CC BY
172
УДК 623.451.083.37
А. В. Касаткин, Н. М. Ватутин, В. В. Колтунов, С. Е. Малинин
ОСОБЕННОСТИ ФОСФОРОСОДЕРЖАЩИХ БОЕПРИПАСОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
И МЕТОДЫ ИХ УТИЛИЗАЦИИ
Ключевые слова: желтый, белый, красный фосфор, фосфоросодержащие боеприпасы.
В данной статье проведен анализ проблемы утилизации фосфоросодержащих боеприпасов, показавший её актуальность и важность. Рассмотрены конструктивные особенности основных типов дымовых боеприпасов важные с точки зрения их последующей утилизации. Проанализированы физико-химические свойства различных аллотропных модификаций фосфора. По результатам анализа предложены различные методы утилизации фосфоросодержащих боеприпасов.
Keywords: yellow, white, red phosphorus, white phosphorus munitions.
In this article have analyzed the problem of utilization of ammunitions filled with phosphorus, which had shown its relevance and importance. Design features of major types of smoke ammunition which is important in terms of their further utilization were considered. Was analyzed the physical and chemical properties of different allotropic modifications ofphosphorus. Based on the analysis offered various methods of utilization ofphosphorus ammunition.
Введение
Значение и важность проблемы утилизации боеприпасов специального назначения привлекают внимание многих специалистов, работающих в различных областях науки, что выражается в большом количестве разрабатываемых методик по уничтожению боеприпасов данного типа. Однако методы утилизации фосфоросодержащих боеприпасов изучены не до конца. Существующие на сегодняшний день технологии утилизации боеприпасов основного назначения (осколочных, фугасных, осколочно-фугасных, кумулятивных, бронебойных, подкалиберных и др.) основаны на извлечении разрывного заряда тем или иным методом, в зависимости от физико-химических свойств содержащихся в них взрывчатых веществ (плавкие и неподдающиеся плавлению) и методах снаряжения (вкладные, прессованные, литые) не применимы для утилизации боеприпасов снаряженных жёлтым фосфором из-за его специфических свойств, о которых будет рассказано дальше. По этой причине вопрос утилизации боеприпасов, снаряженных жёлтым фосфором, даже не рассматривался. А между тем номенклатура таких боеприпасов достаточно широка и включает в себя боеприпасы калибра от 82 до 240 мм, а также ручные гранаты. При этом их общее количество превышает миллион штук. Учитывая, что боеприпасы в таком снаряжении, да и ещё с истекшими сроками хранения, представляют собой реальную угрозу возникновения чрезвычайных ситуаций в местах их хранения, проблема утилизации боеприпасов, снаряженных жёлтым фосфором, является крайне важной и актуальной.
«Затянутое решение вопроса об утилизации фосфорсодержащих боеприпасов», - значилось как одна из приоритетных проблем выполнения государственного оборонного заказа в 2011 году, озвученных на совещании Военно-промышленной комиссии при Правительстве Российской Федерации в начале 2012 года.
Показателен факт, когда в 2011 году на 102 арсенале (Ижевск) после прекращения пожаров и взрывов боеприпасов, через несколько дней внезапно на одном из объектов вновь начались пожары с последующими взрывами боеприпасов. Причиной этих пожаров явилась потеря герметичности снарядов, снаряженных желтым фосфором.
Такжеактуальность проблемы утилизации дымовых фосфоросодержащих боеприпасов подчеркивает случай произошедший в Сербии, когда мощный взрыв прогремел в центре хранения боеприпасов, в результате чего министерство обороны обратилось за помощью к ОБСЕ и ПРООН, чтобы помочь им управлять своими запасами боеприпасов. Впоследствии была разработана программа по утилизации (CASM) /1/.
В этой связи с 2011 года ФКП «НИИ «Геодезия» в инициативном порядке, собственными силами приступило к разработке методов утилизации фосфорсодержащих боеприпасов и их апробации /2, 3/.
