Химическая физика, 2023, T. 42, № 3, стр. 11-15

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технические проблемы, возникающие на стадии разработок корректных методов испытаний взрывчатых и прочих энергоемких материалов на чувствительность к механическим воздействиям, постоянно находятся в центре внимания специалистов, занимающихся созданием безопасных условий для производства и переработки различных видов взрыво- и пожароопасных субстанций [1–4]. Трудность практического решения поставленных задач состоит прежде всего в том, что необходимо одновременно обеспечить как простоту, доступность и малые трудозатраты испытаний, так и высокую точность и воспроизводимость результатов определения показателей чувствительности взрывчатых веществ (ВВ).

Упрощенные методы испытаний, которые положены в основу стандартных методов (государственных, отраслевых и других), как правило, дают недостаточно верные представления о чувствительности ВВ, часто недооценивая их опасность в обращении. Обычно это связано с фиксацией какого-либо методического параметра испытаний – массы образца, энергии удара и пр. В этом случае обычно теряется из вида такой важный показатель испытаний, как фактор критичности условий возникновения взрыва, позволяющий определить максимум чувствительности ВВ к данному виду воздействия. Критические показатели инициирования ВВ можно установить только при вариации большинства определяющих параметров внешнего воздействия и состояний испытываемого образца. Однако строгое соблюдение принципа вариативности параметров испытаний неизбежно приводит к усложнению исследовательских работ и увеличению трудозатрат.

Ниже рассматриваются достоинства и недостатки некоторых из существующих стандартных и лабораторных методов испытаний ВВ на чувствительность к удару и вносятся предложения по их улучшению на основе последних теоретических и экспериментальных результатов исследований по поведению зарядов твердых ВВ при ударе на копре.

ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ВВ

Метод критических давлений (МКД) для испытаний ВВ на чувствительность к удару был разработан в начале 1960-х годов в ИХФ РАН группой сотрудников под руководством Л.Г. Болховитинова, Г.Т. Афанасьева и В.К. Боболева [5]. Ранее для характеристики чувствительности ВВ использовалась процентная оценка числа взрывов при ударах с фиксированными энергиями по зарядам постоянной массы (ГОСТ 4545-48). С введением МКД сформировался новый методологический подход к исследованиям чувствительности ВВ, основанный на глубоком понимании физико-механических процессов при ударе и строго обоснованных количественных данных о критических показателях чувствительности ВВ. Поясним его суть на примере испытаний на чувствительность к удару зарядов из ультрадисперсного перхлората аммония (УДП) с размером частиц 0.8–1.4 мкм. Учитывая тот факт, что критические параметры возбуждения взрыва присущи всем ВВ, то полученные в опытах с зарядами УДП данные об особенностях их поведения при ударе полностью применимы для формирования четких представлений об основах механической чувствительности ВВ с произвольной структурой и направлениях поиска критических условий их инициирования.

При определении чувствительности ВВ по методу критических давлений используются спрессованные под давлением 0.3–0.5 ГПа (в зависимости от прессуемости исследуемого вещества) дискообразные заряды диаметром D = 2R и толщиной h₀< D. Обычно изготавливают заряды с D = 10 мм и 0.1 ≤ h₀ ≤ 1.0 мм. Для осциллографической записи давлений холостого и снаряженного ударов применяются проволочные тензодатчики, а регистрация момента воспламенения или взрыва заряда ВВ осуществляется с помощью фотоэлектрических элементов.

В работах [5–7] показано, что поведение практически всех твердых ВВ, включая всевозможные смесевые составы, при ударе приблизительно одинаково: с начала опыта в течение нескольких десятков микросекунд тонкий заряд сжимается упруго и давление возрастает, как при холостом ударе. Затем при достижении некоторого давления Р₀ начинается кратковременная (~1 мкс) пластическая деформация заряда при слабовозрастающем давлении Р(t), которая сменяется развитым пластическом течением и/или прочностным разрушением заряда, сопровождающимся резким (за время t_f ≈ 10–30 мкс) спадом давления. Именно во время прочностных разрушений зарядов фотоэлементы фиксируют вспышки взрыва.

