Общая характеристика детонационных взрывов

34

1.3. Поражающие факторы при детонационных взрывах газопаровоздушных смесей (ГПВС)

1.3.1. Общая характеристика детонационных взрывов

Детонационные взрывы ГПВС в открытой атмосфере происходят редко, т.к. для их возникновения требуется мощный источник энергии, например, от взрыва ВВ. Однако, такие смеси как водородовоздушные или ацетиленовоздушные могут перейти из режима дефлаграционного взрыва в режим детонационного взрыва. Избыточное давление в детонационной волне составляет 1200...1800кПа. При детонации ГПВС на грунте воронка взрыва не образуется.

Основными поражающими факторами детонационного взрыва является ударная волна, характеризуемая избыточным давлением и импульсом волны сжатия, и огненный шар раскаленных продуктов взрыва.

Значения избыточного давления на фронте ВУВ детонационного вычисляется по следующему соотношению:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

0.146

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p=

 

 

 

4.96 +

 

 

 

0.974

+

 

 

 

, кПа,

(1.3.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

R

 

 

 

R

 

 

R

 

 

где

 

=

 

 

 

(м/кДж1/3) -

приведенное расстояние до центра наземного

R

 

 

 

 

2E

 

3

ув

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

взрыва; Еув - энергия взрыва,

 

затраченная

на образование

воздушной

ударной волны (Еув = Е η);

Е - полная энергия, высвобождающаяся при

детонационном взрыве ГПВС; η - коэффициент перехода энергии взрыва в ВУВ (η = 0,4 ).

Как следует из (1.3.1) параметры ВУВ при детонационном взрыве ГПВС в основном зависят от энергии детонировавшего облака.

Различия в скоростях распространения пламени при детонационном и дефлаграционном режимах взрывного превращения ГПВС приводят к качественному изменению профилей взрывных нагрузок. При детонации формируется воздушная ударная волна (ВУВ). Соответственно различны и профили давлений (нагрузок) при детонации ГПВС и дефлаграции.

На рис.1.3.1 приведены типичные нагрузки при детонационном и дефлаграционном взрыве водородно-воздушнойсмеси.

34

10

 

 

 

 

 

а)

 

Р, кПа

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

-10

 

 

 

 

 

 

 

-20

 

 

 

 

 

 

t, мс

0

10

20

30

40

50

60

100

 

 

 

 

 

б)

 

Р, кПа

 

 

 

 

 

50

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

-500

 

 

 

 

 

t, мс

10

20

30

40

50

60

Рис. 1.3.1. Типичные профили взрывных нагрузок

а) при дефлаграции ГПВС – волна сжатия и волна разрежения;

б) при детонации ГПВС – ударная волна и волна разрежения.

Для детонационных взрывов ГПВС качество смеси не оказывает существенного влияния на параметры ВУВ (рис.1.3.2).

 

Р, кПа

 

 

 

 

Р, кПа

60

 

 

а)

 

 

60

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

Детонация стехиометрической

40

детонация переобогащенной

 

 

пропановоздушной смеси

 

пропановоздушной смеси

20

 

 

 

 

 

20

 

 

 

0

 

 

 

 

t, мс

0

 

 

t, мс

 

 

 

 

 

 

-20

 

 

 

 

-2020

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

30

40 50

60

70

80

30 40 50 60 70 80 90

Рис.1.3.2. Профили ВУВ при детонации стехиометрической (а) и переобогащенной (б) пропановоздушной смеси

на расстоянии 15м от центра полусферы (начальный радиус полусферы - 4м.).

1.3.2. Уравнения, описывающие параметры ВУВ при детонационных взрывах

Описанная ниже методика разработана на основе экспериментальных данных, полученных при проведении наземных детонационных взрывов.

Исходные данные для выполнения расчетов должны включать: массу горючей компоненты M в горючей смеси; долю детонирующей части

35

36

горючей смеси Z ; удельную энергию взрываqт ; стехиометрическую концентрацию горючего в смесиCст х ; расстояние до центра взрываR.

Указанные исходные данные подготавливаются путем разработки сценария аварии и использования табл.1.3.5.

