-30 ℃環(huán)境下雷管及起爆具爆炸特性研究

徐俊峰，馬宏昊,2，趙 凱，牟金友，沈兆武，萬嘉輝，吳建國

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；3.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100070；4.中鐵二十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 402160)

隨著凍土地區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)以及極地建設(shè)的推進(jìn)，高寒地區(qū)下的爆破施工日益頻繁。炸藥作為爆破作業(yè)的重要組成部分，其在低溫環(huán)境下的使用特性已得到了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究涉及抗低溫乳化炸藥的工藝配方設(shè)計(jì)及其在-35 ℃以內(nèi)的爆轟性能研究[1-2]、高能炸藥在低溫下的老化過程及其力學(xué)強(qiáng)度變化等[3-4]。然而，關(guān)于導(dǎo)爆管雷管、起爆具等爆破器材在低溫下(-30 ℃左右)的爆炸特性研究卻鮮有涉及，低溫下爆破器材的穩(wěn)定起爆、可靠延時(shí)對于精準(zhǔn)爆破控制至關(guān)重要。

針對上述問題，本研究預(yù)先對4種不同段別的導(dǎo)爆管雷管、起爆具進(jìn)行-30 ℃低溫冷凍處理，然后經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，分別測定了未經(jīng)處理和經(jīng)過低溫冷凍的各段別導(dǎo)爆管雷管的延時(shí)時(shí)間、水下爆轟參數(shù)以及起爆具的鋼板穿孔直徑，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，為爆破器材在低溫下的起爆性能判定提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

導(dǎo)爆管選用山西某公司生產(chǎn)的普通塑料導(dǎo)爆管，主裝藥為黑索金，內(nèi)徑1.5 mm，外徑3 mm；雷管和起爆具均為山東某集團(tuán)生產(chǎn)，其中雷管選用無起爆藥飛片式雷管，主裝藥為PETN；起爆具質(zhì)量400 g，由TNT和RDX按質(zhì)量比53∶47澆鑄而成，直徑55 mm，高122 mm。

測試儀器包括：南京理工大學(xué)民爆器材研究所生產(chǎn)的電脈沖起爆器及智能爆速測量儀(ZBS9601B)，示波器(Tektronix，Inc. USA)，恒流源(482A22)，水下壓力傳感器(PCB-W ICP138A25)。

1.2 雷管延時(shí)時(shí)間的測定

為研究低溫環(huán)境對延時(shí)飛片雷管延時(shí)時(shí)間的影響，設(shè)置30 ℃(室溫)和-30 ℃(雷管裝在水袋內(nèi)，置于-30 ℃冰柜中冷凍24 h)溫度下雷管的延時(shí)時(shí)間對比試驗(yàn)，所用雷管段別為：MS2、MS5、MS8、MS10。其中各段別雷管分別在室溫和-30 ℃低溫下重復(fù)測試20發(fā)，延時(shí)時(shí)間取測量數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 低溫下雷管爆轟參數(shù)的測量

為了得到低溫環(huán)境下雷管爆轟參數(shù)改變的定量數(shù)值，進(jìn)而有利于評估其傳爆特性，分別進(jìn)行了室溫下雷管和-30 ℃低溫冷凍處理后雷管的水下爆炸實(shí)驗(yàn)。由于雷管在冷凍時(shí)有冰袋包覆，實(shí)驗(yàn)時(shí)一并放入水中，能夠確保置于水中的雷管維持-30 ℃的溫度。實(shí)驗(yàn)在直徑D為5 m，深度H為5 m的水下爆炸裝置中進(jìn)行，為了消除有限水域中水池邊界和底部對測量結(jié)果的影響，將雷管放置在水下3 m處，兩個(gè)傳感器距離中心位置1.0 m。2組溫度下的雷管均做3組平行實(shí)驗(yàn)，并取平均值表示其水下爆炸的參數(shù)，數(shù)據(jù)由示波器采集和儲存，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 水下爆炸實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Underwater explosion experiment device

1.4 低溫下起爆具的鋼板穿孔實(shí)驗(yàn)

起爆具的起爆能力通過鋼板穿孔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將鋼板平放在地面上，起爆具豎直放置于鋼板中心，實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)分為3組，由于MS8段雷管的內(nèi)管結(jié)構(gòu)相比MS10段更小，利用-30 ℃冷凍后的MS8段及MS10段雷管起爆室溫及低溫冷凍后的起爆具，在得到鋼板穿孔結(jié)果的同時(shí)，可以驗(yàn)證雷管的內(nèi)管結(jié)構(gòu)是否會影響其在低溫下的起爆性能。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，分別測試3組工況下的器材起爆情況及對應(yīng)的鋼板穿孔直徑。所用鋼板厚10 mm，長、寬均為120 mm，實(shí)驗(yàn)在野外靶場進(jìn)行。