Сложность решаемой задачи обусловлена такими специфическими физико-химическими свойствами жёлтого фосфора как способность самопроизвольного воспламенения на воздухе, высокая токсичность, как самого фосфора, так и продуктов его горения. Поэтому важнейшим условием при разработке методов утилизации фосфорсодержащих боеприпасов является соблюдение особых мер предосторожности, обеспечивающих требуемый уровень безопасности проводимых работ.
Особенности конструкции боеприпаса
Перед проведением работ потребовалось доскональное изучение, как конструктивных особенностей различных типов боеприпасов, так и физико-химических свойств самого фосфора. Перечень боеприпасов, исследованных в процессе выполнения настоящей работы, указан в таблице 1.
Таблица 1 - Номенклатура дымовых боеприпасов
№ п/п Наименование Индекс
1 82-мм дымовая мина 53-Д832С
2 82-мм дымовая мина 53-Д-832
3 82-мм дымовая мина 53-Д832ДУ
4 85-мм дымовой снаряд 3Д2
5 85-мм дымовой снаряд 53-Д-367
6 100-мм дымовой снаряд 3Д3
7 100-мм дымовой снаряд 53-Д-412
8 120-мм дымовая мина 53-Д-843
9 122-мм дымовой снаряд 3Д4
10 122-мм дымовой снаряд 53-Д-462
11 122-мм дымовой снаряд 53-Д-462А
12 130-мм пристрелочно-целеуказательный снаряд 3ДЦ1
К боеприпасам, снаряженным жёлтым фосфором, относятся такие специальные боеприпасы как дымовые, пристрелочно-целеуказательные и зажигательные. Конструкция основных типов таких боеприпасов представлена на рисунке 1.
1 — корпус, 2 — запальный стакан, 3 — взрыватель, 4 — разрывной заряд, 5 — дымообразующее вещество, 6 — пробка, 7 — свинцовая прокладка
Рис. 1 - Схема устройства различных типов дымовых боеприпасов
Боеприпас состоит из корпуса 1, ввинченного в очко корпуса запального стакана 2 и взрывателя 3. В зависимости от необходимого характера действия боеприпаса у цели снаряды могут оснащаться ударными или дистанционными взрывателями. В запальном стакане помещается разрывной заряд 4. Вес разрывного заряда составляет от 1 до 1,5 % от веса всего боеприпаса. Заполнение каморы дымообразующим веществом 5 может производиться как через специальное заливочное отверстие в донной части, закрываемое затем резьбовой пробкой 6 имеющей четырёхгранную головку которая самосрезается в процессе затягивания, так и через очко корпуса, закрываемое затем запальным стаканом, имеющим специальные шлицы или отверстия для его вворачивания с помощью специального ключа. Использование
самосрезающейся пробки делает её практически не извлекаемой. Камора заполняется дымообразующим веществом на 95 - 98%, что составляет от 10 до 15% от веса боеприпаса. Для обеспечения хорошей текучести жёлтого фосфора заполнение корпусов производится при температуре 73°С. Во всех случаях для обеспечения герметичности и предупреждения просачивания дымообразующего вещества наружу, детали корпуса свинчиваются на суриковой (свинцовой или железной) замазке с установкой специальных свинцовых прокладок 7. Корпуса боеприпасов, предназначенные для снаряжения фосфором через донное отверстие, отличаются тем, что запальный стакан устанавливается непосредственно на механическом заводе без использования свинцовой прокладки только на суриковой замазке, но с последующей закаткой стыка между запальным стаканом и корпусом /4, 5, 6/.