Радиус продетонировавшего облака RД при наземном взрыве определяется по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

M Z

 

 

 

RД = 0.7823

 

 

Cстх, м.

(1.3.1)

Избыточное давление на фронте детонационной волны Pg

 

определяется:

 

ρ

 

D2

 

 

 

 

 

 

 

см

,

кПа,

(1.3.2)

PД =

 

 

Д

103

 

k Д

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

где ρсм - плотность ГПВС до взрыва, определяемая по табл.1.3.5. Полная энергия, выделившаяся при детонационном взрыве ГПВС:

E =

M Z

qv

, кДж ,

(1.3.3)

 

 

 

 

 

 

Cстхm

 

 

 

 

где qv определяется по данным табл.1.3.5.

 

Энергия взрыва на образование воздушной ударной волны Еув

 

 

 

Еув = Еη,

 

 

 

(1.3.4)

где η - коэффициент перехода энергии взрыва в ВУВ, равныйη = 0,4 .

 

Приведенное расстояние до центра наземного взрыва

 

равно:

 

R

 

 

 

 

 

 

R

, м/кДж1/3 ,

(1.3.5)

 

R =

 

3

 

 

 

 

 

2Eув

где R – расстояние до центра взрыва, м.

Значения избыточного давления Pф на фронте ВУВ детонационного

взрыва в зависимости от приведенных расстояний вычисляются по следующим формулам:

а) в области 0,068R0,31 м/кДж1/3

 

 

 

 

Pф

=

4,156

 

 

, кПа;

(1.3.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.,7

 

б) в области

 

>0,31 м/кДж1/3

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pф =

4,96

+

0,974

+

0,146

, кПа;

(1.3.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

R2

 

 

R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Длительность действия положительной фазы избыточного давления определяется по зависимости

τ+=

 

3

 

103 , с,

(1.3.8)

τ

2 Eув

36

где τ+ - приведенное время действия фазы сжатия, определяется по формулам:

а) в области 0,058R 0,434м /кДж 1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, мс/кДж1/3 ;

(1.3.9)

 

 

 

 

 

 

+

= 0,323

 

 

τ

R

б) в области

 

> 0,434м /кДж 1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

0,434

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ+ = 0,323

 

R

 

1

 

 

 

6,2

 

, мс/кДж1/3 .

(1.3.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

Удельный импульс фазы сжатия ВУВ i+ определяется по формуле

 

 

 

 

i+=

 

 

3

 

 

 

, Па с,

(1.3.11)

i+

 

2Eув

где

 

- приведенный удельный импульс, определяемый по формуле:

i+

 

 

 

 

= 0,

694

,

Па с/кДж0.5.

(1.3.12)

 

 

i+

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

Изменение избыточного давления во времени определяется по

формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P(t) = ∆Pф

 

 

t

n

 

 

 

1

, кПа,

(1.3.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ+

 

где n - показатель спада давления, вычисляемый по зависимости:

n =

Pф

τ+

 

1.

(1.3.14)

 

 

 

 

 

i+

 

Значения Pф ,τ+ ,n ,i+ в зависимости от приведенных расстоянийRг

приведены в табл.1.3.6. Указанные величины не зависят от энергии взрыва, что является следствием закона подобия при взрывах.

Таблица 1.3.5

Физико-химическиесвойства горючих газов и паров при t=150С (Т=288,15К)

Горючая

 

1

 

2

3

 

4

5

6

7

компонента

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

взрывоопасной

 

 

 

 

 

 

 

смеси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Водород

 

H2

0,884

25,22

 

29,6

3420

 

3025

4

75

15

2955

Метан

 

CH4

1,169

64,49

 

9,51

2744

 

3207

5

15

 

2745

Этан

 

C2H6

1,223

72,00

 

5,66

2798

 

3422

2,9

15

2,97

2830

Пропан

 

C3H8

1,246

75,19

 

4,03

2797

 

3485

2,1

9,5

2,57

2845

Бутан

 

C4H10

1,259

76,96

 

3,13

2797

 

3521

1,8

9,1

1,98

2845

Ацетилен

 

C2H2

1,211

85,36

 

7,75

3400

 

4117

2,5

81

9,7

3415

Этилен

 

