特殊壓力條件下非電導(dǎo)爆管傳爆速度的研究

李雪交，張 立，熊 蘇，黃 麟

（1.安徽理工大學(xué)化工學(xué)院，安徽 淮南，232001；2. 北京礦冶研究總院，北京，100160）

非電導(dǎo)爆管具有安全、可靠、傳爆穩(wěn)定、不易受外界影響等特點(diǎn)，在工程爆破領(lǐng)域運(yùn)用越來越廣泛。許多學(xué)者對導(dǎo)爆管傳爆機(jī)理進(jìn)行了大量研究和理論分析，提出的一些理論解釋了導(dǎo)爆管的一些現(xiàn)象，但有些現(xiàn)象還不能很好解釋，導(dǎo)爆管傳爆機(jī)理還不盡完善[1-5]。尤其是某些特殊壓力條件對導(dǎo)爆管爆速的影響研究較少，如導(dǎo)爆管在水下和高原使用時(shí)的傳爆、爆速等問題，本文對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和傳爆機(jī)理探討。

1 測試裝置及方案

1.1 測試裝置

圖1 測試裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup

測試系統(tǒng)由光電傳感器和DDBS-20型時(shí)間間隔測量儀組成。圖1是采用光電法測量爆速的裝置示意圖。

測試原理是：導(dǎo)爆管傳爆時(shí)波陣面的強(qiáng)光訊號經(jīng)過光電傳感器轉(zhuǎn)換成電訊號，測量儀測出兩靶間距為50cm的時(shí)間間隔，由此得到爆速。研究使用某廠生產(chǎn)的變色導(dǎo)爆管，管壁為聚乙烯材料，內(nèi)部裝藥wRDX∶wAl=91∶9，裝藥量 16mg/m，內(nèi)徑(1.5±0.1)mm，外徑(3.0±0.1)mm。由于測試在負(fù)壓和正壓環(huán)境中進(jìn)行，壓差較大，選用內(nèi)部長×寬×高為200cm× 10 cm×10cm的方形不銹鋼管道，兩端由方形法蘭密閉。負(fù)壓環(huán)境時(shí)接真空泵和真空表。正壓環(huán)境接高壓氣瓶和壓力表。真空表和壓力表同為1.5級，本文量程內(nèi)的誤差分別為±0.001 6MPa和±0.013MPa。

1.2 測試方案

1.2.1 導(dǎo)爆管外壁承載正壓

截取2m導(dǎo)爆管，將一端穿入銅管并密封，另一端引出方形法蘭，引出孔密封。用高壓氣瓶向不銹鋼方管充入0～0.6MPa氣壓，導(dǎo)爆管引爆端距第1靶的距離為70cm，其余1.3m在方管內(nèi)，使導(dǎo)爆管外壁承載正壓而內(nèi)壁保持常壓狀態(tài)。在方管外（圖1中引爆端1＇部位）用FB-100型發(fā)爆器的1 000V高壓放電火花引爆。由于起爆針易碳化，起爆前將針頭碳化部分剪去，確保每次起爆可靠。外壁承受正壓類似于水下爆破時(shí)導(dǎo)爆管的壓力環(huán)境。

1.2.2 導(dǎo)爆管內(nèi)外壁承載負(fù)壓和正壓

與上述方案不同的是2m長導(dǎo)爆管全部在不銹鋼方管道內(nèi)，導(dǎo)爆管在方管內(nèi)（圖1中引爆端1部位）引爆。起爆前由真空泵抽取封閉方管內(nèi)氣體為-0.1～0MPa氣壓（負(fù)壓），或向封閉的方管內(nèi)充氣達(dá)到0～0.8MPa氣壓（正壓），使得導(dǎo)爆管內(nèi)外承載的壓力相同。

2 測試結(jié)果與分析

文獻(xiàn)[4]中規(guī)定：測試環(huán)境溫度10～20℃，爆速允許極限偏差±50m/s。實(shí)際測試環(huán)境溫度為12～18℃，符合國標(biāo)溫差范圍，爆速也未受溫度影響，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均為多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