Следует обратить особое внимание на то, что наряду с боеприпасами, снабжёнными длинными запальным стаканом, т.е. имеющими длину близкую к глубине каморы, встречаются и боеприпасы с коротким запальным стаканом. Кроме того, конструкции запальных стаканов бывают двух типов - цельные и сборные. Если цельный запальный стакан представляют собой глухой стальной стакан, изготовленный из одного куска металла методом штамповки с последующим обтачиванием и нарезкой резьб. То сборные запальные стаканы представляют собой составную конструкцию, состоящую из корпуса в виде стальной трубы к верхней части которой приварена головка с наружной и внутренней резьбами, а нижней частью одетую через прокладку на стальное дно и обжатую на прессе. В некоторых сборных запальных стаканах в качестве материала прокладки вместо свинца была использована резина. Недостатком данной конструкции является то, что при длительном хранении возможно старение резины с потерей ею эластичных свойств, кроме того термостойкость резины не может превышать 473,1 К (200°С). Хотя наличие механической закатки стыка и обжатие соединения на прессе должно обеспечивать необходимую герметичность данного соединения, как при его хранении, так и при проведении работ по утилизации боеприпасов, снаряженных жёлтым фосфором, следует обращать особое внимание на данную специфику некоторых боеприпасов. На основании изложенного можно утверждать, что конструкция боеприпаса обеспечивает герметичность, а если рассматривать корпус боеприпаса как сосуд, работающий под давлением, то его конструкция, с учётом толстостенности и малого внутреннего диаметра, должна выдерживать некоторое внутреннее давление. А принимая во внимание, что температура плавления свинца, используемого для изготовления уплотнительных прокладок составляет 600,5 К (327,4°С) то можно сделать вывод о том, что боеприпасы со свинцовыми прокладками в состоянии обеспечить герметичность при температурах до 573 К (300°С).
Учитывая потенциально высокую опасность дымовых боеприпасов на арсеналах, базах и складах Минобороны России они хранятся в неокончательно снаряженном виде, а их приведение в окончательно снаряженный вид производится только в случае поставки в воинские части для проведения стрельб. Поэтому на утилизацию боеприпасы, снаряженные жёлтым фосфором, поступают без взрывателя и разрывного заряда. Однако даже в случае получения боеприпасов в окончательном снаряженном виде удаление взрывателя и разрывного заряда не составляет особых трудностей, т.к. разрывной заряд свободно вкладывается в запальный стакан и поджимается хвостовиком взрывателя.
Проведённый анализ конструктивных особенностей боеприпасов показал
принципиальную возможность извлечения из них дымообразующего состава. Для этого могут быть использованы следующие методы:
- разборка боеприпаса посредством вывинчивания запального стакана по имеющемуся резьбовому соединению с использованием для этого штатных мест для фиксации специального ключа;
- разрушение корпуса боеприпаса посредством надрезания стенки с последующим разламыванием корпуса по ослабленному сечению;
- просверливанием сквозных отверстий в стенке корпуса боеприпаса по кратчайшему направлению в нижней части каморы боеприпаса.
Свойства дымообразующего вещества
Рассмотрим подробнее основные физико-химические свойства дымообразующего вещества, в данном случае - жёлтого фосфора. Фосфор, и его растворы и соединения применяются обычно для зажжения легковоспламеняющихся материалов. Основное преимущество белого фосфора перед другими зажигательными веществами заключается в том, что он в мелкораздробленном состоянии самовоспламеняется и сгорает на воздухе. При сгорании образуется желтовато-белое пламя и выделяется большое количество весьма устойчивого на воздухе белого дыма - пятиокиси фосфора.
Как указывает А.П. Горлов, фосфорные мины и ручные гранаты оказались весьма эффективными в окопной борьбе. Взрыв таких мин, создавая большое количество дыма, действует на противника деморализующе. Мельчайшие брызги
расплавленного горящего фосфора, прожигая одежду и поражая тело, наносят тягчайшие поражения коже /7/.
Элементарный фосфор в обычных условиях представляет собой несколько устойчивых аллотропических модификаций. Обычно выделяют четыре модификации простого вещества — белую, красную, черную и металлический фосфор. Иногда их ещё называют главными аллотропными модификациями, подразумевая при этом, что все остальные являются разновидностью указанных четырёх. В обычных условиях существует только три первых аллотропных модификации фосфора — белый, красный и чёрный. Все модификации различаются по цвету, плотности и другим
физическим характеристикам, существует тенденция к резкому убыванию химической активности при переходе от белого к чёрному фосфору /8, 9/.