C2H4

1,218

77,64

 

6,54

3005

 

3660

3,0

32,0

3,32

3030

Пропилен

 

C3H6

1,245

79,37

 

4,46

2888

 

3596

2,2

10,4

3,35

2970

Бутилен

 

C4H8

1,259

80,27

 

3,38

2887

 

3635

1,6

9,4

 

2970

Бензол

 

C6H6

1,277

90,01

 

2,84

2782

 

3553

1,4

7,1

 

2950

Толуол

 

C7H8

1,281

88,88

 

2,23

2854

 

3657

1,3

6,7

 

2970

37

38

Окончание табл. 1.3.5

Горючая

 

1

 

2

3

 

4

5

6

7

компонента

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

взрывоопасной

 

 

 

 

 

 

 

смеси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Циклогекса

 

C6H10

1,295

106,2

 

2,28

2793

 

3618

1,2

10,6

 

2875

нон

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метанол

 

CH4O

1,237

166,5

 

12,3

3232

 

3997

6,0

34,7

 

2800

Этанол

 

C2H6

1,268

127,5

 

6,54

2788

 

3535

3,6

19,0

 

2785

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ацетон

 

C3H6

1,282

122,6

 

4,99

2888

 

3702

2,2

13,0

 

2840

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стирол

 

C8H8

1,285

90,60

 

2,06

2891

 

3715

1,0

5,2

 

3015

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

Окись

 

CO

1,209

350,5

 

29,6

2932

 

3547

12,

74,0

 

3085

углерода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

Диэтилов.

 

C4H10

1,285

106,1

 

3,38

2827

 

3633

1,7

49,0

 

2910

эфир

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дихлорэта

 

C2H4

1,402

313,8

 

6,54

2449

 

3433

3,6

33,0

 

2785

н

 

Cl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н-Пентан

 

C5H12

1,267

78,08

 

2,56

2794

 

3540

1,4

7,8

 

2860

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

Условные обозначения к табл.1.3.5. 1 - Плотность стехиометрической смеси ρ, кг/м3

2- Концентрация горючего в стехиометрической смеси; 2А – массовая концентрация, г/м3; 2Б - объемная концентрация, об. %.

3- Удельная энергия взрыва стехиометрической смеси; 3А - массовая энергия взрыва, кДж/кг; 3Б - объемная энергия взрыва, кДж/м3.

4- Нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения, об. %.

5- Верхний концентрационные пределы воспламенения, об. %.

6- Нижний концентрационный предел детонации, об. %.

7– Температура взрыва, К.

Таблица 1.3.6

Параметры ВУВ детонационного взрыва на различных приведенных расстояниях

 

RГ ,1/3

Рф,

τ+

 

i+,

qф,

 

 

j+,

н

 

 

кПа

n

кПа

m

 

Pотр

,

м/кДж

 

мс/

 

 

 

 

 

 

 

кПа

 

 

 

 

 

кДж1/3

 

Па с/

 

 

Па с/

 

 

 

 

 

 

кДж1/3

 

 

кДж1/3

 

 

0,068

406

0,084

2,35

10,206

369

6,54

4,108

1699

 

0,072

364

0,087

2,274

9,639

308

6,43

3,606

1469

 

0,076

332

0,089

2,239

9,132

265

6,34

3,215

1299

 

0,080

304

0,091

2,206

8,675

229

6,25

2,875

1157

 

0,084

280

0,094

2,174

8,262

198

6,17

2,596

1036

 

0,088

259

0,096

2,145

7,886

173

6,10

2,341

933

 

38

Окончание табл. 1.3.6

 

 

 

Рф,

 

 

 

 

 

 

 

 

qф,

 

 

 

 

Pотн р

 

 

R

 

 

τ

+

 

 

i

 

j

,

 

Г ,

кПа

 

 

 

n

+ ,

кПа

m

+ ,

 

1/3

мс/

 

 

 

 

 

 

м/кДж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кПа

 

 

 

 

 

кДж1/3

 

Па с/

 

 

Па с/

 

 

 

 

 

 

кДж1/3

 

 

кДж1/3

 

 

0,092

240

0,098

2,117

7,544

152

6,02

2,121

844

 