Спад давления на осциллограмме удара сопровождается высокоскоростным (до 0.5 км/с) разлетом фрагментов разрушения заряда или раскаленных продуктов взрыва в случае инициирования взрывной реакции в радиальном потоке вещества. Если отложить в координатах Р₀–h₀ значения давления разрушений, снятые при фиксированной энергии удара Е₀= МgH (Н – высота сбрасывания груза массой М на заряд ВВ), то нетрудно установить гиперболический вид полученной зависимости, которая хорошо описывает состояния предельных нагрузок при сжатии тонких пластических прослоек [5–8]:

где σ – предел прочности образца ВВ на сжатие. Анализ экспериментальной кривой Р₀(h₀) показывает, что взрывы при малых толщинах h₀ фиксируются всегда в момент разрушения заряда, тогда как при больших h₀ отказы чередуются со взрывами, а последние возникают только при повторных, т.е. следующих за первым, разрушениях заряда. Причем заряды большой толщины h_b (в несколько мм) взорвать практически невозможно, поскольку энергия удара последовательно растрачивается на множестве слабых разрушений.

Для данного ВВ четкую границу по оси h₀ между регулярными и спорадически возникающими взрывами удается провести только при нескольких параллельно выполненных экспериментах. Но даже и в этом случае граничное значение h₀, получившее название критической толщины заряда (h_кр), определяется по подсчету количества опытов с равным числом взрывов и, условно говоря, отказов, т.е. по 50%-ной частоте полноценных взрывов. Соответствующее критической толщине давление на прочностной кривой Р₀(h₀) называется критическим (Р_кр). При однократном проведении опыта с зарядами ВВ погрешность определения h_кр и Р_кр достаточно высока (15–20%), но при нескольких повторениях эксперимента она снижается до 5–10%. Поскольку тонкие и утолщенные заряды ВВ прессуются неодинаково, ошибка определения величины их прочности σ, значение которой усредняется по результатам расчетов по формуле (1), представляется сравнительно высокой: 15–20%.

Физически величина Р_кр определяет давление, создаваемое ударом в заряде ВВ, время разрушения которого, t_f, равно периоду индукции теплового взрыва, t_i, инициированного протеканием диссипативных процессов (пластическое течение, фрикционный разогрев и другие) в горячих точках быстро движущейся среды. Энергетическим источником происхождения взрыва является тепло, в которое трансформируется значительная часть упругой энергии

запасаемой в копровой системе нагружения в начальной стадии удара (k – механическая жесткость копра). Обобщая полученный результат, констатируем, что при всех Е₀ ≥ Е_кр прочностное разрушение ВВ запускает процессы сброса энергии из копровой системы нагружения в заряд, ее расходования на движение и разогрев продуктов разрушения и инициирование взрыва. Энергия удара Е₀ также определяет максимальную толщину заряда (h_x), который невозможно разрушить ударом (“сверхтонкий” заряд), и соответствующее ей давление холостого удара (P_x):

Из выражения (3) следует, что при уменьшении Е₀ снижается давление Р_х и возрастает толщина заряда h_x. При ударе по зарядам толщиной h₀< h_x давление P(t) изменяется по закону холостого опыта (синусоидально). Заряды толщиной h_x < h₀ ≤ h_кр взрываются регулярно, поскольку при их разрушении время t_i ≤ t_f. Для зарядов толщиной h_кр < h₀< h_b справедливо условие t_i > t_f, и вероятность их взрывов (при повторных разрушениях) монотонно снижается до нуля по мере того как h₀ → h_b. На рис. 1 приведена прочностная кривая 1 для зарядов УДП, снятая в экспериментах с Е₀ = = 24.5 Дж (Р_х = 1.32 ГПа), на которой темными квадратами отмечены усредненные по трем параллельным опытам взрывы, а светлыми – их отсутствие при первом акте разрушения зарядов, а также штриховыми прямыми показано положение критической точки: h_кр = 0.48 мм, Р_кр = 0.88 ГПа; здесь значения σ = 175 МПа, h_x = 0.3 мм. Отметим, что несомненным достоинством МКД является тот факт, что регистрируемые с его помощью критические параметры инициирования ВВ не зависят от энергии удара, лишь бы выполнялось условие прочности (1) при h₀> h_x.

