УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ХИМИЧЕСКИХ БОЕПРИПАСОВ

Полезная модель относится к области экологии и может быть использовано для очистки внутренних поверхностей котлоагрегатов, при обезвреживания токсичных веществ высоких классов опасности: химического оружия, пестицидов, полихлорбифенилов, цианидов и т.п. в полузамкнутой полости и может быть эффективно использовано при осуществлении мер по защите окружающей среды от загрязнения.
Известен способ термохимического обезвреживания высоко токсичных веществ, включающий смешивание обезвреживаемого вещества и высокотемпературного высокоскоростного потока рабочего газа, термохимическое разложение обезвреживаемого вещества при температуре ≥2000-3500 К с образованием продуктов реакции с последующим их дожиганием и ввод химических реагентов, обеспечивающих полное прохождение химических реакций с образованием конечных нетоксичных соединений (патенты РФ №2005519, A 62 D 3/00, 1994 и №2240850, A 62 D 3/00, 2004). В этом способе перемешивание обезвреживаемого вещества с высокотемпературным газом осуществляют воздействием на обезвреживаемое вещество трансзвукового-сверхзвукового потока с числом Маха М=0.9-2.0 при температуре 2000°С, после чего в реакционной камере дожигают полученную смесь при коэффициенте избытка окислителя α≥1.1 до образования конечных продуктов реакции, а затем ступенчато вводят химические реагенты, которые после перемешивания с конечными продуктами реакции сводят в объем с водным раствором поглотителя. Однако данный способ не может быть использован для очистки внутренних поверхностей химических боеприпасов, представляющих собой полузамкнутую полость, т.к. он приводит к резкому повышению давления в их внутренних полостях, а следовательно, к возможности возникновения взрыва.
Известен способ очистки нагревательной аппаратуры от отложений путем подачи в рабочую камеру аппаратуры газовой смеси, нагретой до высокой температуры. Одновременно с подачей горячей газовой смеси в рабочей камере с помощью электрической дуги, возбуждаемой между введенными в камеру электродами, создают электрическое поле. Образующийся при силе тока 800-1000 А и напряжении до 1000-1200 В плазменный поток выжигает кокс, очищая поверхность (Авт. свид. СССР 360965, МПК В 01 J 1/00, С 10 В 43/10, 1972). Однако нагревательная аппаратура рассчитана в основном на высокотемпературные нагрузки, поэтому использование этого метода для других аппаратов, имеющих внутренние элементы, не представляется возможным. Как правило, элементы
конструкции таких аппаратов имеют разную толщину, поэтому при высокотемпературном нагружении возможны местный перегрев и разрушение элементов в конструкции. Этот недостаток устранен в патенте РФ №2182920 «Способ удаления термически активных осадков с поверхности внутренних элементов аппаратов», МПК F 28 G 11/00, 2002. Суть его заключается в том, что внутрь аппарата подают теплоагент, доводят температуру теплоагента до 600-700°С и осуществляют при постоянном контроле температуры разогрев рабочей полости аппарата в течение заданного времени. Разогрев рабочей полости аппарата осуществляют при постоянном контроле температуры в течение заданного времени. После этого подачу теплоагента прекращают и, регулируя в заданных пределах температуру внутри аппарата, проводят процесс разложения осадка, находящегося на поверхности внутренних элементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является «Устройство для очистки поверхностей нагрева от зольных отложений» по патенту РФ на изобретение №2031312, МПК F 23 C 11/04, F 28 G 11/00, 1995 г. Оно представляет собой ударную трубу, подсоединенную к камере сгорания с возможностью вращения. Открытый торец ударной трубы выполнен в виде изогнутого колена или с косым срезом. Система инициирования выполнена в виде расположенных последовательно капсюля, иглы и электромагнита. Такое выполнение устройства в виде двух камер, в одной из которых происходит воспламенение и горение порохового заряда, а в другой - формирование ударной волны, позволяет получать на выходе ударную волну с высокими параметрами, превышающими возможности известных газоимпульсных устройств.
Однако данное устройство не может быть использовано для очистки внутренних поверхностей химических боеприпасов, т.к. оно носит импульсный характер, за время действия которого не может быть очищена вся внутренняя поверхность боеприпаса. Кроме того, это приводит к резкому повышению давления во внутренней полости, а следовательно, к возможности возникновения взрыва.
Поэтому одним из этапов технологии уничтожения химического оружия является операция обеззараживания корпусов химических боеприпасов, включающая их прокалку в пламенной печи после обработки дегазирующими растворами.
Необходимость прокалки объясняется тем, что используемые дегазирующие растворы не удаляют внутреннее защитное шеллачное покрытие боеприпаса, что и определяет необходимость стадии высокотемпературной обработки боеприпаса. В связи с этим весьма актуальна задача удаления остающегося после дегазации неизменным внутреннего защитного покрытия боеприпаса.
