книги / Химическая физика энергонасыщенных материалов

5. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ЭКМ

Наличие взрывчатых свойств у того или иного вещества опре­ деляет лишь потенциальную возможность его взрывного превраще­ ния. Для того чтобы эта возможность реализовалась, необходимо произвести на ЭКМ определенное воздействие, способное вызвать взрыв. Такое воздействие называют начальным импульсом. Различ­ ные ЭКМ обладают разной чувствительностью к внешним воз­ действиям.

Чувствительность есть способность ЭКМ реагировать на внешние воздействия возникновением горения или взрыва. Чувстви­ тельность ЭКМ характеризуется минимальной величиной началь­ ного импульса, необходимой для возбуждения взрывного превра­ щения.

Самыми распространенными начальными импульсами являют­ ся механический, тепловой, электрический и взрывной. Вышепере­ численные виды начального импульса, за исключением взрывного, носят название простого начального импульса. Сюда относятся удар, трение, луч пламени, искра и др. Во многих случаях на­ блюдается отсутствие эквивалентности между различными видами начального импульса. Так, например, дымный порох более чувст­ вителен к лучу огня, чем некоторые ароматические нитросоедине­ ния, но менее чувствителен к удару.

Чувствительность ЭКМ к различным начальным импульсам ха­ рактеризует степень пожаровзрывоопасности перерабатываемого материала и служит отправной точкой для организации безопасного производства ЭКМ или его транспортирования.

5.1. Чувствительность к механическим воздействиям

Практически все технологические приемы переработки ЭКМ связаны с механическими воздействиями на них. Основной причи­ ной несанкционированных (случайных) загораний при производстве ЭКМ и изготовлении из них изделий является превышение допусти­ мого уровня механического воздействия для перерабатываемого ма-

териапа. Под чувствительностью к механическим воздействиям (удару, ударному сдвигу, трению) понимают способность ЭКМ ра­ зогреваться в локальных точках до температуры вспышки при пере­ ходе механической энергии удара или трения в теплоту. Знание закономерностей и допустимых величин тепловых воздействий, яв­ ляющихся результатом перехода механической энергии в тепловую, является одним из главных вопросов организации безопасных мето­ дов переработки ЭКМ.

В настоящее время существует множество экспериментальных методов оценки чувствительности к механическим воздействиям, которые можно разделить на две группы.

К первой группе относятся методы относительной оценки,

позволяющие построить ряд чувствительности ЭКМ, т.е. аттестовать данный ЭКМ по уровню его чувствительности к механическим воз­ действиям в стандартных условиях в ряду других ЭКМ. Необходимо отметить, что указанная группа методов широко распространена и за рубежом, в таких развитых странах, как США, Великобритания, ФРГ, Япония и др.

К этим методам относятся определение чувствительности к удару, ударному сдвигу и трению.

Определение чувствительности ЭКМ к удару. Производится на вертикальном копре с помощью так называемого штемпельного при­ борчика. Вещество помещают между двумя стальными роликами, которые вставляются в стальную втулку (штемпельный приборчик - рис. 14, а). На верхний ролик сбрасывают груз, движущийся по вер­ тикальным направляющим копра. При падении груза наблюдатель фиксирует наличие или отсутствие взрыва (хлопка, дыма, пламени).

На практике прибор на удар может быть использован в сле­ дующих модификациях.

В приборе № 1 в качестве поршеньков применяют ролики от подшипников, отличающиеся высокой степенью постоянства механи­ ческих свойств и точностью размеров. Ролики в приборе № 1 точно пригнаны к каналу обоймы и не имеют фасок на торцах, так что ЭКМ при ударе будет сжиматься, не имея возможности свободно течь.

а

Рис. 14. Схемы приборчиков для копровых испытаний: а - на удар;

б - на ударный сдвиг; в - на неударное трение; 1 - ролики; 2 - навеска испытуемого ЭКМ; 3 - поддон; 4 - муфта; 5 - вращающийся пуансон

Прибор № 2 отличается от прибора № 1 наличием кольцевой канавки в обойме на уровне расположения навески ЭКМ, что позво­ ляет оценить чувствительность ЭКМ в условиях его течения. Неко­ торые малотекучие, непластичные ЭКМ, такие, например, как пи­ роксилин, не дающие взрывов в приборе № 1 , т.е. в условиях за­ трудненного течения, вызывают частые взрывы в приборе № 2 . Напротив, ЭКМ, имеющие высокие показатели текучести, могут проявлять большую чувствительность в приборе № 1 , чем в прибо­ ре № 2 .

