Наибольшую опасность при производстве и эксплуатации ЭКМ пред­ставляет переход горения во взрыв или детонацию (ПГВ или ПГД). Действительно, вероятность загорания ЭКМ и их полуфабрикатов в условиях производ­ства и при обращении с ними полностью не исключена и, естественно, при проектировании производственных зданий, формировании техно­логического процесса и конструировании аппаратуры чрезвычайно важ­но знать, каковы условия перехода горения в детонацию для конкрет­ных составов и полуфабрикатов, находящихся в аппаратах.

Очень важно знать, чем может закончиться загорание ЭКМ в произ­водстве − обычным пожаром или это горение может перейти во взрыв или детонацию, и какие при этом необходимо разрабатывать меры за­щиты работающих, какие средства необходимо затратить. Достаточ­но привести только один пример, который ярко проиллюстрирует ска­занное.

На первоначальном этапе производства баллиститных порохов (БП) при формовании заря­дов использовали шнек-прессы таких конструкций, загорание полуфаб­риката в которых при определенных условиях давало переход горения в детонацию с дальней­шим распространением детонации на всю загрузку, что было эквива­лентно взрыву нескольких сотен килограмм тротила. Взрыв такого количе­ства БП приводил практически к полному разрушению оборудования и строительных конструкций, т.е. к полному выводу из строя производствен­ных мощностей. Это потребовало дополнительных капиталовложений на строительство обваловок, мощных железобетонных кабин, не гово­ря уже о затратах на работы по восстановлению строительных конст­рукций и оборудования. Была предложена принципиально новая конструк­ция так называемой динамически ослабленной втулки (ДОВ), которая обеспечивала сброс давления при загорании. Давление резко падало, порох продолжал гореть, но взрыва уже не происходило. На прессе менялась втулка, и он снова включался в работу.

Таким образом, материальные затраты на фор­мирование технологического процесса, обеспечивающего безопасность обслуживающего персонала, в первую очередь определяются и зависят от возможности и реализации ПГД конкретного материала при его слу­чайном загорании.

Переход горения в детонацию − это явление, характеризуемое дву­мя качественно отличающимися друг от друга процессами − горением и детонацией. ПГД заключается в изменении механизма возбуждения химической реакции: от теплопроводности при горении к ударно-вол­новому за счет образования в горящем веществе УВ с параметрами, до­статочными для возбуждения детонации. Каковы же должны быть условия, при которых образуется УВ в процессе горения ЭКМ?

И.Я. Петровский в своих исследованиях доказал, что для обеспече­ния перехода горения в детонацию (ПГД) обязательно соблюдение сле­дующих условий:

наличие нарастающего давления (dp / dτ > 0);

наличие бегущей волны давления dp / dl ≠0, а также некоторой ми­нимально необходимой длины заряда.

Естественно, что эти условия будут реализовываться тем легче, чем выше восприимчивость конкретного ЭКМ к детонации. Известно, что восприимчивость к детонации характеризуется двумя факторами:

возбудимостью химической реакции, характеризующейся интенсив­ностью УВ, т.е. давлением возбуждения детонации;

возможностью химической реакции (шириной фронта), которая ха­рактеризуется критическим диаметром детонации.

Как правило, в ре­альных условиях последний фактор практически для всех ЭКМ превосходит критическое значение. Поэтому при ПГД исключительную важность приобретает уровень ударно-волновой чувствительности ЭКМ (критиче­ское давление возбуждения детонации).

Известно, что ударно-волновая чувствительность со снижением плотности ЭКМ увеличивается, т.е. кри­тическое значение давления в УВ падает. Например, критическое дав­ление возбуждения детонации шашек баллиститных порохов составля­ет несколько тысяч МПа, в дезинтегрированном виде (таблетка, крошка − уже значительно меньше, до 2000 МПа). Для порошкообразных ВВ типа гексогена давление возбуждения составляет всего 50... 100 МПа. Именно по этой причине у таких порошкооб­разных ВВ, как гексоген, легко происходил ПГД, а у полуфабрикатов БП имели место отказы даже при разрыве трубки.

Указанные условия создания УВ с необходимыми для возникнове­ния в ЭКМ детонационного процесса параметрами, проще всего реали­зуются в удлиненной прочной трубе, даже без закрытых торцов ( L >> d). Практика показывает, что для подавляющего большинства порошкооб­разных (кристаллических и зерненых) ЭКМ достаточно условие, при ко­тором L=(15...25) d . Естественно, что это условие может реализоваться также и при дру­гих видах оболочки, а для больших масс ЭКМ и без оболочки. Однако диаметр оболочки при этом или масса ЭКМ должны обеспечивать усло­вия возникновения УВ.

