內(nèi)管約束強(qiáng)度對(duì)無起爆藥導(dǎo)爆管雷管燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響

李　瑞，葛瑞榮，黃寅生，鄭軍強(qiáng)，李錦濤，曹始發(fā)，郭芬芬

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094；2.安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

內(nèi)管約束強(qiáng)度對(duì)無起爆藥導(dǎo)爆管雷管燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響

李瑞1，葛瑞榮2，黃寅生1，鄭軍強(qiáng)1，李錦濤1，曹始發(fā)1，郭芬芬1

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094；2.安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

為了研究約束強(qiáng)度對(duì)無起爆藥導(dǎo)爆管雷管燃燒轉(zhuǎn)爆轟（DDT）的影響，采用外徑6mm、厚度1mm的鋼、銅、鋁材料及壁厚分別為0.3mm、0.5mm、1.25mm的鋼作為內(nèi)管，裝填結(jié)晶PETN（太安）作為起爆元件。試驗(yàn)表明內(nèi)管約束程度對(duì)PETN的DDT有重要影響，約束越強(qiáng)、管殼壁厚越大，越有利于裝藥DDT的形成。

無起爆藥雷管；燃燒轉(zhuǎn)爆轟（DDT）；約束強(qiáng)度；內(nèi)管

導(dǎo)爆管雷管具有抗水、抗靜電、抗雜散電流、爆破網(wǎng)絡(luò)連接多樣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程爆破中［1］。目前國內(nèi)工業(yè)導(dǎo)爆管雷管都裝填起爆藥，起爆藥較敏感，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中易受到撞擊、跌落而意外發(fā)火，且起爆藥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量污水，難以處理［2］。因此，研究無起爆藥導(dǎo)爆管雷管是有必要的。沈兆武等人［3］發(fā)明了一種簡(jiǎn)易飛片式無起爆藥雷管；成一［4］等人采用兩個(gè)普通雷管加強(qiáng)帽作為內(nèi)管發(fā)明了雙帽式無起爆藥雷管；馬志鋼［5］等人發(fā)明了在一端開口一端閉口鋼內(nèi)管內(nèi)裝填猛炸藥實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟型的無起爆藥雷管；蘇?。?］等人采用自制鋼管裝填超細(xì)PETN作為起爆元件，研究了內(nèi)管裝藥密度對(duì)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響。為了研究?jī)?nèi)管約束強(qiáng)度對(duì)無起爆藥導(dǎo)爆管雷管燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響，筆者利用外徑6mm，壁厚1mm，材料分別為鋼、銅、鋁的圓筒金屬管，以及外徑6mm，厚度分別為0.3mm、0.5mm和1.25mm的鋼管裝填平均粒徑55μm結(jié)晶PETN，進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1　導(dǎo)爆管式無起爆藥雷管的制備

1.1儀器設(shè)備和試驗(yàn)藥品

儀器設(shè)備：電子分析天平、游標(biāo)卡尺、壓藥設(shè)備、卡扣機(jī)、壓藥模具、烘箱，外徑6mm、厚度1mm的鋼、銅、鋁圓管，以及外徑6mm，厚度分別為0.3mm、0.5mm和1.25mm的45號(hào)鋼管。試驗(yàn)藥品：鈍化RDX（黑索今）、RDX、平均粒徑為55μm結(jié)晶PETN以及wB∶w硝酸鉀∶w酚醛樹脂=26∶70∶4的硼系點(diǎn)火藥［7］。

1.2制備過程

在8號(hào)雷管管殼中壓入第1裝藥（鈍化RDX，400mg，壓藥壓力39.1MPa）和第2裝藥（鈍化RDX，200mg，壓藥壓力22.8MPa），第2裝藥上端放入裝有平均粒徑55μm結(jié)晶PETN的金屬內(nèi)管，金屬內(nèi)管上端放入裝填硼系點(diǎn)火藥的加強(qiáng)帽，加強(qiáng)帽長(zhǎng)度6mm，傳火孔直徑2mm。加強(qiáng)帽上端裝入中間插有導(dǎo)爆管的塑料塞，在卡口機(jī)上進(jìn)行卡口，完成導(dǎo)爆管式無起爆藥雷管的制作，其裝置如圖1所示。

