禮花彈跌落起爆原因分析及防爆對(duì)策研究

江資成，劉勁彪，肖家勇，張光輝，孔慶軍

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禮花彈跌落起爆原因分析及防爆對(duì)策研究

江資成，劉勁彪，肖家勇，張光輝，孔慶軍

（國(guó)家級(jí)煙花爆竹檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南）, 湖南瀏陽(yáng)，410300）

通過(guò)分析禮花彈跌落時(shí)的受力情況，研究了禮花彈跌落起爆的原因。發(fā)現(xiàn)了禮花彈彈體是跌落試驗(yàn)中的起爆點(diǎn)，禮花彈的包裝結(jié)構(gòu)、煙火藥機(jī)械感度、彈體規(guī)格等因素對(duì)禮花彈的跌落起爆都有影響；并提出通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)禮花彈的包裝結(jié)構(gòu)來(lái)防止禮花彈的跌落爆炸。

禮花彈；跌落試驗(yàn)；爆炸；影響因素；對(duì)策

跌落試驗(yàn)是煙花爆竹順利出口所必要的安全保證，筆者所在的煙花爆竹檢測(cè)中心進(jìn)行了大量的煙花爆竹產(chǎn)品的跌落試驗(yàn)。經(jīng)綜合分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)除禮花彈產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了燃燒爆炸外，其他類(lèi)別的產(chǎn)品極少有燃爆發(fā)生。禮花彈是花炮產(chǎn)業(yè)中的重要產(chǎn)品，也是各種慶典燃放的必備品。禮花彈的特殊性在于單個(gè)產(chǎn)品含藥量大，且單位體積中煙火藥量大，發(fā)生事故造成的危險(xiǎn)性大[1]，因此其安全性能應(yīng)更加受到重視。為此，本文對(duì)近年來(lái)跌落試驗(yàn)中發(fā)生燃爆現(xiàn)象的16次典型測(cè)試進(jìn)行了研究，以探究禮花彈跌落爆炸的起爆原因和影響爆炸發(fā)生的主要因素，尋找防止禮花彈跌落爆炸的對(duì)策，為禮花彈的儲(chǔ)運(yùn)安全提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)依據(jù)與試驗(yàn)條件

跌落試驗(yàn)按照聯(lián)合國(guó)小桔皮書(shū)中試驗(yàn)4（b）進(jìn)行：將待運(yùn)輸狀態(tài)下的包裝件從一定高度下自由落體撞向剛性平面，觀察是否發(fā)生燃燒或爆炸。落高為12m，撞擊面為凝鑄在600mm厚的混凝土上的75mm厚、布氏硬度不小于200的鋼板。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)時(shí)每個(gè)樣品數(shù)量為3箱，每次跌落試驗(yàn)1箱。3次試驗(yàn)時(shí)保持樣品不同的姿態(tài):分別使箱體底面、正面和側(cè)面向鋼板撞擊，同時(shí)用攝像機(jī)記錄跌落過(guò)程。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1中統(tǒng)計(jì)了16次試驗(yàn)發(fā)生燃爆的樣品參數(shù)，本表只收集了發(fā)生爆炸的產(chǎn)品參數(shù)，實(shí)際中參加跌落試驗(yàn)的有各種規(guī)格的禮花彈產(chǎn)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)，3寸：4寸：5寸：6寸：7寸：8寸比例約為1：1：1:4:0.2:0.3。因此，發(fā)生跌落爆炸的禮花彈產(chǎn)品主要集中在6寸、7寸、8寸，其煙火藥的機(jī)械感度較高。

表1 16種發(fā)生爆炸的禮花彈產(chǎn)品的有關(guān)參數(shù)

Tab.1 Related parameters of exploded sixteen display shells

2 禮花彈跌落起爆的原因分析

2.1 第1爆發(fā)點(diǎn)的確定

禮花彈產(chǎn)品一般由彈體、發(fā)射藥包和提繩組成[2]，見(jiàn)圖1，彈體外殼由多層牛皮紙粘結(jié)而成，或?yàn)楦邚?qiáng)度纖維結(jié)構(gòu)的球殼，質(zhì)地堅(jiān)硬，效果藥、開(kāi)爆藥、傳火管填充在球殼內(nèi)。

