Mokslinis požiūris: sprogimo Beirute ypatybės

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Tragiška žinia apie didžiulį sprogimą Beirute, užėmusį pirmąsias naujienų šaltinių eilutes, kelia natūralių klausimų: kaip tai galėjo nutikti, kas ten sprogo, dėl kokių veiksnių galimi tokie incidentai? Norėdami tai išsiaiškinti, atidžiau pažvelkime į amonio nitrato savybes ir su juo susijusius pavojus.

Kas atsitiko Beirute

Trumpai tariant, situacija atrodo taip: prieš šešerius metus laivas Rhosus įplaukė į Beiruto jūrų uostą neplanuotam remontui. Ji priklausė Igorio Grečuškino, kilusio iš Chabarovsko, įmonei. Uosto direkcija laivo neišleido dėl apsaugos sistemų ir krovinio dokumentų trūkumų. Pamažu komanda paliko „Rhosus“, o jos krovinys, kurį sudarė 2750 tonų amonio salietros, buvo perkeltas į uoste esantį sandėlį, kur buvo saugomas ateinančius šešerius metus. Laikymo sąlygos pasirodė nepakankamai patikimos, todėl, siekiant apriboti patekimą prie šio krovinio, sandėlyje buvo atlikti suvirinimo darbai, dėl kurių netinkamai organizavimo tame pačiame sandėlyje saugoma pirotechnika vėliau užsiliepsnojo.

Gaisras kilo dėl degimo ir fejerverkų. Po kurio laiko sukauptas amonio salietras detonavo. Šio sprogimo smūgio banga padarė didelį žalingą poveikį aplinkinėms Beiruto vietovėms: šiandien žuvo daugiau nei 130 žmonių, o jų skaičius toliau auga, nes ardant pastatų ir konstrukcijų griuvėsius randama vis daugiau kūnų. Daugiau nei penki tūkstančiai žmonių buvo sužeisti.

Kanopus-V palydovo nuotraukos iš kosmoso. Aukščiau pateikta nuotrauka yra 2019 m. lapkričio 4 d., o žemiau – kitą dieną po sprogimo. / © Roskosmos.ru

Įvairiu mastu buvo apgadinta daugybė namų, sunaikinta pusė pastatų Beirute, apie 300 tūkstančių gyventojų liko be pastogės. Pasak Libano sostinės gubernatoriaus Marwan Abboud, sprogimo žala vertinama nuo trijų iki penkių milijardų dolerių. Beiruto uosto nuotraukos iš kosmoso, darytos prieš ir po tragedijos, rodo nuolatinio naikinimo plotą aplink visą uosto teritoriją. Libane paskelbtas trijų dienų gedulas.

Kas yra amonio nitratas

Amonio nitratas arba amonio nitratas yra azoto rūgšties amonio druska, kurios cheminė formulė yra NH₄NO3 ir susideda iš trijų cheminių elementų – azoto, vandenilio ir deguonies. Didelis azoto kiekis (apie trečdalį masės) augalams lengvai pasisavinama forma leidžia plačiai naudoti amonio salietrą kaip veiksmingą azoto trąšą žemės ūkyje.

Taigi amonio nitratas naudojamas tiek gryna forma, tiek kaip kitų kompleksinių trąšų dalis. Didžioji pasaulyje pagamintos salietros dalis naudojama būtent tokiam pajėgumui. Fiziniu požiūriu amonio nitratas yra balta kristalinė medžiaga, pramoninės formos įvairaus dydžio granulių pavidalu.

Jis yra higroskopiškas, tai yra, gerai sugeria drėgmę iš atmosferos; laikymo metu turi polinkį sukepti, susidaryti didelės tankios masės. Todėl jis laikomas ir gabenamas ne vientisos birios masės pavidalu, o tankiuose ir patvariuose maišuose, kurie neleidžia susidaryti didelėms iškepusioms masėms, kurios sunkiai atsipalaiduoja.

Sprogdinimo operacijos atvirose kasyklose, naudojant amonio nitratą kaip pramoninių sprogmenų dalį / ©Flickr.com.

