭН Нитроклетчатка (13,3 % N Гексоген Октоген Тетрил Тринитробензол Тротил	222 225 230 260 335 257 550 475	Гремучая ртуть Азид свинца (крист.) ТНРС Тетразен Диазодинитрофенол	210 345 265 154 180

В первом приближении можно принять, что температура теплового потока Т₂, вызывающего вспышку ВМ, на 50-80 ⁰С ниже значения Т_всп, которое приведено в таблице.

Третий случай, при котором наблюдается резкий рост температуры во ВМ вблизи поверхности, на которую действует тепловой поток, типичен для режимов зажигания или воспламенения.

Температура теплового потока Т₃, вызывающего зажигание или воспламенение ВМ должна быть выше на несколько десятков градусов Т_всп ВМ.

Самовоспламенение (тепловой взрыв).

Механизм возникновения вспышки в условиях, когда вся навеска ВВ нагрета равномерно, близок к механизму теплового взрыва.

К оличественная теория теплового самовоспламенения (взрыва) была разработана Семеновым Н.Н. В её основе лежит соотношение между теплоприходом (за счет теплоты разложения) и теплоотводом в окружающую среду.

Г

Рис.16. Тепловой взрыв по Н.Н.Семенову

1-теплоприход; 2-теплоотвод

рафически тепловой взрыв (по Семенову) можно объяснить тем, что теплоотвод линейно зависит от температуры (прямые 2), а скорость химической реакции и теплоприход, имеют зависимость близкую к экспоненциальной (кривая 1). Поэтому при начальной температуре Т₁ система устойчива, нагрев ВВ компенсируется теплоотводом, а при начальной температуре Т₂ саморазогрев идет беспрепятственно, возникает вспышка при Т₂ ^I.

Тепловое самоускорение – основной механизм самовоспламенения.

Но существуют и одновременно могут влиять на результат автокаталитическое и цепное самоускорение. Они как правило действуют совместно с тепловым самоускорением.

Автокаталитическое самоускорение возможно тогда, когда накапливаются продукты реакции, катализирующие разложение (например, оксиды азота).

Цепное самоускорение - тогда, когда наблюдается разложение по цепному механизму с превышением разветвления цепей над их обрывом.

Температура вспышки

При любом механизме минимальная температура, при которой наступает воспламенение или разложение с видимыми эффектами называется температурой вспышки. Она характеризует чувствительность ВВ к нагреву.

Так как видимое разложение вещества происходит тогда, когда скорость реакции достигает некоторого критического значения, то при нагревании ВВ моменту вспышки всегда предшествует период самоускорения химической реакции. То есть вспышка происходит не сразу, а через некоторое время. Этот промежуток времени носит название периода индукции или времени задержки вспышки. Связь периода индукции с температурой выражается уравнением Тодеса:

где τ – период индукции;

Е – энергия активации термораспада ВВ;

С – предэкспоненциальный множитель – константа, имеющая размерность времени. Она представляет собой минимально возможное время задержки (10^-8-10^-13 сек) при ;

Т – температура нагрева ВВ в градусах Кельвина.

После логарифмирования это уравнение можно представить в виде линейной зависимости логарифма времени от обратной температуры.

;

Рис. 17. Зависимость времени задержки вспышки от температуры Т

tgα =

Э кспериментально полученные данные позволяют достаточно точно определять энергию активации разложения ВВ и предэкcпоненциальный множитель уравнения Тодеса.

Т

Рис. 18. Зависимость ln τ от обратной температуры 1/Т

емпература вспышки зависит от условий испытаний. Поэтому эти условия строго регламентируются.

Наиболее широкое применение нашли два способа определения температуры вспышки:

1. пробирку со стандартной навеской ВМ помещают в теплоноситель с t=100ºC и начинают нагревать со скоростью 20º в минуту до вспышки. Фиксируют Т_{вспышки}.

