塑料導(dǎo)爆管激發(fā)后爆轟成長的試驗研究

李洪偉，鄧 軍，徐飛揚，王樹忠，張 彥

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塑料導(dǎo)爆管激發(fā)后爆轟成長的試驗研究

李洪偉1，鄧 軍1，徐飛揚1，王樹忠2，張 彥3

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南，232000；2.福建榮安爆破工程有限公司，福建福安，355000；3.中國人民解放軍77228部隊，云南大理，671000）

為進(jìn)一步研究普通塑料導(dǎo)爆管爆轟成長規(guī)律，使用高速攝像機對導(dǎo)爆管爆轟成長過程進(jìn)行拍攝，對所得圖像利用計算機處理和分析，獲取傳爆距離——速度關(guān)系，并對兩者關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，得到導(dǎo)爆管爆轟成長規(guī)律數(shù)學(xué)關(guān)系式；同時，結(jié)合紋影儀對其端口信號進(jìn)行觀測和分析。結(jié)果表明：本研究所用普通導(dǎo)爆管爆轟成長區(qū)間長度為40~50cm，成長期前段增速極快，而中后段卻相對緩和；紋影試驗驗證了上述爆轟成長區(qū)間長度的結(jié)論。研究結(jié)果對導(dǎo)爆管傳爆機理的進(jìn)一步明確有一定的促進(jìn)作用，為導(dǎo)爆管爆轟理論基礎(chǔ)提供依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

塑料導(dǎo)爆管；爆轟成長；曲線擬合；紋影；傳爆機理

20世紀(jì)70年代末，我國開始研制塑料導(dǎo)爆管生產(chǎn)工藝，現(xiàn)已大范圍應(yīng)用于土巖爆破、拆除爆破以及井巷隧道掘進(jìn)爆破等各類爆破工程中。隨著行業(yè)技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，導(dǎo)爆管的使用量和范圍會進(jìn)一步擴大，與此同時，人們對導(dǎo)爆管及其起爆系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究和爆轟成長規(guī)律認(rèn)識需求也會越來越高，因此開展對導(dǎo)爆管激發(fā)后爆轟成長變化規(guī)律的研究非常有必要。

一直以來，許多學(xué)者對導(dǎo)爆管激發(fā)后爆轟成長規(guī)律進(jìn)行了研究，但得到的結(jié)論并不一致。如高耀林、魏伴云、陳士海、陽世清、劉大斌、胡升海先后得到導(dǎo)爆管爆轟成長長度分別為30~40cm、約30cm、16.7cm、20~22cm、30~50cm、18.5cm[1-6]。此外，文獻(xiàn)中尚未見對激發(fā)后塑料導(dǎo)爆管爆速隨傳爆距離變化數(shù)學(xué)關(guān)系的正式報道[7]。

本文使用較為先進(jìn)的儀器和設(shè)備，結(jié)合紋影系統(tǒng)，對激發(fā)后導(dǎo)爆管爆轟成長規(guī)律進(jìn)行較為深入的探討。

1 高速攝像試驗

1.1 試驗器材和方法

試驗器材：高速攝像機（日本NAC MEMRECAM HX-3）、普通塑料導(dǎo)爆管（淮南舜泰化工有限公司生產(chǎn)）、起爆裝置等工具。相機搭載鏡頭為NIKON AF Micro 200mm f/4D IF-ED鏡頭。

試驗方法：將塑料導(dǎo)爆管水平固定，并使之處于緊張狀態(tài)，以保證爆轟傳播為直線距離。隨后，連接起爆針，進(jìn)入待拍攝狀態(tài)。試驗導(dǎo)爆管在室溫下（約25℃）采取電火花方式激發(fā)，高速相機設(shè)定拍攝頻率為30×104fps。綜合考慮高速相機性能和測試目的，經(jīng)初探試驗，導(dǎo)爆管爆轟成長長度約40~50cm，而高速相機1次拍攝最佳幅長為35cm，因此，需進(jìn)行2次拍攝拼接。初探試驗表明，拼合處前后速度突躍幅度僅約0.6%~1.1%，并不會對試驗結(jié)果造成決定性的影響。