圖1　導(dǎo)爆管式無起爆藥雷管Fig.1　Nonel non-primary explosive detonator

這種無起爆藥導(dǎo)爆管雷管只要點(diǎn)火藥能夠點(diǎn)燃內(nèi)管結(jié)晶PETN，就能實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟。因此，與雙帽式無起爆藥雷管［8］相比，點(diǎn)火藥選擇范圍更廣。其次，使用加強(qiáng)帽裝填點(diǎn)火藥、內(nèi)管裝填結(jié)晶PETN，分別裝藥再裝配，相比馬志鋼［5］的無起爆藥雷管裝配更安全。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1內(nèi)管材料對(duì)DDT形成的影響

采用厚度1mm、外徑6mm的鋼、銅、鋁管，截取不同長(zhǎng)度作為內(nèi)管，裝填平均粒徑55μm的結(jié)晶PETN。加強(qiáng)帽中硼系點(diǎn)火藥采用松裝裝藥。試驗(yàn)過程使用厚度5mm鉛板對(duì)雷管是否完全爆轟進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表1～3。

表1　鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下的鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.1　Lead plate test of steel inner tubes with different charge pressure

表2　銅內(nèi)管在不同壓藥壓力下的鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.2　Lead plate test of copper inner tubes with different charge pressure

表3　鋁內(nèi)管在不同壓藥壓力下的鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.3　Lead plate test of aluminium inner tubes with different charge pressure

從表1～3可以看出，長(zhǎng)度約30mm、壁厚1mm鋼內(nèi)管的壓藥壓力為0～5.47MPa，裝填密度為0.90～1.34 g/cm3時(shí)，內(nèi)管中結(jié)晶PETN可以實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟，雷管發(fā)生爆轟，鉛板穿孔直徑在10mm以上。銅內(nèi)管在壓藥壓力為0.78～3.91MPa、裝填密度為1.07 ～1.27 g/cm3時(shí)，雷管能夠發(fā)生爆轟，鉛板穿孔直徑在9mm以上。鋁內(nèi)管在壓藥壓力為0～8.59MPa、裝填密度為0.89～1.38 g/cm3時(shí)，內(nèi)管中PETN都不能實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟，雷管發(fā)生半爆。對(duì)比3種不同材料內(nèi)管的試驗(yàn)結(jié)果，可知內(nèi)管約束強(qiáng)度越強(qiáng)，內(nèi)管中結(jié)晶PETN發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的壓藥壓力范圍越廣，即裝填密度范圍越大。約束強(qiáng)度越弱，越不利于內(nèi)管結(jié)晶PETN實(shí)現(xiàn)DDT轉(zhuǎn)變。同時(shí)，金屬內(nèi)管中的PETN在一定裝藥密度范圍內(nèi)易形成燃燒轉(zhuǎn)爆轟，密度過高或過低都不利于PETN的 DDT形成。

多孔藥床DDT機(jī)理［9］認(rèn)為，沖擊波對(duì)炸藥不均勻加熱，形成熱點(diǎn)，逐步發(fā)展成爆轟。熱點(diǎn)溫度和質(zhì)量燃耗率影響炸藥DDT敏感性。根據(jù)彈塑性空穴閉合模型［10］推導(dǎo)出沖擊波壓縮多孔藥床溫度增量為：

式（1）中：cv為炸藥比熱容；ρ0為炸藥裝填密度；p/p0為彈性極限壓力；α0為初始孔隙度；α為藥床受壓縮后孔隙度。從式（1）可以看出，炸藥裝填密度越大，孔隙度越小，在相同的沖擊波壓力作用下，相應(yīng)藥床溫升越小，不利于炸藥起爆。DDT機(jī)理［11］認(rèn)為炸藥點(diǎn)燃后，燃燒產(chǎn)物向未燃藥床滲透，產(chǎn)生一系列壓縮波，壓縮波加速炸藥燃燒，加速燃燒使壓力累積，使壓縮波發(fā)展成為沖擊波，沖擊波達(dá)到臨界強(qiáng)度后誘發(fā)爆轟。當(dāng)內(nèi)管PETN裝填密度過大時(shí)，炸藥孔隙度過小，已燃?xì)怏w產(chǎn)物不易向未燃藥床滲透，不利于對(duì)流燃燒形成，從而不利于壓力積累及沖擊波形成，使內(nèi)管PETN不能實(shí)現(xiàn)DDT轉(zhuǎn)變。

