CC BY
131
С. Ю. СЕРЕБРЕННИКОВ, д-р техн. наук, профессор Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) (Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29)
К. В. ПРОХОРЕНКО, коммерческий директор ООО "ИВЦ Техномаш" (Россия, 614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 21; e-mail: [email protected])
С. В. ЧЕРНОВ, аспирант Пермского национального исследовательского политехнического университета (Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29)
М. Б. ГРУБИЯН, соискатель Пермского национального исследовательского политехнического университета (Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29)
УДК 614.844.1
ТУШЕНИЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ АЭРОЗОЛЬНО-ПОРОШКОВЫМ МЕТОДОМ
Предложена физико-химическая модель тушения высокоэнергетических металлизированных твердых ракетных топлив (ТРТ) и взрывчатых веществ (ВВ); экспериментально обоснована эффективность аэрозольно-порошкового способа тушения данных продуктов.
Ключевые слова: внештатная детонация; загорание; твердое ракетное топливо (ТРТ); взрывчатое вещество (ВВ); способ тушения; аэрозоль; огнетушащий порошок; дисперсность.
Физическая картина тушения
взрывчатых веществ и твердых ракетных топлив
Как известно, взрывчатые вещества (ВВ) и твердые ракетные топлива (ТРТ) в своем составе имеют молекулы горючего и окислителя, поэтому они могут гореть без кислорода воздуха. Потушить их традиционными способами практически невозможно, особенно быстрогорящие заряды, в состав которых входят металлические добавки (алюминий А1, магний М§ и др., аммонал, аммонит, смесевые высокоэнергетические ТРТ и т. п.). Способ тушения их высоконапорными водяными струями ненадежен и малоэффективен из-за недостаточной скорости отвода тепла с поверхности горения шашки или заряда [1]. К тому же он основывается только на эффекте охлаждения зон горения, а других факторов тушения не обеспечивает. Из-за сравнительно низкой скорости подачи довольно крупных капель воды не подключается механизм испарения жидкости, что могло бы повысить теплоотвод и эффективность тушения.
Более перспективным представляется способ тушения ВВ и ТРТ мелкодисперсными огнетушащи-ми порошками, у которых, как известно, присутствуют три фактора огнеподавления [2]:
• охлаждение зоны горения за счет нагревания и разложения (испарения) частиц порошка;
• гетерогенное ингибирование реакций горения за счет взаимодействия активных частиц пламени (АЧП) типа Н, О, ОН с химически пассивной "стенкой", создаваемой порошком;
• гомогенное ингибирование реакций горения продуктами разложения (испарения) твердых частиц, т. е. химическое взаимодействие выделяемых порошком газов с АЧП.
Все эти процессы значительно интенсифицируются при уменьшении дисперсности порошка и увеличении скорости его подачи на горящую поверхность [2].
Был проведен ряд экспериментов по тушению бал-листитных и смесевых ТРТ стандартными 5-литровыми огнетушителями с закачной системой вытеснения порошка сжатым под давлением 1,0___1,5 МПа
воздухом.
Эффект был достигнут только при тушении образцов медленногорящих неметаллизированных ТРТ при максимальной скорости подачи под давлением 1,5 МПа специально отсортированной тонкой фракции порошка Вексон-АВС с размерами частиц 20_50 мкм. Попытки тушения высокоэнергетических ТРТ и аммонала этими же огнетушителями оказались неудачными (рис. 1).
Для выявления и устранения причин неэффективного тушения ТРТ водой и огнетушащим порошком рассмотрим картину газообразования на поверхности ТРТ в момент воспламенения и химические реакции. Наиболее типичным по составу высокоэнергетическим ТРТ является смесевое топливо: 65 % ПХА (перхлорат аммония КН4С104); 15 % горючей связки (каучук + эпоксидная смола); 20 % алюминия. На рис. 2 графически представлен начальный период воспламенения и горения шашки из такого ТРТ. Основной источник кислорода здесь ПХА.
© Серебренников С. Ю., Прохоренко К. В., Чернов С. В., Грубиян М. Б., 2013
Рис. 2. Характер выгорания поверхности ТРТ в начальный момент воспламенения: 1 — частица ПХА; 2 — связка; 3 — алюминий; 4 — каверны при выгорании связки и алюминия вблизи частиц ПХА; 5 — вырвавшиеся горящие частицы А1
Рис. 1. Повторное возгорание образца металлизированного ТРТ после тушения огнетушащим порошком Вексон-АВС
Рис. 3. Характер тушения смесевого ТРТ стандартным огнетушащим порошком или мелкодисперсной водой: 1 — частица ПХА; 2 — связка (каучук + эпоксидная смола); 3 — алюминий; 4 — частицы порошка (капли воды); 5 — зоны горения связки и алюминия, изолированные от кислорода ПХА порошком; 6 — глухие зоны (микрокаверны), способствующие распространению горения в глубь ПХА и связки
Согласно известным реакциям разложения [3] N^0104 ^ КНз + НСЮ4;
2НС104 ^ 2НС10з + О2;
2№Н4СЮ4 ^ 2ОТ4С103 + 02
и далее с постепенным разложением 2NH4C103 до 2НС1 + 302.