Стандартный прибор, применяемый согласно ГОСТ 4545-80, занимает некоторое промежуточное положение между приборами № 1 и 2, так как ролики имеют фаски на торцах. Фаски роликов в стандартном приборе в известной мере выполняют функцию ка­ навки, имеющейся в приборе № 2 .

Для определения чувствительности ЭКМ к удару в основном применяют три вида испытаний: по нижнему пределу в приборе № 2 , по частоте взрывов в приборе № 2 и по частоте взрывов в стан­ дартном приборе. Эти методы определения чувствительности ЭКМ к удару позволяют выявить влияние условий деформации вещедтва на вероятность возбуждения взрыва и правильно оценить относи­ тельную чувствительность ЭКМ при ударе.

При определении чувствительности к удару по нижнему пре­ делу навеску испытываемого вещества (0 , 1 2 г) подпрессовывают

в штемпельном приборе под давлением до 300 МПа и определяют максимальную высоту падения груза массой 1 0 кг (нижний предел), при которой получаются все отказы или не более одного взрыва из 25 определений. Взрывом обычно считают звуковой эффект, вспышку, дымообразование или обугливание испытываемого ЭКМ. В том случае, когда при падающем грузе массой 10 кг нижний пре­ дел меньше 30 мм, определяют нижний предел с грузом массой 2 кг. При отсутствии взрывов с высоты падения груза 500 мм испытания прекращают и указывают, что нижний предел для испытываемого образца составляет более 500 мм. Кроме этого, высота падения груза не должна превосходить предела, при котором в элементах системы возникает остаточная деформация, в противном случае условия опыта становятся неопределенными.

При определении чувствительности к удару по частости взры­ вов испытания выполняют при постоянной высоте падения груза, равной 250 мм. Навеска ЭКМ составляет 0,05...0,005 г. По этому методу чувствительность ЭКМ характеризуют частостью взрывов

(%) п = N 100/25, где N - число взрывов; 25 - число определений. Испытания начинают с грузом 10 кг. Если при испытаниях частость взрывов окажется равной 96... 1 0 0 %, то проводят серию испытаний с грузом в 5 кг, если в этом случае получится 96... 100 % взрывов, то

груз уменьшают до 2	кг.
Результаты определения чувствительности некоторых веществ
по данной методике приведены в табл. 5.
				Таблица 5
Чувствительность ЭКМ к удару
(груз массой 10 кг, высота падения 25 см)
Взрывчатое вещество	Частость		Взрывчатое вещество	Частость
	взрывов, %			взрывов, %
Тротил	4 ...8		Гексоген	7 0 ...8 0
Аммотолы	20	...30	Бездымный порох	7 0 ...8 0
Пикриновая кислота	24	... 32	тэн	100
Тетрил	50	...60

Иногда чувствительность определяют по удельной работе удара (Дж/м2), которую определяют по формуле Ауа= mgh/S, где т - масса груза, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; h - высота паде­ ния, м; S - площадь навески испытуемого ЭКМ в приборе, м2

Чувствительность иниции­ рующих ВВ к удару принято ха­ рактеризовать верхним и нижним пределами чувствительности, т.е. минимальной высотой йюопадения груза, при которой из определен­ ного числа испытаний (обычно не менее десяти) получается 1 0 0 %

взрывов, и максимальной высотой

падения груза /т0, при которой из Рис. 15. Зависимость вероятности

возникновения взрывов от высоты

того же числа испытаний получа­

падения груза массой т

ется 100 % отказов. Более полную информацию содержит полная кривая чувствительности, характер которой показан на рис. 15.

Определение чувствительности к ударному сдвигу производит­ ся на приборе марки К-44-Ш , в который помещен приборчик для копровых испытаний (см. рис. 14, б).

