Способы повышения взрывобезопасности при транспортировке взрывчатых веществ на железнодорожном транспорте Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 351.86: 656.2

В. В. Поздеев, В. В. Крайнов

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

Рассмотрена модель аварийного взрыва при транспортировке взрывчатых веществ (ВВ) на железнодорожном транспорте. С целью уменьшения зоны поражения окружающих объектов от возникших ударных волн при взрыве предлагается изменить форму транспортировки ВВ в вагоне в виде кумулятивных зарядов. При этом основная часть энергии взрыва будет направлена в сторону, противоположную железнодорожному полотну - вверх по направлению кумулятивной выемки заряда ВВ.

Любой технологический процесс можно рассматривать как созидательный, но в то же время и как процесс с определенным риском нанесения вреда людям или окружающей среде. Случайные взрывы [3] могут происходить при хранении, транспортировке, изготовлении и практическом применении взрывчатых веществ. Причиной их возникновения чаще является процесс горения или неконтролируемое развитие экзотермической реакции (химической реакции, сопровождающейся выделением теплоты). Транспортировка ВВ всегда сопровождается существенным риском случайных взрывов в сравнении с перевозкой обычных грузов на любых видах транспорта. Отдельные цифры статистики показывают, что при транспортировании ВВ к месту производства взрывных работ [1] в 2004 г. произошли четыре аварии, в результате которых погибли два человека, были уничтожены транспортные средства, почти 8 т (7989,8 кг) ВВ, 340 шт. электродетонаторов (ЭД) и 400 м детонирующего шнура (ДШ). Аварии произошли при перевозке ВВ в ОАО «Гайский ГОК», «Ямалгеофизика», «Бурятзолото». В ООО «Кемерововзрывпром» авария произошла при перевозке эмульсионного ВВ типа «Порэмит 1». Особо крупные аварии с наличием ВВ произошли в 1988 г. на станциях Арза-мас-2 и Свердловск-Сортировочный.

В соответствии с распоряжением Администрации Президента РФ и аппарата Правительства РФ от 06.08.2004 г. № 1363/1001 вновь созданная служба, именуемая как «Ростехнад-зор» [1], имеет своей основной функцией решение задач в области обеспечения промышленной безопасности и охраны недр при производстве и транспортировке ВВ. Разработанные методики перевозки, организация проверок и пресечение возможных административно-уголовных нарушений представляют скорее административно-правовые и организационные мероприятия, чем инженерно-технические рекомендации по снижению возможных аварийных ситуаций и их последствий. На этом фоне возникает потребность технического разрешения вопроса о снижении возможных поражающих факторов в случаях взрыва ВВ при перевозке их на железнодорожном, автомобильном и других видах транспорта.

Перевозка, складирование, выдача, временное хранение (складирование) ВВ на железнодорожном транспорте может осуществляться

в виде транспортировки чистого изделия ВВ различной мощности и назначения (используемого при производстве взрывных работ в горнодобывающей промышленности, в тоннелестроении, в дорожном строительстве и т. п.);

в виде военных боеприпасов (БП) (чистое ВВ, средства взрывания (СВ), авиационные, артиллерийские, инженерные боеприпасы различного предназначения, включая химические, специальные и др., боеприпасы, подлежащие уничтожению).

Аварийный (несанкционированный) взрыв может привести к разрушению окружающих объектов, поражению людей, нанесению ущерба в виде уничтожения материальных ценностей и к нарушению окружающей среды в виде:

1) механического воздействия от взрыва самого ВВ, СВ и от метаемых фрагментов разрушенных корпусов вагонов, упаковок (тары) ВВ, имущества, корпусов боеприпасов (обо-

лочки, осколки, неразорвавшиеся боеприпасы) и т. п. Результатом механического воздействия может быть разрушение участков путей (образование взрывных воронок) вблизи от находящихся на путях железнодорожных составов (особенно опасно при нахождении рядом составов с химическими, нефте- и газопродуктами, сильно действующими ядовитыми веществами (СДЯВ), аварийно химически опасными веществами (АХОВ) и т. д.), путевых зданий и сооружений, инженерных коммуникаций;

2) распространения воздушной ударной волновой (ВУВ) нагрузки (АРф) и ее поражающих факторов. Помимо ВУВ при мощном взрыве может распространяться и серия (цуг) сейсмовзрывных волн в грунте, вызывающих колебания конструкций сооружений, разрушение коммуникаций, нарушение герметичности трубопроводов и т. п.;

3) тепловой нагрузки, образуемой при взрыве, следствием которой являются пожары, возможная передача детонации на другие вагоны при перевозке большого количества ВВ или боеприпасов.

