שיפור בטיחות חומרי הנפץ: מחקר חדש מגלה את המפתח למניעת פיצוצים
מחקר חדש חושף כיצד התאמת מאזן החמצן בתערובות חומרי נפץ לא-אידיאליים יכולה להפחית את הסיכון לבעירה ולפיצוץ, ולהוביל לשיפור משמעותי בבטיחות בייצור, הובלה ואחסון של חומרי נפץ
אברהם אילון
| 01/07/2024
By Becky Vanshur - https://www.dvidshub.net/image/7181597/fire-hole-idaho-combat-engineers…, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=119329538
בכתב העת Molecule פורסם לאחרונה (Vol. 29, Iss. 11, 2024, 2680) מחקר תחת הכותרת: "ניתוח סיכונים תרמיים של שני חומרי נפץ לא-אידיאליים על בסיס אמוניום פרכלוראט/אמוניום חנקתי ואבקת אלומיניום". המחקר בוצע במכללה לניהול חירום, אוניברסיטת Chengdu.
תאונות פיצוץ של חומרי נפץ אזרחיים מתרחשות ברחבי העולם, וגורמות לאבדות רבות בנפש ולפגיעות נרחבות ברכוש ובתשתיות. ייזום תרמי ממלא תפקיד קריטי בהפעלת פיצוץ חומרי נפץ, ולכן לחקר הסיכונים התרמיים של חומרי נפץ יש משמעות רבה בכל ההיבטים של בטיחות בניהול מצבי חירום בייצור, בהובלה, באחסון ובשימוש בחומרי נפץ.
היציבות התרמית של אמוניום פרכלוראט ואלומיניום ושל אמוניום חנקתי ואלומיניום נחקרה בהרחבה, אבל חסרים מחקרים על מאפייני הסיכון התרמי של חומרי נפץ לא-אידיאליים בתנאי מאזן חמצן שונים. מחקר זה התמקד בחקר הסיכונים התרמיים של חומרי נפץ לא-אידיאליים, המבוססים על ניתוח תרמו-קינטי.
התוצאות הראו שבתנאי מאזן חמצן אפס, שיאי טמפרטורת התגובה ואנרגיית ההפעלה של תערובת אמוניום פרכלוראט ואלומיניום היו גבוהים משמעותית מאלו של תערובת אמוניום חנקתי ואלומיניום. משמעות הדבר היא כי לאמוניום פרכלוראט ואלומיניום יש בטיחות גבוהה יותר באותם תנאי ייזום תרמי במאזן חמצן שלילי. לכן, לחקירת הסיכונים התרמיים של חומרי נפץ לא-אידיאליים בתנאי מאזן חמצן שונים ישנה חשיבות עליונה לשיפור הבטיחות בדרכים לניהול מצבי חירום.
רקע
אמוניום פרכלוראט ואמוניום חנקתי, המשמשים כמחמצנים, ואבקות מתכתיות כגון אבקות אלומיניום ומגנזיום, המשמשות כדלקים בעלי אנרגיה גבוהה, נמצאים בשימוש נרחב בחומרי נפץ הודפים מרוכבים מוצקים, חומרי נפץ בעלי אנרגיה גבוהה וחומרי נפץ אזרחיים. טיפול וסילוק לא תקין של חומרי נפץ אלו במהלך ייצורם, הובלתם, אחסונם ויישומם עלולים להוביל לתאונות קשות כגון בעירה ופיצוץ, וכתוצאה מכך לפגיעה משמעותית בבני אדם ולנזקי רכוש נרחבים.
ב-4 באוגוסט 2020, תאונת פיצוץ אמוניום חנקתי בנמל ביירות גבתה את חייהם של לפחות 190 בני אדם וגרמה לפציעתם של כ-6,500. ב-12 באוגוסט 2015, תאונת פיצוץ אמוניום חנקתי בטיאנג'ין גרמה ל-165 הרוגים, 8 נעדרים, 798 פצועים והפסדים כלכליים ישירים בהיקף עצום.
