Результат интеллектуальной деятельности: ВЗРЫВОЗАЩИТНАЯ ФОРМА АППАРАТА КОНЕЧНОЙ ФАЗЫ ПРОИЗВОДСТВА ПИРОКСИЛИНОВЫХ И СФЕРИЧЕСКИХ ПОРОХОВ

Изобретение относится к устройству аппарата конечной фазы производства пироксилиновых и сферических порохов (ПП и СФП) во взрывозащищенном исполнении.

Известно, что в зависимости от назначения и применения в различных артиллерийских системах, ружьях, автоматах, пистолетах и т.д. существует множество бездымных нитроцеллюлозных порохов (баллиститные, пироксилиновые, сферические и др.), которые изготавливаются по различным технологиям и имеют соответственно отличные друг от друга баллистические и взрывчатые характеристики, в том числе и склонность к переходу горения во взрыв и детонацию (ПГВД). В настоящей заявке рассматривается новый принцип обеспечения взрывобезопасности аппаратов при изготовлении ПП и СФП на конечных фазах производства.

Достаточно надежным способом взрывозащиты оборудования и зданий является применение устройств сброса давлений при случайных загораниях и взрывах: взрывных клапанов, мембран, вышибных поверхностей - ВП (металлических листов, легкосбрасываемой кровли и др.). Для этого необходимо выполнить два условия: обеспечить срабатывание предохранительных устройств при заданном давлении и обеспечить их достаточную пропускную способность [В.И.Водяник. Взрывозащита технологического оборудования. - М.: Химия, 1991. - С.63. (аналог)].

В производстве ПП и СФП на особо опасных фазах изготовления: сушке, мешке, укупорке и транспортировке, для обеспечения взрывобезопасности применяются ВП (металлические листы), закрепленные с помощью срезных штифтов на стенках аппаратов конечных фаз: аппарат сушки, бункера-делители на механизированной мешке и т.д. При этом величина площади вышибной поверхности на этих аппаратах должна быть не менее 30% от общей поверхности аппарата, давление раскрытия ВП в зависимости от условий переработки и марки пороха должно быть в пределах 0,4…0,7 кг/см². Однако скопление пыли пороха в зазорах между ВП и стенкой аппарата, инерционность срабатывания ВП, наличие критической массы могут стать причиной загорания пороха с дальнейшим переходом во взрыв и детонацию. Установка 30% ВП на стенках ослабляет конструкционную жесткость аппарата [ОСТ 84-2463-93. Устройства взрывозащитные для емкостного оборудования в производстве пироксилиновых и лаковых порохов. Методы расчета. - 11 с. (аналог)].

Другой способ установления взрывобезопасных условий работы аппарата - это действующий в настоящее время метод определения критических и безопасных толщин слоев в цилиндрических емкостях диаметрами от 100 мм до 1000 мм. В данном методе за критическую толщину слоя пороха принимается наименьшая величина, при которой происходит ПГВД. За безопасную толщину слоя принимается наибольшая высота, при которой происходит выгорание пороха без ПГВД.

После обработки результатов испытаний выведены формулы для расчета критических и безопасных насыпных толщин в аппаратах с круглым и прямоугольным сечением. Данные формулы включены в отраслевую «Методику определения площади легкосбрасываемой конструкции (ЛСК) и норм загрузки для зданий и сооружений категории «В» как неотъемлемая часть при расчетах взрывобезопасных норм загрузок аппаратов [методика утверждена Зам. Министра МОП Л.В.Забелиным 28.08 1990 г. и введена в действие 31.08.1990 г. № ИП-353. - 9 с. (аналог)].

Однако данная методика оказалась непригодной для расчета норм загрузок для таких емкостей конусообразной формы, как загрузочные воронки, т.к. вследствие того, что по условиям методики расчет аппаратов сложной конфигурации должен производиться по наименьшему размеру (наименьшая сторона прямоугольной площадки сосредоточения пороха, прямоугольного аппарата, диаметр аппарата цилиндрической формы), то получались слои минимальной толщины - неприемлемые для технологии малые загрузки аппаратов. Поэтому данная проблема была целью дальнейших исследований.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции аппарата, обеспечивающая взрывозащиту аппарата конечной фазы производства, такой как сушка, мешка, укупорка и транспортировка ПП и СФП.