圖1 禮花彈結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)射藥包為薄塑料袋盛裝軍工硝，粘貼在球殼的傳火管處，外層包裹一層牛皮紙，質(zhì)地較軟。通過(guò)研究試驗(yàn)錄像發(fā)現(xiàn)，16次爆炸都是在受試禮花彈包件接觸撞擊面的瞬間（1s內(nèi)）發(fā)生的，而且均為整體爆炸[3]。假設(shè)發(fā)射藥包先發(fā)生燃爆，由于禮花彈的發(fā)射藥發(fā)生爆轟的可能較小[4]，加上球殼的保護(hù)（禮花彈在正常燃放時(shí)，彈體能承受發(fā)射藥在炮筒中燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓而不被引燃，就是由于球殼的隔熱隔爆），彈內(nèi)的煙火藥不會(huì)被同時(shí)引燃，而只有傳火管被引燃，傳火管內(nèi)的延期藥再引燃彈體內(nèi)的開(kāi)爆藥和效果藥。如果這樣，彈體的爆炸將在撞擊后的3~5s后發(fā)生。而所有的爆炸都在包件撞擊鋼板的瞬間發(fā)生爆炸，因此判定彈體是禮花彈跌落試驗(yàn)爆炸時(shí)的第1爆發(fā)點(diǎn)為大概率事件。

2.2 禮花彈包件與撞擊面碰撞時(shí)的受力分析

在跌落過(guò)程中，禮花彈包件在自身的重力作用下加速下落，當(dāng)接觸到鋼板時(shí)速度達(dá)到最大。在與鋼板碰撞后，速度降為零，所有能量得到釋放。通過(guò)分析未發(fā)生燃爆的禮花彈跌落試驗(yàn)時(shí)的錄像，發(fā)現(xiàn)包件在第1次碰撞后的反彈高度和距離很小。因此，該碰撞過(guò)程為完全非彈性碰撞，碰撞時(shí)，所有能量被試驗(yàn)包件在第1次碰撞中吸收。目前，禮花彈的外包裝均為雙瓦愣紙箱，內(nèi)包裝為雙瓦愣紙隔板或黃板紙盒，強(qiáng)度低，質(zhì)量小，其吸收的能量較少，絕大部分能量被彈體吸收，導(dǎo)致其球殼發(fā)生嚴(yán)重的變形（見(jiàn)圖2b）?？紤]到碰撞過(guò)程中受力的不均勻，彈體受到的極限沖擊力很大。

(a) 跌落前箱內(nèi)單個(gè)禮花彈(b) 跌落后箱內(nèi)變形的禮花彈

圖2 7″禮花彈的跌落試驗(yàn)

2.3 包件內(nèi)禮花彈的受力分析

當(dāng)整箱禮花彈正面跌落時(shí)，箱內(nèi)底層禮花彈主要在正對(duì)鋼板面受到鋼板的碰撞力，處于不同層次的禮花彈之間會(huì)發(fā)生相互擠壓的作用。以3×3×1包裝整箱禮花彈側(cè)面跌落試驗(yàn)為例（見(jiàn)圖2c），當(dāng)整箱禮花彈側(cè)面跌落碰撞時(shí)，第1層禮花彈除受到鋼板的撞擊力外，還受到來(lái)自第2層禮花彈的擠壓力；第2層禮花彈則受到第1層禮花彈與第3層禮花彈的擠壓作用，所以第2層禮花彈的兩側(cè)都會(huì)發(fā)生擠壓變形。另外，由于禮花彈彈體一般為球體，箱內(nèi)不同層面的禮花彈之間接觸為點(diǎn)，鋼板對(duì)包件的作用力全部由這些為數(shù)不多的“支點(diǎn)”來(lái)分擔(dān)。禮花彈規(guī)格越大，單個(gè)包件內(nèi)產(chǎn)品數(shù)量越少，受力的“支點(diǎn)”越少，單個(gè)產(chǎn)品受到的沖擊力成倍增加，發(fā)生跌落爆炸的概率越大。

