敏化方式對MgH2型儲氫乳化炸藥爆轟性能的影響

程揚帆, 汪 泉, 龔 悅, 沈兆武, 湯有富, 袁和平, 錢 海

(1. 安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥 621900)

1 引 言

乳化炸藥是一種油包水型含水工業(yè)炸藥,具有安全、防水、環(huán)保和穩(wěn)定性好等優(yōu)點,因而在工程爆破領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而,傳統(tǒng)乳化炸藥也存在著爆炸威力低[2-4]和壓力減敏問題[5-6],嚴(yán)重影響了爆破效果和施工安全。為了改善乳化炸藥的性能,本課題組研制出了MgH2型儲氫乳化炸藥[7],并取得了一系列的研究成果[8-14],受到國內(nèi)外炸藥領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注。

乳化炸藥的主要成分是乳化基質(zhì)和敏化劑,乳化基質(zhì)自身沒有雷管感度,它必須通過敏化劑敏化后才能被起爆。按敏化劑的類型,可將乳化炸藥的敏化方式分為物理敏化和化學(xué)敏化。敏化方式對乳化炸炸藥的性能有很大影響。Loureiro等[15]研究了不同敏化劑對銅-鋁板爆炸焊接效果的影響; 吳紅波等[16]研究了不同敏化方式下乳化炸藥的耐低溫性能; 宋錦泉等[17]研究了敏化方式對乳化炸藥爆速的影響; Nie等[18]研究了氣泡敏化和玻璃微球敏化乳化炸藥的動壓減敏特性; 劉磊等[19]研究了不同敏化材料的乳化炸藥抗深水靜壓的性能。在MgH2型儲氫乳化炸藥的配方設(shè)計和優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn),敏化方式對其爆轟性能具有顯著的影響,并且傳統(tǒng)猛度理論不能合理地解釋儲氫乳化炸藥的實驗結(jié)果,因此有必要對其機理進(jìn)行深入研究。

本研究擬通過水下爆炸和猛度測試等實驗,深入研究敏化方式對MgH2型儲氫乳化炸藥爆轟性能的影響,并通過理論計算和分析,探討儲氫乳化炸藥的作功能力和猛度之間的關(guān)系。

2 乳化炸藥樣品的制備

2.1 原材料

本實驗所用的玻璃微球平均粒徑為55 μm,堆積密度為0.25 g·cm-3,美國3M公司; MgH2的平均粒徑為20 μm,堆積密度為1.45 g·cm-3,純度為98%,美國Alfa Aesar公司; 乳化基質(zhì)的密度為1.42 g·cm-3,配方見表1。

表1乳化基質(zhì)的配方

Table1Composition of emulsion matrix

componentNH4NO3NaNO3C18H38C12H26C24H44O6H2Omassratio/% 7874128

MgH2屬于離子型氫化物,其初始分解溫度為300 ℃,遇水會發(fā)生水解反應(yīng)生成氫氣。利用溶膠-凝膠法可將MgH2粉末用石蠟包覆起來,包覆效果如圖1所示。從圖1可以清晰地看到,MgH2顆粒的表面有一層石蠟?zāi)?由于石蠟的主要成份是烷烴,因而可以起到很好的防水作用,抑制MgH2的水解反應(yīng)。制備MgH2的原材料Mg和H2價格便宜,在儲氫型乳化炸藥中MgH2的含量不超過2%,因此,只要解決MgH2的生產(chǎn)工藝問題,就能夠有效地降低炸藥成本。前期的實驗結(jié)果表明[20],MgH2與乳化基質(zhì)的相容性和儲存穩(wěn)定性符合要求。

a. uncoatedb. coated

圖1MgH2粉末被石蠟包覆前后的SEM圖

Fig.1SEM pictures of uncoated and coated MgH2with paraffin

2.2 敏化炸藥

化學(xué)敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥: 當(dāng)未包覆的MgH2粉末加入到乳化基質(zhì)后,會和乳化基質(zhì)中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氣泡,從而在乳化基質(zhì)中引入敏化氣泡,使其具有雷管感度。未包覆MgH2粉末的功能是含能發(fā)泡劑。