2. Навеску ВМ быстро помещают в термостатированный сосуд. Определяют время задержки вспышки. Экспериментально находят температуру сосуда, при которой время задержки составляет 5 и 300 секунд.

В настоящее время температуру вспышки ИВВ определяют по ГОСТ Р 22.2.07-94 «Вещества взрывчатые инициирующие. Метод определения температуры вспышки». Навеска ИВВ - массой от 0,01 до 0,02 г. В соответствии с методикой ЛТИ навеска БВВ при определении температуры вспышки составляет 0,05-0,1 г.

Воспламенение ВМ

Воспламенение ВМ может происходить от мощного постоянно действующего источника тепла, но чаще его вызывают импульсным тепловым воздействием.

При воспламенении ВМ выделяют две стадии:

Первоначально происходит зажигание ВМ – процесс возбуждения быстрой экзотермической реакции в поверхностном слое ВМ от внешнего источника, а затем воспламенение – выход на стационарный режим (горение или детонация). Зажигание рассматривается как первая стадия воспламенения.

Для выхода на стационарный режим необходимо, чтобы теплоприход от зажигания компенсировал теплоотвод вглубь ВМ.

А это возможно тогда, когда внешний источник формирует прогретый слой ВМ характерный для стационарного горения. Характеристики этого слоя зависят от свойств ВМ. Теплоту необходимую для воспламенения ВМ можно оценить по формуле:

Q = (T_r-T₀)

Где λ – теплопроводность ВМ;

U – линейная скорость горения ВМ;

Т_r и Т₀ – температура горения и начальная.

Все факторы, которые могут привести к уменьшению теплоты воспламенения, будут приводить и к увеличению чувствительности ВМ к лучу пламени.

Возможное поведение ВМ при импульсном тепловом воздействии представлено на рисунке:

В первом случае энергии внешнего теплового импульса недостаточно для возбуждения: температура ВМ при удалении от поверхности уменьшается, т.е. ВМ остывает как инертный материал. Говорят, что не произошло зажигания ВМ.

В

Рис. 19. Возможные типы профилей температур в ВМ при импульсном тепловом воздействии:

1 – без зажигания; 2 – зажигание без воспламенения; 3 – воспламенение;

Т_о – начальная температура ВМ.

о втором случае хотя и произошло зажигание (характерный рост температуры в поверхностном слое ВМ), но процесс не распространился на всю массу ВМ (падение температуры при удалении от поверхностного слоя), т.е. ВМ не воспламенилось.

Под воспламенением понимают процесс возбуждения с поверхности ВМ устойчивого взрывчатого превращения от внешнего теплового источника. Как правило, для БВВ, МВВ и ПС - это возбуждение горения, а для ИВВ - взрыва.

В третьем случае зажигание привело к воспламенению: в ВМ сформировался стационарный профиль температуры, характерный для горения или взрыва.

Чувствительность к лучу огня

С уществует несколько методик оценки чувствительности к лучу огня или воспламеняемости:

- по величине энергии теплового потока нагретых газов,

- по минимальному давлению, обеспечивающему воспламенение от стандартного состава,

- по минимальной навеске воспламенителя и др.

Н

Рис. 20. Схема прибора по определению чувствительности ИВВ к лучу огня

1-линейка, 2-указатель высоты; 3-стойка; 4-отрезок ОШ; 5-стопорный винт; 6-КВ;

7-основание

аиболее простой и общепринятый способ – чувствительность к лучу огня от огнепроводного шнура. Этот метод используется для оценки чувствительности ИВВ, капсюльных и пиротехнических составов.

М етодика: навеска ИВВ (0,02 г) помещается в стандартный колпачок. На определенной высоте над зарядом закрепляют ОШ и поджигают. Для каждой высоты определяют частость воспламенения.

Зависимость частоты воспламенения от высоты, имеет вид, приведенный на рисунке 8.

Чувствительность ВМ оценивают по верхнему и нижнему пределу воспламеняемости.