Задачей полезной модели является возможность обеззараживания внутренней
поверхности химических боеприпасов от остатков всех типов фосфорорганических отравляющих веществ.
Технический результат заключается в обеспечении высокой эффективности очистки внутренней поверхности химических боеприпасов в условиях невозможности проведения демонтажных работ и незначительной продолжительности процесса и образование небольшого количества отходов.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для очистки внутренних поверхностей химических боеприпасов содержит камеру сгорания с топливным зарядом и систему инициирования. При этом камера сгорания представляет собой тонкостенную полимерную оболочку цилиндрической формы, заполненную пиротехническим составом, в торцевой части которой размещен электровоспламенитель системы инициирования, а топливный заряд выполнен из пиротехнического состава.
В процессе сжигания пиротехнического состава, размещенного во внутреннем объеме химического боеприпаса, за короткий промежуток времени выделяется большое количество тепловой энергии (образование высокотемпературного поля), в результате которого происходит термодеструкция остаточных количеств OВ, выгорание шеллачного покрытия и обеззараживание внутренних поверхностей боеприпаса.
Суть полезной модели поясняется чертежом, где:
1 - система инициирования;
2 - камера сгорания;
3 - топливный заряд;
4 - электровоспламенитель;
5 - включатель;
6 - источник питания.
7 - электропровод;
8 - отверстие в корпусе боеприпаса;
9 - корпус боеприпаса.
Устройство для очистки внутренних поверхностей химических боеприпасов состоит из системы инициирования 1, камеры сгорания 2 и топливного заряда 3.
Система инициирования 1 предназначена для подачи электрического импульса с целью задействования топливного заряда 3. Она состоит из электровоспламенителя 4, соединенных через включатель 5 с источником питания 6 посредством электропроводов 7.
Камера сгорания 2 предназначена для размещения топливного заряда 3, выполненного из пиротехнического состава. Она представляет собой тонкостенную полимерную оболочку и изготовлена в форме цилиндра из легкоразрушаемого и сгораемого материала.
Предварительно боеприпас после его расснаряжения обрабатывается дегазирующим раствором, который удаляется в реактор нейтрализации. После этого корпус боеприпаса устанавливается в пожаробезопасный шкаф, оборудованный системой улавливания и очистки абгазов (отходящих газов). Затем через отверстие 8, выполненное в корпусе боеприпаса 9, в его внутреннее пространство вводят камеру сгорания 2 с топливным зарядом 3. Камеру сгорания 2 с топливным зарядом 3 размещают вдоль продольной оси корпуса боеприпаса 9 непосредственно на очищаемой поверхности.
Устройство работает следующим образом.
При включении включателя 5, посредством источника питания 6 и электропроводов 7 происходит инициирование электровоспламенителя 4. После приведения в действие электровоспламенителя 4 происходит воспламенение топливного заряда 3, расположенного в камере сгорания 2. При воспламенении топливного заряда 3 образуется фронт пламени, который перемещается вдоль продольной оси камеры сгорания 2 в направлении несгоревшей части топливного заряда 3 со скоростью от 0,1 до 1 мм/с (в зависимости от типа топливного заряда). В процессе горения пиротехнического заряда во внутреннем объеме боеприпаса выделяется большое количество тепловой энергии. Температура резко увеличивается до 1100-1200°С. При этом в процессе горения пиротехнического состава во внутреннем пространстве боеприпаса создается высокотемпературное поле. Поскольку все типы фосфорорганических OВ обладают невысокой термостабильбностью и начинают интенсивно разлагаться при повышении температуры более чем на 100°С, то под воздействием высокотемпературного поля происходит полная термодеструкция остаточных количеств фосфорорганических отравляющих веществ, находящихся на внутренней поверхности корпуса боеприпаса. Кроме того, при горении топливного заряда происходит выгорание защитного шеллачного покрытия, содержащего в себе большое количество фосфорорганических отравляющих веществ, а также очистка поверхностного слоя металла, который находился под шеллачным покрытием. В процессе горения топливного заряда камера сгорания, выполненная из полимерного материала, также сгорает.
Продукты сгорания топливного заряда, а также продукты термодеструкции фосфорорганических OВ выводятся из внутреннего объема корпуса боеприпаса через отверстие 8. После сгорания топливного заряда корпус боеприпаса поворачивают вдоль продольной оси на 180° и процедуру очистки повторяют. Корпус боеприпаса, очищенный таким образом, не содержит остаточных количеств фосфорорганических OВ, является безопасным и может быть утилизирован любым существующим способом.