Наиболее распространенбелый, илижелтый, фосфор. Белый фосфор имеет молекулярную решетку, в узлах которой находятся тетраэдрические молекулы Р4 (рис. 2).
Рис. 2 - Молекула белого фосфора Р4
Белый фосфор представляет собой вещество белого цвета (из-за примесей может иметь желтоватый оттенок) со специфическим чесночным запахом. Температура плавления 317,25К (44,1°С). По внешнему виду он очень похож на очищенный воск или парафин, легко режется ножом и деформируется от небольших усилий. Плотность белого фосфора из всех его модификаций наименьшая и составляет около 1,82 г/см3. Химически белый фосфор чрезвычайно активен /8, 9, 10/. Например, он медленно окисляется кислородом воздуха уже при комнатной температуре и светится бледно-зелёным свечением. Белый фосфор не только активен химически, но и ядовит — он вызывает поражение костей, костного мозга, некроз челюстей. Летальная доза белого фосфора для взрослого мужчины составляет 0,05 — 0,15 г.
Жёлтый фосфор также относится к вредным веществам (ПДК паров жёлтого фосфора в воздухе рабочей зоны производственных помещений составляет 0,03 мг/м3), является огнеопасным кристаллическим веществом от светло-жёлтого до тёмно-бурого цвета. Из-за наличия примесей его плотность составляет 1,83 г/см3, плавится при 307,15 К (34° С), кипит при 553 К (280° С). В воде практически не растворяется, растворимость при 25° С составляет менее 3,3*10-4%, что позволяет осуществлять его безопасное хранение под водой. На воздухе жёлтый фосфор легко окисляется и самовоспламеняется. При нагревании жёлтого фосфора в течение нескольких часов без доступа воздуха при температуре порядка 523,15 — 533,15 К (250 - 300° С) из него может быть получен красный фосфор. Этот переход является экзотермическим и может быть ускорен ультрафиолетовыми лучами, а также такими примесями как йод, натрий, селен. Горит жёлтый фосфор ослепительным ярко-зеленым пламенем с выделением густого белого дыма — мелких частичек декаоксидатетрафосфора Р4Ош, который сушит слизистые оболочки, вызывает кашель, удушье, отёк лёгких, ожоги на коже,
поэтому сжигании фосфора является опасной операцией, проведение которой требует соблюдения особых правила техники безопасности. Сжигание фосфора можно производить на открытой, окопанной канавой, площадке в радиусе не менее 1 км от которой не должно быть жилых помещений, общественных зданий, дорог и зелёных насаждений, ничего живого /9, 11/. Известны случаи, когда с целью снижения вредного воздействия перед сжиганием жёлтый фосфор перемешивают с сырой глиной. Но во всех случаях проведение данного процесса без использования специального технологического оборудования, обеспечивающего герметичность и полное улавливание продуктов сгорания, наносит значительный ущерб окружающей природе и является абсолютно не приемлемым.
Для тушения фосфора, с целью снижения температуры очага возгорания и перевода фосфора в твердое состояние, используют воду в больших количествах или раствор сульфата меди (медного купороса), после гашения фосфор засыпают влажным песком. При этом насыщенный раствор сульфата меди связывает фосфор в безопасные соединения. Для предохранения от самовозгорания желтый фосфор хранится и перевозится под слоем воды (при отрицательных температурах - раствора хлористого кальция или хлористого натрия).
Название красный фосфор относится к нескольким модификациям, различающимся по плотности и окраске: она колеблется от оранжевой до темно-красной и даже фиолетовой. Красный фосфор, образующийся при нагревании белого до 320°С без доступа воздуха, является рентгеноаморфным, при дальнейшем нагревании до 560 °С переходит в кристаллическое состояние за счет разрыва одной связи Р - Р в тетраэдре Р4 и дальнейшего связывания оставшихся групп в цепи, кольца и трубки (рис. 3). Такая полимеризация приводит к упрочнению связи Р - Р, увеличению плотности и температуры плавления до 600°С и уменьшению реакционной способности.