Рис. 21. Зависимость частоты воспламенения ИВВ от расстояния Н до источника огневого импульса

Н_в-верхний предел чувствительности;

Н_н- нижний предел чувствительности

Чувствительность к механическим воздействиям

Чувствительность к механическим воздействиям порохов, ТРТ и БВВ важна для оценки степени опасности обращения с ними при переработке, транспортировке и т.д., так как избежать простого механического воздействия на них практически невозможно.

Чувствительность ИВВ и капсюльных составов исследуют для оценки, как опасности обращения, так и безотказности их действия от удара, трения, накола жалом при служебном применении.

Существуют тепловая и нетепловая теории возбуждения взрыва при механических воздействиях. Энергия механического воздействия распространяется не равномерно по всему заряду, а концентрируется в отдельных его точках. Поэтому согласно тепловой теории под влиянием механических воздействий происходит локальный разогрев «горячих точек» до температуры вызывающей химические превращения. В этих горячих точках происходит термическое разложение ВВ, которое по достижении критических условий завершается тепловым взрывом.

Размеры таких точек очень малы 10^-2-10^-4 мм, температура в них 700-900ºК. при этом продолжительность воздействия должна быть больше времени задержки воспламенения в этой точке.

Согласно нетепловой теории взрыв происходит в результате активации молекул ВВ (без тепловой стадии) и разрушения химических связей под действием относительного сдвига молекул. Но этот механизм эффективен в основном при действии ударных волн, чего не бывает при простом механическом воздействии. Лишь иногда такой механизм может проявляться и при механических воздействиях на органические ВВ.

Для оценки возможности взрыва необходимо знать не только условия его возникновения, но и возможность распространения на всю массу ВВ. Так как разложение ВВ приводит к выделению тепла, то нетепловая теория в чистом виде существовать не может. Механизм смешанный. Но и в тепловой и в нетепловой теории говорят о локальных очагах.

Возможность распространения взрывчатого превращения в значительной степени зависит от условий воздействия. Поэтому разделяют удар по открытому объему ВВ и удар в замкнутом объеме.

В зависимости от природы ВВ и условий деформации заряда при механических воздействиях возможна реализация различных механизмов образования «горячих точек»:

• сжатие газовых включений;

• вязкое истечение ВВ;

• сухое трение между кристаллами;

• дефекты в кристаллах и их разрушение и др.

Ч

Рис. 22. Зависимость чувствительности ВМ от энергии воздействия

увствительность ВМ к механическим воздействиям определяют в основном с помощью копров. Принцип действия копров основан на сбрасывании грузов с разной высоты на ВВ, помещенное на наковальню или зажатое под определенным давлением (ударное трение). Так как взрыв-процесс вероятностный, то полученные результаты характеризуют частостью взрыва, т.е. количеством взрывов в процентах. Частость взрыва в зависимости от энергии воздействия может меняется от 0 до 100%. Типичная зависимость чувствительности ВМ от энергии воздействия представлена на рисунке 1.

Характеристиками чувствительности ВВ являются, как правило, нижний и верхний пределы чувствительности. Нижний предел чувствительности характеризует безопасность работы с ВМ. Верхний предел – безотказность.

Чувствительность к удару

Ч

Рис. 24. Копер Велера

Рис. 23. Приборы 1 и 2.

1-ролик; 2-муфта; 3-поддон; 4-навеска ВВ

увствительность к удару определяют на копрах Велера и К-44-1 для ИВВ, а также К-44-2 и БК для БВВ. К-44-1 – вес груза от 200 до 500 г. ИВВ или капсюльный состав запрессовывают в колпачок от КВ. Груз сбрасывают на боек или шарик и удар передается ВВ.

К-44-2 – вес груза 10 кг. Навеска БВВ (50 или 100 мг) помещают в роликовые приборчики № 1 и № 2 без канавки и с канавкой.

Д ля изучения чувствительности жидких и пластичных ВВ используют прибор № 3 и № 4.