影響多孔藥床DDT過程的另一個(gè)因素是質(zhì)量燃耗率［11］，其表示為：

式（2）中：np為單位體積內(nèi)藥粒個(gè)數(shù)；為線燃燒速率；sp為單個(gè)藥粒燃燒表面積。

從式（2）中可以看出，內(nèi)管結(jié)晶PETN裝填密度越低，單位體積內(nèi)藥粒個(gè)數(shù)越少，質(zhì)量燃耗率越小，單位體積內(nèi)產(chǎn)生能量和壓力越小，不利于沖擊波形成，不利于內(nèi)管中PETN的DDT轉(zhuǎn)變。由上述理論分析知，內(nèi)管PETN存在一個(gè)合適的裝填密度，使得內(nèi)管PETN可靠實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

試驗(yàn)同時(shí)對(duì)雷管起爆后的內(nèi)管變形進(jìn)行收集，為了研究?jī)?nèi)管破裂位置，在裝配前對(duì)內(nèi)管底部外壁進(jìn)行刻痕標(biāo)記，如圖2所示。從圖2中收集的部分內(nèi)管變形結(jié)果可以看出，強(qiáng)約束的鋼管在PETN發(fā)生DDT過程以后，下端發(fā)生破裂，上端沒有發(fā)生破裂。根據(jù)DDT機(jī)理［11］，炸藥點(diǎn)燃后，在點(diǎn)火具附近能量緩慢釋放，壓力線性增長(zhǎng)，在點(diǎn)火區(qū)下游、離爆轟點(diǎn)很近的地方能量突然釋放，壓力急劇上升。當(dāng)鋼內(nèi)管中的氣體壓力大于內(nèi)管的剪切屈服極限時(shí)，內(nèi)管發(fā)生破裂。銅內(nèi)管與鋼內(nèi)管變形相同，當(dāng)銅內(nèi)管壓藥壓力為0MPa時(shí)。雷管發(fā)生半爆，內(nèi)管只是發(fā)生變形，并沒有破裂。這可能是單位體積內(nèi)藥量太少，在較弱約束條件下，較低的PETN燃燒氣體產(chǎn)物釋放量使內(nèi)管發(fā)生膨脹變形，發(fā)生藥劑吹散，內(nèi)管中的PETN燃燒不能自持，壓力不能累積，導(dǎo)致DDT過程不能形成。當(dāng)內(nèi)管材料為鋁時(shí)，可以看到不同壓藥壓力下鋁內(nèi)管上端發(fā)生破裂，燃燒氣體產(chǎn)物釋放，導(dǎo)致壓力不能累積，不利于沖擊波形成，從而不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)管PETN的DDT轉(zhuǎn)變。因此，約束強(qiáng)度對(duì)內(nèi)管中結(jié)晶PETN的DDT轉(zhuǎn)變有著重要影響，約束較弱的鋁內(nèi)管不易使PETN發(fā)生DDT轉(zhuǎn)變，內(nèi)管材料為銅，在一定的壓藥壓力范圍內(nèi)可以使PETN發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。內(nèi)管材料為約束較強(qiáng)的鋼，使內(nèi)管PETN發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的壓藥壓力范圍更廣，更有利于DDT的形成。

圖2　不同材料內(nèi)管在DDT過程后的變形結(jié)果圖Fig.2　Deformation figures of different materials inner tube after DDT

2.2不同長(zhǎng)度鋼、銅內(nèi)管PETN裝藥的DDT試驗(yàn)

對(duì)長(zhǎng)度分別為25mm和20mm的鋼、銅內(nèi)管（厚度1mm、外徑6mm）中結(jié)晶PETN的DDT過程進(jìn)行試驗(yàn)研究。點(diǎn)火藥為松裝的硼系點(diǎn)火藥，采用厚度5mm鉛板對(duì)雷管是否爆轟進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見表4～7。

表4　25mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下的鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.4　Lead plate test of 25mm steel inner tubes with different charge pressure

表5　20mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下的鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.5　Lead plate test of 20mm steel inner tubes with different charge pressure

表6　25mm銅內(nèi)管在不同壓藥壓力下的鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.6　Lead plate test of 25mm copper inner tubes with different charge pressure

表7　20mm銅內(nèi)管在不同壓藥壓力下的鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.7　Lead plate test of 20mm copper inner tubes with different charge pressure

雷管起爆后，金屬內(nèi)管部分變形結(jié)果如圖3所示。

圖3　25mm和20mm的鋼、銅內(nèi)管在DDT過程后的變形結(jié)果Fig.3　 Deformation figures of steel and copper inner tubes with 25mm, 20mm length after DDT