0,096

223

0,100

2,091

7,229

134

5,95

1,927

767

 

0,100

208

0,102

2,066

6,940

118

5,90

1,747

700

 

0,150

104,5

0,125

1,827

4,627

33,5

5,32

0,664

289,7

0,200

64,1

0,144

1,669

3,470

13,5

4,370

0,362

160

 

0,250

43,9

0,161

1,552

2,776

6,39

3,783

0,215

103,1

0,300

32,2

0,177

1,461

2,313

3,49

3,450

1,388

72,7

 

0,35

25,5

0,191

1,460

1,983

2,21

3,262

0,099

56,4

 

0,40

20,6

0,204

1,445

1,735

1,45

3,125

0,072

45,1

 

0,45

17,4

0,216

1,440

1,542

1,04

3,038

0,055

37,4

 

0,50

15,0

0,225

1,426

1,388

0,77

2,972

0,0435

31,8

 

0,60

11,6

0,240

1,419

1,157

0,47

2,881

0,029

24,4

 

0,70

9,5

0,253

1,424

0,991

0,31

2,825

0,0205

19,8

 

0,80

8,0

0,264

1,434

0868

0,22

2,785

0,0153

16,6

 

0,90

6,9

0,273

1,444

0,771

0,17

2,275

0,0123

14,2

 

1,00

6,1

0,280

1,451

0,694

0,13

2,737

0,0097

12,5

 

1,20

4,9

0,290

1,457

0,579

0,084

2,706

0,0065

10,0

 

1,40

4,1

0,296

1,448

0,496

0,06

2,60

0,0048

8,3

 

1,60

3,5

0,299

1,423

0,434

0,04

2,672

0,0032

7,1

 

1,80

3,1

0,298

1,384

0,386

0,03

2,65

0,0024

6,2

 

2,00

2,7

0,295

1,332

0,347

0,02

2,65

0,0016

5,5

 

2,50

2,1

0,278

1,153

0,278

0,02

2,64

0,0015

4,3

 

39

40

1.4. Поражающие факторы при взрывах конденсированных взрывчатых веществ (ВВ)

1.4.1. Общая характеристика взрывов ВВ

Конденсированные ВВ (твердые, пластичные, жидкие, литые, прессованные, порошкообразные, чешуированные и т.п.) отличаются высокой плотностью (свыше 500кг/м3) и высокой скоростью детонации. Давление в детонационной волне пропорционально плотности ВВρ и квадрату скоро-

сти детонации D:p = ρk +D12 , гдеk – показатель адиабаты (для конденсиро-

ванных ВВ k=3). При взрывах конденсированных ВВ на грунте всегда образуется воронка взрыва, а от границы заряда уходит воздушная ударная волна (ВУВ) с очень высоким давлением.

Основным поражающим фактором при взрыве ВВ является ударная волна. Избыточное давление во фронте ВУВ определяется по формуле М.А.Садовского:

p=

82,4

+

265

+

687

, кПа,

(1.4.1)

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

R

 

 

R

R

где R - приведенное расстояние до центра взрыва:

 

 

 

R

 

, м/кг

1/3

,

(1.4.2)

R =

 

3

 

 

 

Kэф С z

 

где С - масса заряда, кг;z - коэффициент, учитывающий отношение теплоты взрывчатого превращения ВВ к теплоте взрывчатого превращения тротила;Кэф - коэффициент эффективности заряда ВВ по образованию ВУВ.

Поражающие факторы при взрыве ВВ зависят от следующих параметров: типа ВВ; его массы; расположения заряда относительно твердых поверхностей; расстояния от точки наблюдения до места взрыва.

Взрывные нагрузки от зарядов ВВ отличаются по многим важнейшим признакам от взрывных нагрузок при взрывах ГПВС:

-взрывные нагрузки от ВВ и взрывные нагрузки при детонации ГПВС имеют несопоставимые величины длительности нагружения;

-в «ближней» зоне взрыва уровни взрывных нагрузок от ВВ существенно превышают уровни взрывных нагрузок при детонации ГПВС и тем более при дефлаграции.