К

Рис. 25. Роликовые приборы

роме нижнего и верхнего пределов чувствительности существует устаревшая «русская проба». Это чувствительность ВВ, определенная в приборе №1. Вес груза 10 кг, высота сбрасывания груза 25 см.

С

Рис. 26. Копер К-44-2

уществует еще большой копер БК, который позволяет испытывать 3 грамма БВВ (сравнительно малочувствительных).

В

Рис. 27. Схема испытательной сборки для определения минимального диаметра бойка на копре БК

1-ролик, 2-обойма; 3-поддон; 4-ВМ

ес груза может составлять от 2 до 50 кг, высота сбрасывания грузов до 2,5 метров.

Если результаты испытания в приборе №1 и №2 противоречивы, то для оценки возможности перевозки данного ВМ существует дополнительная методика, которая учитывает возможность распространения взрыва на всю массу ВВ. Сущность метода заключается в определении минимального диаметра ударяющего бойка (d), взрыв под которым вызывает взрыв всей окружающей массы. Схема испытательного прибора приведена на рисунке 6.

Испытания проводят на К-44-2 или БК с помощью специальной сборки, позволяющей менять диаметр ударника. Чем меньше диаметр ударника позволяющего распространяться взрыву на всю массу, тем выше чувствительность ВМ.

Чувствительность к трению

Ч увствительность к трению определяют на копре

К-44-3 и приборе И-6-2.

С

Рис. 28. Схема определения чувствительности к трению неударного характера.

1-ролик; 2-поддон; 3-муфта; 4-навеска ВМ.

Рис. 29. 8 Копер К-44-3

помощью К-44-3 – определяют чувствительность к ударному трению. Навеску 20 мг ВВ прижимают двумя роликами до определенного давления. Сдвиг верхнего ролика осуществляют ударом маятникового груза. Угол сбрасывания груза определяется давлением прижатия. При каждом давлении прижатия проводят 25 испытаний

и определяют частость взрыва.

Н

Рис. 30. Копер Гронова для испытания накольных КВ

а приборе И-6-2 определяют чувствительность к трению неударного характера. 30 мг ВВ помещают в сборку, создают давление прижатия и включают вращение трущего пуансона. Время вращения 3 секунды. Если при максимальном давлении прижатии (3000 кг/см²) и скорости вращения 2040 об/мин взрыва не наблюдается, то добавляют 0,01 г кварцевого песка. Результаты испытаний на копре К-44-3 и приборе И-6-2 согласуются плохо, так как условия испытаний отличаются значительно. В большей степени признана методика испытаний на К-44-3.

Накол жалом – весьма специфическое воздействие, которому подвергаются накольные средства инициирования. Поэтому таким испытаниям, как правило, подвергают изделия, а не составы. Испытания проводят на копрах аналогичных К-44-1. Грузик падает с определенной высоты на жало, которое накалывает изделие. Обработка результатов аналогична: изделие должно иметь определенные верхний и нижний пределы.

Чувствительность к ударно-волновым воздействиям

Ударно-волновое воздействие создается ударной волной. Ударная волна, вошедшая в заряд, создает зону сжатого вещества, в которой протекают реакции разложения и выделения энергии. Если скорость выделения энергии больше скорости её отвода, то происходит ускорение фронта ударной волны, её подпитывание и распространение. Если скорость энергии выделения мала, то ударная волна успевает уйти вперед и затухнуть.

Время ударно-волнового воздействия мало. Если длительность начального импульса меньше критического значения (~0,11 мкс) и минимальная скорость инициирующей ударной волны меньше некоторого критического значения, то происходит отказ.

Сложное ударно-волновое воздействие создается обычно с помощью взрыва других ВВ. С практической точки зрения чувствительность ВВ к этому импульсу важна при создании надежных средств инициирования (КД) и при ведении взрывных работ для надежной передачи детонационного импульса от одного заряда БВВ к другому.