Визначення чутливості вибухових речовин до удару за стандартами України та Євросоюзу

Визначення чутливості вибухових речовин до удару за стандартами України та Євросоюзу В.А.Поплавський Національний науково-дослідний інститут охорони праці Вибухові речовини ВР в процесах поводження з ними зазнають різних за фізичною природою впливів механічних електричних теплових та інших які за певних умов здатні спричинити їх несанкціоновані загоряння та вибух. Згідно з [1] найчастіше причиною таких аварій виступають механічні впливи частка яких складає 65-90 % від їх загальної кількості. Щоб загоряння чи вибух відбулися необхідно підвести до ВР певну кількість зовнішньої енергії яка називається початковим імпульсом. Його мінімальна величина достатня для збудження вибухового перетворення ВР є мірою чутливості її до початкового імпульсу даного виду. Чим він менший тим вищий рівень небезпеки при поводженні з ВР. За видом дії на ВР механічні впливи є досить різноманітними. Нижче розглядається лише один з них а саме ударна дія як найбільш поширена. Визначення чутливості до удару належить до основних характеристик ВР передбачених технічними умовами на них. Дослідженню поведінки ВР при ударному навантаженні переходу механічної енергії в теплову механізмів зародження "гарячих точок" умов переходу їх в осередки загоряння горіння теплового вибуху та детонації ВР присвячено велику кількість публікацій впродовж останніх понад 50 років наприклад [2-5]. Незважаючи на це надійні аналітичний розрахунок і прогнозування чутливості ВР до удару досі неможливі в силу надзвичайної складності та багатофакторності передвибухових процесів які супроводжують ударне навантаження ВР [6-8]. Тому визначення чутливості до удару здійснюють експериментальними методами унормованими відповідними стандартами. Мета даної роботи -порівняльний аналіз стандартних методів визначення чутливості ВР до удару чинних в Україні та Європейському Союзі. Зважаючи на пріоритетність європейського вектора в зовнішній політиці нашої держави даний розгляд є актуальним і своєчасним. Згідно з ГОСТ 4545-88 [9] чинним в Україні розглядувана характеристика визначається шляхом копрових випробувань. Суть їх полягає в нижчевикладеному. Тягар відомої маси т скидається з фіксованої висоти h на зразок вибухової речовини який розміщено в спеціальному ударному приладі. Випробування здійснюють на вертикальному копрі який конструктивно складається з таких основних вузлів і деталей: масивного сталевого блока колони з двома паралельними направляючими ковадла тягарів з т 2 і 10 кг пристрою для зачіплювання та скидання вантажу зубчатої рейки що перешкоджає повторному падінню вантажу при відскакуванні його вверх після удару лінійки з ціною поділок 1 мм і ударних роликових приладів. Копер закріплено на бетонному фундаменті. Розміщення зразка ВР і його ударне навантаження здійснюють в одному з трьох ударних роликових приладів - 1 2 і 3. Конструктивно кожен з них складається з піддона муфти та двох однакових роликів розміщених у муфті один над одним рис.1 . Зразок ВР знаходиться в зазорі між роликами. Удар скинутого тягаря наноситься по верхньому ролику а через нього - по зразку ВР. Залежно від умов навантаження зразка та агрегатного стану ВР ударні прилади дещо відрізняються між собою за конструкцією муфти її внутрішній отвір у приладах 1 і 3 являє собою суцільну циліндричну поверхню. На цій поверхні у приладі 2 є канавка. Прилади 1 і 2 призначені для випробування твердих ВР прилад З - для рідких. Наявність канавки у муфті приладу 2 дозволяє частинкам твердих ВР не тільки ущільнюватися в напрямку дії удару що має місце і в приладах 1 і 3 але й рухаючись у радіальному напрямку вільно витікати в об'єм канавки. Таке витікання ВР супроводжується посиленим тертям що змінює умови зародження "гарячих