ВВ имеют ряд параметров, влияющих на безопасность (риск) при их транспортировке:

1) чувствительность к внешним воздействиям (особенно это относится к инициирующим ВВ) - тепловым, механическим, химическим, электрическим, взрывным и т. д.;

2) способность к детонации и последующему взрыву;

3) возможность в результате горения переходить к детонации.

Рассматривая физико-химические свойства ВВ, можно отметить, что характерным для всех ВВ является способность практически мгновенного превращения их из твердого или жидкого состояния в газообразное с выделением большого количества теплоты (тепловая энергия) и образованием первоначально сильно сжатых газов (кинетическая энергия) [4]. Обычные ВВ при взрывах позволяют получать скорость движения газов до 7000 - 8000 м/с, метания твердых тел - до 3000 - 4000 м/с, при этом значения давления составляют более 104 МПа, а температура может достигнуть 5000°С.

Наиболее упрощенной моделью изучения физики взрыва является заряд ВВ кубической или сферической формы (рисунок 1), схема разлета продуктов взрыва последнего представляет собой несколько измененную форму относительно сферы [5], для которой присуще равномерное распределение давления продуктов взрыва по внутренней оболочке заряда. Удлиненный же заряд (УЗ) может рассматриваться как группа сосредоточенных зарядов (СЗ) сферической или кубической формы. Характерной особенностью разлета взрывных газов кубического заряда ВВ, форма которого наиболее близка к форме размещения ВВ в вагонах, является движение их в основном перпендикулярно к поверхности заряда с незначительным отклонением в сторону, противоположную месту инициирования взрыва [4].

Имеющиеся фотоснимки, выполненные при проведении ряда опытов на зарядах различной поверхности (шар, куб, пирамида, конус), показали наличие следов взрывных газов, направленных перпендикулярно к плоскостям поверхностей. При этом в пространстве, определенном углами этих поверхностей, взрывные газы не распространяются (рисунок 1, а) -

а

б

Рисунок 1 - Схемы разлета продуктов взрыва различной конфигурации

№ 3(7) 2011

Управление перевозочными процессами и безопасность движения поездов

здесь располагаются так называемые защитные зоны [4]. И, наоборот, в срединной части граней поверхностей зарядов наблюдается наиболее интенсивный поток взрывных газов, т. е. имеет место направленное действие взрыва.

Ввиду большого многообразия факторов для исследования данного вопроса с целью получения количественной характеристики взрывного процесса, включающей в себя непосредственно источник горения (взрыва), расстояние от источника взрыва до земной поверхности (железнодорожного полотна), состояние поверхности земли, погодные условия, условия возникновения взрыва, типы и характеристики перевозимого ВВ, возможности передачи детонации взрыва, различного рода оболочки тары, корпусов боеприпасов, условия размещения и крепления их в вагоне, характеристики замкнутого (полузамкнутого) пространства вагона, тип вагона и т. д., создание математической модели описания процесса и последствий взрыва становится достаточно сложной задачей. Очевидно, что исключение влияния ряда факторов на весь процесс взрыва в целом искажает реальную картину. Однако сама идея изменения (внесения нового) конструктивного решения размещения ВВ в вагоне в виде кумулятивной выемки в сторону, противоположную железнодорожному полотну, придание направленности даже случайному взрыву и ограничение (уменьшение воздействия поражающих факторов) распространения УВ в стороны от вагона с ВВ требует начала изучения этого практического вопроса даже при определенных грубых допущениях. Поэтому для приближенной оценки случайного взрыва при разработке теоретической модели транспортируемого ВВ (рисунок 2) примем следующее:

а б

Рисунок 2 - Схема неконтролируемого взрыва УЗ (СЗ) ВВ, размещаемого в железнодорожном вагоне