40

70

Р, кПа

 

 

 

Р+

 

 

 

 

40

 

I+- импульс фазы

 

 

 

 

сжатия

 

 

tа+

 

 

 

 

 

10

 

 

I--импульс фазы

 

 

 

 

разрежения

 

Р0-

 

tа+

 

 

t, мс

-20

tа

 

 

 

 

 

 

 

 

10

20

30

40

50

Рис. 1.4.1. Типичный вид ударной волны при подрыве ВВ.

Типичный профиль взрывного давления при подрыве ВВ приведен на

рис.1.4.1.

 

 

 

 

 

1.4.2. Уравнения, описывающие параметры

 

 

ВУВ при взрывах ВВ

 

Описанная ниже

методика

построена

на основе методики

М.А.Садовского.

Избыточное давление во фронте ВУВ определяется по формуле:

pф

 

1

 

 

 

1

 

1

 

 

 

кПа ,

(1.4.3)

=

 

 

 

82,4 +

 

 

 

 

265 +

 

 

 

687

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

R

 

R

 

 

 

 

 

где R - приведенное расстояние до центра взрыва, определяемое по зависимости:

 

 

 

R

1

,

(1.4.4)

 

 

 

 

 

R =

 

 

м/ кг3

 

 

 

KэфС

3

 

 

 

 

где С - масса заряда в кг;Кэф - коэффициент эффективности заряда ВВ по образованию ВУВ:

Kэф = Kβ ,

(1.4.5)

где К - коэффициент вида взрыва, учитывает высоту расположения заряда ВВ относительно поверхности земли, равный 1 – для воздушных взрывов и 2 - для наземных взрывов;β - коэффициент, учитывающий отношение теплоты взрывчатого превращения ВВ к теплоте взрывчатого превращения тротила. Значенияβ приведены в табл.1.4.1.

 

Значение β для ряда ВВ

Таблица 1.4.1.

 

 

 

Виды ВВ

β

Виды ВВ

 

β

Тротил

1

Тринитроанилин

 

0,981

Динитробензол

0,86

Пикрат аммония

 

0,792

Тринитробензол

1,066

Аммонийная селитра

 

0,396

Октоген

1,278

Аммотол 80/20

 

0,991

Тэн

1,378

Пироксилин

 

1,03

Дымный порох

0,658

Гексоген

 

1,306

Тринитрохлорбензол

1

Оксиликвиты (поглотители)

 

0,991

 

 

 

41

42

Закон изменения избыточного давления во времени определяется по зависимости:

(

)

 

 

t n

 

 

= ∆pф

1

 

 

кПа,

(1.4.6)

p t

 

 

 

 

 

 

τ+

 

 

где τ+ - длительность положительной фазы, определяемая по зависимости:

 

 

 

 

 

(1.4.7)

τ+ =τ+ 3 KэфСВВс,

где τ+ - приведенное время длительности положительной фазы ВУВ, определяемое по формуле:

1

 

 

τ+ =1,5 103 R с/кг3

,

(1.4.8)

где n - показатель спада избыточного давления, вычисляемый по зависимости:

 

 

p

γ

 

n = 1

+

ф

 

(1.4.9)

Р0

 

 

 

 

где γ - показатель степени, равный при 5pф 1000 кПа

0,6

при рф р0

 

γ =

 

р

,

(1.4.10)

0,4 при р

 

ф

0

 

где р0 - атмосферное давление (101,3 кПа).

Приведенный удельный импульс положительной фазы избыточного давления определяется по выражению

 

 

 

pфτ+

Па с

 

i+=

(1.4.11)

n +1

кг

1/3

 

 

 

 

 

При взрывах ВВ имеет место подобие явлений, которое выражается в следующем. При двух геометрически подобных взрывах зарядов ВВ различной энергии на одинаковых приведенных расстояниях от центра взрыва равны: значения избыточных давлений рф; приведенные времена положи-

тельной фазы τ +; приведенный удельный импульс положительной фазыi+ ; показатель спада избыточного давленияn. Это позволяет создавать

универсальные таблицы значений параметров ВУВ, независимо от их энергии взрыва (см. табл.1.4.2). Для перехода к размерным значениям

приведенные величины нужно умножить на 3Kэф С.

42

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

67 − 63 =