точок" їх розвитку загоряння та переходу горіння у вибух. У приладі 3 зразок рідкої ВР знаходиться в мідному ковпачку. Рис.1. Ударний прилад: 1 - піддон; 2 - муфта без канавки; 3 - зразок ВР; 4 - ролик Форма розміри матеріал і чистота оброблення деталей копра й ударних приладів жорстко регламентовані. Зокрема діаметр і висота роликів становить = 4 мм. ГОСТ 4545-88 поширюється на бризантні вибухові речовини та встановлює методи визначення таких характеристик чутливості до удару. нижньої межі чутливості до удару твердих ВР у приладі 2; частості вибухів у приладі 1 тільки тих твердих ВР нижня межа чутливості до удару яких більша 200 мм з тягарем масою 10 кг; частості вибухів та нижньої межі чутливості до удару рідких ВР у приладі 3. До твердих ВР відносять порошкоподібні гранульовані лусковані пресовані литі еластичні пластичні та не здатні до розтікання пастоподібні ВР. Визначення характеристик чутливості до удару пастоподібних ВР здатних розтікатися проводять тими ж методами що і рідких ВР. Нижня межа чутливості до удару - це максимальна висота скидання тягаря масою 10 або 2 кг на зразок ВР масою 0 1 г для твердих ВР або об'ємом 0 09 см3 для рідких ВР при якій з 25 випробувань не відбувається жодного вибуху. За вибух приймають перетворення ВР яке супроводжується звуковим ефектом полум'ям або слідами опіків на роликах або муфті приладу. Частість вибухів - це кількість вибухів з 25 випробувань при скиданні тягаря масою 10 або 2 кг з висоти 250 мм на зразок ВР масою 0 05 г для твердих ВР чи об'ємом 0 045 см3 для рідких ВР . Проби гранульованих лускованих пресованих і литих ВР перед випробуванням подрібнюють безпечними методами до повного проходження крізь сито з отворами 0 9-1 0 мм. Еластичні ВР розвальцьовують у лист завтовшки не більше 1 мм а потім ріжуть на клаптики з розмірами сторін менше 1 мм. Ці проби не просіюють. Проби порошкоподібних пластичних і пастоподібних ВР не подрібнюють i не просіюють. Визначення нижньої межі чутливості до удару твердих ВР починається зі встановлення початкової висоти h0 скидання вантажу. Для цього у приладі 2 при положенні муфти "канавка внизу" масі зразка ВР 0 05 г m=10 кг і h = 250 мм проводять 10 випробувань. За їх результатами вираховують частість вибухів X у відсотках згідно з виразом: X1 =10п де n - кількість вибухів з 10 випробувань. За одержаною величиною X1 користуючись таблицею 1 встановлюють початкову висоту h0 скидання вантажу при визначенні нижньої межі чутливості до удару твердих ВР. Ці випробування проводять аналогічно описаним вище при масі зразка ВР 0 1 г і m =10 кг. Випробування проводять поки не буде визначено максимальну величину h при якій при 25 дослідах не виникне жодного вибуху. Висоту скидання вантажу при цьому вибирають такою: 50 70 100 150 200 250 300 400 і 500 мм. Перед випробуванням зразки твердих ВР ущільнюють під тиском не вищим за 290 МПа. Таблиця 1 Зв'язок між X1 і h0 X1 °/о 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-100 h0 мм 500-400 400-300 300-250 250-200 200-150 150-120 120-100 100-70 70-50 При наявності вибухів у 25 дослідах з m =10 кг і h = 50 мм переходять на випробування з m = 2 кг починаючи з h = 200 мм. Для визначення частості вибухів Х2 твердих ВР у приладі 1 проводять 25 випробувань у таких умовах: маса зразка ВР 0 05 г m = 10 кг а h = 250 мм. Значення Х2 розраховують за виразом Х2 = 4n1 де n1 -кількість вибухів у 25 випробуваннях. Якщо Х2 становитиме 96-100 % випробування продовжують з m =2 кг у тих же умовах. При визначенні частості вибухів рідких ВР Х3 попередньо протарований ковпачок за кількістю крапель для його заповнення з опуклим меніском заповнюють ВР наполовину за допомогою піпетки чи крапельниці. Проводять 25 випробувань з m=10 кг і h = 250 мм. Значення Х3 розраховують за такою формулою: Х3 = 4 n2 де n2 - кількість вибухів у 25 випробуваннях. Якщо Х3 становитиме 96-100 % випробування повторюють з m =2 кг. Підготовка та проведення випробувань при визначенні нижньої межі чутливості до удару рідких ВР відрізняється від вищенаведеного тільки тим що ковпачок заповнюють ВР повністю. Початкову висоту h0 скидання вантажу з m =10 кг вибирають зі значень наведених у таблиці 2 виходячи з величини Х3. При наявності вибухів у 25 випробуваннях з m =10 кг і h = 50 мм переходять на випробування з m =2 кг починаючи з h = 200 мм Таблиця 2 Зв'язок між X3 і h0 Х3 % 0-8 8-20 20-40 40-60 60-80 80-100 h0 мм 500-400 400-300 300-200 200-150 150-70 70-50 Визначення чутливості ВР до удару в країнах Євросоюзу унормовано європейським стандартом EN 13631-4:2002 [10]. Воно також здійснюється на вертикальному копрі який конструктивно аналогічний описаному. До нього входять три тягарі з т 1 5 і 10 кг. На відміну від ГОСТ 4545-88 європейським стандартом передбачено один ударний прилад для ВР будь-якого агрегатного стану. Цей прилад складається з двох однакових сталевих роликів від роликопідшипника розміщених один над одним у напрямній сталевій втулці рис.2 . Він фіксується на проміжному ковадлі за допомогою центруючого кільця яке має фігурні отвори для витікання газів вибуху. Рис.2. Ударний прилад а і його фрагмент з рідкою ВР б : 1 - ролик; 2 - напрямна втулка; 3 - центруюче кільце; 4 - гумове тороїдальне кільце; 5 - повітряний проміжок; 6 - рідка ВР Чутливість ВР до удару визначається одним показником -мінімальною енергією удару при якій виникає реакція розкладання зразка ВР принаймні в одному з шести випробувань. Під реакцією розуміють виникнення звуку вибуху чи полум'я в результаті удару. Енергію удару Б Дж обчислюють за формулою Е = m•h•g де g - прискорення сили тяжіння м/с2. Висоту h визначають з точністю до ±0 5 см. Значення д приймають рівним 10 м/с2. Забезпечення заданої енергії удару досягається шляхом узгодження маси тягаря та висоти його падіння відповідно до комбінацій наведених у таблиці 3. Таблиця 3 Комбінації h m і Е h см 10 20 ЗО 40 50 15 20 ЗО 40 50 60 35 40 50 m кг 1 і 1 1 1 5 5 5 5 5 5 10 10 10 Е Дж 1 2 3 4 5 7 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 50 Підготовка зразків ВР до випробувань зводиться до наступного. Тверді речовини що легко руйнуються порошкоподібні та гранульовані пропускаються крізь сито з розмірами отворів 0 5 мм. З фракції яка пройшла через ці отвори відбирають зразки для випробувань. Пресовані литі й інші суцільні але не міцні ВР попередньо подрібнюють і просіюють. Фракцію що пройшла крізь сито з отворами 1 мм і затрималася на сусідньому ситі з отворами 0 5 мм використовують для випробувань. Зразки з речовин які містять у своєму складі більше одного компонента повинні відповідати їх вихідному фізичному стану. Для всіх значень ВР зразки для випробувань відбирають у формі циліндра об'ємом 40 мм3 - діаметр 3 7 мм довжина 3 7 мм. Пластичні й інші тверді ВР які важко руйнуються випробовують у формі дисків об'ємом 40 мм3 діаметр ? 4 мм товщина ? 3 мм . Пасто- та гелеподібні ВР ніякої підготовки не потребують. Зразки з них відбирають за допомогою циліндричних трубок об'ємом 40 мм3. Зразки рідких ВР такого ж об'єму відбирають старанно відградуйованою піпеткою. Під час підготовки випробувань зразок твердої сипучої пасто- чи гелеподібної та пластичної ВР розміщують безпосередньо у відкритий без верхнього ролика ударний прилад. Зверху на зразок легко опускають верхній ролик. У разі рідких ВР верхній ролик фіксується на висоті 2 мм над нижнім за допомогою гумового тороїдального кільця рис.2 б . Випробування зразків ВР починають з енергії удару 10 Дж. Результати випробувань класифікують за однією з таких категорій: реакція виникнення звуку вибуху чи полум'я або відсутність реакції. Якщо при Е = 10 Дж мала місце реакція досліди продовжують зі зниженням Е за кроками згідно з табл.