物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥: 將包覆后的MgH2粉末與玻璃微球混合后,加入到乳化基質(zhì)中制成乳化炸藥,玻璃微球的功能是在乳化基質(zhì)中直接引入敏化氣泡,而包覆后的MgH2粉末主要起到含能添加劑的作用。

為了更好體現(xiàn)不同敏化方式下MgH2型儲氫乳化炸藥的爆轟性能,實驗將其與傳統(tǒng)玻璃微球型乳化炸藥進(jìn)行了比較,炸藥配方如表2所示。

表2 不同乳化炸藥的配方設(shè)計

3 水下爆炸實驗

3.1 實驗儀器與測試方法

水下爆炸法是目前用來測試炸藥作功能力最常用的方法之一,具有實驗結(jié)果重復(fù)性好、可靠性高和實驗成本低等優(yōu)點。當(dāng)在有限水域進(jìn)行水下爆炸實驗時,應(yīng)設(shè)法減小邊界條件對實驗結(jié)果的影響,當(dāng)炸藥樣品的質(zhì)量小于350 g時,將其置于水下2 m處,就可以滿足對沖擊波和氣泡脈動的測試要求[13]。本次實驗在水下爆炸塔中進(jìn)行,塔高H為5 m,直徑D為5 m,乳化炸藥樣品與傳感器的距離R為0.7 m,位于水下距離h為2.5 m,實驗測試系統(tǒng)如圖2所示。主要測試裝置包括: PCB(ICP W138A25型)水下爆炸壓力傳感器、482A22型恒流源、Agilent 5000A數(shù)字存儲示波器。水下爆炸實驗中炸藥樣品質(zhì)量為30 g球形藥包,每種配方至少做3發(fā)平行實驗。

圖2水下爆炸測試系統(tǒng)示意圖

Fig.2Schematic diagram of underwater explosion testing system

3.2 沖擊波參數(shù)的計算

在水下爆炸實驗中,通常用沖擊波比沖量、比沖擊波能、比氣泡能和總能量等爆轟參數(shù)來全面表征炸藥的作功能力[14]。

3.2.1 沖擊波比沖量

沖擊波比沖量是沖擊波壓力時程曲線對時間的積分[13],即:

(1)

式中,i(t)為沖擊波比沖量,Pa·s;p(t)為沖擊波壓力隨時間變化曲線;θ為沖擊波衰減時間,一般取沖擊波壓力從峰值壓力pm降低到pm/e所需的時間,μs。

3.2.2 比沖擊波能

根據(jù)水下爆炸相似率,可得到比沖擊波能的計算公式[8]:

(2)

式中,Es是比沖擊波能,MJ·kg-1;R是傳感器到乳化炸藥樣品的距離,m;W是炸藥的質(zhì)量,kg;ρW是水的密度,g·cm-3;CW是水中聲速,m·s-1;θ為沖擊波衰減時間,μs;p(t)為沖擊波壓力隨時間變化曲線。

3.2.3 比氣泡能

比氣泡能可用下式近似計算[14]:

(3)

(4)

式中,Eb為比氣泡能,MJ·kg-1;Tb是第一次氣泡脈動周期,s;C是邊界效應(yīng)校正系數(shù),-0.4464,s-1;W是炸藥的質(zhì)量,kg;ρW是水的密度,kg·m-3;ph是測點處的靜水壓,Pa。

3.2.4 總能量

炸藥水下爆炸總能量的計算公式[13]為:

E=Kf(μEs+Eb)

(5)

(6)

(7)

式中,E是總能量,MJ·kg-1;Kf為炸藥的形狀系數(shù),球形藥包取1.00;μ為沖擊波傳播損失系數(shù);pCJ為炸藥爆轟C-J壓力,GPa;ρ0為乳化炸藥的密度,kg·m-3;D是乳化炸藥的爆速,m·s-1。