Рис. 3 - Молекула красного фосфора
Красный фосфор, также называемый фиолетовым фосфором — это более термодинамически стабильная модификация элементарного фосфора. Химическая активность красного фосфора значительно ниже, чем у белого;
ему присуща исключительно малая растворимость /8, 9, 12/. Он нерастворим в воде, после замачивания в воде он может быть высушен и использован по назначению. Красный фосфор на воздухе не самовоспламеняется, вплоть до температуры 513,15 — 523,15 К (240 — 250° С) (при переходе в белую форму во время возгонки), но самовоспламеняется от трения или удара. Его ядовитость в тысячи раз меньше, чем у белого, поэтому он находит широкое применение в промышленности, в том числе и пиротехнике.
При повышенном давлении белый фосфор переходит в черный фосфор. Это самая устойчивая модификация фосфора. Кристаллический черный фосфор тоже имеет несколько модификаций. Ромбическая модификация построена из гексагональных колец Р6, упакованных в слои, причем кольца не являются плоскими (рис. 4).
Рис. 4 - Ромбическая модификация черного фосфора
Существуют также кубическая и гексагональная модификация.
Чёрный фосфор— это наиболее термодинамически и химически стабильная, и наименее активная форма элементарного фосфора. Чёрный фосфор может быть получен из белого фосфора под давлением 20 тысяч атмосфер и температуре более 473,15 К (200°С) /8, 9/. Этот фосфор представляет собой чёрное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь внешне похожее на графит, с полностью отсутствующей растворимостью в воде. Поджечь чёрный фосфор можно, только в атмосфере чистого кислорода раскалив до 673,15 К (400° С).
Таким образом, выполненный анализ физико-химических свойств дымообразующего вещества позволил установить, что:
- уничтожение боеприпасов, снаряженных жёлтым фосфором, методом сжигания с соблюдением экологических требований без использования мощных очистных установок, обеспечивающих герметичность, сбор и улавливание образующихся продуктов горения не представляется возможным;
- для изоляции жёлтого фосфора от атмосферного воздуха может быть использована при положительных температурах вода, а при отрицательных температурах водные солевые растворы /10/.
На основании проведённых анализов были сделаны предположения о принципиальной возможности организации безопасной утилизации
дымовых и зажигательных боеприпасов, снаряженных жёлтым фосфором, при соблюдении следующих условий:
- для исключения контакта извлекаемого жёлтого фосфора с воздухом развинчивание, разламывание или сквозное просверливание корпуса, а также слив и хранение жёлтого фосфора должны проходить под водой на глубине не менее 0,3 м (30 см) /10, 11/;
- извлечение жёлтого фосфора из каморы боеприпаса должно производится методом слива при температуре превышающей температуру его плавления, т.е. не менее 308,15К (35°С), но при этом она должна быть ниже температуры кипения воды 373,15 К (100°С), т.е оптимальной можно считать температуры при которой проходило снаряжение боеприпаса фосфором 346,15± 278,15 К (73 ±5° С) /11/;
- наличие вытяжной вентиляции над местом проведения работ с жёлтым фосфором;
- пустой корпус после слива из него жёлтого фосфора с целью исключения возможности сохранения в нём остатков фосфора и обеспечения полной безопасности должен в обязательном порядке промываться нейтрализующим раствором, представляющим собой насыщенный водный раствор медного купороса /8, 9/;
- хранение извлечённого жёлтого фосфора должно осуществляться в металлических бочках вместимостью до 250 дм3, толщиной стенки не менее 0,002 м (2 мм) с герметически закрывающейся пробкой под водным раствором хлористого кальция или хлористого натрия с плотностью 1,16 — 1,18 г/см3 исключающего возможность замерзания раствора при отрицательных внешних температурах /10, 11/.
