Вівторок, 22 червня 2021

Актуальне

Відсутність новин - теж хороша новина

Науковий погляд: Особливості вибуху в Бейруті

Трагічна новина про вибух величезної сили в Бейруті, що зайняла перші рядки новинних ресурсів, викликає природні питання: як це могло статися, що там вибухнуло, в силу яких факторів можливі подібні події?

Щоб розібратися, поглянемо пильніше на властивості аміачної селітри і пов 'язані з нею небезпечні моменти.

Що сталося в Бейруті

      Якщо говорити коротко, ситуація виглядає наступним чином: шість років тому в морський порт Бейрута зайшло судно Rhosus для позапланової лагодження. Воно належало компанії уродженця Хабаровська Ігоря Гречушкіна. Влада порту не випустила судно через недоліки в системах безпеки і документах на вантаж. Поступово команда покинула Rhosus, а його вантаж, що складався з 2750 тонн аміачної селітри, перевантажили в складське приміщення в порту, де він і зберігався наступні шість років. Умови зберігання виявилися недостатньо надійними, тому для обмеження доступу до цього вантажу на складі проводили зварювальні роботи, через неналежну організацію безпеки яких згодом займалася піротехніка, що зберігалася в цьому ж складському приміщенні.

  Почалася пожежа, підтримувана горінням і спрацьовуванням піротехнічних засобів. Через якийсь час сталася детонація зберігалася аміачної селітри. Ударна хвиля від цього вибуху завдала великої поразкової дії по навколишніх районах Бейрута: на сьогодні загиблими числяться понад 130 осіб, і їх кількість продовжує зростати в процесі виявлення все нових тіл при розборі завалів будівель і споруд. Постраждали понад п 'ять тисяч осіб.

Фотографії з космосу, зроблені супутником "Канопус-В". Фотографія вгорі датується 4 листопада 2019 року, нижня - наступного дня після вибуху ./© Роскосмос.ру

  Величезна кількість будинків отримали пошкодження різного ступеня, руйнування торкнулися половини будівель Бейрута, близько 300 тисяч жителів залишилися без даху над головою. За оцінкою губернатора ліванської столиці Марвана Аббуда, збиток від вибуху оцінюють в суму від трьох до п 'яти мільярдів доларів. Знімки з космосу порту Бейрута, зроблені до і після трагедії, показують зону суцільних руйнувань навколо всієї портової частини. У Лівані оголошено триденний траур.


Що являє собою аміачна селітра

  Аміачна селітра, або нітрат амонію, являє собою амонієву сіль азотної кислоти, має хімічну формулу NH₄NO₃ і складається з трьох хімічних елементів - азоту, водню і кисню. Високий вміст азоту (близько третини за масою) в легкоусвояемому рослинами вигляді дозволяє широко застосовувати аміачну селітру в якості ефективного азотного добрива в сільському господарстві.

У цій якості аміачна селітра застосовується і в чистому вигляді, і в складі інших, комплексних добрив. Основна маса виробленої в світі селітри використовується саме в цій якості. Фізично аміачна селітра являє собою білу кристалічну речовину, яка в промисловому вигляді має вигляд гранул різного розміру.

Вона гігроскопічна, тобто добре вбирає вологу з атмосфери; при зберіганні має тенденцію до стеження, утворення великих щільних мас. Тому її зберігають і транспортують не у вигляді суцільної насипної маси, а в щільних і міцних мішках, що не дозволяють утворюватися великим масивам, які важко піддаються розпушуванню.

  Вибухові роботи на відкритих гірських розробках з використанням аміачної селітри у складі промислової вибухівки/© Flickr.com.

Аміачна селітра - сильний окислювач. Три атоми кисню, що входять до її молекули, становлять 60 відсотків маси. Іншими словами, аміачна селітра - більш ніж наполовину кисень, який легко вивільняється з її молекули при нагріванні. А термічне розкладання селітри відбувається у двох основних формах: при температурі нижче 200 градусів вона розкладається на оксид азоту і воду, а при температурі близько 350 градусів і вище одночасно з водою утворюється вільний азот і вільний кисень. Це виділяє аміачну селітру в розряд сильних окислювачів і зумовило її використання у виробництві різних вибухових речовин, у складі яких потрібен окислювач.