圖2 鋼板穿孔實(shí)驗(yàn)Fig.2 Steel plate perforation experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫對雷管延時(shí)時(shí)間的影響

對上述4種段別雷管在30 ℃和-30 ℃下的延時(shí)時(shí)間實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同段別雷管在30 ℃和-30 ℃下延時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)的箱型(見圖3)。由于傳感器記錄故障導(dǎo)致部分組別數(shù)據(jù)不足20發(fā)。國標(biāo)GB 19417-2003規(guī)定各段別導(dǎo)爆管雷管的標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)時(shí)間及其允許的上、下規(guī)格限如表1所示[5]。

表1 各段別雷管的標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)時(shí)間

圖3 不同段別雷管在30 ℃和-30 ℃下延時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)的箱型Fig.3 Box chart of delay time data for different period detonators at 30 ℃ and -30 ℃

結(jié)合表1中的規(guī)定，從圖3中可以看出，除去未采集到的數(shù)據(jù)，所有雷管均正常起爆，且在室溫及低溫條件下，各段雷管的延時(shí)時(shí)間均處于標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)時(shí)間范圍內(nèi)，因此可知低溫環(huán)境并不影響其正常的使用性能。但是在受低溫處理后，雷管的平均延時(shí)時(shí)間較室溫下均有所上升，延時(shí)時(shí)間的波動幅度也更大。并且，對于具有相同普通內(nèi)管結(jié)構(gòu)的MS2～MS8段延時(shí)雷管，段別越高，低溫對延時(shí)時(shí)間的影響越明顯。

雷管中的延時(shí)體藥柱由氧化劑、可燃劑及少量粘合劑組成，其燃燒過程滿足多段燃燒規(guī)律[6]：藥柱軸向分為固相反應(yīng)區(qū)、氣相反應(yīng)區(qū)、加熱區(qū)及未反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)放出的熱量使加熱區(qū)達(dá)到燃點(diǎn)后，加熱區(qū)開始反應(yīng)，使得燃燒繼續(xù)向前推進(jìn)。由于低溫環(huán)境下燃燒的熱損失更大，結(jié)合延時(shí)藥柱的多段燃燒規(guī)律可知，加熱區(qū)達(dá)到燃點(diǎn)的時(shí)間因?yàn)闊崃繐p失而發(fā)生延遲。同時(shí)燃燒時(shí)的初溫對燃速有一定的影響，可通過公式(1)表示：

v=Beβ(T-T0)

(1)

式中：v為燃速，m/s；B為常數(shù)；β為燃燒的溫度系數(shù)，數(shù)值為正；T為溫度，K。

由公式(1)可知，低溫處理會降低延時(shí)藥的燃燒速度，從而在一定程度上會增加其延時(shí)時(shí)間。

綜上所述，低溫環(huán)境下延時(shí)雷管的延時(shí)時(shí)間有所增加，且延時(shí)不穩(wěn)定性上升。同時(shí)，由于所有測試的低溫雷管未出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，表明低溫下導(dǎo)爆管的傳爆性能及雷管的起爆性能不受影響。

2.2 低溫雷管水下爆轟參數(shù)的計(jì)算

1)沖擊波比沖量。水下爆炸沖擊波的沖量I可由公式(2)計(jì)算[7]：

(2)

式中：I(t)為沖擊波比沖量，kPa·s；p(t)為距離R處沖擊波壓力時(shí)程曲線；Pa；θ為沖擊波衰減時(shí)間，s，數(shù)值等于沖擊波壓力從pm衰減到pm/e的時(shí)間，其中e為數(shù)學(xué)常量，數(shù)值約為2.718。

2)沖擊波比沖擊波能、比氣泡能及總能量。水下爆炸比沖擊波能Es可由公式(3)計(jì)算[7]：

(3)

式中：Es為比沖擊波能，MJ/kg；R為雷管中心距傳感器中心的距離，m；m為雷管的裝藥質(zhì)量，kg；ρw為水的密度，kg/m；Cw為水中的聲速，m/s。

水下爆炸比氣泡能Eb可由公式(4)計(jì)算[7]：

(4)

(5)

式中：Eb為比氣泡能，MJ/kg；Tb為氣泡的第一次脈動周期，s；C為實(shí)驗(yàn)條件下測得的校正系數(shù)[8]，數(shù)值為-0.332；ph為雷管處的靜水壓，Pa。

水下爆炸總能量E可由公式(6)計(jì)算[7]：

E=Ks(μEs+Eb)

(6)

(7)

(8)

式中：E為水下爆炸總能量，MJ/kg；Ks為雷管中裝藥形狀的修正系數(shù)，對于圓柱形裝藥，取1.08；μ為水下沖擊波的壓力損失系數(shù)；pC-J為爆轟過程的C-J壓力，GPa；ρ為主裝藥的密度，kg/m3；D為主裝藥的爆速，m/s；γ為比熱容，對于C-J壓力計(jì)算取3。