При теоретической оценке угла конусности, при котором исключалось бы образование интенсивной ударной волны, определялось путем решения уравнений теории ударных волн для идеального газа. В результате установлено, что угол конусности, при котором исключается образование инициирующей ударной волны путем многократных отражений от стенок емкости, должен быть 40° и более (Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. - М.: Физматгиз, 1959. - С.198-206):

где - скачки давления в падающей и отраженной волне соответственно;

- химический потенциал;

M, L - числа, определяемые из зависимостей, предложенные Курантом и Фридрихсом;

φ₀, φ₂ - углы в падающей и отраженной волнах.

Анализ решений уравнений показывает, что:

при малых углах падения φ₀ скачки давления П₂ становятся меньше, чем скачки давления при прямом отражении П_2пр;

при угле падения φ₀, значение которого меньше некоторого значения , плоская УВ будет лишь скользить вдоль поверхности, не отражаясь от нее.

Значение угла определяется из уравнения (3), если допустить, что . Тогда ; , или .

При значениях K=1,4 ; K=1,3 ; K=1,67 ; K=1,7 .

Как следует из этих теоретических результатов, предельные углы для газообразных продуктов, имеющих различные отношения теплоемкостей, отличаются несущественно.

Полагая, что в момент, предшествующий переходу горения во взрыв и детонацию (ПГВД), в продуктах горения содержатся полупродукты горения, а также диспергированные пылеобразные частицы пороха (тяжелые частицы с К=1,67…1,7), можно считать, что если угол конусности емкости превышает 34°, то (ПГВД) при выходе пламени из узкого сечения в расширяющуюся часть маловероятен. Отсюда следует вывод о том, что угол конусности емкостей, при котором исключается переход горения во взрыв, должен составлять ≥34°…40°, в зависимости от состава продуктов горения. Из практических соображений с точки зрения повышения ресурса безопасности был принят угол конусности не менее 40°. Данное предположение было подтверждено экспериментальными работами по установлению угла конусности, исключающего переход горения во взрыв и детонацию.

Испытания по определению углов конусности емкости, исключающих переход горения во взрыв и детонацию, проводились с использованием нефлегматизированных пороков, как наиболее опасных с точки зрения их склонности к ПГВД при производстве пироксилиновых и сферических порохов: 6/7 П-5БП_сер, ВУ_опыл, ССН_сер30/3,69.

Для создания жестких условий испытаний воспламенение порохов производилось мостиком накаливания из нихромовой спирали в нижней части емкости. Результаты испытаний порохов в конических емкостях представлены в таблице в сравнении с результатами испытаний этих же порохов цилиндрических емкостей в аналогичных условиях.

Анализ результатов таблицы показывает, что при горении пороха в конических емкостях с углами конусности ≥34°…40° (в отличие от цилиндрических) перехода горения во взрыв не происходит даже при толщине насыпного слоя 1000 мм, т.е. исключение перехода горения во взрыв и детонацию путем придания аппаратам взрывозащитной формы дает возможность вместе с созданием взрывобезопасных условий работы аппарата также увеличить его производительность. С точки зрения надежности и повышения ресурса безопасности было принято окончательное решение о том, что угол конусности для аппарата конечной фазы производства ПП и СФП, при котором исключается ПГВД, должен быть не менее 40°.

На основании вышеизложенных теоретических и экспериментальных исследований разработан и сконструирован контейнер для сушки и межфазной транспортировки порохов во взрывобезопасном исполнении. С учетом конструкторско-технологических требований угол конусности принят равным 90°. Вид контейнера для испытаний представлен на чертеже.

Конструктивной особенностью взрывобезопасного исполнения контейнера, в отличие от применяемых в производстве порохов технологических аппаратов с вышибными поверхностями, является то, что исключение ПГВД происходит за счет придания контейнеру формы усеченной пирамиды.

Контейнер в полигонных условиях был испытан на нефлегматизированном порохе ВУ_опыл и Сунар СФ. Полная загрузка контейнера порохами соответственно составила 160 и 150 кг, с толщиной насыпного слоя 520 мм в каждом опыте.

После воспламенения мостиком накаливания (нихромовая спираль) в донной части контейнера в каждом опыте наблюдалось выгорание порохов без перехода во взрыв и детонацию.

Таким образом, для конструирования аппарата одной из конечной фазы производства: сушка, мешка, укупорка и транспортировка, разработана форма, обеспечивающая взрывозащиту за счет придания емкости конусности с углом не менее 40°.