Способ определения взрывобезопасной высоты слоя нитратцеллюлозных порохов с помощью манометрической установки
Владельцы патента RU 2690513:
Федеральное казенное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт химических продуктов" (ФКП "ГосНИИХП") (RU)
Изобретение относится к обеспечению взрывобезопасности аппаратов на стадии разработки новых марок нитратцеллюлозных порохов. Способ определения взрывобезопасной высоты слоя нитратцеллюлозных порохов для аппаратов цилиндрической и прямоугольной формы включает проведение испытаний на манометрической установке в сосуде высокого давления постоянного объема величиной 37 см3, определение путем математической обработки полученной зависимости давление-время параметров их горения, оказывающих наибольшее влияние на безопасную и критическую высоты слоев пороха, с последующим получением зависимости взрывобезопасной и критической высоты слоя пороха в количестве 150-200 г от параметров горения при использовании полузамкнутых емкостей цилиндрической формы диаметрами 100 и 300 мм или прямоугольной формы с наименьшей стороной размером 100 и 300 мм без проведения крупномасштабных натурных испытаний. Способ обеспечивает взрывобезопасные условия работы технологических аппаратов конечных фаз производства: сушка, мешка и укупоривание путем исключения перехода горения во взрыв при случайных загораниях в них. 4 табл.
Изобретение относится к области взрывобезопасности при производстве нитратцеллюлозных порохов (далее порохов) на конечных фазах их изготовления.
Основной задачей обеспечения взрывобезопасности при случайных загораниях в огнеопасных производственных помещениях категории «В» является создание условий, исключающих переход горения во взрыв (ПГВ).
Одним из способов исключения ПГВ при производстве порохов на наиболее опасных фазах производства: сушка, мешка и укупоривание является установления взрывобезопасных высот слоев в технологических аппаратах, которые определяются из экспериментально-теоретической зависимости:
где: Н - критическая или безопасная высота слоя пороха. За критическую высоту принимается минимальная высота слоя, при которой происходит ПГВ, за безопасную - максимальная высота слоя, при которой происходит выгорание пороха;
d - диаметр или наименьшая сторона аппарата;
А и В - коэффициенты, определенные для конкретной марки пороха по результатам физического моделирования в стальных полузамкнутых емкостях.
Представленная зависимость получена в результате серии последовательных испытаний по определению критических и безопасных высот слоев в полузамкнутых емкостях диаметрами 100, 300 и 500 мм и высотой 1000 мм и которая включена как неотъемлемая часть в отраслевую методику определения взрывобезопасных норм загрузки порохов в зданиях огнеопасных категорий «В» [1].
Как видно из вышеизложенного, для определения критических и безопасных высот слоев потребуется большое количество пороха, изготовление одноразовых моделей и специальных полигонных условий испытаний. Данная зависимость в предлагаемом изобретении принята в качестве одного из прототипов.
Наиболее близким, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является способ определения склонности порошкообразных взрывчатых материалов во взрыв в больших объемах, включающий заполнение вертикально установленной трубы диаметром не менее 400 мм взрывчатым материалом (ВМ) и по верх него сыпучим инертным материалом (ИМ) с массой, превышающей массу в 1,5…4 раза. Затем поджигают ВМ в нижней части закрытой трубы и определяют результат испытаний. Измерения повторяют, увеличивая высоту слоя ВМ и ИМ, пока не будет взрыва. За параметр, характеризующий склонность к ПГВ, принимают минимальную высоту слоя ВМ, обеспечивающую возбуждение взрыва. Расход ВМ на проведение всей серии испытаний по этому способу составит в пределах 240 кг. [2].
Недостатком прототипа является то, что для определения критических и безопасных высот слоев потребуются значительные материальные затраты на изготовление большого количество порохов, моделей аппаратов и испытаний в полигонных условиях.
На начальных стадиях разработки новых марок порохов, имеющих в своем составе дорогостоящие и опасные наполнители из взрывчатых веществ и катализаторов скорости горения, процесс наработки опытных составов проводится в лабораторных условиях в очень малых количествах. Очевидно, что для проведения испытаний по определению критических и безопасных высот слоев по вышеуказанным методам наработка в лабораторных условиях пороха в количестве 150…240 кг нереальна. А для изготовления пороха в опытно-заводских условиях требуются установленные нормы, при которых исключается ПГВ в случае возникновения аварийных ситуаций. Возникает замкнутый круг, который возможно разомкнуть с помощью предлагаемого ниже способа.
Задачей настоящего изобретения является создание лабораторно-стендового способа определения взрывобезопасной высоты слоя для аппаратов цилиндрической и прямоугольной формы.
Задача решается путем установления зависимости между параметрами горения порохов в сосудах высокого давления постоянного объема (далее сосудах) с критическими и безопасными слоями пороха в цилиндрических емкостях полузамкнутого типа (далее емкостях).
В процессе разработки новых марок порохов накоплена большая база данных по критическим (Нкр) и безопасным (Нбез) высотам слоев. Установлено, что при расчетах этих слоев в зависимости Н=А⋅eB⋅d величину d можно рассматривать как диаметр или наименьшую сторону прямоугольного аппарата; основным условием, определяющим взрывобезопасность в аппарате или помещении, является: Hi<Нкр и Hi<Нбез. На основании этого условия в предлагаемом способе принято наиболее приемлемое с точки зрения взрывобезопасности понятие и обозначение - взрывобезопасная высота Нвзр, т.е. максимальная высота слоя пороха, при которой не происходит ПГВ.
