Термическое разложение взрывчатых веществ.

С бурением глубоких и сверхглубоких скважин для поиска и разведки новых месторождений углеводородов на территориях РФ связана основная перспектива прироста запасов. В этой связи целесообразно оценить реальные возможности взрывных устройств, которые могут быть эффективно использованы при высоких температурах и давлениях в скважинах.

Сопоставление свойств различных по своему строению классов ВВ, проведённое рядом авторов, привело к следующим выводам.

Нитроэфиры имеют наибольшую мощность (теплоту взрыва, скорость детонации) и наименьшую термостабильность (до 100 ⁰ С); нитроамины (гексоген,октоген) по мощности не уступают нитроэфирам, но обладают большей термостабильностью (190 – 200 ⁰ С ).

Взрывчатые вещества типа неорганических солей (азиды, перхлораты) и солей, содержащих органический анион (пикраты, стифнаты), обладают наименьшей мощностью, но, предположительно, наибольшей термостабильностью.

Ароматические нитросоединения считаются наиболее перспективными в отношении оптимального сочетания мощности и термостабильности.

Для мономолекулярных реакций, когда только один вид молекул претерпевает превращение и стехиометрический коэффициент в уравнении реакции равен единице, т.е.для реакций вида АВ закон действующих масс при скорости реакции позволяет записать

(1.5)

Разделив левую и правую части уравнения на m получим

(1.6)

где: - степень распада (отношение количества разложившегося вещества к его исходному количеству); , -константа скорости реакции.

Проведём теоретический анализ и оценим максимальную температуру, при которой распавшееся количество вещества не превысит 2% от начального при следующих выдержках: 6 часов и двое суток. Сроки выдержки при высоких температурах продиктованы использованием взрывных устройств, спускаемых в скважину на геофизическом кабеле и на НКТ.

Разделяя переменные и интегрируя в пределах 0- и 0–t из (1.6) получим

или - (1.7)

Из (1.7)получим связь между k и задаваемыми из практики ведения работ временем пребывания взрывного устройства в скважине -t и величиной допустимой степени распада ВВ -

(1.8) Принимаем t = 6ч = 2∙10⁴ с, = 0,02. Тогда k₆ = 10 ^-6 c^-1

t = 48ч= 1,76· 10⁵ с, = 0,02. Тогда k₄₈ = 1,14· 10^-7 с^-1 При подстановке этих значений в выражение (1.8) для скорости реакции получим

10^-6= и 1,14·10^-7 = (1.9)

Окончательно для максимальной температуры применения данного ВВ в изотермических условиях из (1.9), после логарифмирования, получим

(1.10)

Проведём расчёт максимальной температуры применения ВВ со следующими характеристиками: энергия активации Е = 200 кДж/моль, lg k₀ (логарифм предэкспонента равен 13с^-1), универсальная газовая постоянная R = 8, 31 10³ Дж∙ ( ⁰К )^-1∙ кмоль^-1

После подстановки в формулу указанных значений получим = 550 ⁰К или Т = 277⁰С. и = 523 ⁰ К или 250 ⁰ С

Следует учесть, что предэкспонент вычисляют по частоте валентных колебаний конкретного ВВ и его логарифм lgk₀ варьирует в диапазоне от 6,8 до 19 с^-1.

В Таблице № 1.12 приведены кинетические параметры реальных ВВ, определённые в изотермических условиях экспериментальным путём , а также максимальные расчётные температуры.

Таблица №1.12

Кинетические характеристики термораспада некоторых ВВ

и расчётные значения максимальных температур.

№ п/п	Взрывчатое вещество	Температура плавления 0С	Энергия активации кДж/моль	, с -1	Макси- мальная Т, 0С
	Тротил			10,2
	Тринитробензол	122,5		10.9
	ГНДС
	Термол			11,7
	НТФА			11.5

Выполненные расчёты показывают, что предельные температуры применения взрывных устройств падают с ростом времени нахождения последних в скважинах. Так, увеличение времени нахождения заряда ВВ в скважине с 6-и часов до 2-х суток, снизило предельную температуру применения на 27 ⁰С.

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ УДАРНЫХ ВОЛН

Основные представления

Ударные волны представляют большой интерес при изучении механического действия взрыва в различных средах.

К тому же и в распространении детонационных волн по взрывчатому веществу ударные волны играют исключительно важную роль.

Ударная волна – это распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью область сжатия среды с резким скачком величин её давления, плотности и температуры. Сравнительно узкая зона, в которой происходят эти изменения параметров среды, называется фронтом волны.

На рис.№1.12 показан профиль идеальной ударной волны. Стрелкой указано направление её распространения. Параметры среды на фронте УВ мгновенно изменяются от Р₀,ρ_0,Т₀ до Р₁,ρ_1, Т₁. В течение времени τ_сж величины параметров постепенно уменьшаются и достигают своих первоначальных значений Р₀,ρ_0, Т₀ в точке пересечения кривой давления с осью времени. Далее среда продолжает расширяться и в ней возникает разрежение. Фазы сжатия и разрежения отмечены + и – соответственно. Фронт ударной волны распространяется со скоростью D, превышающей скорость звука в данной среде. В связи с тем, что фронт волны движется со сверхзвуковой скоростью, а её хвостовая часть со скоростью близкой к скорости звука, волна по мере распространения имеет тенденцию к растяжению. Среда в фазе сжатия, за фронтом УВ ,как будет показано далее, движется в направлении распространения УВ со скоростью u , которая значительно ниже скорости D. В зоне разрежения направление движения среды противоположно направлению распространения ударной волны.

В элементарной теории ударная волна рассматривается как прерывный скачок давления, плотности и температуры.

В действительности же благодаря влиянию теплопроводности и вязкости (внутреннего трения ) градиенты параметров состояния не получаются бесконечными и профиль реальной ударной волны приобретает вид , показанный на рис. №1.13, где слой, ограниченный плоскостями А и Б представляет собой узкую переходную область.

Ударные волны распространяются практически в любых средах, они способны отражаться от жёстких преград, преломляться и отражаться от границы двух сред с различными акустическими сопротивлениями. Затухание УВ по мере распространения её от места формирования определяется целой совокупностью условий.