Amonio nitratas yra stiprus oksidatorius. Trys deguonies atomai, sudarantys jo molekulę, sudaro 60 procentų masės. Kitaip tariant, amonio nitratas yra daugiau nei pusė deguonies, kuris kaitinant lengvai išsiskiria iš jo molekulės. Terminis nitratų skilimas vyksta dviem pagrindinėmis formomis: esant žemesnei nei 200 laipsnių temperatūrai, jis skyla į azoto oksidą ir vandenį, o esant maždaug 350 laipsnių ir aukštesnei temperatūrai, kartu su vandeniu susidaro laisvas azotas ir laisvasis deguonis. Tai išskiria amonio salietrą į stiprių oksidantų kategoriją ir iš anksto nulemia jo panaudojimą įvairių sprogstamųjų medžiagų, kurioms reikalingas oksidatorius, gamyboje.

Amonio nitratas – pramoninių sprogmenų komponentas

Amonio nitratas yra įtrauktas į daugelį pramoninių sprogmenų rūšių ir yra plačiai naudojamas čia, daugiausia kasybos pramonėje. Žmogus dar neišrado nieko veiksmingesnio už sprogimą uolienoms sunaikinti. Todėl beveik bet koks darbas su jais yra pagrįstas sprogimu: nuo kasybos kasyklose iki atvirų kirtimų ir karjerų eksploatavimo.

Kasybos pramonė sunaudoja didžiulį kiekį sprogmenų, o kiekviena kasybos įmonė ar anglies kasykla visada turi savo gamyklą sprogmenų gamybai, kurių sunaudojama dideliais kiekiais. Santykinis amonio salietros pigumas leidžia jį panaudoti masinei įvairių pramoninių sprogmenų gamybai.

Ir čia galime pastebėti nuostabų amonio nitrato sprogstamųjų sistemų susidarymo platumą. Sumaišę nitratą su bet kokia degia medžiaga, galite gauti sprogstamą sistemą. Nitratų mišiniai su įprastais aliuminio milteliais sudaro amonalus, todėl jie vadinami AMONIO nitratu – ALUMINIU. 80% amonialio masės sudaro amonio nitratas. Amonalai yra labai veiksmingi, jie gerai sprogdina uolienas, tam tikros veislės vadinamos uolienų amonalais.

Didžiulis sprogimas kasybos operacijų metu / © Flickr.com.

Jei impregnuosite nitratą dyzeliniu kuru, gausite kitą pramoninių sprogmenų klasę – igdanitus, pavadintus Kasybos instituto, SSRS mokslų akademijos Kasybos instituto vardu. Druska gali sudaryti sprogius mišinius, kai yra impregnuota praktiškai bet kokiu degiu skysčiu – nuo augalinio aliejaus iki mazuto. Kitų klasių nitratų pagrindu pagamintiems sprogmenims naudojami įvairių sprogstamųjų medžiagų priedai: pavyzdžiui, amonituose (tai ne tik iškastiniai galvakojai) yra TNT arba RDX. Gryna forma amonio nitratas taip pat yra sprogstamasis ir gali detonuoti. Tačiau jo detonacija skiriasi nuo pramoninių ar karinių sprogmenų detonavimo. Kas tiksliai? Trumpai prisiminkime, kas yra detonacija ir kuo ji skiriasi nuo įprasto degimo.

Kas yra detonacija

Kad degiosiose medžiagose prasidėtų degimo reakcijos, kuro ir oksidatoriaus atomai turi būti išlaisvinti ir suartinti, kol tarp jų susidarys cheminiai ryšiai. Išlaisvinti jas iš molekulių, kuriose jie yra, reiškia šias molekules sunaikinti: taip molekulės pašildomos iki jų skilimo temperatūros. Ir tas pats kaitinimas sujungia kuro ir oksidatoriaus atomus, kad tarp jų susidarytų cheminis ryšys – į cheminę reakciją.

