ТАКСОНОМИЯ И ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ОПАСНОСТИ

10.5. ДЕЙСТВИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВВ

Приводимые случаи относятся к взрывам в воздухе, на поверхности земли или около нее. Взрывы, которые происходят в воде или на большой высоте, могут значительно отличаться по своему действию от тех, которые описаны ниже.

В этом подразделе рассматриваются взрывы первичных и вторичных ВВ, но не метательных ВВ. Детонация может инициироваться в случае первичных ВВ ударом или трением, а в случае вторичных- детонацией первичных ВВ, находящихся в контакте со вторичными ВВ.

Хотя не разработано практических методов обкладки конденсированного ВВ для сохранения его начального объема, прочная оболочка будет временно сдерживать начальное давление и передавать давление к детонирующему веществу и, таким образом, усиливать детонацию. Взрывная волна после этого будет распространяться по всей массе вещества. Существует критический диаметр заряда, меньше которого детонация распадается. Этот диаметр составляет 2-7 мм в зависимости от ВВ и его плотности. Если диаметр больше, скорость детонации может составлять 5-9 км/с в зависимости от ВВ [Stull,1977;

Baker.1983]. Первоначально образовавшиеся газы так сильно сжимаются, что законы идеального газа становятся неприменимыми к ним. Взрывы происходят настолько быстро, что химическое равновесие между продуктами реакции не успевает устанавливаться.
10.5.2. ДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Взрыв первоначально образует огневой шар с температурой свыше

2000 °С и начальным давлением, которое теоретически может достигать 20 - 40 ГПа, или 200 - 400 тыс. бар [Baker,1983].

Продукты взрыва расширяются, охлаждаясь по пути. Начальная скорость расширения (иногда его называют "воздушным потоком" или "ураганом"; оба термина чрезвычайно неадекватны) достигает нескольких км/с. Но это действие относительно локализовано; Робинсон [Robinson,1944] предполагает, что оно локализовано на расстоянии около 8 м для 100 кг бризантного ВВ. Давление расширяющихся газов образует ударную волну, которая, хотя и начинает двигаться с той же самой скоростью, что и фронт расширяющегося газа, вскоре замедляется до скорости звука в воздухе, т. е. около 1/3 км/с. "Воздушный поток" проходит короткое расстояние, но ударная волна выходит за пределы его распространения и проходит далеко дальше, деградируя в конце концов в звуковую волну. Искусственные взрывы слышны на десятки километров; взрыв вулкана Кракатау в 1883 г. был слышен как "гул" на расстоянии 5 тыс. км в течение четырех часов после события [Houwink,1976]. Одно из действий этого воздушного потока выражается в образовании воронки в случае расположения ВВ на поверхности земли или вблизи её.* В книге [Robinson, 1944] приводятся

_________________________________________________________________________________________

По-видимому, взрыв вулкана Кракатау является примером одного из наиболее крупных случаев "физической детонации" - см. примечание к разд. 10.3.3. Этот взрыв происходил в результате взаимодействия расплавленной лавы с морской водой. - Прим. ред.

соотношения, связывающие объем и диаметр воронки с массой заряда ВВ. Можно ожидать, что будет значительная степень разброса вследствие изменения природы подстилающей поверхности. Эти соотношения таковы. Для 1 т ВВ объем воронки составляет 60 м3.

где D - диаметр, м; V - объем, м3; h - глубина, м. Таким образом, для массы 1 т

Робинсон приписывает Олсену (ссылки не приводятся) результаты наблюдения, показывающие, что h = D/2. Тогда

Следовательно, для массы 1 т D ≈ 16,7 м.

Масса ВВ в этих уравнениях строго определена только для стандартных ВВ "бризантного действия". Понятие бризантного действия в последнее время количественно выражается давлением детонации, обычно измеряемым в ГПа (1 ГПа = 104 бар). Давление детонации подсчитано теоретически, так как реально его нельзя измерить [Cook.1966; Kirk-0thmer,1980; Baker,1983].

Из данных в [Cook, 1966] вытекает, что объем ямки в стальной пластинке (в форме воронки) можно выразить соотношением

где К - константа; Р - давление детонации.

Ударная волна рассматривается в книге [Baker, 1973], поэтому все, что изложено ниже, в отличие от этой работы затрагивает только самые простейшие вопросы. На рис. 10.1 показана форма идеальной ударной волны. Из рисунка видно, что существует положительная фаза (с избыточным давлением),за которой следует отрицательная фаза (с разрежением). По общему мнению, алгебраическая сумма интегралов двух фаз равна нулю.* Разрежение составляет только (иначе не может быть) долю от атмосферного давления; из этого следует, что если избыточное давление превышает, например 1 атм, то для того, чтобы импульсы положительной и отрицательной фазы были алгебраически равны, длительность отрицательной фазы должна превышать длительность положительной фазы, т. е.