Аміачна селітра - компонент промислової вибухівки

Аміачна селітра входить у безліч видів промислових вибухівок і широко використовується в цьому, в основному в гірничодобувній промисловості. Людина для руйнування гірських порід поки не придумала нічого ефективнішого від вибуху. Тому практично будь-які роботи з ними будуються на основі вибуху: від видобутку в шахтах до відкритих розрізів і кар 'єрних розробок.

Гірнича промисловість споживає величезну кількість вибухівки, і на кожному видобувному гірничорудному підприємстві або вугільному розрізі завжди є свій завод з виробництва вибухових речовин, які витрачаються у великих кількостях. Відносна дешевизна аміачної селітри дозволяє використовувати її для масового виробництва різної промислової вибухівки.


 І тут можна відзначити дивовижну широту утворення аміачною селітрою вибухових систем. Змішавши селітру буквально з будь-якою горючою речовиною, можна отримати вибухову систему. Суміші селітри зі звичайним алюмінієвим порошком утворюють аммонали, які тому так і називаються - АММОНія нітрат - АЛюміній. 80% маси аммоналу становить аміачна селітра. Аммонали дуже ефективні, ними добре підривати скельні породи, певні різновиди так і називаються скельними аммоналами.

  Масовий вибух при виробництві гірничих робіт/© Flickr.com.

Якщо просякнути селітру дизельним паливом, вийде інший клас промислових вибухівок - голки, названі так на честь ІДД, Інституту гірничої справи АН СРСР. Селітра здатна утворювати вибухові суміші при просоченні практично будь-якими горючими рідинами, від рослинної олії до мазуту. Інші класи вибухівок на основі селітри використовують добавки різних вибухових речовин: наприклад, амоніти (це не тільки викопні головоногі) містять тротил або гексоген. У чистому вигляді аміачна селітра теж вибухонебезпечна і може детонувати. Але її детонація відрізняється від детонації промислових або бойових вибухівок. Чим саме? Коротко згадаємо, що таке детонація і чим вона відрізняється від звичайного горіння.

Що таке детонація

Для того, щоб у горючих речовинах почалися реакції горіння, атоми пального і окислювача треба зробити вільними і зблизити до утворення між ними хімічних зв 'язків. Звільнити їх з молекул, в яких вони містяться, - значить, зруйнувати ці молекули: це робить нагрівання молекул до температури їх розкладання. І те ж нагрівання зближує атоми пального і окислювача до утворення між ними хімічного зв 'язку - до хімічної реакції.

При звичайному горінні - воно називається дефлаграцією - реагуючі речовини нагріваються за рахунок звичайної теплопередачі від фронту полум 'я. Полум 'я нагріває шари горючої речовини, і під дією цього нагріву речовини розкладаються до початку хімічних реакцій горіння. Детонаційний механізм інший. У ньому речовина нагрівається до початку хімічних реакцій за рахунок механічного стиснення високого ступеня - як відомо, при сильному стисненні речовина нагрівається.

Таке стиснення дає ударна хвиля, що проходить по детонуючому шматку вибухівки (або просто обсягу, якщо детонує рідина, газова суміш або багатофазна система: наприклад, зважте вугілля в повітрі). Ударна хвиля стискає і нагріває речовину, викликає в ній хімічні реакції з виділенням великої кількості тепла і сама ж підживлюється цією енергією реагування, що виділяється прямо в неї.

  І тут дуже важлива швидкість детонації - тобто швидкість проходження ударної хвилі по речовині. Чим вона більша, тим потужніша вибухівка, вибухова дія. У промислових і бойових вибухових речовин швидкість детонації становить кілька кілометрів на секунду - від близько 5 км/сек біля аммоналів і амонітів і 6-7 км/сек біля тротилу до 8 км/сек біля гексогену і 9 км/сек біля октогена. Чим швидше детонація, тим більша щільність енергії в ударній хвилі, тим сильніше її руйнує вплив при виході за межі шматка вибухівки.

 Якщо ударна хвиля перевершує швидкість звуку в матеріалі, вона дробить його на шматки - це називається бризантною дією. Саме воно розриває на осколки корпус гранати, снаряда і бомби, дробить скельні породи навколо начиненого вибухівкою шпура або свердловини.