2.4 禮花彈跌落起爆的原因和防爆對(duì)策

綜上所述，在禮花彈跌落試驗(yàn)過(guò)程中，禮花彈中的彈體主要受到來(lái)自鋼板撞擊面、樣品外殼之間的相互擠壓以及煙火藥自身的撞擊和摩擦等劇烈的機(jī)械能作用。由于這些作用的能量分布十分不均勻，如果在某一微觀點(diǎn)處，煙火藥受到的機(jī)械能達(dá)到了其產(chǎn)生燃燒爆炸的最低能量，該部位煙火藥就可能會(huì)發(fā)生燃燒，即產(chǎn)生了爆炸學(xué)中所謂的“熱點(diǎn)[5]”，當(dāng)熱點(diǎn)迅速向周?chē)臒熁鹚帞U(kuò)散，則會(huì)引發(fā)整個(gè)樣品箱的爆炸。

通過(guò)分析禮花彈跌落起爆的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)禮花彈產(chǎn)品的包裝結(jié)構(gòu)沒(méi)有減緩?fù)饨缱矒魧?duì)內(nèi)置彈體的機(jī)械作用，導(dǎo)致禮花彈被引爆。因而，優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品包裝結(jié)構(gòu)是防止禮花彈跌落爆炸最為有效的措施之一。包裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從外部包裝和內(nèi)包裝入手：改善禮花彈的外部包裝，以提高外部包裝的強(qiáng)度，消減沖擊力；在內(nèi)包裝中增加合適的緩沖材料，降低跌落撞擊時(shí)外界機(jī)械作用力，延長(zhǎng)彈體與撞擊面作用的時(shí)間，消除禮花彈之間和禮花彈中煙火藥部件間的擠壓摩擦影響。通過(guò)內(nèi)外包裝的改善，從而消除禮花彈跌落時(shí)被引爆的可能。

3 結(jié)論

（1）禮花彈彈體是其跌落試驗(yàn)爆炸的第1爆發(fā)點(diǎn)。

（2）禮花彈在跌落過(guò)程中吸收了外界對(duì)禮花彈的撞擊能量，彈體受擠壓發(fā)生形變，引起彈體內(nèi)煙火藥局部的能量過(guò)高，引發(fā)爆炸。

（3）禮花彈的外徑越大，跌落時(shí)彈體受到的沖擊力越大，發(fā)生爆炸的概率越大。

（4）防止禮花彈跌落爆炸的首要措施是改善產(chǎn)品的包裝結(jié)構(gòu)，吸收緩解禮花彈在跌落碰撞時(shí)受到的外界沖擊力，從而實(shí)現(xiàn)安全的運(yùn)輸與存儲(chǔ)。

[1] 吳地球. 禮花彈爆炸的悲劇[J]. 花炮科技與市場(chǎng), 2000 (1):30-31.

[2] 彭壯青, 劉亞利, 曾明,等. 植物纖維模壓成型禮花彈球殼的新工藝[J]. 火工品, 2004(2):51-53.

[3] 張光輝, 譚愛(ài)喜, 江資成,等. 禮花彈運(yùn)輸危險(xiǎn)性定級(jí)試驗(yàn)研究[J]. 火工品, 2004(3):53-56..

[4] 郝新紅, 汪佩蘭.煙火藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究[J].火工品,1993 (3): 16-21.

[5] 蘭徹斯特, 清水武夫. 煙火原理與實(shí)踐[M].北京:北京工業(yè)學(xué)院出版社, 1984.

Study on Detonation Mechanism of Shell Dropping and Countermeasures

JIANG Zi-cheng，LIU Jin-biao，XIAO Jia-yong，ZHANG Guang-hui，KONG Qing-jun

(China Pyrotechnics Testing Laboratory(Hunan), Liuyang, 410300)

Based on the study of the forces for shells in drop test, the explosion reasons of shell dropping was found. It is found that the package structure of shell, the composition mechanical sensitivity, as well as the size of shell have effects on shell dropping explosion. Meanwhile, through optimizing the package structure, the measures to prevent shell dropping explosion were proposed.

Shells；Drop test；Detonation；Factors；Countermeasures

1003-1480（2016）05-0058-03

TQ567

A

2016-04-20

江資成（1971- ），男，高級(jí)工程師，從事煙花爆竹等危險(xiǎn)化學(xué)品檢驗(yàn)。

國(guó)家質(zhì)檢總局課題（2014IK080）。