Įprasto degimo metu, vadinamo deflagracija, reagentai kaitinami normaliai perduodant šilumą iš liepsnos priekio. Liepsna įkaitina degiosios medžiagos sluoksnius, o šio kaitinimo įtakoje medžiagos suyra prieš prasidedant cheminėms degimo reakcijoms. Detonacijos mechanizmas skiriasi. Jame medžiaga kaitinama prieš prasidedant cheminėms reakcijoms dėl didelio mechaninio suspaudimo - kaip žinote, stipriai suspaudžiant, medžiaga įkaista.

Toks suspaudimas suteikia smūgio bangą, praeinančią per detonuojantį sprogmens gabalą (arba tiesiog tūrį, jei detonuoja skystis, dujų mišinys ar daugiafazė sistema: pavyzdžiui, anglies suspensija ore). Smūgio banga suspaudžia ir įkaitina medžiagą, sukelia joje chemines reakcijas, išskirdama didelį šilumos kiekį ir pati yra maitinama šios reakcijos energijos, išleidžiamos tiesiai į ją.

Ir čia labai svarbus detonacijos greitis – tai yra smūginės bangos, praeinančios per medžiagą, greitis. Kuo jis didesnis, tuo galingesnis sprogmuo, sprogstamasis veiksmas. Pramoninių ir karinių sprogmenų detonacijos greitis yra keli kilometrai per sekundę – nuo maždaug 5 km/s amonalams ir amonitams ir 6-7 km/sek TNT iki 8 km/sek RDX ir 9 km/sek HMX. Kuo greitesnė detonacija, tuo didesnis energijos tankis smūgio bangoje, tuo stipresnis jos destruktyvus poveikis, kai jis palieka sprogmens gabalo ribas.

Jei smūginė banga viršija garso greitį medžiagoje, ji susmulkina ją į gabalus – tai vadinama sprogdinimo veiksmu. Būtent ji į skeveldrą sulaužo granatos, sviedinio ir bombos korpusą, susmulkina akmenis aplink gręžinį ar gręžinį, užpildytą sprogmenimis.

Didėjant atstumui nuo sprogmens gabalo, smūgio bangos galia ir greitis mažėja, o nuo tam tikro trumpo atstumo ji nebegali sutraiškyti aplinkinės medžiagos, bet gali veikti ją savo spaudimu, stumti, glamžyti, išsklaidyti, mesti, mesti. Toks spaudimo, gniuždymo ir metimo veiksmas vadinamas stipriu sprogimu.

Nitratų detonacijos ypatybės

Pramoninis amonio nitratas be jokių priedų, kurie sudaro sprogmenis, kaip minėjome aukščiau, taip pat gali detonuoti. Jo detonacijos greitis, priešingai nei pramoninių sprogmenų, yra palyginti mažas: apie 1,5-2,5 km/sek. Detonacijos greičio plitimas priklauso nuo daugelio faktorių: kokių granulių pavidalo yra salietra, kaip sandariai jos suspaustos, koks esamas salietros drėgnumas ir daug kitų.

Todėl salietra nesudaro pūtimo veiksmo – nesmulkina aplinkinių medžiagų. Tačiau didelis sprogstamasis nitratų detonacijos poveikis yra gana apčiuopiamas. O tam tikro detonacijos galia priklauso nuo jos kiekio. Esant didelėms sprogstamosioms masėms, sprogimo stiprus sprogstamasis poveikis gali pasiekti bet kokio lygio destruktyvumą.

Sprogimo Beirute pasekmės / © "Lenta.ru"

Kalbėdami apie detonaciją, atkreipiame dėmesį į dar vieną svarbų dalyką - kaip jis prasideda. Iš tiesų, kad suspaudimo smūginė banga praeitų per sprogmenį, jis turi būti kažkaip paleidžiamas, su kažkuo sukurtas. Paprasčiausias sprogmens gabalo uždegimas nesuteikia mechaninio suspaudimo, reikalingo detonacijai pradėti.