Очевидно, что разложение и горение связки и частиц А1 будут происходить неравномерно и прежде всего вблизи центров ПХА, т. е. там, где максимальная концентрация кислорода. При этом будут образовываться каверны 4 как между ПХА и связкой, так и между связкой и частицами А1. В этом процессе частицы А1 достаточно эффективно вырываются из образовавшихся каверн, в результате чего образуется поверхность горения, иссеченная многочисленными мелкими трещинами и углублениями, в которых тушение возможно только с применением мелкодисперсного тушащего вещества.
На рис. 3 представлена картина тушения смесевого ТРТ стандартным огнетушащим порошком или
водой с размером частиц более 50 мкм. Как видно из рисунка, тушение такого ТРТ стандартными водяными и порошковыми установками невозможно. Горение зон 5 вначале, вероятно, будет потушено, но зоны 6 будут интенсивно гореть, расширяться и за счет создаваемого давления сбросят слой тушащего вещества с поверхности топлива, освобождая доступ кислорода ПХА к зонам 5 и далее по всей поверхности шашки ТРТ.
Эффективным тушащим веществом, которое проникало бы в мелкие каверны, может быть аэрозоль-но-порошковая смесь, состоящая из мельчайших твердых частиц аэрозоля (0,1...20 мкм), огнетушащего порошка с размером частиц 20.300 мкм и газовой составляющей (С0, С02, Н20, с размером частиц менее 10 нм.
Именно в таком составе тушащее вещество, подаваемое под высоким давлением со скоростью 200.250 м/с, может обеспечить проникновение в любую точку кавернозной (пористой) поверхности твердого топлива и, вступив в реакции с активными частицами пламени О, ОН, Н, обеспечить надежное
тушение первичного загорания поверхности ВВ или ТРТ. Основную роль здесь будут играть наиболее мелкие частицы аэрозоля и порошка: они быстрее всего нагреваются, испаряются и обеспечивают как механическое охлаждение зон горения, так и гетерогенное и гомогенное ингибирование реакций горения, особенно внутри мелких каверн.
Экспериментальные исследования аэрозольно-порошкового способа тушения ВВ и ТРТ
Для решения существующей проблемы по госзаказу ФГУП "ЦНКБ" (г. Москва) на предприятиях ОКБ "Темп" Пермского национального исследовательского политехнического университета и ООО "ИВЦ Техномаш" при участии ФКП "Пермский пороховой завод" был проведен ряд экспериментов по тушению различных марок ТРТ и ВВ импульсными аэрозольно-порошковыми модулями типа ОПАН [2] производства "ИВЦ Техномаш".
Особенностью этих модулей является высокое быстродействие при подаче сигнала об обнаружении загорания от автоматики на пиропатрон запуска. Выброс первой порции огнетушащего вещества (ОТВ) — смеси аэрозоля и порошка происходит при давлении 1,8...2,0 МПа за время менее 0,3 с. Необходимое давление в емкости с огнетушащим по-
Аэрозольный генератор
рошком создается за 0,2 с газогенератором с быстро-горящим аэрозольным составом ПТ-4 (разработка ФЦДТ "Союз", г. Люберцы). Максимальная скорость двухфазного потока аэрозольно-порошковой смеси достигает 220.250 м/с.
Состав аэрозольно-порошковой смеси модуля ОПАН-25, состоящей из 20 кг аммофоса и 0,3 кг аэрозоля, представлен в табл. 1.
Конденсированная фаза ОТВ модуля ОПАН-25 в дисперсном отношении представляет собой смесь
Таблица 1. Состав огнегасящего вещества модуля ОПАН-25
Содержание компонента, %
Рис. 4. Внешний вид и разрез модуля ОПАН-25
Состав в газогенераторе в аэрозольно-порошковой струе
Н20 8 0,12
N2 14 0,2
СО 41 0,6
С02 17 0,25
К2С03 конд. 20 0,33
Аммофос Ж4Н2Р04 - 98,5
Таблица 2. Дисперсный состав твердой фазы ОТВ модуля ОПАН-25*
Состав Размер частиц, мкм Состав твердой фазы ОТВ, %
К2СО3 (100 %) 0,1.5 10.15
5.20 60.70
20.50 20.25
Аммофос 20.50 5.10
(100 %) 50.100 25.30
100.150 30.35
150. 300 и более 30.35
* Результаты получены визуально микроанализом осевших частиц порошка и конденсата в полузамкнутом объеме V = 0,5 дм3.