על מנת להפחית את ההסתברות לתאונות ולמזער נזקים, חוקרים ברחבי העולם מתעניינים במחקר על הסכנות הכרוכות באחסון חומרי נפץ. עם התקדמות הטכנולוגיה הצבאית והמצאת כלי נשק מתוחכמים שונים, חיילים צריכים להתאים את עצמם לשדה-קרב מורכב יותר. גם שרידות התחמושת עומדת בפני איומים. תחמושת שמתייזמת בטעות על ידי שברי כדורים, אש, גלי הלם, קרינה אלקטרומגנטית או מטוסים מהירים עלולה להוביל לתאונות חמורות.
בחומרי נפץ המכילים אלומיניום ואמוניום פרכלוראט, תהליך הפיצוץ מאופיין כפיצוץ לא-אידיאלי. כתוצאה מכך, חומרי נפץ כאלה מסווגים כחומרי נפץ לא-אידיאליים. גם חומרי נפץ אזרחיים, הידועים גם בשם חומרי נפץ תעשייתיים, שייכים לסוג חומרי הנפץ הלא-אידיאליים. חומרי נפץ לא-אידיאליים הם דליקים וניתנים לפיצוץ, ולכן ישנם סיכונים של בעירה ושל פיצוץ במשך כל שלבי העבודה איתם: תכנון, ניסוי, הכנה, ייצור, הובלה, אחסון, שימוש וסילוק. מכיוון שלתחמושת יש רגישות תרמית מוגדרת, ישנם סיכונים מסוימים לפיצוץ הן בשדה הקרב והן באחסון או בהובלה רגילים.
מחקרים מראים כי חום הוא צורת האנרגיה הנפוצה ביותר ה"ממריצה" חומרי נפץ וגורמת לרוב התאונות. למיטב ידיעת החוקרים, מחקרים הבודקים את תכונות הסיכון התרמי של חומרי נפץ לא-אידיאליים בתנאי מאזן חמצן שונים הם נדירים במיוחד במחקר אקדמי. במחקר זה, נבדקו שני חומרי נפץ לא-אידיאליים: תערובת של אמוניום פרכלוראט ואבקת אלומיניום ותערובת של אמוניום חנקתי ואלומיניום, כדי לבחון את התנהגויותיהם התרמיות בהתבסס על קינטיקה של ניתוח תרמי בתנאי מאזן חמצן שונים (חיובי, אפס ושלילי).
תוצאות
אמוניום פרכלוראט ואלומיניום: בתנאי מאזן חמצן חיובי, אפס ושלילי, עם העלייה בקצב החימום, טמפרטורות השיא האקסו-תרמיות נטו לרמות גבוהות. ככל שטמפרטורת השיא האקסו-תרמית הייתה תלולה יותר עם עליית טמפרטורת החימום, שחרור החום הכולל עלה בהדרגה.
אמוניום חנקתי ואלומיניום: בתנאי מאזן חמצן חיובי, אפס ושלילי, עם העלייה בקצב החימום, טמפרטורות השיא האקסו-תרמיות נוטות לעבר רמות גבוהות יותר. ככל שהשיא האקסו-תרמי עלה עם קצב החימום ונטה להיות תלול יותר, שחרור החום עלה בהדרגה. תערובת אמוניום חנקתי ואלומיניום הציגה עקומה תלולה יותר, מה שאומר שתהליך שחרור החום אלים ומהיר יותר מאשר בתערובת אמוניום פרכלוראט ואלומיניום.
התערובת של אמוניום חנקתי ואלומיניום מציגה הן שיא טמפרטורה והן אנרגיית הפעלה נמוכים יותר בהשוואה לזו של אמוניום פרכלוראט ואלומיניום. התערובת של אמוניום חנקתי ואלומיניום הראתה גם שיא אקסו-תרמי פתאומי יותר, מה שמעיד על כך שהיא רגישה יותר לייזום תרמי, שמביא לבעירה ולפיצוץ. לכן, התערובת של אמוניום פרכלוראט ואלומיניום בטיחותית יותר באותם תנאי ייזום תרמי.