Taigi ant mažų trotilo gabalėlių, padegtų degtuku, visiškai įmanoma išvirti arbatą puodelyje - jie dega būdingu šnypštimu, kartais rūko, bet dega tyliai ir be sprogimo. (Aprašymas nėra rekomendacija ruošiant arbatą! Vis tiek pavojinga, jei gabaliukai dideli ar užteršti.) Norint suaktyvinti detonaciją, reikia detonatoriaus – nedidelio įtaiso su specialiu sprogstamuoju užtaisu, įdėtu į pagrindinį sprogmenų korpusą. Tvirtai į pagrindinį užtaisą įsprausto detonatoriaus sprogimas paleidžia smūginę bangą ir jame detonaciją.

Kas galėjo sukelti detonaciją

Ar detonacija gali įvykti spontaniškai? Galbūt: įprastas degimas gali virsti detonacija, kai jį pagreitina, padidėjus šio degimo intensyvumui. Jei padegsite deguonies mišinį su vandeniliu – sprogiomis dujomis – jis pradės degti tyliai, tačiau greitėjant liepsnos frontui, degimas virs detonacija.

Daugiafazių dujų sistemų, tokių kaip visų rūšių suspensijos ir aerozoliai, kurie naudojami tūriniam sprogimui šaudmenyse, degimas greitai virsta detonacija. Kuro degimas taip pat gali virsti detonacija, jei slėgis variklyje pradeda greitai kilti neprojektiniu būdu. Slėgio padidėjimas, degimo pagreitis - tai yra būtinos sąlygos pereiti nuo įprasto degimo prie detonacijos.

Taip pat degimo katalizatoriais gali būti įvairūs priedai, teršalai, priemaišos – tiksliau jie ar jų komponentai, kurie prisidės prie vietinio perėjimo prie detonacijos. Oksiduota, surūdijusi amunicija labiau linkusi detonuoti, jei sprogmuo yra šalia oksiduotos korpuso dalies. Yra daug detonacijos inicijavimo niuansų ir punktų, kuriuos praleisime, tad grįžkime prie klausimo: kaip sandėlyje galėjo detonuoti salietra?

Ir čia akivaizdu, kad pirotechnika puikiai galėtų atlikti detonatoriaus vaidmenį. Ne, tik šnypščianti parako raketė vargu ar sukeldavo salietros detonaciją savo dūmų ir kibirkščių jėga. Tačiau vaizdo įraše užfiksuota daugybė didžiulių protrūkių, kibirkščiuojančių gaisro dūmuose prieš salietros sprogimą. Tai nedideli fejerverkų pirotechnikos komponentų išsibarstymo sprogimai. Jie tarnavo kaip akivaizdi detonuojanti pradžia. Ne, jie nebuvo pramoniniai detonatoriai.

Tačiau gaisro sąlygomis, kaitinant didelius salietros paviršius liepsna ir vykstant tūkstančiams pirotechnikos operacijų, šios pirotechnikos raketos greičiausiai buvo įleistos į įkaitintą salietros paviršių, toliau sprogstant karštoje salietroje. Tam tikru momentu jo detonacija po tokio smūgio įvyko ir išplito į visą saugomos salietros masyvą.

Sunku detaliai išanalizuoti tolesnius įvykius be išsamios informacijos ir neištyrus sprogimo vietos. Nežinia, kaip pilnai buvo susprogdintos visos 2750 tonų. Detonacija nėra kažkokia absoliuti pradžia, kuri visada įvyksta taip, kaip parašyta popieriuje. Pasitaiko, kad sukrauti trotilo briketai susprogdina ne visus: dalis jų tiesiog išsisklaido į šonus, jei nesiimama patikimų priemonių detonacijai perduoti tarp jų.

Po masinių uolienų sprogimų, kai susprogdinami šimtai ir tūkstančiai šulinių, užpildytų sprogmenimis (sprogmenis juos galima aprūpinti visą mėnesį), nusėdus dulkių debesiui, tik specialistai pirmiausia visada patenka į sprogimo zoną ir apžiūri, kas sprogo. o kas nesprogo. Jie taip pat renka nesprogusius sprogmenis. Taip yra ir su salietra sandėlyje Beiruto uoste: visos nitratų masės sprogimo detonacijos užbaigtumą nustatyti sunku, bet aišku, kad jis buvo gana didelis.