Рис. 5. Внешний вид и момент испытаний автоматической установки тушения образцов ТРТ
Таблица 3. Образцы ТРТ и ВВ для испытаний
№ п/п ТРТ, ВВ Тип Вид шашки, заряда, габаритные размеры, мм
1 НДП-5А Баллиститное, низкоэнергетическое Торцевик, 57x0x80
2 НБГ-8, РНДСИ-5К Баллиститное, быстро- горящее Канальные, всестороннего горения, 40x10x110
3 ПТ-4 Баллиститное, быстро- горящее Моношашка всестороннего горения, 180x0x40
4 ПД 17/18 Смесевое (А1—18%) Моношашка всестороннего горения, 40x0x60
5 Аммонал Аммонал-200 (ГОСТ 21984-76) Пакетированный насыпной: А1 + NH4N03 (10 пакетов аммона-ла-200 в картонной коробке)
твердых частиц К2СО3 и аммофоса различных размеров, взвешенных практически равномерно в газовом потоке (табл. 2).
Внешний вид модуля ОПАН-25 и чертеж в разрезе представлены на рис. 4.
Для испытаний на образцах ТРТ была разработана автоматическая установка с использованием модуля ОПАН-25 и комплекса приборов серии "Болид" с датчиками ИК-излучения, в состав которой входят:
• два датчика "Спектрон-110";
• контроллер С-2000 АСПТ;
• прибор пусковой С-2000КПБ;
• линии кабельной связи;
• система дистанционного электрического пиро-
поджига образцов (СЭПО) ТРТ.
Внешний вид данной установки и момент испытаний представлены на рис. 5. В качестве образцов для тушения были использованы различные составы ТРТ и ВВ (табл. 3).
Расположение ОПАН-25 и образцов ТРТ с пороховыми электрозапалами, а также результаты автоматического срабатывания аэрозольно-порошково-го модуля ОПАН-25 и процесс тушения представлены на рис. 6.
В первых экспериментах автоматика включения модуля ОПАН-25 срабатывала на вспышку навески пороха (СЭПО) за время менее 0,1 с, в связи с чем сами образцы практически не обгорали. Для усложнения условий тушения в программу автоматики вводилась задержка включения модуля ОПАН-25 от 0,5 до 1,5 с. Это позволило получать прогар поверхностей топлива на глубину до 2,5 мм. Во всех экспериментах было получено 100 %-ное тушение образцов ТРТ как на торцевых, так и на боковых и канальных поверхностях.
Проверка возможности тушения ВВ аэрозоль-но-порошковой струей проводилась на пакетированном аммонале-200 (в стандартной картонной коробке, укомплектованной 10 шашками аммонала) с помощью аэрозольно-порошкового огнетушителя ОПАН-50М (ОП-40(г)) в ручном режиме. Ход эксперимента и положительные результаты показаны на рис. 7.
Предложенная физико-химическая модель тушения ВВ и ТРТ аэрозольно-порошковым методом была полностью подтверждена экспериментально.
Рис. 6. Ход и результаты испытаний по тушению образцов ТРТ: а — т = 1,5 с, интенсивное горение образцов в момент включения модуля ОПАН-25 после запланированной задержки срабатывания автоматики; б—т = 2,0 с, начало тушения образцов ТТ; в — вид сверху на потушенные образцы; г — внешний вид потушенного образца ПД 17/18 после очистки от порошка
Рис. 7. Тушение аммонала-200 аэрозольно-порошковым огнетушителем ОПАН-50М (ОП-40(г)): а — до начала эксперимента; б — т = 60 с, интенсивное горение 10 пакетов аммонала-200 после розжига газовой горелкой; в — т = 100 с, начало тушения аэрозольно-порошковой струей огнетушителя ОПАН-50М; г — потушенные пакеты аммонала-200
На базе проведенных исследований вполне мо- жарные системы для защиты взрывоопасных про-гут быть разработаны автоматические противопо- изводств и хранилищ изделий с ВВ и ТРТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АликинВ. Н., ЛипановА. М., Серебренников С. Ю., СоколовскийМ. И., СтрельниковВ. Н. Заряды народнохозяйственного назначения. Пороха, топлива, заряды. —М. : Химия, 2004.—Т. 2. —204 с.
2. Аликин В. Н., Вахрушев А. В., Голубчиков В. Б., ЛипановА. М., Серебренников С. Ю. Твердые топлива реактивных двигателей. Топлива. Заряды. Двигатели. — М. : Машиностроение, 2011. — Т. 4. — 380 с.
3. Серебренников С. Ю. Решение проблемы импульсного порошкового пожаротушения лежит "на поверхности" // Мир и безопасность. — 2011. — № 6. — С. 10-14.