1.2 結(jié)果與分析

1.2.1 數(shù)據(jù)記錄與處理

測試所得圖像先經(jīng)過Photoshop CS5處理，在灰度模式下進(jìn)行銳化和曲線調(diào)節(jié)，以獲得更加清晰、易測的圖像，而后通過GetData 2.25軟件處理，獲取導(dǎo)爆管爆轟成長過程中各時段的傳播距離。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可計算出各個時段的管內(nèi)爆轟速度。經(jīng)測試，得到導(dǎo)爆管的穩(wěn)定爆轟速度在1 713~1 789m/s之間，平均值為1 751m/s。因30次試驗，其拍攝圖像和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較好的重復(fù)性，故列出其中較為典型一組，如圖1所示。考慮篇幅有限，拍攝處理圖相應(yīng)的爆速計算值僅列出其中奇數(shù)幅，如表1所示。

結(jié)合同批次導(dǎo)爆管穩(wěn)定爆轟均值1 751m/s和表1數(shù)據(jù)可知，大約在40cm以后，爆轟速度達(dá)到穩(wěn)定值。該試驗結(jié)論與文獻(xiàn)[1~6]不完全一致，但與劉大斌研究結(jié)果較為接近[5]。

圖1 導(dǎo)爆管激發(fā)后爆破成長處理圖

表1 爆轟成長各階段距離——速度表

Tab.1 Calculated values of detonation velocity at different stages

1.2.2 爆轟成長曲線與方程

根據(jù)表1所得數(shù)據(jù)，利用Origin軟件進(jìn)行多項式擬合，獲得爆轟成長規(guī)律，如圖2所示。

圖2 D——X關(guān)系圖

因前段約3.5~6.5cm處，處于斷崖式驟降，而止降回升成長期有較為明顯的曲線形態(tài)，故匿去此區(qū)間數(shù)據(jù)點，僅對回升成長期進(jìn)行曲線擬合，如圖3所示。成長期爆轟規(guī)律方程見式（1）：

=606.410+50.475-0.5 6102（1）

式（1）中：為塑料導(dǎo)爆管內(nèi)爆轟波傳播速度，m/s；為塑料導(dǎo)爆管內(nèi)爆轟波傳播距離，cm。上述擬合度-sqr為99.623，擬合度非常好。

圖3 爆轟成長期擬合曲線

從圖2曲線形態(tài)來看，管內(nèi)爆轟成長過程如下：OA段，導(dǎo)爆管在激發(fā)后，獲得一個初速度，并發(fā)生驟降，且下降幅度非常大，時間非常短，所處長度區(qū)間約為0~1.2cm之間，時間區(qū)間約為0~16.67μs。AB段，爆速開始震蕩上升，爆速呈現(xiàn)非常緩和的增長趨勢，此區(qū)間長度約為1.2~2.9cm，時間區(qū)間約為16.67~ 40.00μs。BC段，爆速開始急劇加速，呈高速成長現(xiàn)象，此區(qū)間長度約為2.9~15.4cm，時間區(qū)間約為40.00~ 120.00μs。CD段，速度開始回到一個增速較為穩(wěn)定的階段，此區(qū)間長度約為15.4~30cm，時間區(qū)間約為120.00~186.67μs。DE段及以后，爆轟波增速稍低，以更為平穩(wěn)的速度加速到穩(wěn)定階段。爆速從成長到穩(wěn)定階段，全程長度約40~50cm，耗時約235~250μs。

總體來看，在管內(nèi)爆轟波止降成長期間，導(dǎo)爆管爆速變化呈現(xiàn)如下規(guī)律：初期以極快的速度增長一段距離，中期開始明顯放緩，而后保持較為穩(wěn)定的水平增長至穩(wěn)定階段。

試驗中導(dǎo)爆管激發(fā)后的爆轟成長過程實質(zhì)為：當(dāng)外界起始弱沖擊波進(jìn)入管內(nèi)，初期的激發(fā)反應(yīng)先從小面積的表面化學(xué)反應(yīng)開始，隨著反應(yīng)的加劇和擴大，反應(yīng)中間產(chǎn)物不斷迅速擴散，進(jìn)而蔓延到全部表面和藥粉粒子內(nèi)層，這種劇烈的管內(nèi)爆炸反應(yīng)呈現(xiàn)出一種逐層燃燒的特點，且隨著反應(yīng)量和反應(yīng)區(qū)域的不斷加大，反應(yīng)愈發(fā)劇烈，管內(nèi)爆熱、爆溫和爆壓逐漸增長，直到反應(yīng)所釋放的有效爆熱既維持了管內(nèi)壓力和溫度，又可以持續(xù)支持未反應(yīng)的炸藥繼續(xù)反應(yīng)，達(dá)到兩者的平衡，最終穩(wěn)定。正如上述圖像和數(shù)學(xué)方程式所示，爆速先經(jīng)歷一個短暫的低緩加速過程，隨后增速加劇，并逐步實現(xiàn)由低速爆轟轉(zhuǎn)為高速爆轟，最后穩(wěn)定。

