工業(yè)炸藥有毒氣體測(cè)試容器的研制

高玉剛

(中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展過(guò)程中，工業(yè)炸藥廣泛應(yīng)用于礦山開采、隧道開挖及城市拆除等各項(xiàng)領(lǐng)域的爆破作業(yè)中。在礦山建設(shè)與開采中發(fā)揮著重要作用，但伴生的爆破公害也一直困擾著人們。其中的主要危害之一便是由于工業(yè)炸藥爆炸過(guò)程中反應(yīng)不完全，會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體[1]。目前，我國(guó)現(xiàn)行的工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量測(cè)定方法采用彈筒法，爆炸彈筒的有效容積約50 L，接近真空狀態(tài)(剩余壓力不大于4.0 kPa)下引爆炸藥，然后取氣進(jìn)行有毒氣體含量測(cè)定[2]。但在實(shí)際工程爆破作業(yè)中，工業(yè)炸藥多數(shù)都在常壓下使用；同時(shí)炸藥在空氣中爆炸后產(chǎn)生高溫、高壓、高速爆炸產(chǎn)物強(qiáng)烈地沖擊和壓縮爆炸點(diǎn)周圍的空氣，形成的沖擊波會(huì)作用在周圍的介質(zhì)上[3]，建立一個(gè)可以反復(fù)使用且可以用于常壓下測(cè)試工業(yè)炸藥有毒氣體含量的爆炸容器顯得尤為重要。

朱文輝等[4]針對(duì)爆炸容器在動(dòng)力學(xué)方面的研究從爆炸載荷作用于外殼產(chǎn)生的應(yīng)力，提出針對(duì)不同爆炸容器找到相應(yīng)的安全系數(shù)并參照相應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)爆炸容器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。趙康等[5]通過(guò)采用ANSYS/LSDYNA建立有限元模型，對(duì)等效爆破載荷在巖體和混凝土介質(zhì)中傳播桔瓣式球型儲(chǔ)液罐體振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究。李興珠等[6]對(duì)1 kg TNT當(dāng)量爆炸容器抗爆設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算，并采用爆炸相似率和動(dòng)力系數(shù)法對(duì)爆炸容器進(jìn)行了驗(yàn)證。王鑫等[7]對(duì)在密閉爆炸容器內(nèi)進(jìn)行開展了5 、10 、15 g系列TNT內(nèi)爆炸試驗(yàn)，并采用有限元軟件對(duì)3種情況下的準(zhǔn)靜態(tài)壓力進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。目前國(guó)內(nèi)已設(shè)計(jì)多種爆炸容器，對(duì)小當(dāng)量密封爆炸容器、5 kg TNT當(dāng)量爆炸容器、一般爆炸容器以及復(fù)合材料爆炸容器的工程設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用均有成功案例[8-11]。通過(guò)上述分析很多學(xué)者主要集中在爆炸容器本身的設(shè)計(jì)與研究，針對(duì)爆炸容器在測(cè)試工業(yè)炸藥有毒氣體方面的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究較少。

近年隨著民用爆破器材制作工藝的發(fā)展，按照工信部及民爆行業(yè)主管部門針對(duì)民爆行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，發(fā)布的一系列指導(dǎo)意見，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥是行業(yè)鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)品。由于其沒有雷管感度，現(xiàn)場(chǎng)混裝藥的起爆需要一定TNT當(dāng)量的工業(yè)炸藥進(jìn)行起爆，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟需要一個(gè)過(guò)程，這就使得在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥時(shí)需要更多的藥量，原有爆炸彈筒法裝藥量小于110 g藥量的條件已不滿足。為了對(duì)工業(yè)炸藥在常壓環(huán)境下爆炸和現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥的有毒氣體含量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，研究先進(jìn)適用的有毒氣體含量檢測(cè)技術(shù)方法，對(duì)準(zhǔn)確客觀地評(píng)價(jià)工業(yè)炸藥性能指標(biāo)、正確指導(dǎo)安全環(huán)保型產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的研究開發(fā)工作、逐步降低工業(yè)炸藥的危害等方面，都具有十分重要的意義。因此，建立一個(gè)既能重復(fù)使用又可取得炸藥爆炸后產(chǎn)生氣體的密閉爆炸容器非常有必要。