Материал поступил в редакцию 3 сентября 2013 г.
— English
AEROSOL-POWDER METHOD OF EXPLOSIVE SUBSTANCES AND SOLID PROPELLANTS EXTINGUISHING
SEREBRENNIKOV S. Yu., Doctor of Technical Sciences, Professor, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU) (Komsomolskiy Avenue, 29, Perm, 614990, Russian Federation) PROKHORENKO K. V., Marketing Director, IVC Tekhnomash LLC (Akademika Koroleva St., 21, Perm, 614013, Russian Federation; e-mail: [email protected]) CHERNOV S. V., Postgraduate Student, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolskiy Avenue, 29, Perm, 614990, Russian Federation) GRUBIYAN M. B., Graduand, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolskiy Avenue, 29, Perm, 614990, Russian Federation)
ABSTRACT
Method of water-foam extinguishing of explosive substances (ES) and solid propellants (SP) at the emergency ignition or fulmination is not efficient due to high persistence, which causes huge economical, ecological and human losses, especially at a large production facilities and army arsenals.
Powder extinguishing method looks more promising, which besides cooling effect, just as water, has two additional fire suppression factors — inhibition of heterogeneous combustion reactions and homogeneous chemical interaction of powder decomposition fumes with active flame particles. This effect was confirmed experimentally but only on slow-burning butt ballistic cartridges. It was impossible to extinguish high-energy, mix SP and ES by standard powder fire extinguishers especially at their comprehensive burning.
To solve the problem physical-chemical model of initial period was developed of mix propellants of standard composition: 60 % ammonium perchlorate (APC); 20 % binding agent (caoutchouc + + epoxy resin); 20 % Al. It was determined that at the moment of flash of the surface around APC particles (source of 02) small caverns are formed in which combustible binding agent and Al burning is directed intensively deep into the propellant. Supply of fire extinguishing powder with dispersion of 50.300 ^m succeeds to cover and extinguish flat surfaces but small caverns near APC centers covered with big powder particles flame up even more intensively in closed volume which leads to pressure increase and powder clearing off extinguished propellant surfaces.
Reliable extinguishing was achieved only with the use of aerosol powder mixture supplied with the rate of 200.250 m/s. Composition: 95 % standard fire extinguishing powder, 5 % fire extinguishing aerosol with dispersion of alkali metals salts 0.1.20 ^m. This composition has provided aerosol condensate intrusion into all caverns including on side and channel surfaces of samples of different SP. The developed method showed a hundred percent result of extinguishing on eight SP compositions of different types and 10 samples of packaged ammonal-200.
Processes of manufacturing, storing and use of industrial and military explosive substances, and quick-burning solid propellants are rather well studied. At all stages of these substances handling there is a danger of their emergency fulmination or ignition.
To prevent such situations automatic high-pressure water systems of BAPS type were used in the Soviet Union during ES and SP manufacturing and storing.
At ES fulmination they could reduce damage of occurred fire, and at explosive substances and quick-burning solid propellants ignition in some case could extinguish them by strong water jets. The main disadvantage of BAPS was low operation speed at supply of large volume of water by pipes and sprayers and also threat of high-pressure water jets which could cut metal for articles equipped with ES and SP and especially service personnel.
These systems also acquired negative reputation from economic point of view due to low reliability, complex mounting, maintenance especially at low temperatures.
Due to the stated above water systems in the form of BAPS are very rarely used at present. They are replaced by simple drencher and sprinkler water units applied only as extinguishing means for package with highly explosive and flammable ES and SP items at warm warehouses and deports. They can not extinguish quick-burning solid-propellant cartridges and charges themselves.
Keywords: contingency denotation; ignition; solid propellant; explosive agent; fire extinguishment technique; condensed aerosol; dry chemical powder (DCP); particle size.
REFERENCES
1. AlikinV. N., LipanovA. M., Serebrennikov S. Yu., SokolovskiyM. I., StrelnikovV. N. Zaryady narod-nokhozyaystvennogo naznacheniya. Porokha, topliva, zaryady [Charges of economic purposes. Powders, fuels, charges]. Moscow, Khimia Publ., 2004, vol. 2, 204 p.
2. Alikin V. N., Vakhrushev A. V., Golubchikov V. B., Lipanov A. M., Serebrennikov S. Yu. Tverdyye topliva reaktivnykh dvigateley. Topliva. Zaryady. Dvigateli [Solid propellants of jet engines. Fuels. Charges. Engines]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 2011, vol. 4, 380 p.
3. Serebrennikov S. Yu. Resheniye problemy impulsnogo poroshkovogo pozharotusheniyalezhitna"po-verkhnosti" [Solving problem of pulse powder fire extinguishing is on "Surface"]. Mir i bezopasnost — World and Safety, 2011, no. 6, pp. 10-14.