從高速攝像處理圖中也可清晰地看出，管內(nèi)在弱激發(fā)后，很快出現(xiàn)一片凹槽弱光區(qū)，之后快速明亮起來，直至耀眼。其基本上也反映了上述所描述的管內(nèi)混合藥粉爆炸反應(yīng)特點，炸藥逐層燃燒，化學(xué)反應(yīng)從小范圍到大范圍，爆速從低速爆轟到高速爆轟，最終穩(wěn)定。根據(jù)塑料導(dǎo)爆管的生產(chǎn)工藝可知，導(dǎo)爆管的傳爆性能實質(zhì)上與管壁材料、內(nèi)壁藥粉種類、顆粒度以及其粘附物理狀態(tài)等密切相關(guān)[7-10]，因各廠生產(chǎn)工藝的差異性，其生產(chǎn)出來的導(dǎo)爆管的起爆、傳爆性能必然會有所差異，況且同廠同批次產(chǎn)品也不會完全相同，故試驗所得結(jié)論僅針對測試所用材料，但仍然具有普遍參考意義。此外，有文獻(xiàn)報道，起爆能量、激發(fā)方式等也可能影響導(dǎo)爆管爆轟成長過程[7,10]。

2 紋影攝像試驗

2.1 試驗思路與器材

試驗思路：通過截取不同長度導(dǎo)爆管進(jìn)行紋影拍攝，觀察其出口處爆轟信號的圖像狀態(tài)，以此來驗證高速攝像中關(guān)于導(dǎo)爆管激發(fā)后爆轟成長長度區(qū)間值的結(jié)論。

試驗器材：高速攝像機、彩色紋影儀、不同長度塑料導(dǎo)爆管以及起爆裝置等工具。其中紋影儀采用安徽理工大學(xué)爆破工程與器材研究所的彩色紋影儀，主要包括光源系統(tǒng)、紋影反射鏡系統(tǒng)、成像系統(tǒng)等。

2.2 試驗結(jié)果與分析

試驗分別截取同廠同批次，長度分別為10cm、20cm、30cm、40cm、50cm塑料導(dǎo)爆管各3段，依次進(jìn)行紋影拍攝，由于每組所拍攝圖像具有很大的相似性，故每個長度僅列出1組圖片作為觀察與分析對象，具體圖像如圖4所示。為保持良好的對比性，圖中X（為a~e，為1~5）均為同一時間拍攝。通過紋影像片可知，隨著導(dǎo)爆管長度的增加，管口爆轟信號總體呈逐漸強烈的趨勢。具體表現(xiàn)如下：（1）對比圖a1~e1，出口初始信號明亮度越來越亮，甚至耀眼；（2）對比圖X3~X5，從黑色弧線的清晰度、厚度和可見弧長可以看出，出口處球形爆轟波越來越強烈，空氣介質(zhì)中密度梯度越來越明顯，物理參數(shù)變化越來越急??；（3）對比圖X1~X5，從出口信號中心點的明亮度可看出，沖出管口的管內(nèi)藥粉在空氣中的爆轟強度越來越強，時間越來越持久；（4）對比圖X3~X5，從圖中密布團狀物的范圍和不透明度可以看出，爆轟產(chǎn)物量呈增加趨勢；（5）對比圖X3~X5，可以看出出口處爆轟反射波反射速度越來越快，強度也越來越大。試驗結(jié)果表明，導(dǎo)爆管長度達(dá)到40~50cm以后，其上述指標(biāo)不再具有明顯變化，說明管內(nèi)爆轟在40~50cm區(qū)間范圍內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定爆轟，該結(jié)果支持了高速攝像試驗結(jié)論。