З віддаленням від шматка вибухівки потужність і швидкість ударної хвилі падають, і з деякої короткої відстані вона вже не може дробити навколишню речовину, але може на неї впливати своїм тиском, штовхати, зминати, розганяти, кидати, метати. Така давна, зминаюча і метальна дія називається фугасною.

Особливості детонації селітри

 Промислова аміачна селітра без жодних добавок, що утворюють вибухівку, як ми вже зазначили вище, теж може детонувати. Її швидкість детонації, на відміну від промислових вибухових речовин, відносно невелика: близько 1,5-2,5 км/с. Розкид швидкості детонації залежить від багатьох факторів: у вигляді яких гранул знаходиться селітра, як щільно вони спресовані, яка поточна вологість селітри і багатьох інших.

Тому селітра не утворює бризантної дії - вона не дробить навколишні матеріали. Але фугасна дія детонація селітри справляє цілком відчутну. І потужність конкретного підриву залежить від її кількості. При великих масах фугасна дія вибуху може досягати руйнівності будь-яких рівнів.

  Наслідки вибуху в Бейруті/© "Лента.ру"

 Говорячи про детонацію, відзначимо ще один важливий момент - як вона починається. Адже для того, щоб по вибухівці пішла ударна хвиля стиснення, її потрібно якось запустити, чимось створити. Просте підпалювання шматка вибухівки не дає механічного стиснення, необхідного для запуску детонації. Так, на невеликих шматочках тротилу, підпалених сірником, цілком можна вскип 'ятити чай в гуртку - вони горять з характерним шипінням, іноді коптять, але згоряють спокійно і без вибуху. (Опис не є рекомендацією до приготування чаю! Це все ж небезпечно, якщо шматки виявляться великими або забрудненими.) Для запуску детонації необхідний детонатор - невеликий пристрій з зарядом спеціальної вибухової речовини, що вставляється в основний масив вибухівки. Вибух детонатора, щільно вставленого в основний заряд, запускає в ньому ударну хвилю і детонацію.

Що могло викликати детонацію

Чи може детонація відбутися мимовільно? Може: звичайне горіння здатне переходити в детонацію при його прискоренні, при зростанні інтенсивності цього горіння. Якщо підпалити суміш кисню з воднем - гримучий газ, - то він почне горіти спокійно, але в міру розгону фронту полум 'я горіння перейде в детонацію.

У детонацію швидко переходить горіння багатофазних газових систем на зразок всяких зважів і аерозолів, що використовується в боєприпасах об 'ємного вибуху. У детонацію може перейти і горіння ракетного палива, якщо тиск у двигуні почне швидко, нерозрахунковим чином зростати. Зростання тиску, прискорення горіння - ось передумови переходу звичайного горіння в детонацію.

Також каталізаторами горіння можуть виступати різні добавки, забруднення, домішки - точніше, вони або їхні компоненти, які посприяють місцевому переходу до детонування. Окислені, іржаві боєприпаси можуть з більшою ймовірністю здетонувати, якщо вибухова речовина примикає до окисленої ділянки корпусу. В ініціації детонування є багато всяких нюансів і моментів, які ми опустимо, так що повернемося до питання: як могла здетонувати селітра на складі? 


І тут очевидно, що роль детонатора могла чудово зіграти піротехніка. Ні, просто шипляча порохова ракетка навряд чи викликала детонацію селітри своїм форсом диму з іскрами. Але на відео зображено численні масові спалахи, що виблискували в диму пожежі до вибуху селітри. Це маленькі вибухи розкиду салютних піротехнічних компонентів. Вони і послужили очевидним детонуючим початком. Ні, вони не були промисловими детонаторами.

Але в умовах пожежі, нагрівання великих поверхонь селітри полум 'ям і масовістю тисяч піротехнічних спрацьовувань напевно мали місце впровадження цих піротехнічних ракет в нагріту поверхню селітри з подальшими підривами в гарячій селітрі. У якийсь момент її детонація під таким впливом сталася - і поширилася на весь масив селітри, що зберігається.