3.3 實驗結(jié)果與分析

將不同敏化方式的MgH2型儲氫乳化炸藥與玻璃微球型乳化炸藥進(jìn)行水下爆炸對比實驗,壓力時程曲線如圖3所示。實驗結(jié)果取三次有效實驗數(shù)據(jù)取平均值,并計算其標(biāo)準(zhǔn)方差,計算結(jié)果見表3。

圖3三種乳化炸藥水下爆炸壓力時程曲線

Fig.3Pressure-time curves of the underwater explosion of three kinds of emulsion explosives

由圖3和表3可知,與玻璃微球型乳化炸藥相比,化學(xué)敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥的沖擊波峰值壓力pK提高了9.12%,而物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥的峰值壓力pK卻降低了4.90%; 對于沖擊波比沖量i,化學(xué)敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥較玻璃微球型乳化炸藥提高了6.64%,而物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥提高了15.17%。

表3三種乳化炸藥水下爆炸沖擊波參數(shù)

Table3Shock wave parameters of the underwater explosion of three kinds of emulsion explosives

parametersofshockwavespK/MPaθ/μsi/Pa·stb/msEs/MJ·kg-1Eb/MJ·kg-1E/MJ·kg-113．6336．64694．9767．200．6351．6872．712glassmicrospheressensitization13．2740．84687．9268．600．5971．6242．58813．5637．32712．7373．400．6081．6592．641averagevalues13．4838．27698．5469．730．6131．6612．647standarddeviation0．1561．84010．4382．6550．0160．0260．05114．6337．16729．7875．800．7322．1183．356MgH2chemicalsensitization14．7436．18761．5775．500．7762．1163．42914．7638．04743．4576．900．7452．2413．501averagevalues14．7137．13744．9376．070．7512．1583．429standarddeviation0．0570．76013．0210．6020．0180．0580．05912．6744．05805．6072．200．6431．9683．028MgH2physicalsensitization12．9345．40797．7574．800．6732．1323．24212．8647．57810．1172．700．6682．0253．127averagevalues12．8245．67804．4973．230．6612．0423．132standarddeviation0．1101．4495．10701．1260．0130．0680．087

Note：pKis the shock wave peak pressure,θis the shock wave attenuation time,iis the shock wave impulse,Esis the specific shock wave energy,Ebis the specific bubble energy, andEis the shock wave total energy.

分析認(rèn)為,未包覆的MgH2加入到乳化炸藥后,其主要功能是產(chǎn)生敏化氫氣泡,與玻璃微球敏化的區(qū)別主要在于敏化氣泡所含的氣體成分不同,玻璃微球中含有N2,在爆轟過程中主要起到“熱點”的作用,而敏化氫氣泡在爆轟過程中不僅起到熱點的作用,而且氫氣還參與爆轟反應(yīng),從而使其峰值壓力顯著提高。從物理敏化儲氫乳化炸藥峰值壓力pK的變化規(guī)律來看,MgH2粉末(包覆后)在炸藥爆轟過程中主要參與C-J面之后的燃燒反應(yīng),在C-J面之前MgH2粉末在高溫高壓作用下會發(fā)生分解并消耗一部分能量,從而使沖擊波的峰值壓力降低,但是隨后分解產(chǎn)物的燃燒反應(yīng)可以為沖擊波提高后續(xù)能量,延緩沖擊波的衰減,表3中物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥沖擊波衰減時間也證明了這一點,包覆后的MgH2粉末在乳化炸藥中起到了含能添加劑的作用。

在能量方面,與玻璃微球型乳化炸藥相比,化學(xué)敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥的比沖擊波能Es、比氣泡能Eb和總能量E分別提高了16.64%、29.92%和29.54%,而物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥的比沖擊波能Es、比氣泡能Eb和總能量E分別提高了7.83%、22.94%和18.32%。