導(dǎo)爆管外壁承載正壓的爆速結(jié)果見圖2。

圖2 導(dǎo)爆管外壁承載正壓的爆速Fig.2 Explosion velocity of Nobel tube borne positive pressure outside

從圖2可以看出，在0～0.6MPa壓力范圍內(nèi)爆速為（1 732.2±4.9）m/s，在誤差允許范圍內(nèi)沒有變化。表明導(dǎo)爆管爆速未因外部壓力變化而改變，與常壓時(shí)爆速相差無幾，對傳爆沒有影響。因此，在0～0.6MPa壓力內(nèi)(相當(dāng)0～60m水深)設(shè)計(jì)水下微差爆破網(wǎng)絡(luò)時(shí)，導(dǎo)爆管爆速可按常壓下爆速計(jì)算。由于導(dǎo)爆管爆速不受水壓的影響，當(dāng)導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)發(fā)生拒爆時(shí)，可以排除導(dǎo)爆管受水下壓力環(huán)境這一影響因素，該結(jié)果對工程爆破具有一定參考價(jià)值。

導(dǎo)爆管內(nèi)外壁承載負(fù)壓的爆速結(jié)果見圖3。

圖3 導(dǎo)爆管內(nèi)外壁承載負(fù)壓的爆速Fig.3 Explosion velocity of Nobel tube borne negative pressure inside and outside

從圖3中可以看出：在-0.1～0MPa氣壓時(shí)，導(dǎo)爆管的爆速為（1 729.7±6.7）m/s，即管道內(nèi)真空度改變時(shí)，爆速沒有變化，甚至接近真空條件下，仍可以穩(wěn)定傳爆，表明導(dǎo)爆管內(nèi)炸藥的爆炸反應(yīng)在沒有空氣參與情況下能維持，真空度對導(dǎo)爆管爆速沒有影響。這一結(jié)果對低氣壓的高海拔地區(qū)放心可靠地使用導(dǎo)爆管提供了依據(jù)。

文獻(xiàn)[6]根據(jù)C-J理論指出：當(dāng)爆轟波傳至介質(zhì)界面但未發(fā)生膨脹時(shí)，產(chǎn)物質(zhì)點(diǎn)速度正比于爆速D：由于稀疏波傳入，爆轟產(chǎn)物發(fā)生等熵膨脹，將產(chǎn)生一個(gè)附加速度ur，產(chǎn)物分界面的速度ux應(yīng)為：

式（1）～（3）中：ρ為介質(zhì)密度；PH、ρH、u H、CH分別為C-J面上的爆轟壓力、產(chǎn)物密度、產(chǎn)物流速和當(dāng)?shù)芈曀伲籔X為爆轟產(chǎn)物飛散在空氣中形成的空氣沖擊波；K為爆轟產(chǎn)物的比熱比。c為爆轟產(chǎn)物中的聲速；A為常數(shù)；s為單位質(zhì)量介質(zhì)的熵。而：

已知：

得：

取K=1.3，得到

由此可以得到，爆轟產(chǎn)物向空中飛散的最大速度比爆轟速度大，在負(fù)壓環(huán)境中，導(dǎo)爆管內(nèi)形成的初始沖擊波陣面的爆轟產(chǎn)物向空中飛散的速度大于爆轟速度，因而導(dǎo)爆管傳爆過程中，爆轟波前面不是真空，而是含有爆轟產(chǎn)物的氣體，其傳播機(jī)理和常壓下相同。導(dǎo)爆藥受沖擊波絕熱壓縮，局部溫度迅速上升，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放的能量一部分抵消加熱管壁、散熱等能量消耗，以及形成沒有到達(dá)爆轟波陣面的膨脹，一部分用于支持爆轟波和超前沖擊波的傳播，超前沖擊波又對其前端未爆藥劑絕熱壓縮，能量的釋放和消耗達(dá)到平衡，正是這種正反饋?zhàn)饔孟?，支持?dǎo)爆管穩(wěn)定傳爆下去。因此，超前沖擊波、管道效應(yīng)、氣體介質(zhì)是導(dǎo)爆管穩(wěn)定傳播的必要條件。