התערובת של אמוניום פרכלוראט ואלומיניום מציגה אנרגיית הפעלה נמוכה יחסית בתנאי מאזן חמצן אפס. לעומת זאת, התערובת של אמוניום חנקתי ואלומיניום מציגה את אנרגיית ההפעלה הנמוכה ביותר בתנאי מאזן חמצן חיובי. ממצא זה מצביע על כך ששני חומרי הנפץ הלא-אידיאליים מסוכנים יותר מבחינה תרמית בתנאי מאזן חמצן חיובי ומאזן חמצן אפס.
המחקר מצא שבשתי התערובות אנרגיית ההפעלה נמצאה בשיאה בתנאי מאזן חמצן שלילי. כתוצאה מכך ניתן להסיק שהסבירות לבעירה ולפיצוץ עבור שתי התערובות בתנאי מאזן חמצן שלילי נמוכה יחסית, ובכך מרמזת על דרגת בטיחות גבוהה יותר.
המחקר מדגיש שעל ידי התאמת מאזן החמצן של שתי תערובות חומרי הנפץ הלא-אידיאליות הללו ניתן להפחית את הסיכון לבעירה ולפיצוץ, ובכך לשפר את בטיחותן הכללית. לפיכך, לחקירת הסיכונים התרמיים של מערכות חומרי נפץ לא-אידיאליות בתנאי מאזן חמצן שונים יש חשיבות עליונה לשיפור ושיפור שיטות ניהול מצבי חירום בטיחותיות בייצור, אחסון והובלה של חומרי נפץ כאלה.
החוקרים ציינו עוד, שלא רק מאזן החמצן אלא גם גודל החלקיקים, חלוקת הגודל ושיטות ההרכבה של חומרי נפץ לא-אידיאליים ישפיעו על היציבות התרמית של חומרי נפץ. לכן, מומלץ שמחקר עתידי יבחן השפעות גורמים אלו על הסיכונים של חומרי נפץ לא-אידיאליים בהתחשב בהשפעה של מאזן החמצן.
המידע מסתמך על פרסומים שהופיעו בקבוצות ה-LinkedIn שאני מנהל: Explosives / Blasting (Energetic Materials) OSH ו-Fireworks and Pyrotechnics OSH.
מחקר חדש חושף כיצד התאמת מאזן החמצן בתערובות חומרי נפץ לא-אידיאליים יכולה להפחית את הסיכון לבעירה ולפיצוץ, ולהוביל לשיפור משמעותי בבטיחות בייצור, הובלה ואחסון של חומרי נפץ
By Becky Vanshur - https://www.dvidshub.net/image/7181597/fire-hole-idaho-combat-engineers…, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=119329538
בכתב העת Molecule פורסם לאחרונה (Vol. 29, Iss. 11, 2024, 2680) מחקר תחת הכותרת: "ניתוח סיכונים תרמיים של שני חומרי נפץ לא-אידיאליים על בסיס אמוניום פרכלוראט/אמוניום חנקתי ואבקת אלומיניום". המחקר בוצע במכללה לניהול חירום, אוניברסיטת Chengdu.
תאונות פיצוץ של חומרי נפץ אזרחיים מתרחשות ברחבי העולם, וגורמות לאבדות רבות בנפש ולפגיעות נרחבות ברכוש ובתשתיות. ייזום תרמי ממלא תפקיד קריטי בהפעלת פיצוץ חומרי נפץ, ולכן לחקר הסיכונים התרמיים של חומרי נפץ יש משמעות רבה בכל ההיבטים של בטיחות בניהול מצבי חירום בייצור, בהובלה, באחסון ובשימוש בחומרי נפץ.
היציבות התרמית של אמוניום פרכלוראט ואלומיניום ושל אמוניום חנקתי ואלומיניום נחקרה בהרחבה, אבל חסרים מחקרים על מאפייני הסיכון התרמי של חומרי נפץ לא-אידיאליים בתנאי מאזן חמצן שונים. מחקר זה התמקד בחקר הסיכונים התרמיים של חומרי נפץ לא-אידיאליים, המבוססים על ניתוח תרמו-קינטי.