前期研究表明,傳統(tǒng)的玻璃微球型乳化炸藥爆轟不完全,而MgH2能夠提高乳化炸藥爆轟反應(yīng)程度[8],使其能量能夠充分釋放出來。與玻璃微球型乳化炸藥相比,無論添加包覆或未包覆的MgH2粉末,都可以提高乳化炸藥的輸出能量,其中比氣泡能增加尤為顯著。對比兩種敏化方式的儲氫炸藥可以發(fā)現(xiàn),化學(xué)敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥的比沖擊波能、比氣泡能和總能量均高于物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥,說明化學(xué)敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥的作功能力更強。

4 猛度與爆速實驗

猛度和爆速是判斷炸藥威力的重要參數(shù),實驗在臥式爆炸倉中進(jìn)行。炸藥猛度測量采用最常用的鉛柱壓縮實驗,用鉛柱壓縮量的大小來表征炸藥的猛度,未壓縮鉛柱的高度為60 mm,乳化炸藥樣品質(zhì)量為50 g,實驗裝置見圖4; 炸藥的爆速采用離子探針法測量,乳化炸藥采用PVC管裝藥,PVC管的直徑和長度分別為40 mm和350 mm,起始探針距離PVC端口80 mm,探針的間距為50 mm,使用2BS-110爆速儀測速,如圖5所示。乳化炸藥猛度和爆速的測試方法參考國標(biāo)GB 18095-2000。

三種乳化炸藥鉛柱壓縮前后對比實驗結(jié)果如圖6所示,從圖6可以看出,兩種敏化方式的MgH2型儲氫乳化炸藥的猛度都高于玻璃微球型乳化炸藥,其中物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥尤為明顯。三種乳化炸藥鉛柱壓縮量和爆速的具體實驗結(jié)果見表4,由表4可知,物理敏化儲氫乳化炸藥的猛度高出化學(xué)敏化儲氫乳化炸藥5 mm左右的鉛柱壓縮量,但是其爆速卻要小260 m·s-1。

圖4乳化炸藥猛度測試實驗

Fig.4Brisance testing experiments of emulsion explosives

圖5乳化炸藥爆速測量實驗

Fig.5Detonation velocity experiments of emulsion explosives

圖6不同配方的乳化炸藥鉛柱壓縮實驗結(jié)果對比

Fig.6Experimental results of lead block compression of different formulation emulsion explosives

表4三種乳化炸藥爆轟性能參數(shù)

Table4Detonation parameters of three kinds of emulsion explosives

emulsionexplosivedensity/g·cm-3brisance/mmdetonationvelocity/m·s-1glassmicrospheressensitization1．2416．104534MgH2chemicalsensitization1．2519．154950MgH2physicalsensitization1．2824．304689

5 分析與討論

水下爆炸和猛度實驗結(jié)果表明,與化學(xué)敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥相比,物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥作功能力減弱,但其猛度卻顯著提高,說明乳化炸藥的作功能力與猛度大小不一定存在正相關(guān)關(guān)系。猛度是決定炸藥局部破壞的能力,而作功能力是決定炸藥總體破壞的能力。目前認(rèn)為炸藥爆炸的直接作用主要取決于爆轟產(chǎn)物的壓力和作用時間,即爆轟產(chǎn)物作用于目標(biāo)的壓力和沖量。在不同情況下,壓力和沖量所起的作用是不同的,可以用它們來表示炸藥的猛度[21]。

用爆轟產(chǎn)物的壓力表示炸藥猛度的理論認(rèn)為,炸藥的局部破壞作用是由于爆轟產(chǎn)物對目標(biāo)物直接而強烈作用的結(jié)果,爆轟產(chǎn)物的壓力越大,其破壞能力也越強,對凝聚相炸藥的猛度可用下式表示[21]:

(8)

