Повышение безопасности взрывной резки металла в чрезвычайных ситуациях на основе минимизации действия взрыва и флегматизации химических составов взрывчатых веществ

Актуальность темы

диссертации.

За последние десятилетия в РФ и за рубежом наметилась тенденция преимущественного использования в черной металлургии вторичного сырья. В настоящее время объемы переработки стального лома в развитых странах соизмеримы с объемами производства чугуна и стали из железных руд. В РФ физический и моральный износ оборудования металлоемких отраслей промышленности достигает 60.80%, что определяет потенциальный объем утилизации металла при переходе отечественных предприятий на выпуск конкурентоспособной продукции.

В последние годы во всем мире большое внимание уделяется безопасной ликвидации последствий природных и техногенных катастроф, вооруженных конфликтов и террористических актов. Одной из сложных задач является безопасная резка и обрушение аварийных металлоконструкций, в том числе с остатками горючих материалов, в условиях исключающих непосредственное присутствие человека.

В России.

Протяженность нефтеи газопроводов России со сроком эксплуатации 20−30 лет измеряется десятками тысяч километров, что определяет возрастающие объемы их ремонта и частичной замены. Термическая резка трубопровода, содержащего остатки нефти или газа, представляет трудоемкий и взрывоопасный процесс, включающий заполнение песком участка трубопровода длиной несколько метров.

В акваториях морских и речных портов сосредоточенно большое количество выведенных из эксплуатации торговых, рыболовных, нефтеналивных и пр. судов, поддержание которых на плаву требует значительных затрат. Отсутствие финансирования приводит к самопроизвольному затоплению судов у причальных стенок и вблизи фарватеров, что ухудшает экологическую обстановку и мешает судоходству. Большинство кораблей имеют внутреннее теплоизоляционное и внешнее антикоррозионное покрытия, а также остатки нефтепродуктов, выделяющие при термической резке высокотоксичные газы, что ограничивает использование традиционных методов разделки для утилизации водного транспорта.

На вспомогательных путях железнодорожных станций скопилось большое количество единиц списанного подвижного состава, паровозов, тепловозов и др.

Аналогичная обстановка наблюдается на воздушном транспорте, где списанные самолеты и вертолеты годами простаивают на аэродромах.

В армии и ВМФ, значительный объем металла законсервирован в морально устаревшей военной технике. Уже в настоящее время с боевого дежурства сняты сотни надводных и подводных кораблей. Списаны тысячи единиц бронетехники и артиллерийских установок. Подлежат разделке и утилизации металлоёмкие боеприпасы, корпуса ракет, стартовые пусковые установки и др.

Во Вьетнаме.

До сих пор, вследствие четырех войн на территории страны сохранилось много аварийных объектов, которые представляют опасность для располагающихся близко от них новых важных сооружений. Задача ликвидации этих сооружений, в том числе металлоконструкций, при обеспечении безопасности окружающих объектов является актуальной.

Несмотря на то, что во Вьетнаме имеется небольшое количество выведенных из эксплуатации торговых, рыболовных и пр. судов, использование которых экономически не эффективно, их разделка для утилизации как и в России является сложной проблемой.

Особую сложность представляют работы по разделе габаритных конструкций не исключающих возможность внезапного обрушения, а также конструкций содержащих взрывои пожароопасные материалы. Не решенной проблемой является подводная резка конструкций и резка радиоактивного металла. Перечисленные условия характеризуются как чрезвычайные ситуации.

Практика показала, что в чрезвычайных ситуациях метод резки металла взрывом во многих случаях является единственно возможным. Одним из средств этого метода являются линейные кумулятивные заряды, позволяющие без риска для человека производить обрушение потенциально опасных конструкций и сооружений. Как показал опыт Министерства чрезвычайных ситуаций России, особую сложность представляет ликвидация конструкций с толщиной металла порядка десятков миллиметров, находящихся в непосредственной близости от охраняемых объектов. При обрушении крупногабаритных объектов масса кумулятивных зарядов достигает значительных величин, при которых требуется применение специальных, дорогостоящих методов защиты окружающей среды от действия осколков и ударных волн взрыва. В этой связи практическая задача локализации действия взрыва и минимизации массы заряда для резки и обрушения металлоконструкций на основе гибкого управления ударно-волновыми процессами является актуальной, как для России, так и для Вьетнама.

Цель диссертационной работы: повышение безопасности работ при утилизации взрывом металлоконструкций в чрезвычайных ситуациях.

Задачи исследования:

1. Разработка алгоритма и программы математического моделирования процессов нагружения контактным взрывом материалов с полиморфными фазовыми переходами.

2. Численное и экспериментальное исследование процесса резки листовой стали ударно-волновыми зарядами и определение их оптимальных параметров на основе минимизации действия взрыва на окружающие объекты.

3. Разработка методики инженерных расчетов ударно-волновых зарядов (УВЗ) для резки стального проката в процессе утилизации металлоконструкций.

4. Оценка возможности применения флегматизированных конверсионных ВВ для ударно-волновой резки металла.

5. Исследования защиты окружающих объектов от фугасного действия взрыва на основе комплексного применения инерционных оболочек и газовых экранов.

Методы исследования.

В диссертационной работе использованы аналитические расчеты, методы математического моделирования на ЭВМ, методы экспериментальных исследований.

На защиту выносится следующие положения:

1. математическая модель и численный метод моделирования процессов нагружения взрывом материалов с фазовыми переходами, учитывающая двумерный разлет продуктов детонации и температуру окружающей среды;

2. результаты математического и численного моделирования ударно-волновых процессов и разрушений при при контактном взрыве зарядах П-образной формы;

3. результаты экспериментальных исследований резки стального проката ударными волнами;

4. методика инженерных расчетов оптимальных параметров ударно-волновых зарядов для резки металла с целью утилизации;

5. результаты исследования локализации фугасного действия взрыва многослойными экранами с чередующимися слоями газообразных и конденсированных сред.

