Научен изглед: Характеристики на експлозията в Бейрут

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Трагичната новина за огромна експлозия в Бейрут, която пое първите редове на новинарските ресурси, повдига естествени въпроси: как е могло да се случи това, какво е избухнало там, поради какви фактори са възможни подобни инциденти? За да разберем това, нека разгледаме по-отблизо свойствата на амониевия нитрат и опасностите, свързани с него.

Какво се случи в Бейрут

Накратко, ситуацията изглежда така: преди шест години корабът Rhosus влезе в морското пристанище Бейрут за непланиран ремонт. Принадлежеше на компанията на Игор Гречушкин, родом от Хабаровск. Пристанищните власти не пуснаха кораба поради недостатъци в системите за сигурност и товарните документи. Постепенно екипът напуска Rhosus, а товарът му, който се състои от 2750 тона амониева селитра, е прехвърлен в склад в пристанището, където се съхранява през следващите шест години. Условията за съхранение се оказаха недостатъчно надеждни, следователно, за да се ограничи достъпът до този товар, в склада бяха извършени заваръчни работи, поради неправилната организация на безопасността на които впоследствие се възпламени пиротехниката, съхранявана в същия склад.

Избухна пожар, подкрепен от горене и фойерверки. След известно време съхраняваният амониев нитрат детонира. Ударната вълна от тази експлозия нанесе голям разрушителен ефект върху околните райони на Бейрут: днес има повече от 130 загинали и броят им продължава да расте, тъй като все повече и повече тела се откриват при разглобяване на развалините на сгради и конструкции. Повече от пет хиляди души бяха ранени.

Снимки от космоса, направени от спътника Канопус-V. Снимката по-горе е с дата 4 ноември 2019 г., а снимката по-долу е деня след експлозията. / © Roskosmos.ru

Огромен брой къщи бяха повредени в различна степен, разрушенията засегнаха половината от сградите в Бейрут, около 300 хиляди жители останаха без дом. Според губернатора на ливанската столица Марван Абуд щетите от експлозията се оценяват на между три и пет милиарда долара. Снимки от космоса на пристанището в Бейрут, направени преди и след трагедията, показват зона на непрекъснато разрушение около цялата пристанищна зона. В Ливан е обявен тридневен траур.

Какво е амониев нитрат

Амониевият нитрат или амониевият нитрат е амониева сол на азотната киселина, има химична формула NH₄NO₃ и се състои от три химични елемента - азот, водород и кислород. Високото съдържание на азот (около една трета от теглото) във форма, лесно усвоима от растенията, прави възможно широкото използване на амониевия нитрат като ефективен азотен тор в селското стопанство.

Като такъв амониевият нитрат се използва както в чиста форма, така и като част от други сложни торове. По-голямата част от произвежданата в света селитра се използва именно в това качество. Физически амониевият нитрат е бяло кристално вещество, в индустриална форма под формата на гранули с различни размери.

Той е хигроскопичен, тоест абсорбира добре влагата от атмосферата; по време на съхранение има тенденция към слепване, образуване на големи плътни маси. Поради това се съхранява и транспортира не под формата на твърда насипна маса, а в плътни и издръжливи торби, които не позволяват образуването на големи слепени маси, които трудно се разхлабват.

Взривни операции в открити мини с използване на амониев нитрат като част от промишлени експлозиви / ©Flickr.com.

Амониевият нитрат е силен окислител. Трите кислородни атома, които съставляват неговата молекула, съставляват 60 процента от масата. С други думи, амониевият нитрат е повече от половината кислород, който лесно се отделя от молекулата му при нагряване. Термичното разлагане на нитрата протича в две основни форми: при температури под 200 градуса той се разлага на азотен оксид и вода, а при температури от около 350 градуса и повече едновременно с водата се образуват свободен азот и свободен кислород. Това отделя амониевия нитрат в категорията на силните окислители и предопределя използването му в производството на различни експлозиви, които изискват окислител.