由于雷管爆炸時(shí)其主裝藥的爆速無法直接測得，先假定爆速不受溫度影響，pC-J的值參考文獻(xiàn)[7]。

結(jié)合式(2)～式(8)，分別計(jì)算了雷管在30 ℃下和-30 ℃低溫處理后的比沖量I、比沖擊波能Es、比氣泡能Eb及雷管的總能量E(見表2)。2種溫度下雷管水下爆炸1.0 m處的沖擊波壓力時(shí)程對比如圖4所示。

表2 不同溫度雷管的水下爆炸的能量參數(shù)

圖4 不同溫度下雷管水下爆炸1.0 m處的沖擊波壓力時(shí)程Fig.4 Shock wave pressure-time of detonators under different temperature at the distance of 1.0 m in underwater explosion

根據(jù)表2和圖4，可知2種溫度下雷管的沖擊波壓力峰值變化不明顯，但是相比室溫環(huán)境，低溫處理后雷管的其他能量參數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的下降。其中，沖擊波比沖量下降了5.0%，比沖擊波能降低了3.3%，比氣泡能降低了9.6%，總能量下降了7.3%。由于爆轟本質(zhì)上是一種化學(xué)反應(yīng)，其特點(diǎn)是存在一個(gè)使反應(yīng)速率突變式增加的臨界條件，進(jìn)而從平穩(wěn)的化學(xué)反應(yīng)躍變?yōu)閯×业幕瘜W(xué)反應(yīng)。反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系可用阿龍尼烏斯方程描述[9]：

(9)

式中：k為反應(yīng)速度常數(shù)，min-1；A為頻率因子，min-1；Ea為反應(yīng)活化能，一般視為與溫度無關(guān)的常數(shù)，J/mol；T為絕對溫度，K；R為氣體摩爾常數(shù)，8.314 J/(mol·K)。

由式(9)可知，當(dāng)反應(yīng)的初溫降低時(shí)，其初始的反應(yīng)速率減小，因此反應(yīng)速率發(fā)生突變的時(shí)間更晚。由于化學(xué)反應(yīng)歷程的改變，出現(xiàn)極大反應(yīng)速率值的時(shí)間延遲，使得炸藥在加速反應(yīng)轉(zhuǎn)為爆轟時(shí)消耗得更多[10]，導(dǎo)致爆炸的輸出能量稍有減弱。因此測量得到的水下爆炸各項(xiàng)能量參數(shù)均呈現(xiàn)一定幅度的下降。

2.3 低溫對起爆具的影響

30、-30 ℃溫度下起爆具的鋼板穿孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，由圖5a～圖5c可以看出，兩種溫度下起爆具均穿透10 mm厚鋼板，正面穿孔直徑均在56 mm左右，略大于起爆具的直徑，表明低溫對起爆具的起爆能力沒有影響。鋼板背面破壞形態(tài)稍有差異。與圖5e、圖5f相比，圖5d中室溫起爆具穿孔后鋼板背面的破壞區(qū)域面積更大，周圍層裂現(xiàn)象更為明顯，顯然低溫在一定程度上降低了起爆具內(nèi)炸藥的化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而影響了其輸出的能量，這與雷管水下爆轟參數(shù)降低的原因一致。

注：(a)、(d)為30 ℃起爆具的穿孔；(b)、(c)、(e)、(f)為-30 ℃起爆具的穿孔。圖5 起爆具鋼板穿孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Steel plate perforation results with blasting primer

此外，起爆所用雷管同樣經(jīng)過了-30 ℃低溫處理，說明具有普通內(nèi)管結(jié)構(gòu)的MS8段雷管和具有大內(nèi)管結(jié)構(gòu)的MS10段雷管都能適應(yīng)低溫環(huán)境。

3 結(jié)論

1)-30 ℃低溫環(huán)境下起爆具及各段別延時(shí)導(dǎo)爆管雷管均能正常起爆，表明爆破器材的正常起爆能力不受低溫影響。

2)-30 ℃低溫環(huán)境下，各段別延時(shí)雷管的延時(shí)時(shí)間均有所增加，且當(dāng)內(nèi)管結(jié)構(gòu)相同時(shí)，延時(shí)雷管的段別越高，受低溫的影響就越明顯。但是所有延時(shí)時(shí)間的改變均處于標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，不影響其正常的使用性能。

3)-30 ℃低溫條件下雷管水下爆炸的比沖擊波能、比氣泡能及總能量較常溫下分別降低了3.3%、9.6%、7.3%，而使用-30 ℃起爆具進(jìn)行鋼板穿孔時(shí)，對鋼板的背面破壞更小。因此-30 ℃低溫下雷管、起爆具的輸出能量相比常溫下都有一定程度的下降。