При испытаниях на приборе Боудена - Козлова К-44-Ш тонкий слой ВВ (шВв = 0,02 или 0,05 г), сжатого между двумя роликами при помощи гидравлического пресса (прибор позволяет доводить давле­ ние сжатия до 2000 МПа), подвергается быстрому воздействию тре­ ния при смещении (сдвиге) подвижного (верхнего) ролика под дей­ ствием удара груза маятника (рис. 16). Сдвиг верхнего ролика при ударе штоком благодаря ограничителю-головке происходит всегда на постоянную и определенную величину - 1,5 мм. Таким образом, навеска ВВ подвергается внешнему трению. При этом фиксируется вспышка или отказ (производится не менее 25 опытов при каждом давлении сжатия навески ВВ). Характеристикой чувствительности при испытании трением может служить давление на ВВ, при кото­ ром получается 50% или другая заданная частота вспышек.

а

б

Рис. 16. Схема работы маятникового копра К-44-Ш: а - положение частей копра перед сбрасыванием груза; б - положение частей копра после сбра­ сывания груза; 1 - груз; 2 - ударник; 3 - муфта штемпельного прибора;

4 - ролики; 5 - плунжер масляного насоса; 6 - В В

Результаты могут быть представлены в виде графика «процент вспышек - давление сжатия ВВ» или по работе трения (Дж) в этих условиях, которая вычисляется по формуле

А т р = K i p P i t y L ç g f S ,

где Кгр - коэффициент трения; Рщ>- давление прижатия образца, Па; L c m - относительное перемещение ролика по образцу, м; S - пло­ щадь образца, м2.

Определение чувствительности к неударному трению произ­ водится на приборе марки И-6-2, в который помещен приборчик для копровых испытаний (см. рис. 14, в). Оценку результатов 25 парал­ лельных испытаний производят по максимальному значению давле­ ния прижатия образца (нижний предел), при вращении пуансона в течение 3 с с угловой скоростью 520 об/мин, если не произошло воспламенения (взрыва) образца.

Несомненным достоинством данной группы методов является их простота, малая навеска испытуемого вещества (0 ,0 2 ...0 , 1 г), а также относительно малая стоимость и оперативность испытаний. Существенный недостаток - относительность оценки чувствитель­ ности испытуемых ЭКМ, т.е. построение только ряда чувствитель­ ности испытуемых ЭКМ.

Результаты исследований, полученные при помощи методов относительной оценки чувствительности к механическим воздейст­ виям, не могут быть непосредственно использованы при проектиро­ вании технологической аппаратуры и организации технологического процесса. Эти задачи решают только с использованием второй груп­ пы методов - модельных методов испытаний, которые либо вос­ производят работу отдельного узла аппарата, либо моделируют в количественном измерении процессы, происходящие в ЭКМ. Од­ нако эти методы при всей их необходимости могут быть применены только при наличии действующей или, по крайней мере, уже спро­ ектированной аппаратуры, а также достаточного количества испы­ туемого ЭКМ (десятки и сотни граммов, а иногда и больше).

Анализ работы технологического оборудования, применяемого при производстве ЭКМ, позволяет при всей его сложности выделить несколько типов механического воздействия на перерабатываемый материал, соответствующих реальным условиям производства, та­ ких как объемное сжатие, трение при сдвиге, течение через канал (зазор) и т.п. (табл. 6 ).

Представленная классификация механических воздействий по­ зволяет путем создания несложных устройств произвести экспери­ ментальное моделирование и определение критических параметров загорания применительно к технологической аппаратуре, исполь­ зуемой в производстве ЭКМ. Основными параметрами, характери­ зующими условия загорания ЭКМ, являются: удельное давление в зоне воздействия (руа, Па), относительная скорость перемещения ЭКМ (V, м/с), а также длительность этого воздействия (t, с).

Существуют определенные положения для создания моделей, при разработке которых необходимо выполнить ряд следующих

требований: ЭКМ и основные материалы, контактирующие с ним должны соответствовать натурным; должна соблюдаться идентич­ ность механизма инициирования взрывчатого превращения; условия развития процесса должны соответствовать натурным (превышение критического диаметра детонации, предельные давления, инер­ ционность и др.).

Таблица 6

Классификация типов механического воздействия при технологических операциях в процессе производства ЭКМ

Тип воздействия	Технологические операции	Определяемые
	или оборудование	параметры
Объемное сжатие	Поддавливание, полимеризация,	р , МПа
	слив, прессование
Трение при сдвиге	Поршни, шнеки, скребки	V, м/с; р, МПа
Трение при беско­	Уплотнения, механическая обра­	V, м/с; р, МПа
нечном сдвиге	ботка
Течение через канал	Шнеки, решетки, вальцы	IV, м ин'1;р, МПа
Скоростной удар	Центробежное смешивание	V, м/с

Методы моделирования механических воздействий, разрабо­ танные применительно к производству и эксплуатации ЭКМ, нашли достаточно широкое применение и хорошо зарекомендовали себя.