式中,pCJ是炸藥爆轟結(jié)束瞬間產(chǎn)物的壓力,GPa;ρ0是炸藥的裝藥密度,kg·m-3;D是炸藥的爆速,m·s-1。

若按照公式(8)計算,可得到物理敏化和化學(xué)敏化的儲氫乳化炸藥爆轟結(jié)束瞬間產(chǎn)物壓力p分別為7.04 GPa和7.66 GPa,而實際情況則是物理敏化儲氫乳化炸藥的猛度遠(yuǎn)高于化學(xué)敏化儲氫乳化炸藥(見表4),因此該理論不適于解釋儲氫乳化炸藥高猛度的機理。

用作用于接觸面上的比沖量表示炸藥猛度的理論認(rèn)為,炸藥的爆轟在瞬間完成,可用爆轟產(chǎn)物作用在與傳播方向垂直面上的比沖量表示炸藥的猛度[21]:

(9)

(10)

式中,I為作用于接觸面上的沖量,N·s;p為作用于接觸面上的壓力,Pa;S接觸面的面積,m2;τ為作用于接觸面的時間,μs;i為作用于接觸面上的比沖量,Pa·s。

該理論認(rèn)為炸藥的猛度與比沖量的大小成正相關(guān)關(guān)系。從水下爆炸沖擊波參數(shù)計算結(jié)果(見表3)可知,乳化炸藥沖擊波比沖量與猛度之間關(guān)系符合這一理論,即乳化炸藥的比沖量越大,其猛度值也越高。但是,筆者認(rèn)為該理論也存在一定的不足,不能單純的從比沖量大小來衡量猛度的大小。以鉛柱壓縮為例,隨著鉛柱壓縮量Δh的增加,鉛柱變形的阻力迅速增大,而爆轟產(chǎn)物的壓力p在不斷減小,當(dāng)p減小到與鉛柱的變形阻力相等時,鉛柱壓縮量將不再增加,后續(xù)爆轟產(chǎn)物的比沖量對提高炸藥猛度沒有貢獻(xiàn),因而比沖量的計算時間不應(yīng)當(dāng)是從爆轟開始到結(jié)束的時間。

我們將爆轟產(chǎn)物壓力等于目標(biāo)物的變形阻力這一臨界壓力值定義為pc,爆轟結(jié)束瞬間爆轟產(chǎn)物的峰值壓力記為pk,用有效比沖量表征炸藥猛度理論修正公式應(yīng)為:

(11)

式中,i′為作用于接觸面上的有效比沖量,Pa·s;θ′為爆轟產(chǎn)物壓力從pK衰減到pc的時間,μs;τ為作用于接觸面的時間,μs。

修正后的有效比沖量表征炸藥猛度的公式(11),其比沖量是采用鉛柱壓縮過程中爆轟壓力與時間的積分,排除了鉛柱不能繼續(xù)壓縮后爆轟產(chǎn)物的比沖量,因而更加接近實際情況。由表3可知,雖然物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥沖擊波峰值壓力小于化學(xué)敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥,但其沖擊波衰減時間卻明顯大于后者,因而其猛度更高,結(jié)合沖擊波的比沖量大小,該修正公式能夠較好地解釋兩種儲氫乳化炸藥出現(xiàn)的猛度現(xiàn)象。

6 結(jié) 論

(1)敏化方式對MgH2型儲氫乳化炸藥的有顯著影響,與化學(xué)敏化方式相比,物理敏化的MgH2型儲氫乳化炸藥比沖擊波能、比氣泡能和沖擊波總能量分別下降了11.98%、5.38%和8.66%,但其鉛柱壓縮量卻提高了5.15 mm,其猛度顯著增強。

(2)對比兩種敏化方式的MgH2型儲氫乳化炸藥爆轟性能發(fā)現(xiàn),乳化炸藥作功能力的強弱與猛度大小不存在必然的正相關(guān)關(guān)系,作功能力強的乳化炸藥猛度不一定大。

(3)利用爆轟產(chǎn)物作用于目標(biāo)的有效比沖量大小能夠較好地解釋兩種儲氫乳化炸藥猛度的規(guī)律,其理論計算的積分區(qū)間應(yīng)選擇爆轟產(chǎn)物壓力從峰值壓力pK衰減到臨界壓力pc的時間。

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