З доти доки реакція не щезне. На такому рівні Е випробування продовжують ще п'ять разів. У разі коли при цьому реакція не відбулася жодного разу маємо граничну величину Е яка і визначає чутливість ВР до удару. Якщо при Е = 10 Дж реакція не відбулася продовжують випробування зі збільшенням за кроками Е доти доки реакцію не буде досягнуто. Тоді зменшують Е і випробування продовжують до визначення чутливості ВР до удару. З порівняння розглянутих стандартів випливає що європейський стандарт є значно простішим: він передбачає єдиний замість двох в українському критерій чутливості ВР до удару однакові ударний прилад і методику визначення чутливості різних за агрегатним станом ВР меншу кількість випробувань в одній серії 6 замість 25 . До основних переваг копрових випробувань на чутливість ВР до удару слід віднести простоту зручність і можливість використання малих зразків ВР. Проте вони за іноземними даними [4] відзначаються низькими чутливістю та відтворенням результатів. Великий розкид експериментальних даних приписують нерівномірному розподілу зерен ВР у зразках змінності атмосферних умов різній кваліфікації операторів тощо. Зважаючи на останнє оцінка результату удару по ВР значною мірою може бути суб'єктивною Щоб уникнути суб'єктивізму результат удару необхідно оцінювати за допомогою відповідного устаткування наприклад шумомірів і мікрофонів відрегульованих на звуковий ефект еталонної ВР при еталонному ударі аналогічно тому як це зроблено у військово-морському центрі надводного озброєння США [4]. Подрібнення твердих ВР до крупності менше 1 мм фактично означає що визначені в такий спосіб характеристики чутливості не завжди відповідають дійсним властивостям вихідної ВР. Найбільшою мірою це стосується низькобризантних грубодисперсних ВР на основі гранульованої аміачної селітри АС в якій згідно з ГОСТ 2-85 допускається значна маса гранул діаметром 3-4 мм. Як відомо при зменшенні крупності гранул АС чутливість до зовнішніх впливів як самої селітри так і сумішевих ВР на її основі різко збільшується. Для одержання достовірних результатів випробування таких ВР слід проводити на не подрібнених зразках а самі зразки повинні бути представницькими за гранулометричним складом. А це означає що їх маса геометричні розміри ударного приладу маса тягаря і висота його скидання повинні суттєво перевищувати відповідні стандартизовані величини. Випробування подібних ВР необхідно проводити на великих копрах аналогічних БК-6 [11] для якого маса зразка ВР становить 3 г маса тягаря - 24 кг а висота його скидання перші метри. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Кутузов Б.Н. Нишпал Г.А. Технология и безопасность изготовления взрывчатых веществ на горных предприятиях. М.: МГУ 2001.-248 с. 2. Боуден Ф. Иофе А. Возбуждение и развитие взрыва в твердых и жидких веществах. - М.: Иностранная литература 1955. - 120 с. 3. Афанасьев Г.Т. Боболев В.К. Инициирование твердых взрывчатых веществ ударом. - М.: Наука 1968. - 174 с. 4. Камлет М. Связь между чувствительностью к удару и структурой полинитроалифатических органических взрывчатых веществ / Детонация и взрывчатые вещества: Пер. с англ. - М.: Мир 1981. - С. 142-159. 5. Чувствительность твердых взрывчатых веществ к удару / Афанасьев Г.Т. Пепекин В.И. Тур И.В и др. // Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов. II Всероссийская научно-техн. конференция. - М.: ЦНИИНТИК - 1997.-С. 108-111. 6. Велик А.В. Потемкин В.А. Новая методика прогноза чувствительности ВВ к удару // Физика горения и взрыва. - 1992. - Т. 28 -№1.-С. 115-116. 7. Дубовик А.В. Оценка параметров разрушения и инициирования конденсированных взрывчатых материалов ударом // Физика горения и взрыва. - 1999. - Т. 35 -№ 2 - С. 88-95.