Сущность механизма ПГД состоит в том, что в зоне воспламенения ЭКМ за счет газообразования продуктов горения возрастает дав­ление, что приводит к увеличе­нию скорости горения и даль­нейшему более интенсивному газообразованию. Под дей­ствием давления близлежащие, но еще не воспламенившиеся слои ЭКМ начинают двигаться как поршень, впереди которого на определенном расстоянии возникает УВ. Образованию слоя, рабо­тающего как поршень, и его движению способствует либо прочная обо­лочка (одномерный случай), либо большие массы еще не воспламенив­шегося материала, выполняющие роль инертной дополнительной ди­намической оболочки (многомерный случай). Естественно, что если об­разовавшаяся УВ по мере своего усиления (до разрыва оболочки или разбрасывания массы ЭКМ) достигает необходимой интенсивности, то на определенном расстоянии от зоны воспламенения возникает детона­ционный процесс. При этом часть ЭКМ (зона сжатого ЭКМ, которая составляет неболь­шую величину, порядка 3...5 % от общего количества) может не прореагировать, а быть разбросанной.  

Внешнее проявление ПГД или его отсутствие характеризуется раз­личием в деформации оболочки. Если при наличии ПГД оболочка дро­бится на мелкие и крупные осколки, то при отсутствии ПГД деформа­ция оболочки наблюдается только в районе воспламенения испытуемо­го ЭКМ.

На ПГД оказывают прак­тическое влияние следующие факторы:

наличие зависимости между прочностью оболочки и количеством ЭКМ, участвующим в процессе;

прочность и масса оболочки заряда, в котором произошло загора­ние;

влажность ЭКМ.

При исследовании ряда ЭКМ было замечено, что для конкретного ЭКМ существует определенная критическая масса, при пре­вышении которой его загорание может привести к ПГД без наличия оболочки, обладающей статической прочностью (при складировании больших масс ЭКМ, загрузке вагонов и т.п.). Такой вы­вод, в определенной степени, подтверждается работами, проведенными под руководством С.П.Смирнова, по исследованию процессов горения мешков с ЭКМ (октоген, флегматизированный гексоген), уложенных в штабели высотой 2 м. Размешенные в вагоне с деревянной облицовкой, штабели мешков с 9000 кг ЭКМ сгорели за 4 мин без взрывного эффекта. В вагоне с металлической облицовкой (толщиной до 15 мм) зажигание 14 000 кг аналогично размещенных ЭКМ привело к ПГД с полным разру­шением вагона и образованием воронки.

Классическим примером взаимного влияния прочности и массы оболочки являются эксперименты по оценке склонности к ПГД специально пересушенного полуфабриката порохов в длинных трубах с идентичной статической прочностью. Не­которые эксперименты отличались тем, что испытуемые трубы были окружены дополнительной массой (водой) в чрезвычайно легкой обо­лочке, практически не имеющей статической прочности (ацетатная плен­ка). При этом в первом случае наблюдали отсутствие ПГД, а во втором устойчивое его наличие.

Все сказанное имеет не только теоретическое, но и большое прак­тическое значение в области обеспечения взрывобезопасности любых энергоемких материалов и объяснения причин и механизмов развития аварийных ситуаций.

Учитывая результаты экспериментов и полагая, что оболочка пред­ставляет собой тонкостенный сосуд, можно получить зависимость для расчета толщины стенок аппарата δ, при превышении которой возможен ПГД. В зависимости от диаметра аппарата и прочности материала, из которого он изготовлен:

  ,

где δ − толщина стенки аппарата (оболочки), см; d – диаметр аппарата, см; σ – разрывная прочность материала, МПа.

Использование приведенной зависимости требует отступлений от традиционных методов конструирования аппаратов в связи с тем, что их конструкция должна быть предельно облегчена с учетом взрывозащиты. Как показывает практика, применение новых легких конструк­ционных материалов в сочетании с принципами динамического ослабления позволяет успешно создавать аппаратуру, отвечающую современ­ным требованиям взрывозащищенности.

Безусловно, снижение статической прочности аппарата или транс­портного контейнера влечет за собой потерю конструктивной жест­кости, и эксплуатация такого устройства становится проблематич­ной н небезопасной. Для исключения такого существенного недо­статка и используется принцип динамического ослабле­ния. Практически установлено, что для обеспечения взрывозащиты достаточно динамически ослабить 30...40 % поверхности аппарата или контейнера.

Динамическое ослабление должно основываться на двух принципах:

максимально возможное уменьшение удельной поверхностной мас­сы оболочки, которое достигается снижением толщины вышибного эле­мента и применения легких конструкционных материалов;

работа на срез отдельного вышибного элемента, в отличие от рабо­ты на растяжение всей оболочки (конструкции) неослабленного типа, вне зависимости от геометрических размеров (площади) вышибного элемента.

Как показывают расчеты, только за счет рациональных конструктивных решений, не теряя прочности и жесткости конструкции, удельную массу вышибных элементов можно снизить больше чем на порядок и тем самым обеспечить в случае аварийной ситуации невозмож­ность ПГД даже для весьма взрывоопасных ВВ типа гексогена.