從表4～7看出隨著內(nèi)管長(zhǎng)度的減小，內(nèi)管結(jié)晶PETN能夠發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的裝藥密度范圍縮小。25mm鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟壓藥壓力為1.56～4.69MPa，裝藥密度為1.11～1.27g/cm3。25mm弱約束銅內(nèi)管中結(jié)晶PETN發(fā)生DDT轉(zhuǎn)變的壓藥壓力為3.91 ～4.69MPa，裝藥密度為1.26～1.27g/cm3。內(nèi)管長(zhǎng)度20mm，材料為鋼和銅時(shí)，內(nèi)管中的結(jié)晶PETN在任何壓藥壓力條件下都不易形成燃燒轉(zhuǎn)爆轟，雷管發(fā)生半爆。DDT機(jī)理［12］認(rèn)為：炸藥點(diǎn)燃后，進(jìn)入對(duì)流燃燒，燃燒過程加速，引起壓力迅速上升，產(chǎn)生壓力擾動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生一系列壓縮波，壓縮波與對(duì)流燃燒波相匯聚形成沖擊波，沖擊波發(fā)展達(dá)到臨界強(qiáng)度誘發(fā)炸藥爆轟。沖擊波形成是炸藥DDT過程的關(guān)鍵條件。隨著內(nèi)管長(zhǎng)度減小，內(nèi)管中結(jié)晶PETN減少，燃燒氣體產(chǎn)物減少。當(dāng)內(nèi)管燃燒氣體產(chǎn)物不足以使壓縮波形成沖擊波，就導(dǎo)致炸藥不能形成爆轟。氣體平衡的破壞［13］是炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的重要原因，圖3（a）和圖3（c）為強(qiáng)約束的鋼內(nèi)管，低密度炸藥燃燒產(chǎn)物使內(nèi)管發(fā)生膨脹，氣體產(chǎn)物減量（離開燃燒陣面）增加。圖3（d）和圖3（f）為弱約束的銅內(nèi)管，長(zhǎng)度25mm內(nèi)管中部發(fā)生破裂導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物釋放，長(zhǎng)度20mm內(nèi)管端部發(fā)生膨脹，氣體產(chǎn)物減量增加。圖3（b）和圖3（e）內(nèi)管中的PETN在合適的壓藥壓力下，炸藥裝填密度合適，炸藥燃燒氣體產(chǎn)物可以使壓力累積形成沖擊波，使內(nèi)管的PETN發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟，與能夠發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的30mm鋼、銅內(nèi)管變形相同。

2.3不同厚度鋼內(nèi)管PETN裝藥的DDT試驗(yàn)

對(duì)外徑6mm，長(zhǎng)度30mm，壁厚分別為0.3mm、0.5mm、1.25mm鋼內(nèi)管裝填結(jié)晶PETN，進(jìn)行DDT試驗(yàn)研究，采用松裝硼系點(diǎn)火藥點(diǎn)火，試驗(yàn)使用5mm鉛板對(duì)雷管是否爆轟進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果見表8～10。

表8　厚度0.3mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.8　Lead plate test of 0.3mm thickness steel inner tubes with different charge pressure

表9　厚度0.5mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.9　Lead plate test of 0.5mm thickness steel inner tubes with different charge pressure

表10　厚度1.25mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下鉛板穿孔試驗(yàn)Tab.10　Lead plate test of the 1.25mm thickness steel inner tubes with different charge pressure

對(duì)起爆后的鋼內(nèi)管收集，內(nèi)管部分變形結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同厚度鋼內(nèi)管在DDT過程后的變形結(jié)果Fig.4　Deformation figure of steel inner tube with different thickness after DDT

從表8～10可以看出壁厚為0.3mm的鋼內(nèi)管在任何壓藥壓力下雷管都發(fā)生半爆。鋼內(nèi)管壁厚0.5mm，內(nèi)管中太安的壓藥壓力2.00～7.00MPa，裝藥密度為1.18 ～1.34 g/cm3時(shí)，雷管發(fā)生完全爆轟，鉛板穿孔直徑在12mm以上。鋼內(nèi)管壁厚1.25mm，內(nèi)管壓藥壓力0～12.24MPa，內(nèi)管裝填密度0.88～1.45g/cm3時(shí)，雷管起爆后鉛板穿孔直徑在10mm以上，內(nèi)管中結(jié)晶太安發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟。從圖4可見，壁厚0.3mm鋼內(nèi)管發(fā)生完全破裂，導(dǎo)致燃燒氣體泄漏。壁厚0.5mm和1.25mm鋼內(nèi)管發(fā)生DDT過程后內(nèi)管變形相似，一端沒有發(fā)生破裂，一端破裂。與長(zhǎng)度30mm、壁厚1mm鋼內(nèi)管DDT試驗(yàn)結(jié)果相比，隨著內(nèi)管壁厚增加，約束強(qiáng)度增加，內(nèi)管PETN發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的裝填密度范圍越大。因此，強(qiáng)約束有利于炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟形成。