Амониев нитрат - компонент на промишлените експлозиви

Амониевият нитрат е включен в много видове промишлени експлозиви и се използва широко в това, главно в минната индустрия. Човекът все още не е изобретил нищо по-ефективно от експлозия за унищожаване на скали. Следователно почти всяка работа с тях се основава на експлозия: от добив в мини до открити разрези и кариери.

Минната индустрия консумира огромно количество експлозиви и всяко минно предприятие или въглищна мина винаги има собствен завод за производство на експлозиви, които се консумират в големи количества. Относителната евтиност на амониевия нитрат прави възможно използването му за масовото производство на различни промишлени експлозиви.

И тук можем да отбележим невероятната широта на образуването на експлозивни системи от амониев нитрат. Смесвайки нитрата с буквално всяко горимо вещество, можете да получите експлозивна система. Смеси от нитрат с обикновен алуминиев прах образуват амонали, които поради това се наричат АМОНИТЕВ нитрат - АЛУМИНИЕВ. 80% от масата на амона е амониев нитрат. Амоналите са много ефективни, добри са при взривяването на скали, някои разновидности се наричат скални амонали.

Масивна експлозия по време на минни операции / © Flickr.com.

Ако импрегнирате нитрат с дизелово гориво, получавате друг клас промишлени взривни вещества - игданити, кръстени на Минния институт, Минния институт на Академията на науките на СССР. Селитрата е способна да образува експлозивни смеси, когато е импрегнирана с почти всяка запалима течност, от растително масло до мазут. Други класове експлозиви на базата на нитрати използват добавки от различни експлозиви: например, амонитите (това не са само изкопаеми главоноги) съдържат TNT или RDX. В чиста форма амониевият нитрат също е експлозивен и може да детонира. Но нейната детонация е различна от детонацията на промишлени или военни експлозиви. Какво точно? Нека припомним накратко какво е детонация и как се различава от обикновеното горене.

Какво е детонация

За да започнат реакциите на горене в горими вещества, атомите на горивото и окислителя трябва да бъдат освободени и сближени, докато се образуват химически връзки между тях. Освобождаването им от молекулите, в които се съдържат, означава унищожаване на тези молекули: това прави нагряването на молекулите до температурата на тяхното разлагане. И същото нагряване обединява атомите на горивото и окислителя до образуването на химическа връзка между тях - до химическа реакция.

При нормално горене - наречено дефлаграция - реагентите се нагряват чрез нормален пренос на топлина от предната част на пламъка. Пламъкът загрява слоевете на горимото вещество и под въздействието на това нагряване веществата се разлагат преди началото на химическите реакции на горене. Механизмът на детонация е различен. В него веществото се нагрява преди началото на химични реакции поради механично компресиране с висока степен - както знаете, при силно компресиране вещество се нагрява.

Такова компресиране дава ударна вълна, преминаваща през детониращото парче експлозив (или просто обема, ако детонира течност, газова смес или многофазна система: например суспензия на въглища във въздуха). Ударната вълна компресира и нагрява веществото, предизвиква химични реакции в него с отделяне на голямо количество топлина и самата се захранва от тази реакционна енергия, освободена директно в него.

И тук скоростта на детонация е много важна - тоест скоростта на ударната вълна, преминаваща през веществото. Колкото по-голям е той, толкова по-мощен е експлозивът, експлозивното действие. За промишлени и военни експлозиви скоростта на детонация е няколко километра в секунда - от около 5 km/sec за амонали и амонити и 6-7 km/sec за TNT до 8 km/sec за RDX и 9 km/sec за HMX. Колкото по-бърза е детонацията, толкова по-висока е енергийната плътност в ударната вълна, толкова по-силен е нейният разрушителен ефект, когато напусне границите на парчето експлозив.

Ако ударната вълна надвиши скоростта на звука в материала, тя го раздробява на парчета - това се нарича взривно действие. Именно тя разбива тялото на граната, снаряд и бомба на фрагменти, смачква скали около сондаж или сондаж, пълен с експлозиви.

С отдалечаване от експлозив силата и скоростта на ударната вълна намаляват и от известно кратко разстояние тя вече не може да смачка околното вещество, а може да действа върху него с натиска си, да тласка, мачка, разпръсква, хвърля, хвърлям. Такова действие на натискане, смачкване и хвърляне се нарича фугасно.