С целью определения возможности использования параметров горения, полученных в сосудах высокого давления постоянного объема, для установления зависимости Нкр и Нбез от диаметра полузамкнутых емкостей проведены исследования на манометрической установке, состоящей из сосуда высокого давления объемом 37 см3, датчика давления Т-6000, усилителя сигналов Нейва-10000, компьютера и принтера. Испытания проводились на наиболее опасных порохах с точки зрения склонности их к переходу горения во взрыв в емкостях диаметрами 100 и 300 мм, т.е. имеющих наименьшие величины высот критических (взрывоопасных) слоев в емкостях диаметрами 100 и 300 мм. Эти емкости представляли собой полузамкнутые цилиндрические сосуды из металла с приваренным дном, которые имели диаметры 100 и 300 мм, высоту 1000 мм, толщину стенки 2,5 мм. Следует отметить, что результаты испытаний по определению критических и безопасных высот слоев порохов в этих емкостях взяты из отчетов ранее проведенных работ.
В результате манометрических испытаний получены зависимости давления от времени горения (давление-время) для 11 марок порохов с различными геометрическими размерами. Далее в результате математической обработки зависимости давление-время и данных по взрывобезопасным слоям получены параметры горения, оказывающие наибольшее влияние на Нкр и Нбез:
(dP/dt)max - максимальное значение первой производной давления от времени (скорость нарастания давления);
кПа/с; Гmax - максимальное значение функции газообразования;
1/кПа⋅с; τ - оцененное значение времени задержки воспламенения, мс;
Ik - полный импульс давления пороха, кПа⋅с.
На основании вышеприведенной работы для емкостей диаметрами 100 и 300 мм получены зависимости безопасных и критических высот слоев пороха от этих параметров горения:
Следует подчеркнуть, что на проведение испытаний по предлагаемому лабораторно-стендовому способу потребовалось пороха в количестве 150…200 г, изготовление которого возможно в лабораторных условиях.
Для проверки достоверности применения зависимостей Нкр и Ебез в полузамкнутых емкостях от параметров горения в сосудах постоянного объема (формулы 2…5) проведены полигонные испытания по определению Нкр и Нбез в емкостях диаметрами 100 мм и 300 мм для новых марок порохов 4/1 МПК, 4/1 МПКО-К и 24/7 ПО-Д и штатного ВУфл.
Для сравнения в таблице 1 приведены значения Нкр и Нбез,, полученные в условиях полигона в емкостях диаметрами 100 и 300 мм (экспериментальные), и значения Нкр и Нбез,, полученные путем математической обработки параметров горения в сосудах высокого давления объема и ранее полученных величин взрывобезопасных высот слое порохов (расчетные).
На основании результатов работ, представленных в таблице 1, рассчитаны отклонения расчетных величин критических и безопасных высот слоев порохов 4/1 МПК, 4/1 МПКО-К и 24/7 ПО-Д и ВУфл от их экспериментальных значений. Данные отклонения представлены в таблице 2.
Анализ результатов, представленных в таблице 2, показывает, что отклонения расчетных величин от экспериментальных не превышают 4%. Этот факт еще раз подтверждает возможность применения формул 2…5 для определения критических и безопасных высот слоев порохов.
В качестве примера применения разработанного способа проведена работа по определению зависимости взрывобезопасной высоты слоя спортивно-охотничьего пороха Сунар 410 от диаметра или наименьшего линейного размера модели аппарата. Для этого проведены манометрические испытания по определению параметров горения в сосуде высокого давления постоянного объема. Результаты испытаний представлены в таблице 3.
Критические и безопасные высоты в моделях аппаратов диаметрами 100 мм и 300 мм, рассчитанные по формулам 2...5, представлены в таблице 4.
После математической обработки данных таблицы 4 и зависимости 1 методом наименьших квадратов получены значения для коэффициента А равный 126,98, для В - 1,81. Тогда зависимость взрывобезопасной высоты слоя пороха Сунар 410 от диаметра или наименьшей стороны аппарата будет иметь вид:
Используя эту зависимость можно рассчитать взрывобезопасную высоту слоя для вновь разрабатываемых нитратцеллюлозных порохов и вследствие этого взрывобезопасную загрузку технологических аппаратов.
Таким образом, разработан лабораторно-стендовый способ определения взрывобезопасной высоты слоя нитратцеллюлозных порохов с помощью параметров горения в сосудах постоянного объема для установления взрывобезопасных загрузок аппаратов конечных фаз производства: сушка, мешка и укупоривание. Способ позволяет на стадии разработки определять взрывобезопасные высоты слоев с использованием малых количеств пороха. При этом значительно сокращаются материальные затраты на изготовление порохов и моделей аппаратов, в том числе и на проведение испытаний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Методика «Определение площади легкосбрасываемой конструкции (ЛСК)» и норм загрузки для зданий и сооружений категории «В», МОП СССР, 1990.
2. Патент №2037814 от 19.07.1995 г. Способ определения склонности порошкообразных взрывчатых материалов к переходу во взрыв в больших объема.
Способ определения взрывобезопасной высоты слоя нитратцеллюлозных порохов для аппаратов цилиндрической и прямоугольной формы, включающий проведение испытаний на манометрической установке в сосуде высокого давления постоянного объема величиной 37 см3, определение путем математической обработки полученной зависимости давление-время параметров их горения, оказывающих наибольшее влияние на безопасную и критическую высоты слоев пороха, с последующим получением зависимости взрывобезопасной и критической высоты слоя пороха в количестве 150-200 г от параметров горения при использовании полузамкнутых емкостей цилиндрической формы диаметрами 100 и 300 мм или прямоугольной формы с наименьшей стороной размером 100 и 300 мм без проведения крупномасштабных натурных испытаний.