1) ВВ, СВ и ДШ, находящиеся в ящиках (упаковках, мешках и т. д.) и в определенной нормативными документами форме складирования в вагонах, представляют собой единый сплошной заряд, располагаемый по длине вагона (УЗ) или в виде отдельных штабелей - в виде куба (СЗ');

2) военные боеприпасы (снаряды, мины, изделия и т. п.) также представляют собой единый УЗ с соотношением высоты и длины штабелей М = 1/5 и более, влиянием материала оболочек и формой БП, их толщиной и прочностными характеристиками на формирование взрыва и его последствия не учитываем;

3) влиянием различных видов и назначений ВВ (инициирующие, бризантные, метательные, пиротехнические) пренебрегаем, приняв за эталон один из наиболее распространенных ВВ средней мощности, например, тротил;

4) взрыв ВВ происходит в полуоткрытом пространстве на незначительном удалении (полусфера) от земной поверхности (железнодорожный путь);

5) влияние температуры окружающей среды (зима, лето), относительная влажность (дождь, туман), ветер, внешняя поверхность земли, естественные и искусственные препятствия и другие внешние условия не учитываем.

юг ИЗВЕСТИЯ Транссиба "Щ

Взрыв заряда ВВ вызывает радиальное (от центра взрыва) движение продуктов взрыва вслед за ударной волной и отрыв от нее на расстоянии 10 - 14 г о {г о - приведенный радиус заряда ВВ). В момент отрыва УВ от продуктов взрыва избыточное давление ЛРф на фронте

волны составляет 1,5 - 2,0 МПа, скорость распространения волны детонации В = 1100 - 1400 м/с, скорость потока воздуха за фронтом волны Ш = 900 -1100 м/с. Закономерно установлено, что избыточное давление на фронте ВУВ подчиняется закону подобия, т. е. ЛРф не зависит от абсолютных размеров и массы заряда ВВ [5].

На удалении более 10 - 1А г о параметры избыточного давления во фронте ВУВ ЛРф для

ВВ средней мощности (типа тротил) могут быть определены по формуле проф. Садовского М. А., полученной на основе многочисленных экспериментальных исследований для воздушного взрыва [5], Па:

2/3 1/3

Я Я я

где д - вес заряда ВВ, кг;

Я - расстояние от центра взрыва, м. Время действия фазы волны сжатия, с,

г

сж

= 1,5^/дл/р • 10~3. (2)

В нашем рассматриваемом случае заряд с ВВ находится в вагоне вблизи от земной поверхности. ВУВ распространяется не в полной сфере, а лишь в полусфере (фронт волны соприкасается с поверхностью земли). Наличие вблизи взрыва жесткой преграды в виде земной поверхности только усиливает (отражает) волновую нагрузку. При этом объем воздуха, захватываемый волной, уменьшается в два раза, тем самым увеличивая вдвое величину избыточного давления, рассчитываемого по формуле (1), где вместо величины q следует подставить 2q^.

2/3 1/3

АРФ =14-^г-+ 4,3-^-7-+ 1,1-—. (3)

ф Я3 Я2 я

Тогда время действия фазы волны сжатия для наземного взрыва, с,

(4)

Помимо волновой нагрузки, воздействующей на окружающую среду, образуется воронка разрушений с соответствующими параметрами (глубина, ширина, длина, высота навала грунта), которые можно рассчитать по имеющимся методикам.

В отличие от СЗ широкое применение получили кумулятивные заряды (КЗ). Кумулятивный эффект - это концентрация энергии взрыва в заданном направлении. Предположения об использовании концентрированной энергии взрыва были выдвинуты еще в конце XVIII в. Впервые эффект кумулятивного взрыва был продемонстрирован русским военным инженером генерал-лейтенантом М. Боресковым в 1864 г. с применением заряда ВВ при выполнении саперных работ. Дальнейшее развитие этой идеи нашло практическое применение в разработках Ч. Мунро (США), А. Маршалла (Англия), Макса фон Форстера (Германия) и др. В России серьезным подходом к этому вопросу занимались профессора М. Я. Сухаревский (1923 - 1926 гг.), М. А. Лаврентьев, Г. И. Покровский, Ф. А. Баум, академик АН СССР Г. И. Забабахин и др.