Характеристики на детонацията на нитратите

Индустриалният амониев нитрат без никакви добавки, които образуват експлозиви, както отбелязахме по-горе, също може да детонира. Скоростта му на детонация, за разлика от индустриалните експлозиви, е сравнително ниска: около 1,5-2,5 км / сек. Разпространението на скоростта на детонацията зависи от много фактори: под формата на гранули селитрата, колко плътно са притиснати, какво е текущото съдържание на влага в селитрата и много други.

Следователно селитрата не образува взривно действие - не смачква околните материали. Но високоексплозивният ефект от детонацията на нитратите произвежда доста осезаем. И силата на определена детонация зависи от нейното количество. При големи експлозивни маси експлозивният ефект на експлозията може да достигне разрушителност от всяко ниво.

Последиците от експлозията в Бейрут / © "Лента.ру"

Говорейки за детонацията, отбелязваме още един важен момент - как започва. Наистина, за да премине ударна вълна от компресия през експлозива, той трябва да бъде пуснат по някакъв начин, създаден с нещо. Простото запалване на експлозив не осигурява механичната компресия, необходима за иницииране на детонация.

И така, на малки парченца тротил, запалени с кибрит, е напълно възможно да сварите чай в чаша - те горят с характерно съскане, понякога пушат, но горят тихо и без експлозия. (Описанието не е препоръка за приготвяне на чай! Все пак е опасно, ако парчетата са големи или замърсени.) За да задействате детонацията, ви е необходим детонатор – малко устройство със специален взривен заряд, поставен в основното тяло на експлозивите. Експлозията на детонатор, плътно вмъкнат в основния заряд, изстрелва ударна вълна и детонация в него.

Какво би могло да причини детонацията

Може ли детонацията да се случи спонтанно? Може би: обикновеното горене е способно да се превърне в детонация, когато се ускори, с увеличаване на интензивността на това горене. Ако запалите смес от кислород с водород - експлозивен газ - тя ще започне да гори тихо, но с ускоряването на фронта на пламъка горенето ще се превърне в детонация.

Изгарянето на многофазни газови системи, като всякакви суспензии и аерозоли, които се използват в боеприпасите за обемна експлозия, бързо се превръща в детонация. Изгарянето на горивото може също да се превърне в детонация, ако налягането в двигателя започне да нараства бързо, по нестандартно проектиран начин. Повишаване на налягането, ускоряване на горенето - това са предпоставките за преминаване от обикновено горене към детонация.

Също така катализаторите на горене могат да бъдат различни добавки, замърсители, примеси - по-точно те или техните компоненти, които ще допринесат за локалния преход към детонация. Окислените, ръждясали боеприпаси е по-вероятно да детонират, ако експлозивът е в непосредствена близост до окислената част на корпуса. Има много нюанси и моменти в инициирането на детонацията, които ще пропуснем, така че да се върнем на въпроса: как би могла селитрата да детонира в склада?

И тук е очевидно, че пиротехниката може идеално да играе ролята на детонатор. Не, само съскаща барутна ракета едва ли предизвика детонацията на селитра със силата на дима с искри. Но видеото улавя множество масивни огнища, искрящи в дима на огъня преди експлозията на селитра. Това са малки експлозии от разпръснати пиротехнически компоненти на фойерверки. Те послужиха като очевидно детониращо начало. Не, не бяха индустриални детонатори.

Но в условия на пожар, нагряване на големи повърхности на селитра с пламък и масивността на хилядите пиротехнически операции, извършвани, тези пиротехнически ракети вероятно са били въведени в нагрятата повърхност на селитра с допълнителни експлозии в гореща селитра. В един момент се получи детонацията му при такъв удар - и се разпространи в целия масив от съхранявана селитра.

Трудно е да се анализират подробно по-нататъшните събития без подробна информация и проучване на мястото на експлозията. Не е известно колко пълно са взривени всичките 2750 тона. Детонацията не е някакво абсолютно начало, което винаги се случва, както е написано на хартия. Случва се тротиловите брикети, подредени заедно, да детонират не всички: някои от тях просто се разпръскват встрани, ако не се вземат надеждни мерки за прехвърляне на детонацията между тях.