התוצאות הראו שבתנאי מאזן חמצן אפס, שיאי טמפרטורת התגובה ואנרגיית ההפעלה של תערובת אמוניום פרכלוראט ואלומיניום היו גבוהים משמעותית מאלו של תערובת אמוניום חנקתי ואלומיניום. משמעות הדבר היא כי לאמוניום פרכלוראט ואלומיניום יש בטיחות גבוהה יותר באותם תנאי ייזום תרמי במאזן חמצן שלילי. לכן, לחקירת הסיכונים התרמיים של חומרי נפץ לא-אידיאליים בתנאי מאזן חמצן שונים ישנה חשיבות עליונה לשיפור הבטיחות בדרכים לניהול מצבי חירום.
רקע
אמוניום פרכלוראט ואמוניום חנקתי, המשמשים כמחמצנים, ואבקות מתכתיות כגון אבקות אלומיניום ומגנזיום, המשמשות כדלקים בעלי אנרגיה גבוהה, נמצאים בשימוש נרחב בחומרי נפץ הודפים מרוכבים מוצקים, חומרי נפץ בעלי אנרגיה גבוהה וחומרי נפץ אזרחיים. טיפול וסילוק לא תקין של חומרי נפץ אלו במהלך ייצורם, הובלתם, אחסונם ויישומם עלולים להוביל לתאונות קשות כגון בעירה ופיצוץ, וכתוצאה מכך לפגיעה משמעותית בבני אדם ולנזקי רכוש נרחבים.
ב-4 באוגוסט 2020, תאונת פיצוץ אמוניום חנקתי בנמל ביירות גבתה את חייהם של לפחות 190 בני אדם וגרמה לפציעתם של כ-6,500. ב-12 באוגוסט 2015, תאונת פיצוץ אמוניום חנקתי בטיאנג'ין גרמה ל-165 הרוגים, 8 נעדרים, 798 פצועים והפסדים כלכליים ישירים בהיקף עצום.
על מנת להפחית את ההסתברות לתאונות ולמזער נזקים, חוקרים ברחבי העולם מתעניינים במחקר על הסכנות הכרוכות באחסון חומרי נפץ. עם התקדמות הטכנולוגיה הצבאית והמצאת כלי נשק מתוחכמים שונים, חיילים צריכים להתאים את עצמם לשדה-קרב מורכב יותר. גם שרידות התחמושת עומדת בפני איומים. תחמושת שמתייזמת בטעות על ידי שברי כדורים, אש, גלי הלם, קרינה אלקטרומגנטית או מטוסים מהירים עלולה להוביל לתאונות חמורות.
בחומרי נפץ המכילים אלומיניום ואמוניום פרכלוראט, תהליך הפיצוץ מאופיין כפיצוץ לא-אידיאלי. כתוצאה מכך, חומרי נפץ כאלה מסווגים כחומרי נפץ לא-אידיאליים. גם חומרי נפץ אזרחיים, הידועים גם בשם חומרי נפץ תעשייתיים, שייכים לסוג חומרי הנפץ הלא-אידיאליים. חומרי נפץ לא-אידיאליים הם דליקים וניתנים לפיצוץ, ולכן ישנם סיכונים של בעירה ושל פיצוץ במשך כל שלבי העבודה איתם: תכנון, ניסוי, הכנה, ייצור, הובלה, אחסון, שימוש וסילוק. מכיוון שלתחמושת יש רגישות תרמית מוגדרת, ישנם סיכונים מסוימים לפיצוץ הן בשדה הקרב והן באחסון או בהובלה רגילים.
מחקרים מראים כי חום הוא צורת האנרגיה הנפוצה ביותר ה"ממריצה" חומרי נפץ וגורמת לרוב התאונות. למיטב ידיעת החוקרים, מחקרים הבודקים את תכונות הסיכון התרמי של חומרי נפץ לא-אידיאליים בתנאי מאזן חמצן שונים הם נדירים במיוחד במחקר אקדמי. במחקר זה, נבדקו שני חומרי נפץ לא-אידיאליים: תערובת של אמוניום פרכלוראט ואבקת אלומיניום ותערובת של אמוניום חנקתי ואלומיניום, כדי לבחון את התנהגויותיהם התרמיות בהתבסס על קינטיקה של ניתוח תרמי בתנאי מאזן חמצן שונים (חיובי, אפס ושלילי).