Кумулятивный эффект взрыва, получил широкое применение в военном деле и в народном хозяйстве - при производстве взрывных работ в шахтах, строительстве тоннелей, кана-

-■ИЗВЕСТИЯ Транссиба юз

ОП<1 л ■- ■

лов при направленном перемещении больших масс породы, при резке металла или обжатии труб, при ликвидации завалов в шахтах, заторах рек, льда и т. п.

Рассматривая физику кумулятивного взрыва, следует отметить, что в результате изменения формы зарядов с выемкой можно получить картину перераспределения энергии (концентрацию) взрыва в заданном направлении. Опираясь на основы теории и практики гидродинамики, можно получить явление гидравлического удара, приводящее к перераспределению энергии и повышению скорости движения части сталкивающихся масс [6]. Взрывные газы при взрыве КЗ устремляются в основной своей массе перпендикулярно к поверхности выемки, к ее центральной оси (рисунок 3).

Наибольший эффект кумулятивного взрыва достигается путем устройства заряда цилиндрической формы с внешним покрытием оболочки и выемки металлом (сталь, медь). Внутренняя часть заряда представляет собой металлическую трубку. В торце заряда под трубкой расположены инертная прокладка и детонатор. При взрыве детонационная волна огибает инертную прокладку и одновременно сжимает металлический цилиндр со всех сторон, создавая при этом давление более 10000 МПа. Давление продолжает нарастать до момента, когда происходит полное раздавливание цилиндра и частицы цилиндра сталкиваются друг с другом в направлении к его оси и в какой-то момент останавливаются, создавая тем самым громадное давление и «выплескивают» его совместно с деформированной металлической струей в осевом направлении от заряда. Достаточно высокая эффективность кумуляции достигается лишь в тех случаях, когда выемка имеет металлическую облицовку. Давление во фронте ударной волны при подрыве КЗ в 1,8 - 1,9 раза больше по сравнению с аналогичным зарядом ВВ, но при взрыве в воздухе.

Если выемка заряда ВВ коническая и ее образующие составляют угол а с осью выемки , то начальная скорость центра тяжести кумулятивной струи

° ^ 8т(а + ф) tg(a + ф))

где Уо - начальная скорость облицовки при взрыве;

(р - угол между направлением движения металлической облицовки и нормали к ее поверхности.

Согласно экспериментальным результатам можно прогнозировать, что при толщине облицовки, равной 1/30 диаметра кумулятивной выемки, Уо может составлять около 2000 м/с.

Кумулятивная струя, образованная при взрыве заряда ВВ с конической выемкой, в начале своего движения имеет длину, равную длине образующей выемки. Последующее движение вытягивает струю до максимальной длины на расстоянии от заряда, равном примерно одному - двум диаметрам выемки. Далее фокусного расстояния струя дробится на мелкие осколки, сгорающие в воздухе вследствие высокой скорости движения.

Для зарядов ВВ с полусферической выемкой кумулятивные струи имеют меньшие скорость и длину, но они более эффективны на значительных расстояниях.

Для реальных условий перевозки ВВ и его размещения в вагонах наиболее близким по конструкции заряда можно считать КЗ с конической или полусферической выемкой, не покрытой оболочкой (рисунок 4).

Рисунок 3 - Схема кумуляции взрывных газов

Ю4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба "Щ

кикл V

лл

а

б

Рисунок 4 - КЗ без оболочки. Формирование начальной стадии взрыва

При взрыве волна детонации движется вдоль образующей оси выемки при условии инициирования взрыва в точке, находящейся на оси заряда (см. рисунок 4). Продукты взрыва, движущиеся внутри выемки, сходятся около оси и меняют направление своего движения. Часть продуктов взрыва из выемки с повышенной скоростью, а другая - тормозясь, под действием реакции выбрасываемой струи выбрасывается из выемки с незначительной скоростью.

Часть заряда ВВ, прилегающая к выемке, при взрыве образует газы, направленные внутрь этой выемки. Эта часть заряда называется «непосредственно кумулирующей» и отделена от остальной массы заряда ВВ границей, равноотстоящей как от поверхности выемки, так и от внешней поверхности заряда и по сравнению с общим объемом заряда невелика. Газовая кумулятивная струя сразу же после своего образования выходит за пределы выемки и быстро рассеивается в результате расширения под действием повышенного давления внутри струи (см. рисунок 4).