3　結(jié)論

（1）內(nèi)管約束強(qiáng)度對(duì)PETN的燃燒轉(zhuǎn)爆轟有著重要影響，約束越強(qiáng)，內(nèi)管裝藥能夠發(fā)生DDT的裝藥密度范圍越大，越有利于裝藥DDT形成。選擇材料韌性較高的材料及壁厚較厚的殼體對(duì)裝藥DDT形成是有利的；

（2）使用平均粒徑55μm結(jié)晶PETN進(jìn)行DDT試驗(yàn)，從結(jié)果中看出結(jié)晶PETN能夠可靠進(jìn)行DDT轉(zhuǎn)變，雷管發(fā)生完全爆轟，不必對(duì)PETN進(jìn)行細(xì)化處理，且細(xì)化的PETN易產(chǎn)生靜電，不利于安全。

［1］ 陳劍，解立峰.影響導(dǎo)爆管雷管延時(shí)精度的因素分析［J］.火工品，2012（6）∶21-24.

［2］ 張英豪，曹文俊，田淑文. 幾種起爆藥的性能與應(yīng)用探討［J］.火工品，2008（3）∶23-25.

［3］ 沈兆武，鄭慧娟，胡企強(qiáng).沖擊飛片式無起爆藥雷管∶中國，CN 89218986.X ［P］.1989-11-08.

［4］ 成一，徐振相，田桂蓉，等. 雙帽式無起爆藥工業(yè)雷管∶中國，CN 872122500U［P］.1987-8-31.

［5］ 馬志鋼，王瑾，顏事龍，等.一種非起爆藥雷管∶中國， CN20111 0244519.0［P］.2011-08-24.

［6］ 蘇俊，劉玉存，王建華，等.無起爆藥雷管內(nèi)管裝藥密度對(duì)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22（1）∶82-87.

［7］ 榮光富，沈建根，袁冬琴，等.硼系高能點(diǎn)火藥對(duì)太安燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響［J］.爆破器材，2007，36 （2）∶13-15.

［8］ 成一，秦志春，王年云，等. 雙帽式無起爆藥工業(yè)雷管的研究［J］.爆破器材，1991，10（4）∶23-26.

［9］ 段寶福，汪旭光，宋錦泉.裝填密度對(duì)乳化粉狀炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟敏感性的影響［J］.有色金屬，2003，55（4）∶150-152.

［10］ 章冠人，陳大年.凝聚炸藥起爆動(dòng)力學(xué)［M］.北京∶國防工業(yè)出版社，1991.

［11］ 段寶福.新型鈍感工業(yè)炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究［M］.北京∶中國水利水電出版社，2009.

［12］ Bernecker R R and Price D.Studies in the transition from deflagration to detonation in granular explosives（Ⅱ） ［J］.Combustion and Flame，1974（22）∶119-129.

［13］ 黃寅生.炸藥理論［M］.北京∶兵器工業(yè)出版社，2009.

Influence of Constraint Strength of Inner Tuber on Transition of Deflagration to Detonation in Nonel Non-primary Explosive Detonator

LI Rui1，GE Rui-rong2，HUANG Yin-sheng1，ZHENG Jun-qiang1，LI Jin-tao1，CAO Shi-fa1，GUO Fen-fen1
（1. School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094；2. Anhui Hongxing Mechanical and Electrical Technology Company，Hefei，231135）

In order to study the influence of constraint strength of inner tube on transition of deflagration to detonation（DDT）in nonel non-primary explosive detonator， the material of steel， copper， aluminium cylindrical inner tuber with outer diameter of 6mm and thickness of 1mm， and steel inner tuber with thickness of 0.3mm，0.5mm，1.25mm were adopted， which were filled with crystal PETN （pentaerythritol tetranitrate）， and used as detonating component instead of primary explosives. The results show that the constraint strength has important effect on DDT of PETN， the stronger constraint and the bigger thickness of shell， the easier formation of DDT for explosive.

Non-primary explosive detonator；Deflagration to detonation transition；Constraint strength；Inner tube

TJ45+7

A

1003-1480（2015）01-0001-05

2014-09-29

李瑞（1987-），男，在讀碩士研究生，主要從事猛炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究。