Достоверность результатов исследований обусловлена корректной постановкой задач, применением математически обоснованных методов их решения, сравнением полученных результатов с опубликованными и экспериментальными данными.

Научная новизна работы.

1. Разработана и обоснована математическая модель и численный метод исследования моделирования процессов нагружения взрывом материалов с фазовыми переходами, учитывающая двумерный разлет продуктов детонации и температуру материалов.

2. Уточнена физическая картина разрушения стальных преград при контактном взрыве двух параллельных зарядов и предложен механизм разрушения металла при столкновении ударных волн.

3. Определены изменения параметров ударных волн на границах слоев газов и конденсированных сред существенно отличающихся по акустической жесткости.

Практическая ценность работы.

Состоит в обосновании рекомендаций по взрывной резке металла, обеспечивающих значительное снижение расхода взрывчатого вещества (ВВ) и фугасного действия взрыва на окружающие объекты, а также возможность использования флегматизированных ВВ на основе гексогена, в том числе конверсионных, с низкой чувствительностью к внешним воздействиям, что значительно повышает безопасность взрывных работ.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

— VII всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкт Петербург, 2004 г.,.

— VI международной научно-технической конференции «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов», Москва, 2005 г.,.

— XXXIII научно-технической конференции МГТУ им. Баумана «Проектирование систем», Москва, 2006 г.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 134 страницах, содержит 54 рисунка, 31 таблицу, список литературы из 40 источников, 2 приложения.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. В результате численных экспериментов получены подробные картины ударно-волновых процессов в металле с полиморфным фазовым переходом, а <-" 8 при синхронной детонации параллельных зарядов на поверхности образца конечной толщины. Максимальный уровень начальных давлений косых волн при контактном взрыве ленточного заряда достигается на расстоянии четырех толщин заряда (4Я) от точки инициирования, при скоростях детонации превышающих скорость звука в металле. Установлено, что наличие низкоплотной «линзы» на поверхности металла в центре заряда приводит к образованию системы сходящихся косых волн, которые могут взаимодействовать на плоскости симметрии заряда в режиме регулярного, а затем — нерегулярного отражения.

2. Предложен и экспериментально обоснован возможный механизм разрушения плоской преграды взрывом УВЗ, состоящий из ряда последовательных фаз. а) В результате регулярного столкновения волн у поверхности нагружения, металл подвергается всестороннему сжатию со значительными сдвиговыми деформациями и образованием системы микродефектов существенно понижающих прочность металла. б) При нерегулярном столкновении волн в области разгрузки формируется напряженное состояние с растягивающими напряжениями, которые инициируют и поддерживают развитие плоской (магистральной) трещины по линии наименьшего сопротивления преграды. в) Отражение головной волны от свободной поверхности приводит к разрушению металла вблизи свободной поверхности по механизму множественного откола. г) Разделение металла в области регулярного столкновения волн происходит на последнем этапе в результате локального пластического изгиба преграды в окрестностях линии наименьшего сопротивления преграды.

3. Снижение энергоемкости резки сталей на основе а-железа обеспечивается при начальных давлениях косых волн р >, А5рфп, что объясняется влиянием «ударных» волн разгрузки на процесс разрушения металла. Этим условием удовлетворяют флегматизированные пластичные ВВ с плотностью /?вв¹, 4г/см и скоростью детонации (D >7000м/с.

4. На основании аналитического расчета и экспериментальных исследований получено оптимальное отношение размеров прямоугольного сечения УВЗ = 2,5.з, о, и предложена эллипсовидная форма сечения УВЗ позволяющая дон полнительно уменьшить удельный расход ВВ на (15.20)%. Применение металлической оболочки УВЗ массой (4.8)G, дополнительно уменьшает удельный расход ВВ на 21. .25%.

5. Резка конструкций УВЗ обеспечила снижение удельного расхода ВВ в 3,5.4,5 раза по сравнению со шнуровыми кумулятивными зарядами.

6. На основе статистической обработки результатов численных и физических экспериментов предложена методика инженерных расчетов параметров ударно-волновой резки углеродистой стали.

7. Аналитическими расчетами установлено, что создание вокруг заряда оболочки из гелия или водорода понижает максимальное начальное давление УВ в воздухе в ~3 раз и в ~4 раз соответственно.

Начальная амплитуда давления в воде уменьшается 50 раз при использовании промежуточной среды из воздуха. Если воздух заменяется гелием, амплитуда давления в воде уменьшается еще в 6 раз, а водородом в 10 раз.

При увеличении скорости детонации ВВ эффективность гашения УВ легкими газами возрастает.

8. Предложена конструкция многослойных экранов состоящих из массивной оболочки заряда из высокоплотного материала и внешней эластичной оболочки, формирующей объем заполненный гелием. При подводной резке металла в качестве газового демпфера может так же использоваться водород или воздух.

9. На основании анализа детонационных свойств и химических составов ВВ рекомендовано использовать конверсионные ВВ, извлекаемые из боеприпасов с истекшим сроком хранения и не находящих применения в промышленности. Это позволит разгрузить военные арсеналы, снизить риск техногенных катастроф и существенно улучшить экологическую обстановку в регионах расположения военных частей и арсеналов.

10. Разработанные параметры УВЗ и методика их расчета апробированы при резке металла в ряде чрезвычайных ситуаций и могут эффективно использоваться для резки радиоактивного оборудования и конструкций атомных электростанций.