Развитием МКД в направлении отказа от сложного аппаратного инструментария, но не в ущерб значимости получаемых в эксперименте результатов, стала разработка лабораторного метода критических энергий (МКЭ), выполненная автором с сотр. (А.А. Денисаевым, М.В. Лисановым и др.) в ИХФ РАН в 1970-х годах [7]. Как и в испытаниях по МКД методом КЭ испытываются на удар тонкие хорошо спрессованные (давление прессования 0.3–0.5 ГПа) заряды ВВ разной толщины h₀, но по которым наносятся удары с варьируемой энергией Е₀. Регистрация взрыва или отказа проводится по наличию или отсутствию характерных для взрывных экспериментов аудиовизуальных эффектов. Основной недостаток органолептической процедуры регистрации взрыва–отказа компенсируется хорошо воспроизводимыми результатами многократно повторяемых опытов с ВВ (по 25 опытов с зарядом заданной толщины). Для этого в опытах с зарядами разной h₀ снимаются полные кривые частостей взрывов f(H), из которых определяются значения их нижних, Н₀, и верхних, Н₁₀₀, пределов чувствительности к удару и высоты Н₅₀, при которой фиксируются 50% взрывов. Следует указать, что, применяя МКЭ, можно проводить испытания на чувствительность к удару пастообразных и вязкотекучих ВВ, что недоступно при использовании МКД.

На рис. 2 приведена кривая зависимости f(H) с указанием ее характеристических точек, снятая в опытах с зарядами УДП толщиной h₀ = 0.3 мм с использованием прибора со свободным истечением вещества и с грузом массой М = 10 кг. Она имеет обычную для частотных экспериментов S‑образную форму, что позволяет надежно (не хуже чем с 10%-ной точностью) определить высоту Н₅₀ = 20 см. После определения величины Н₅₀ из опытов с зарядами другой толщины строится кривая зависимости Н₅₀(h₀). По описанной процедуре получены кривые зависимостей Н₀(h₀) и Н₁₀₀(h₀). На рис. 3 представлены все три указанные кривые. Они имеют характерную U-образную форму и минимальные значения при единой для них толщине заряда h₀= 0.48 мм, которая полностью совпадает с критической толщиной зарядов УДП h_кр, найденной в опытах по МКД.

Совпадение критических толщин зарядов при инициировании ВВ в методически независимых экспериментах по МКЭ и МКД не является случайным. Оно свидетельствует о том, что показатель h_кр (точнее, h_кр/D) является определяющей характеристикой чувствительности ВВ, по которой рассчитываются значимые для практики критические параметры механического инициирования – давление Р_кр и энергия Е_кр. На рис. 1 наряду с кривой зависимости Р₀(h₀) штриховой кривой 2 приведена зависимость Н₅₀(h₀), в соответствии с которой находим значения h_кр = 0.48 мм, Н_кр = 11 см и Е_кр= 10.8 Дж.

Из анализа хода кривых 1 и 2 рис. 1 следуют выводы, подтвержденные тензометрическими экспериментами:

1) на левой ветви кривой 2 (h₀ ≤ h_кр) черными точками отмечены взрывы, возникающие при первом акте разрушений зарядов, тогда как на ee правой ветви (h₀> h_кр) взрывы, возникающие лишь при повторных разрушениях, отмечены светлыми точками;

2) наряду с Н₀(h_кр) параметр Н₅₀(h_кр) = Н_кр характеризует (на уровне 50%-ной частости взрывов) наименьшую энергию удара, способного инициировать заряд ВВ. Действительно, из выражения (3) и расположения сходящихся к значению Н_кр ветвей кривой 2 следует, что при снижении энергии удара Е₀ одновременно расширяются зоны отказов слева (h_x → h_кр) и справа (h_b → h_кр) от h_кр. Поэтому при Е₀ → Е_кр имеем в пределе h₀= h_кр и Р_х = Р_кр;