Скорость распространения продуктов детонации в кумулятивной струе для обоих выемок и без металлической оболочки можно приближенно определить из теории гидродинамической кумуляции. В зарядах ВВ с выемкой и отсутствием металлической оболочки отмечается некоторое повышение скорости взрывных газов и давления на преграду, пропорциональное квадрату скорости. В данном случае давление может увеличиться на 25 %.

Разлетающиеся от места взрыва осколки оболочки снарядов, предметов опасны для человека и могут вызвать детонацию зарядов ВВ или легковоспламеняющихся материалов (цистерны с горючими материалами) в случаях, если скорость осколков составляют более 1500 м/с. Скорость разлета осколков может быть определена по формуле, составленной на основе многочисленных опытов [5]:

где Мо6 и Мвв - вес оболочки и заряда ВВ соответственно;

а - безразмерная величина, зависящая от материала оболочки (для стали а = 0,05, для иных, менее прочных материалов а = 0,02 и менее).

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные профессором М. А. Садовским [6], академиком Ю. Б. ХарИтоном и другими авторами, подтверждают существенное

-а,

(6)

№ 3(7) 2011

влияние формы и размеров зарядов ВВ на импульс взрыва и на количество движения - количественную характеристику параметров взрыва.

Таким образом, учитывая в практике явление кумуляции, можно даже управлять действием случайного (несанкционированного) взрыва путем подбора формы и размеров заряда, внешней облицовки и места его инициирования. Явление это учитывалось при проектировании стационарных складов хранения ВВ и боеприпасов, чтобы произвести расчеты по определению минимального безопасного расстояния между сооружениями-хранилищами.

Размещение в вагонах ВВ в упаковках, близких по форме к КЗ удлиненной или сосредоточенной формы, с наличием постоянной внешней (и, по возможности, внутренней разделительной) металлической облицовки позволит уменьшить возможные прогнозируемые разрушения от случайных взрывов. Сокращение площади опирания упаковок с ВВ в вагоне (придание в основании закругленной или конической формы) (рисунок 5) и наличие опорной промежуточной инертной прокладки в основании упаковки (тары) с аварийным детонатором позволит спрогнозировать основное направление энергии возможного взрыва в сторону, противоположную железнодорожному полотну.

а б в

Рисунок 5 - Предполагаемая форма перевозки ВВ в железнодорожных вагонах

Детонатор, расположенный под инертной прокладкой, автоматически подрывает перевозимое ВВ в случае возникновения ситуации передачи детонации случайного взрыва (например, при пожаре). При этом предполагается разделение всего объема вагона на отдельные места-хранилища, локализующие общий взрыв на отдельные очаги и исключающие передачу детонации взрыва.

Список литературы

1. Субботин, А. И. О технической политике по повышению безопасности перевозок взрывчатых материалов промышленного назначения [Текст] / А. И. Субботин // Журнал-каталог «Транспортная безопасность и технологии». 2004. - № 3. - С. 12 - 14.

2. Слюсарь, Н. Н. Управление экологическими рисками транспортировки взрывчатых веществ железнодорожным транспортом [Текст]: Дис... канд. техн. наук. Пермь, 2004. - 149 с.

3. Взрывные явления. Оценка и последствия [Текст] / Под ред. акад. Я. Б. Зельдовича, Б. Е. Еельфанда. - М.: Мир, 1986. - 319 с.

4. Турута, Н. У. Взрыв и его мирные профессии [Текст] / Н. У. Турута, И. А. Лучко,

B. А. Поплавский. Киев: Наукова думка, 1982. - 176 с.

5. Покровский, Е. И. Взрыв [Текст] / Е. И. Покровский. - М.: Недра, 1980. - 190 с.

6. Похил, П. Ф. Импульс взрыва и его зависимость от формы и размеров заряда и свойств ВВ [Текст] / П. Ф. Похил, М. А. Садовский // Механическое действие взрыва / - М., 1994. -

C. 103-115.