След масивни експлозии на скали, когато се взривяват стотици и хиляди кладенци, пълни с експлозиви (те могат да бъдат оборудвани с експлозиви за цял месец), след като се утаи облак прах, винаги само специалисти първо влизат в зоната на експлозия и проверяват какво е избухнало и какво не е гръмнало. Те също така събират невзривени експлозиви. Така е и със селитра в склад в пристанището на Бейрут: пълнотата на детонацията на експлозията на цялата маса нитрат е трудно да се определи, но е ясно, че е била доста голяма.

Характеристики на експлозията в Бейрут

Самата картина на експлозията отговаря добре на детонацията на нитрата. Голям стълб червеникаво-кафяв дим след експлозията е типичен цвят на облака с червени азотни оксиди, които се отделят в големи количества при разлагането на нитратите при експлозията. Поради ниската скорост на детонация на нитрата не е настъпило масивно раздробяване.

Поради това на мястото на експлозията не се образува голям кратер: материалите на кейовете и бетонното покритие на складовете не бяха детайлизирани, следователно не бяха изхвърлени. Поради това не е имало бомбардиране на града с парчета, летящи от зоната на експлозията, а високият султан от летящи парчета и фрагменти, образувани от експлозията, не се издига над мястото на експлозията.

Стълб дим, оцветен от емисии на азотни оксиди при разлагането на амониев нитрат / © dnpr.com.ua.

В същото време обилното отделяне на газообразни продукти на горене - водна пара, азотни оксиди - придаде на картината на експлозията характеристиките на обемна експлозия. В допълнение към бързо преминаваща ударна вълна, достатъчно мощна и видима като бърза мъглива стена, стрелбата показва приближаваща се стена от разширяващи се експлозивни газове, смесени с прах и издигащи се от повърхността на земята при бързо приближаване. Това е характерно за експлозии с големи обеми с ниска скорост на детонация.

Естеството на щетите на сградите с голяма вероятност ще покаже, че те са били засегнати не само от самата ударна вълна - мощна, но краткотрайна - но и от по-продължителното излагане на разширяващия се газово-въздушен поток, разпръснат от зоната на експлозията.

Нитратни експлозии до Бейрут

Експлозии на торове на базата на соли на азотна киселина е имало и преди, те са добре известни, има много такива случаи в историята. И така, на 1 септември 2001 г. в Тулуза, в завода за торове на компанията Grande Paroisse, избухна хангар, в който бяха взривени 300 тона амониев нитрат. Около 30 души загинаха, хиляди бяха ранени. Много сгради в Тулуза бяха повредени.

По-рано, на 16 април 1947 г., има експлозия от 2100 тона амониев нитрат на борда на кораба "Гранкан" в пристанището на Тексас Сити, САЩ. Той е предшестван от пожар на кораба - подобна ситуация и последователност от събития. Експлозията предизвика пожари и експлозии на кораби и петролни хранилища в близост. Около 600 души са убити, стотици са изчезнали, над пет хиляди са ранени.

На 21 септември 1921 г. 12 хиляди тона смес от амониев сулфат и амониев нитрат избухват в химическия завод на BASF близо до град Опау в Бавария. Експлозия с такава мощ образува огромен кратер, две най-близки села бяха изтрити от лицето на земята, а град Оппау беше разрушен.

Катастрофични експлозии на амониев нитрат с големи разрушения и многобройни жертви се случиха през 2004 г. в севернокорейския град Рьончхон; през 2013 г. в град Уест в Тексас, САЩ; през 2015 г. в пристанищния град Тиендзин в Китай. И списъкът продължава.

За съжаление, амониевият нитрат, с всички огромни предимства, които носи на човек, остава опасен обект, който изисква спазване на редица изисквания за безопасност при работа. А невнимание или небрежност може да предизвика нови трагедии, предотвратяването на които изисква както затягане на правилата за работа с нитрати, така и повишаване на отговорността за тяхното спазване и прилагане.