תוצאות
אמוניום פרכלוראט ואלומיניום: בתנאי מאזן חמצן חיובי, אפס ושלילי, עם העלייה בקצב החימום, טמפרטורות השיא האקסו-תרמיות נטו לרמות גבוהות. ככל שטמפרטורת השיא האקסו-תרמית הייתה תלולה יותר עם עליית טמפרטורת החימום, שחרור החום הכולל עלה בהדרגה.
אמוניום חנקתי ואלומיניום: בתנאי מאזן חמצן חיובי, אפס ושלילי, עם העלייה בקצב החימום, טמפרטורות השיא האקסו-תרמיות נוטות לעבר רמות גבוהות יותר. ככל שהשיא האקסו-תרמי עלה עם קצב החימום ונטה להיות תלול יותר, שחרור החום עלה בהדרגה. תערובת אמוניום חנקתי ואלומיניום הציגה עקומה תלולה יותר, מה שאומר שתהליך שחרור החום אלים ומהיר יותר מאשר בתערובת אמוניום פרכלוראט ואלומיניום.
התערובת של אמוניום חנקתי ואלומיניום מציגה הן שיא טמפרטורה והן אנרגיית הפעלה נמוכים יותר בהשוואה לזו של אמוניום פרכלוראט ואלומיניום. התערובת של אמוניום חנקתי ואלומיניום הראתה גם שיא אקסו-תרמי פתאומי יותר, מה שמעיד על כך שהיא רגישה יותר לייזום תרמי, שמביא לבעירה ולפיצוץ. לכן, התערובת של אמוניום פרכלוראט ואלומיניום בטיחותית יותר באותם תנאי ייזום תרמי.
התערובת של אמוניום פרכלוראט ואלומיניום מציגה אנרגיית הפעלה נמוכה יחסית בתנאי מאזן חמצן אפס. לעומת זאת, התערובת של אמוניום חנקתי ואלומיניום מציגה את אנרגיית ההפעלה הנמוכה ביותר בתנאי מאזן חמצן חיובי. ממצא זה מצביע על כך ששני חומרי הנפץ הלא-אידיאליים מסוכנים יותר מבחינה תרמית בתנאי מאזן חמצן חיובי ומאזן חמצן אפס.
המחקר מצא שבשתי התערובות אנרגיית ההפעלה נמצאה בשיאה בתנאי מאזן חמצן שלילי. כתוצאה מכך ניתן להסיק שהסבירות לבעירה ולפיצוץ עבור שתי התערובות בתנאי מאזן חמצן שלילי נמוכה יחסית, ובכך מרמזת על דרגת בטיחות גבוהה יותר.
המחקר מדגיש שעל ידי התאמת מאזן החמצן של שתי תערובות חומרי הנפץ הלא-אידיאליות הללו ניתן להפחית את הסיכון לבעירה ולפיצוץ, ובכך לשפר את בטיחותן הכללית. לפיכך, לחקירת הסיכונים התרמיים של מערכות חומרי נפץ לא-אידיאליות בתנאי מאזן חמצן שונים יש חשיבות עליונה לשיפור ושיפור שיטות ניהול מצבי חירום בטיחותיות בייצור, אחסון והובלה של חומרי נפץ כאלה.
החוקרים ציינו עוד, שלא רק מאזן החמצן אלא גם גודל החלקיקים, חלוקת הגודל ושיטות ההרכבה של חומרי נפץ לא-אידיאליים ישפיעו על היציבות התרמית של חומרי נפץ. לכן, מומלץ שמחקר עתידי יבחן השפעות גורמים אלו על הסיכונים של חומרי נפץ לא-אידיאליים בהתחשב בהשפעה של מאזן החמצן.
המידע מסתמך על פרסומים שהופיעו בקבוצות ה-LinkedIn שאני מנהל: Explosives / Blasting (Energetic Materials) OSH ו-Fireworks and Pyrotechnics OSH.