где I+S и I-S - положительный и отрицательный импульсы и

Обозначения те же, что и на рис. 10.1.

_______________________________________________________________________________________

*Это справедливо на достаточном удалении от места взрыва. - Прим. ред.

Рис. 10.1. Форма ударной волны.

Были предприняты попытки получить функции, которые связывали бы амплитуду со временем. Эти функции рассматриваются в работе [Baker.1973], но, по-видимому, здесь приводить их не уместно. Бейкер отмечает, что в большинстве работ рассматривается положительная фаза. Широко распространено убеждение, что поражающее действие ударной волны обусловлено действием положительной фазы, а вклад отрицательной фазы несуществен. На практике оказывается, что после прохождения отрицательной фазы могут возникнуть повторные положительная и отрицательная фазы более низкой и быстро спадающей амплитуды.
10.5.4. ИЗБЫТОЧНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ЕГО ИЗМЕРЕНИЕ

Избыточное давление - один из ключевых параметров в анализе взрывов. Распространено использование таких понятий, как максимальное избыточное давление и избыточное давление проходящей волны (side-on peak overpressure).

Давление проходящей волны соответствует измерению давления с лицевой стороны датчика, расположенной параллельно направлению распространения взрывной волны. (Термин "статическое избыточное давление" для описания этого параметра сейчас практически не употребляется.)

Если избыточное давление измерять датчиком, ориентированным под углом 90° к направлению распространения взрывной волны, то тогда измеренный физический параметр следует называть избыточным давлением отраженной волны. Оно может иметь значение, в 2 - 8 раз превышающее избыточное давление проходящей волны. Избыточные давления в отраженной ударной волне более подробно рассматриваются в последующей главе, в разделе, посвященном описанию сопротивления зданий действию ударной волны. В тех случаях, когда термин "избыточное давление" используется без пояснений, подразумевается избыточное давление в проходящей волне или максимальное избыточное давление.

Соотношение между массой ВВ, избыточным давлением и расстоянием весьма несложно получить, используя закон подобия Хопкинсона [Hopkinson.1915]. Этот закон можно сформулировать следующим образом :

"Подобные ударные волны образуются на тождественно равных приведенных расстояниях в тех случаях, когда два заряда одного и того же ВВ подобной геометрии, но различного размера детонируют в одинаковой атмосфере". Таким образом,

Z = R/M1/3, или Z = R/E1/3

где Z - приведенное расстояние; R - расстояние от заряда; М - масса ВВ; Е -энергия ВВ. Подобным образом можно промасштабировать избыточное давление в проходящей волне, избыточное давление отраженной волны, скорость фронта ударной волны, длительность и импульс.* Отметим, что Z - величина, имеющая размерность. Анализ размерностей ударных волн подробно обсуждается в книге [Baker.1973].

Так как величина М относится к массе стандартного ВВ, для других ВВ можно использовать массу ТНТ-эквивалента (в соответствии с энергосодержанием ВВ). Закон Хопкинсона выдержал проверку временем и успешно применяется даже для термоядерных взрывов [Glasstone,1980]. Диапазон масс, таким образом, включает массы от 100 г до 20 Мт (в ТНТ-эквиваленте).

Закон Хопкинсона расширен Саксом. Закон Сакса учитывает изменения в атмосферном давлении и температуре и является более общим, чем закон Хопкинсона [Baker,1973]. Далее будет предполагаться, что рассматриваемые взрывы происходят на уровне земли и при стандартном атмосферном давлении, при этом можно будет применить закон подобия Хопкинсона.

Соотношение между избыточным давлением и расстоянием интенсивно исследуется, главным образом для военных целей. Применение закона Хопкинсона дает возможность получить это соотношение в виде, независимом от массы заряда, что достигается посредством нанесения данных по избыточному давлению и приведенного расстояния на график; значение приведенного расстояния рассматривается выше.

На рис. 10.2 показано соотношение между избыточным давлением и приведенным расстоянием. Оно основано на кривой, построенной по 273 точкам, взятым из [Kingery.1962]. Эта кривая относится к взрывам на уровне земли, тогда как кривая, приведенная в [Baker, 1983], получена для взрывов в однородной безграничной атмосфере и имеет другие значения избыточного давления при данном приведенном расстоянии, чем кривая в работе [Kingery,1962]. Можно подчеркнуть, что существуют большие расхождения в экспериментальных результатах и что график представляет соотношения "наилучшего согласия".

_______________________________________________________________________________________

*На равных приведенных расстояниях избыточные давления будут равными; импульс и длительность волны будут пропорциональны М"-. - Прим. ред.

Импульс ударной волны является функцией как избыточного давления, так и времени. Однако когда рассматривается потенциал разрушения, можно доказать, что важно не только избыточное давление, но и длительность. Согласно закону подобия Хопкинсона, для любого данного взрыва длительность и, следовательно, импульс устанавливаются для заданного уровня избыточного давления. В принципе это может не быть справедливым для всех ВВ, но для конденсированных ВВ нет, по-видимому, больших вариаций.