Проаналізувати подальші події в деталях важко без детальної інформації та вивчення місця вибуху. Наскільки повно здетонували всі 2750 тонн, не відомо. Детонація не є якийсь абсолютний початок, що завжди відбувається так, як написано на папері. Буває, і складені разом брикети тротилу детонують не всі: частина їх просто розкидає в сторони, якщо не вжиті надійні заходи з передачі детонації між ними.

Після масових вибухів гірських порід, коли підривають сотні і тисячі свердловин, набитих вибухівкою (їх можуть споряджати вибухівкою цілий місяць), - після осідання хмари пилу в зону вибуху спочатку завжди входять тільки фахівці і оглядають, що вибухнуло, а що не вибухнуло. Вони ж збирають вибухівку, що не вибухнула. Так і з селітрою на складі в порту Бейрута: повноту детонації вибуху всієї маси селітри визначити складно, але зрозуміло, що вона була досить великою.

Особливості вибуху в Бейруті

Сама картина вибуху добре відповідає підриву селітри. Великий стовп диму червоно-бурого кольору після вибуху - типове забарвлення хмари окислами азоту, що мають червоний колір і виділяються у великих кількостях при розкладанні селітри у вибуху. Через низьку швидкість детонації селітри не відбулося масового дроблячого дії.

 Тому на місці вибуху не утворилася велика вирва: матеріали пірсів і бетонні ґрунтові покриття складів не були докладені, тому не були викинуті. Через це ж не було бомбардування міста шматками, що розлітаються з області вибуху, і над місцем вибуху не піднялося високого султана кусків і фрагментів, утворених вибухом.

  Стовп диму, пофарбований виділеннями окислів азоту при розкладанні аміачної селітри/© dnpr.com.ua.


Разом з тим рясне виділення газоподібних продуктів згоряння - водяної пари, окислів азоту - додало картині вибуху риси об 'ємного вибуху. Крім швидкої ударної хвилі, досить потужної і видимої як швидка туманна стіна, на зйомці видно наближення стіни газів вибуху, що розширюються, змішаних з пилом і стягуються вгору від поверхні землі при стрімкому наближенні. Це характерно для вибухів великих обсягів з невисокою швидкістю детонації.

 Характер пошкоджень будівель з високою ймовірністю покаже, що до них було докладено вплив не тільки самої по собі ударної хвилі - потужний, але короткостроковий, - але і більш тривалий вплив розширюється газо-повітряного потоку, що розлітався з області вибуху.

Вибухи селітри до Бейрута

 Вибухи добрив на основі солей азотної кислоти відбувалися і раніше, вони добре відомі, таких випадків в історії досить багато. Так, 1 вересня 2001 року в Тулузі, на заводі добрив компанії Grande Paroisse, вибухнув ангар, в якому здетонували 300 тонн аміачної селітри. Загинули близько 30 осіб, які постраждали тисячі. Багато будівель Тулузи були пошкоджені.

Раніше, 16 квітня 1947 року, стався вибух 2100 тонн аміачної селітри на борту судна "Гранкан" в порту міста Тексас-Сіті, США. Йому передувала пожежа на судні - схожі ситуація і послідовність подій. Вибух спричинив пожежі і підриви на кораблях і нафтосховищах поблизу. Загинули близько 600 осіб, сотні зникли безвісти, понад п 'ять тисяч постраждали.

21 вересня 1921 року вибухнули 12 тисяч тонн суміші сульфату амонію і аміачної селітри на хімічному підприємстві компанії BASF біля містечка Оппау в Баварії. Вибух такої потужності утворив величезну воронку, з лиця землі були стерті два найближчих села, а місто Оппау - зруйноване.

 Катастрофічні вибухи аміачної селітри з великими руйнуваннями і численними жертвами траплялися в 2004 році в північнокорейському місті Ренчхон; у 2013 році в місті Вест у Техасі, США; у 2015 році в портовому місті Тяньцзінь у Китаї. І цей список можна продовжувати.

На жаль, аміачна селітра при всіх величезних плюсах, які вона приносить людині, залишається небезпечним об 'єктом, що вимагає дотримання низки вимог безпеки в обігу. І неуважність або недбалість може стати причиною нових трагедій, запобігання яких вимагає як посилення правил поводження з селітрою, так і підвищення відповідальності за їх дотримання і виконання.