導(dǎo)爆管內(nèi)外壁承載正壓的爆速見圖4。

圖4 導(dǎo)爆管內(nèi)外壁承載正壓的爆速Fig.4 Explosion velocity of Nobel tube borne positive pressure inside and outside

圖4的曲線與圖2的直線關(guān)系有很大區(qū)別。導(dǎo)爆管內(nèi)外壁承載正壓時(shí)，隨著氣壓增大爆速呈現(xiàn)先增大再減小的規(guī)律。在0.2MPa時(shí)爆速最大達(dá)到1 804m/s，0.2～0.8MPa時(shí)，盡管導(dǎo)爆管仍可以穩(wěn)定傳爆，但爆速逐漸變小，0.8MPa時(shí)僅為1 424 m/s。其中0.4MPa的爆速和常壓下的爆速相同，為1 736m/s。根據(jù)測試結(jié)果推斷，導(dǎo)爆管可能會在某一壓力下拒爆。由于方管密閉性的限制，沒有得到導(dǎo)爆管拒爆時(shí)的壓力值。爆炸氣體壓力一般只有幾十個(gè)大氣壓，那么此壓力環(huán)境下，環(huán)境壓力的阻礙導(dǎo)致導(dǎo)爆管中裝藥釋放的能量不足以支持爆轟波的形成，這樣就會發(fā)生拒爆。

從另一角度分析：隨著氣壓增大，導(dǎo)爆管內(nèi)爆炸波傳播過程中能量消耗增加，氣體密度變大，氧氣總量增多，使得導(dǎo)爆管內(nèi)炸藥反應(yīng)釋放的能量增多，支持爆轟波傳播。0～0.2MPa時(shí)，由于氧氣量增加，釋放的能量大于爆轟波傳播消耗的能量，所以爆速有所增加；與此相反，在 0.2～0.8MPa時(shí)，氧氣量增加，釋放的能量小于爆轟波傳播消耗的能量，導(dǎo)爆管的爆速變小，其中在0.4MPa時(shí)，氧氣量增加釋放的能量等于爆轟波傳播消耗的能量，導(dǎo)爆管爆速與常壓下的爆速相等；因此當(dāng)氣壓達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)爆管將發(fā)生拒爆。

根據(jù)圖4曲線擬合的爆速與氣壓變化的公式為：

式（8）中：y表示導(dǎo)爆管傳爆速度，x表示氣壓，x值大于零。根據(jù)公式推斷，當(dāng)x等于1.54MPa時(shí)，導(dǎo)爆管將無法穩(wěn)定傳爆導(dǎo)致熄爆，這一觀點(diǎn)還有待于通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

工程爆破中使用導(dǎo)爆管時(shí)，如遇到內(nèi)外壁都處于高壓環(huán)境，需考慮導(dǎo)爆管爆速、傳爆可靠性等問題。

3 結(jié)論

本文研究得出以下主要結(jié)論：

（1）導(dǎo)爆管外壁承載 0～0.6MPa的爆速為（1 732.2±4.9）m/s，外部壓力變化對爆速無影響；

（2）導(dǎo)爆管內(nèi)外壁承載-0.1～0MPa的爆速為（1 729.7±6.7）m/s，真空度變化對爆速也無影響，而在0～0.8MPa的正壓時(shí)爆速先增大至1 804m/s (0.2MPa)，再減小到1 424 m/s(0.8MPa)，由此推斷導(dǎo)爆管在壓力增加到某一值時(shí)會無法穩(wěn)定傳爆導(dǎo)致熄爆，通過對壓力與爆速曲線回歸得出這一壓力值為1.54MPa。

（3）在真空中超前沖擊波、氣體介質(zhì)、管道效應(yīng)是導(dǎo)爆管穩(wěn)定傳播的必要條件。

研究結(jié)果對導(dǎo)爆管在水下、高海拔和高壓環(huán)境的爆破工程設(shè)計(jì)，以及網(wǎng)絡(luò)可靠性判斷具有一定使用價(jià)值。

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