3) расположение экспериментальных значений Р_кр и Е_кр на единой абсциссе h_кр предусматривает аналитическую связь между ними не только в критических условиях инициирования, но и для всех параметров разрушений зарядов, Р₀ и Е₀, найденных при заданной толщине h₀. Она записывается в виде (2) или в общем виде как

если положить экспериментальные характеристики испытаний равными S = 0.785 cм², K = 0.22 ГН/м, а величины Р₀ и Е₀ выражать в ГПа и Дж соответственно. Сплошной линией 3 на рис. 1 показана построенная по формулам (1), (4) левая (h₀ ≤ h_кр) ветвь зависимости Н₅₀(h₀), а ее правая ветвь представлена как зеркальное отражение левой. Отсюда следует, что кривые зависимости Н(h₀) можно приближенно рассматривать как параболические функции для всех значений h₀, близких к h_кр.

О СТАНДАРТНЫХ МЕТОДАХ ИСПЫТАНИЙ

Согласно действующему ГОСТ 4545-88 испытания твердых ВВ на чувствительность к удару проводят по двум методам и в двух приборах: 1 и 2, называемых приборами с затрудненным и свободным истечением вещества соответственно [5]. Ударам подвергаются заряды постоянной массы m = 50 мг в приборе 1 и заряды с m = 100 мг в приборе 2. С помощью прибора 2 определяется нижний предел чувствительности, Н₀, т.е. проводятся испытания по типу, представленному выше как испытания по МКЭ. Полученные результаты для УДП приведены на рис. 3 (кривая 1). Из него видно, что заряд УДП толщиной 0.7 мм (m = 100 мг) взрывается при Н₀ = 16 см, тогда как при толщине h_кр = 0.48 мм (m = 70 мг) величина нижнего предела составляет Н₀ = 7.5 см. Отсюда следует, что в данном показательном примере чувствительность УДП, определенная по ГОСТ, оказалась бы существенно недооцененной. Так же обстоит дело и с оценками чувствительности других ВВ, включая оценки, полученные в экспериментах с прибором 1. В лабораторных опытах с этим прибором [7] установлено, что значение h_кр зарядов тетрила, при котором частота их взрывов наиболее высока (до 100%), составляет 0.3 мм, тогда как рекомендуемые для испытаний по ГОСТ заряды тетрила должны иметь h_кр = 0.4 мм, при которой частость взрывов составляет не более 45%.

Заметим, что для получения достаточно корректной оценки чувствительности ВВ по МКЭ можно не снимать полную кривую частостей взрывов, а ограничиться поиском минимального значения нижнего предела, варьируя толщину (массу) заряда. Таким способом определяется отрезок U-образной кривой с минимумом в точке h_кр, по которой находились объективные показатели чувствительности ВВ к удару – величина Е_кр и далее – Р_кр.

Корректная оценка чувствительности ВВ по методу 1, согласно которому находится процент взрывов при ударе груза с высоты 25 см, представляется более простой. Определяются частости взрывов в нескольких сериях опытов с зарядами различной массы (толщины) и выбирается наибольшая частость взрывов. Соответствующая ей толщина зарядов равна критической.

ВЫВОДЫ

1. Уточнены физические механизмы процессов возбуждения взрыва, положенные в основу создания лабораторных методов критических давлений и энергий для испытаний твердых ВВ на чувствительность к удару. Экспериментально показано существование минимально возможного значения энергии удара для возбуждения взрыва заряда ВВ, которое принято в качестве критического для энергии инициирования.

2. Установлены недостатки стандартных методов испытаний ВВ, недооценивающих уровень их чувствительностей к удару, и предложены способы модификации существующих методов для приведения их к уровню корректных оценок.

Настоящая работа была выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований РФ “Процессы горения и взрыва” (регистрационный номер 122040500073-4) и имела бюджетное финансирование.