Для подтверждения работоспособности разработанного устройства были проведены экспериментальные исследования. Они проводились с использованием макетов
3
корпусов артиллерийских снарядов с внутренним объемом 1500 см, изготовленных из конструкционной стали марки Ст.3. Для заражения внутренней поверхности макетов снарядов использовали OВ типа зарин.
Воспламенение заряда пиросостава осуществляли с использованием электровоспламенителя. Температура пламени данного пиросостава составляет 1100°С.
-6
2
В рамках эксперимента варьирование массы заряда пиросостава проводили в интервале от 100 до 300 г. Остаточное содержание зарина на внутренней поверхности макета снаряда определяли с использованием методики выполнения измерения массовой концентрации зарина в пробах смывов с загрязненных поверхностей газохроматографическим методом. Предел обнаружения методики составляет 1,0·10 мг/дм.
Высокотемпературное поле во внутреннем пространстве макета снаряда создавали с использованием экзотермического пиротехнического состава, в основе которого был реализован пиросостав, разработанный Днепропетровским металлургическим заводом «Днепроспец-сталь», компонентный состав которого представлен в табл.1.
Таблица 1
Компонентный состав пиротехнической смеси
№ п/п
Наименование компонента
Содержание компонента, %
1
Порошок алюминиевый
34,6
2
Порошок алюминево-магниевый
7,4
3
Нитрат натрия
27,8
4
Полиизобутилен
5,7
5
Бензин авиационный
23,0
6
Полиэфирная нить
1,5
Экспериментальные исследования проводили при следующих климатических условиях: температура воздуха 20,9 ОС; относительная влажность воздуха 35,8%; атмосферное давление 101,5 кПа. Результаты исследований представлены в табл.2.
-6
-6
2
Анализ данных, представленных в табл.2, свидетельствует о том, что разработанное устройство работоспособно. С увеличением массы заряда пиросостава остаточное содержание зарина на внутренней поверхности макета снаряда существенно снижается. Так, в частности, при увеличении массы заряда пиросостава до 200 г остаточное содержание зарина составило 1,1·10-1,5·10 мг/дм, что соответствует пределу чувствительности используемой методики количественного химического анализа. Дальнейшее увеличение массы заряда приводит к увеличению времени горения пиросостава и, следовательно, продолжительности процесса дегазации, в результате чего целевое вещество подвергается полной деструкции.
Таблица 2Результаты эксперементальных исследований
№ опыта
Количество пиросостава, г
Время горения пиросостава, мин
Остаточное содержание зарина на внутренней поверхности макета снаряда, мг/дм<sup>2</sup>
1
100
4,4
2,4·10<sup>-4</sup>
2
4,6
2,8·10<sup>-4</sup>
3
4,2
2,1·10<sup>-4</sup>
4
150
5,6
1,3·10<sup>-5</sup>
5
5,3
9,6·10<sup>-6</sup>
6
5,4
1,1·10<sup>-5</sup>
7
200
6,6
1,3·10<sup>-6</sup>
8
6,4
1,1·10<sup>-6</sup>
9
6,7
1,5·10<sup>-6</sup>
10
250
7,3
Не обнаружено
11
7,1
Не обнаружено
12
7,2
Не обнаружено
13
300
7,9
Не обнаружено
14
8,2
Не обнаружено
15
8,1
Не обнаружено
Исходя из экспериментальных данных видно, что для данных условий протекания процесса дегазации, наиболее оптимальные условия достигаются при массе заряда пиросостава 250 г.
Обращает на себя внимание продолжительность процесса дегазации. Как свидетельствуют данные, представленные в табл.1, требуемая степень дегазации может быть достигнута за 7-7,5 минут.
Обобщая результаты исследований, можно сделать вывод о том, что разработанное устройство для обеззараживания внутренней поверхности химических боеприпасов позволяет проводить дегазацию всех типов фосфорорганических OВ.
Использование предлагаемого устройства для очистки внутренней поверхности корпуса боеприпаса обеспечивает (по сравнению с существующими газоимпульсными установками) следующие преимущества. Наличие источника высокой тепловой энергии (топливного заряда) позволяет проводить полную очистку внутренней поверхности корпуса боеприпаса не только от остаточных количеств фосфорорганических OВ, но и от защитного шеллачного покрытия. Кроме того, использование камеры сгорания, выполненной из полимерного материала, позволяет равномерно распределить топливный заряд на обрабатываемой поверхности, за счет чего достигается максимальная эффективность процесса очистки в целом.
Предлагаемое устройство является весьма перспективным и может быть использовано для обезвреживания корпусов химических боеприпасов в технологическом процессе уничтожения фосфорорганических отравляющих веществ.
Оно может быть использовано как при реализации промышленных технологий уничтожения химических боеприпасов, так и при уничтожении разовых партий аварийных боеприпасов на мобильных комплексах уничтожения.