На основании проведённых исследований конструкций дымовых боеприпасов и свойств дымообразующего вещества (жёлтого фосфора) могут быть предложены следующие методы утилизации боеприпасов снаряженных жёлтым фосфором:
- метод, основанный на выжигании жёлтого фосфора под водой за счёт подачи к нему струи сжатого воздуха с последующим образованием ортофосфорной кислоты;
- метод основанный на извлечении жёлтого фосфора из боеприпасов сливом в ванне с водой при температуре 346,15 ± 278,15 К (73 ±5° С), с последующим его сбором и вторичным использованием;
- метод нейтрализации основанный на разложении жёлтого фосфора насыщенным водным раствором сульфата меди (медного купороса);
- термический метод основанный на превращение жёлтого фосфора в красный при
нагревании до температуры 523,15 — 573,15 К (250 - 300° С) в замкнутом (герметичном) объёме, т. е. непосредственно в корпусе боеприпаса с последующим его извлечением и вторичным использованием.
Каждое из предложенных направлений обладает своими преимуществами и недостатками, но при этом все три требуют соблюдения специальных мер безопасности.
С точки зрения обеспечения комплексной утилизации боеприпасов наиболее приемлемыми являются первые два, так как позволяют провести 100%, безотходную утилизацию боеприпаса с получением фосфора, а также лома чёрных и цветных металлов.
Третье направление представляется наиболее простым и безопасным, но обеспечивающим использованиекрасного фосфора и продуктов утилизации в виде лома чёрных и цветных металлов.
Выводы
1. Проведён анализ проблемы утилизации боеприпасов снаряженных жёлтым фосфором, показавший её актуальность и важность.
2. Исследованы конструктивные особенности устройства боеприпасов снаряженных жёлтым фосфором, атакже физико-химические свойства фосфора.
3. На основании выполненного анализа предложены различные методы утилизации фосфорсодержащих боеприпасов обеспечивающие достаточную степень безопасности.
Литература
1. http://www.seesac.org/CASM-1/
2. Патент №2550894 от 14.01.14 г. - Способ расснаряжения боеприпасов, снаряженных желтым фосфором.
3. Патент №2493537 от 24.02.12 г. - Способ расснаряжения боеприпасов.
4. Чистяков М.Н. Артиллерия. М., 1953.
5. Третьяков Г.М. Боеприпасы артиллерии. М., 1947.
6. Будников М.А., Левкович А.А., Быстров И.В. И др. Взрывчатые вещества и пороха. М., 1955.
7. А.А. Шидловский Основы пиротехники издание второе переработанное. М., 1954.
8. Реми Г. Курс неорганической химии. Пер.с нем., т.1, М.. 1963.
9. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т.1, М., 1973.
10. ГОСТ 8986-82 Фосфор жёлтый технический. Технические условия. М., 1998.
11. Правила безопасности для производств фосфора и его неорганических соединений. ПБ 09-597-03, М., 2003.
12. ГОСТ 8655-75 Фосфор красный технический. Технические условия. М., 1999.
© А. В. Касаткин, инженер-конструктор Научно-испытательного отделения №1 ФКП «НИИ «Геодезия», kasandr-@mail.ru; Н. М. Ватутин, канд. техн. наук, нач. службы перспективных проектов ФКП «НИИ «Геодезия», vatutin@niigeo.ru; В. В. Колтунов, канд. техн. наук, доц. каф. «Аппаратурное оформление и автоматизация технологических производств», Московский политехнический ун-тет, v_koltunov@mail.ru; С. Е. Малинин, д-р техн. наук профессор той же кафедры, malinin_se@mail.ru.
© A. V. Kasatkin, design-engineer of Science-test department №1 of Federal State-Owned Enterprise "Science Research Institute "Geodesy", kasandr-@mail.ru; N. M. Vatutin, Candidate of Engineering Sciences, Chief of the promising projects Federal State-Owned Enterprise "Science Research Institute "Geodesy", vatutin@niigeo.ru; V. V. Koltunov, Candidate of Engineering Sciences, associate professor of "Equipment design and automatization of technological production" of Federal state budgetary educational institution of higher education "Moscow polytechnic university", v_koltunov@mail.ru; S. E. Malinin, Doctor of Sciences, Professor of "Equipment design and automatization of technological production" of Federal state budgetary educational institution of higher education "Moscow polytechnic university", malinin_se@mail.ru.