Sprogimo Beirute ypatybės

Pats sprogimo vaizdas puikiai atitinka nitrato detonaciją. Didelis rausvai rudų dūmų stulpelis po sprogimo yra tipiškos spalvos debesis su raudonais azoto oksidais, kurių sprogimo metu irstant nitratams išsiskiria dideli kiekiai. Dėl mažo nitrato detonacijos greičio didelio gniuždymo poveikio neįvyko.

Todėl sprogimo vietoje nesusidarė didelis krateris: molų medžiagos ir sandėlių betoninė žemės danga nebuvo detalizuota, todėl nebuvo išmesta. Dėl šios priežasties miestas nebuvo bombarduojamas iš sprogimo vietos skrendančiomis skeveldromis, o sprogimo metu susidaręs aukštas skrendančių gabalų ir skeveldrų sultonas nepakilo aukščiau sprogimo vietos.

Dūmų stulpelis, nuspalvintas azoto oksidų išmetimu skaidant amonio nitratą / © dnpr.com.ua.

Tuo pačiu metu gausus dujinių degimo produktų – vandens garų, azoto oksidų – išsiskyrimas suteikė sprogimo paveikslui tūrinio sprogimo bruožus. Be greitai praeinančios smūginės bangos, pakankamai galingos ir matomos kaip greitai miglojanti siena, filmavime rodoma besiplečiančių sprogimo dujų siena, susimaišiusi su dulkėmis ir sparčiai besiartinanti nuo žemės paviršiaus. Tai būdinga didelio tūrio sprogimams su mažu detonacijos greičiu.

Didelės tikimybės pastatams padarytos žalos pobūdis parodys, kad juos paveikė ne tik pati smūginė banga – galinga, bet trumpalaikė, bet ir ilgesnis besiplečiančios dujų-oro srovės, išsklaidytos iš sprogimo zonos, poveikis.

Nitratų sprogimai Beirute

Trąšų azoto rūgšties druskų pagrindu sprogimų būta ir anksčiau, jie gerai žinomi, istorijoje tokių atvejų yra nemažai. Taigi 2001 metų rugsėjo 1 dieną Tulūzoje, bendrovės Grande Paroisse trąšų gamykloje, sprogo angaras, kuriame buvo susprogdinta 300 tonų amonio salietros. Žuvo apie 30 žmonių, tūkstančiai buvo sužeisti. Daugelis pastatų Tulūzoje buvo apgadinti.

Anksčiau, 1947 metų balandžio 16 dieną, JAV Teksaso Sičio uoste laive „Grancan“įvyko 2100 tonų amonio nitrato sprogimas. Prieš tai kilo gaisras laive – panaši situacija ir įvykių seka. Dėl sprogimo kilo gaisrai ir sprogimai laivuose bei netoliese esančiose naftos saugyklose. Žuvo apie 600 žmonių, šimtai dingo be žinios, daugiau nei penki tūkstančiai buvo sužeisti.

1921 metų rugsėjo 21 dieną BASF chemijos gamykloje prie Oppau miesto Bavarijoje sprogo 12 tūkstančių tonų amonio sulfato ir amonio nitrato mišinio. Tokios galios sprogimas suformavo didžiulį kraterį, du artimiausi kaimai buvo nušluoti nuo žemės paviršiaus, o Oppau miestas buvo sunaikintas.

2004 m. Šiaurės Korėjos mieste Ryongcheon įvyko katastrofiški amonio nitrato sprogimai su dideliu sunaikinimu ir daugybe aukų; 2013 m. Vakarų mieste Teksase, JAV; 2015 metais Tiandzino uostamiestyje Kinijoje. Ir sąrašas tęsiasi.

Deja, amonio nitratas su visais didžiuliais privalumais, kuriuos jis suteikia žmogui, išlieka pavojingu objektu, kurį tvarkant reikia laikytis daugelio saugos reikalavimų. O neatsargumas ar aplaidumas gali sukelti naujų tragedijų, kurių prevencijai reikia ir griežtinti nitratų tvarkymo taisykles, ir didinti atsakomybę už jų laikymąsi ir įgyvendinimą.