Однако высказанное утверждение может быть несправедливо для случая, когда проводится сравнение между конденсированными ВВ, с одной стороны, и либо ядерным взрывом, либо взрывом парового облака - с другой. Из работы [Glasstone,1980] следует, что длительность ударной волны от ядерного взрыва мощностью 1 кт изменяется в пределах 0,10 - 0,40 с. Длительность ударной волны от взрыва парового облака неизвестна, но можно ожидать, что она превышает длительность ударной волны конденсированного ВВ на несколько порядков величины.*

10.5.6. УДАРНАЯ ВОЛНА И РАЗРУШЕНИЕ

10.5.6.1. ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ

Взрывы как основные опасности химических производств могут быть описаны посредством потенциала разрушения. Разрушение можно предсказать по теории, но вследствие накопленных обширных исторических данных об происшедших аварийных взрывах и результатах исследований, выполненных главным образом для военных целей, рассмотрение, приводимое ниже, почти полностью основано на данных, полученных из практики. Опираясь на практические сведения и закон подобия Хопкинсона, можно прогнозировать вероятную степень разрушения для любого заданного радиуса поражения при взрыве эквивалентного количества ТНТ.

Нельзя не отметить, что такой прогноз имеет статистическую природу и относится к диапазону радиусов, а не к какому-либо конкретному радиусу. Для этого есть ряд причин; некоторые из них приводятся ниже: а) параметры ударной волны (избыточное давление, импульс) можно предсказать только статистически; б) размер и траектории разлета осколков можно предсказать только статистически; в) характеристики объектов поражения разнообразны: люди различаются по возрасту, физическому состоянию, дома - по размеру, строительному материалу и конструкции; г) на характер разрушения влияет ориентация поражаемых взрывом объектов относительно направления распространения ударной волны.

10.5.6.2. ПОРАЖЕНИЕ ЛЮДЕЙ

Как и в случае неживых объектов, человек, попав в ближнюю зону действия взрыва, например в зону радиуса воронки, образованной зарядом ВВ, может буквально разорваться на части. В случае небольшого заряда (массой 1 кг или менее) возможно ограниченное увечье, как это происходит в случае, когда человек подрывается на мине. Существует, однако, различие между военными взрывами и типом взрывов, происходящих в химической и перерабатывающей промышленности. Боеприпасы военных ВВ специально конструируются как противопехотное средство, и в этом случае они разрываются на осколки, воздействие которых будет смертельным на расстояниях, превышающих расстояния смертельного действия самого взрыва. Примером этого может служить бомба типа "Mills" или ручная граната, которая по форме похожа на ананас и сконструирована так, чтобы при разрыве распадаться на мелкие части. Каждый такой осколок несет в себе потенциальную смерть. Однако взрыв, например в барабане котла, также может приводить к образованию осколков. Число таких осколков будет незначительно, а их форма с точки зрения аэродинамики будет неблагоприятной. Тем не менее такие осколки часто оказываются смертельными.

Оценка максимального приведенного расстояния для случая смерти, возникающей только от взрыва, изменяется в зависимости от физического положения человека и его расположения относительно отражающей поверхности. Для данного избыточного давления намного более вероятно, что смерть произойдет, если человек находится близко к стене, которая перпендикулярна направлению распространения ударной волны, чем, если бы он находился на открытом месте.

______________________________________________________________

*Данные по длительности ударной волны от взрывов паровых облаков, полученные расчетным путем и экспериментально, содержатся, например, в работах [Strehlow,1979; Fishburn,1976; Giesbrecht,1981]. В случае если сравниваются взрывы равной энергии, отличие в порядке величин отсутствует. - Прим. ред.

Наименьший риск смерти будет у тех, кто лежит на земле перпендикулярно направлению распространения ударной волны.

Значения, приводимые в [Glasstone,1980] для оружия, представлены в табл. 10.3. Уровень поражения человека в зависимости от импульса и избыточного давления воздушной ударной волны обсуждается в работе [Baker, 1983].

Однако, хотя взрыв, возможно, и основная причина гибели жертвы, захваченной на открытой местности, в застроенной местности действуют другие факторы. Первый из них уже отмечался выше, а именно: избыточное давление может значительно усиливаться при отражении от стен или резервуаров. Смерть может последовать от разрушения зданий, приводящего к удушью, раздавливанию или ожогу, если здание охвачено огнем. В застроенной местности могут возникнуть вторичные осколки, такие, как кирпичи, кровельная черепица или, возможно, наиболее опасные из всех - летящие стекла. Сама жертва может стать "осколком" и быть отброшена на сооружение.

Этот вопрос достаточно сложен и заслуживает отдельного рассмотрения (см. гл. 20).