Таким образом, целесообразность использования обеих групп методов оценки чувствительности не вызывает сомнений. Преиму­ щество каждой из групп на определенном этапе разработки нового ЭКМ очевидно, так как на первоначальном этапе решающую роль при аттестации ЭКМ в ряду уже известных играют результаты отно­ сительной оценки чувствительности, при организации же безопасно­ го технологического процесса необходимо знание критических па­ раметров загорания, которые можно получить при помощи модель­ ных испытаний.

5.2. Чувствительность к тепловым воздействиям

(тепловой начальный импульс)

Рассмотрим две разновидности теплового начального им­ пульса:

1)нагрев (поджог) ЭКМ пламенем, или огневой начальный им­

пульс;

2)нагрев ЭКМ источником тепла без пламени.

5.2.1. Огневой начальный импульс

Чаще всего огневой начальный импульс применяется для зажи­ гания порохового заряда при стрельбе и при запуске ракетных или реактивных систем, а также для возбуждения детонации капсюлядетонатора. С позиций обеспечения безопасности рассматривают возможность воспламенения ЭКМ в процессе его производства при воздействии открытого пламени, например, при пожаре.

В процессе горения пороха различают три фазы: зажжение, воспламенение и горение.

Зажжение - процесс начала горения пороха под влиянием внешнего импульса - создание локальных очагов взрывного пре­ вращения. После того как порох загорится хотя бы в одной точке, реакция горения идет уже сама собой за счет выделяемого при этом тепла. Бездымные пороха загораются при температуре около 200 °С, дымные - при температуре около 300 °С. После зажжения пороха одновременно идут два процесса - воспламенение и собственно го­ рение.

Воспламенение пороха - процесс распространения реакции го­ рения по поверхности пороховых зерен. Скорость воспламенения зависит, главным образом, от давления газов, а также от состояния поверхности пороха (гладкая, шероховатая), от его природы и фор­ мы, от состава газов и продуктов горения воспламенителя.

Горение пороха - процесс распространения реакции горения в толщу пороха, в глубь порохового зерна, перпендикулярно к по­ верхности пороха. Скорость горения также в основном зависит от

давления газов, окружающих порох, от природы пороха и от его температуры, а также от скорости течения газов вдоль поверхности пороха (в ракетных двигателях).

На открытом воздухе скорость воспламенения иь бездымных порохов в 2-3 раза больше, чем скорость горения и (м, = 2...4 мм/с, и = 1... 1,5 мм/с). Дымный порох воспламеняется в сотни раз быст­ рее, чем бездымный: и, = 1.. .3 м/с, в то время как и = 10 мм/с.

При использовании воспламенителей, образующих газы высо­ кой температуры и создающих в объеме предварительное давление, процесс воспламенения пороха во много раз ускоряется, и в первом приближении можно принимать процесс воспламенения заряда близким к мгновенному.

Очевидно, что воспламенитель порохового заряда должен со­ общить поверхности заряда температуру, необходимую для его за­ жжения.

Для оценки возможности воспламенения существует много эм­ пирических формул, разнообразных по составу и учету различных факторов. Например, такая: Q > qS, где S - воспламеняемая поверх­

ность пороха; q - количество тепла, приходящееся на единицу по­ верхности заряда, чтобы его надежно воспламенить (q ~ 7 ккал/кг); Q - количество тепла, подаваемого от внешнего источника.

5.2.2. Нагрев ЭКМ источником тепла без пламени

Чувствительность к тепловому импульсу без пламени чаще все­ го характеризуется температурой вспышки. Для обеспечения вспышки необходимо превышение теплоприхода, обусловленного протеканием химической реакции термического разложения над теплопотерями, возникающими вследствие проводимости и радиации тепла. Температурой вспышки называют ту минимальную темпера­ туру, при которой теплоприход становится больше теплоотвода, и химическая реакция, вследствие ее ускорения и самоускорения, принимает характер взрывного превращения.

Очевидно, что при нагревании ЭКМ моменту вспышки предше­ ствует период самоускорения химической реакции. Промежуток