圖4 不同長度導(dǎo)爆管管口信號紋影攝像圖

3 結(jié)論

（1）通過對試驗所用導(dǎo)爆管的爆轟成長進(jìn)行全面拍攝，獲得了其成長規(guī)律和速度回升增長期的數(shù)學(xué)關(guān)系式，得到了爆轟成長區(qū)間長度約為40~50cm的結(jié)論。（2）通過對試驗所用導(dǎo)爆管的爆轟成長曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)成長期間，其實質(zhì)上為前段增速極快，而中后段卻相對緩和，并非單邊高速上升，亦非前期慢，中后段高速增長。（3）紋影攝像結(jié)果顯示，試驗所用導(dǎo)爆管長度達(dá)到40~50cm以后，出口爆轟信號不再具有明顯變化，說明管內(nèi)爆轟在40~50cm區(qū)間范圍內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定爆轟，與高速攝像所得結(jié)論一致。

[1] 高耀林,范欽文,陳嘉琨.塑料導(dǎo)爆管起爆過程[J].爆破器材,1984(4):1-5.

[2] 魏伴云,趙建勤,朱建平.模擬導(dǎo)爆管傳爆過程的高速紋影攝影與分析[J].爆破器材,1985(3):3-4.

[3] 陳士海,胡峰.導(dǎo)爆管的起爆特性[J].爆破,1990(2):9-12.

[4] 陽世清.低裝填密度粉狀炸藥爆轟機理研究--塑料導(dǎo)爆管起爆與傳爆過程[D].南京:南京理工大學(xué),1990.

[5] 劉大斌.塑料導(dǎo)爆管的起爆、傳爆及輸出性能研究[D].南京:南京理工大學(xué),2002.

[6] 胡升海.導(dǎo)爆管及其雷管傳爆性能的試驗研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

[7] 陳嘉琨,范欽文,高耀林.塑料導(dǎo)爆管[M].北京:國防工業(yè)出版社,1987.

[8] 楊耀華.淺析影響導(dǎo)爆管傳爆及點火性能的因素[J]. 火工品,2003(2):44-46.

[9] 荊術(shù)祥,錢華,劉大斌,朱長江,鮑國鋼,侯建華. 裝藥量對塑料導(dǎo)爆管傳爆性能的影響[J].爆破器材,2010(5):5-6.

[10] 胡升海,房澤法,巫雨田.基于高速攝像的斷藥導(dǎo)爆管傳爆過程研究[J]. 爆破器材,2013(3):43-44.

[11] 廖小翠.導(dǎo)爆管傳爆可靠性的試驗研究[D].綿陽:西南科技大學(xué),2009.

[12] 陽世清,王蓀源,楊權(quán)中,等.塑料導(dǎo)爆管在燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程中的火焰結(jié)構(gòu)及爆轟波生成機理[J].爆炸與沖擊,1990(1):17- 20.

[13] 魏伴云,楊志宇,劉江云.導(dǎo)爆管傳爆機理的實驗研究[J].爆炸與沖擊,1984 (4):57-58.

[14] 胡升海,房澤法,熊鵬等.導(dǎo)爆管起爆與傳爆過程的高速攝像研究[J].爆破器材,2013(4):46-47.

Experimental Study on Detonation Growth of Plastic Nonel Tube

LI Hong-wei1，DENG Jun1，XU Fei-yang1，WANG Shu-zhong2，ZHANG Yan3

（1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology,Huainan,232000；2.Fujian Rong an Blasting Engineering Co. Ltd.,Fu’an,355000；3. Troops 77228 of People’s Liberation Army, Dali, 671000)

In order to study the detonation growth law of ordinary plastic nonel tube, further experimental research was conducted. With the help of high speed camera, the related high speed images of growth process of detonation wave, and the relationship between detonation propagating distance and shoot speed were obtained by calculating and analyzing, and the detonation growth rule of nonel tube was established through nonlinear curve fitting. The result shows that the length of detonation growth interval is 40~50 centimeters, and the rate of initial growth period is very fast, while the rate of mid and late period is relatively subdued, schlieren test validates the conclusion above. The result of the study makes further efforts to comprehend the detonating mechanism of nonel tube, and several basis and reference data of detonation theory foundation of nonel tube were also provided.

Plastic nonel tube；Detonation growth；Curve fitting；Schlieren；Detonation propagation mechanism

1003-1480（2017）04-0019-04

TJ45+7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.04.006

2017-05-10

李洪偉（1979 -），男，副教授，主要從事爆炸技術(shù)及應(yīng)用方向研究。

安徽省教育廳科學(xué)研究重大項目（KJ2015ZD18）