1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)炸藥有毒氣體含量測(cè)試系統(tǒng)由臼炮、爆炸室(爆炸箱)、爆炸室混合系統(tǒng)、氣體采集與分析系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成(見圖1)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Test system structure

1)爆炸箱箱體底部采用圓柱形，頂部采用半球殼形的組裝結(jié)構(gòu)型式，內(nèi)部為整體式的鋼制結(jié)構(gòu)，外部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)內(nèi)部的鋼制結(jié)構(gòu)與外部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)緊密連接。凈空間15 m3。 爆炸箱體外部的鋼筋混凝土層，可對(duì)爆炸產(chǎn)生的沖擊波、振動(dòng)及噪聲等爆炸有害效應(yīng)進(jìn)行衰減，達(dá)到安全可靠的目的。

2)爆炸箱應(yīng)能承受在中心懸吊460 g TNT當(dāng)量炸藥爆炸載荷，爆炸后爆炸箱整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生塑性變形。

4)內(nèi)部臼炮規(guī)格為直徑400 mm，高800 mm，孔徑100 mm，孔深 600 mm。用于模擬工業(yè)炸藥在炮孔內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)的情景，可真實(shí)反映工業(yè)炸藥在炮孔內(nèi)爆炸后的生成產(chǎn)物情況。

5)爆炸箱基礎(chǔ)為深2 m，長(zhǎng)和寬均為3.6 m的鋼筋混凝土承重臺(tái)，以保證爆炸箱整體穩(wěn)定性。同時(shí)沿爆炸箱四周開挖一圈深2 m、寬1 m的減振溝，減振溝中填沙，以達(dá)到衰減爆炸時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)作用。

6)混合系統(tǒng)采用抽出與排出2個(gè)風(fēng)機(jī)的混合式排風(fēng)方式，一方面通過(guò)控制系統(tǒng)將閥門開關(guān)至循環(huán)狀態(tài)時(shí)，可使爆炸氣體在5 min之內(nèi)混合均勻，以達(dá)到對(duì)普通工業(yè)炸藥或鈍感的現(xiàn)場(chǎng)混裝工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體的含量分析；另一方面通過(guò)控制系統(tǒng)將閥門開關(guān)至排煙狀態(tài)時(shí)，可使爆炸氣體在5 min之內(nèi)迅速排出，以達(dá)到快速清空廢氣進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

2 爆炸箱箱體設(shè)計(jì)

1)爆炸箱的設(shè)計(jì)。參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)《民用爆炸物品—高能炸藥—第16部分：有毒氣體的測(cè)量和檢測(cè)》[12]的檢測(cè)方法及技術(shù)要求，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥檢測(cè)所需藥量的實(shí)際情況，以及利于工業(yè)炸藥爆炸后有毒有害氣體的采集分析。設(shè)計(jì)爆炸箱最大試驗(yàn)藥量為460 g TNT當(dāng)量。經(jīng)查文獻(xiàn)[13]乳化炸藥理論計(jì)算爆熱為3 182.8～3 244.8 kJ/kg，而TNT爆熱為4 153.95 kJ/kg，因此460 g TNT的炸藥量相當(dāng)于質(zhì)量600 g的乳化炸藥。

2)爆炸箱的設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核[14]。本爆炸箱試驗(yàn)設(shè)計(jì)最大藥量460 g TNT當(dāng)量，裝藥在距地面r=2 m高處爆炸，根據(jù)炸藥在剛性地面中的沖擊波超壓公式計(jì)算得：

進(jìn)入到爆炸箱壁后反射波超壓：Δp′r=8Δpr=1.484 9 MPa。

在臼炮中裝藥為柱型裝藥：TNT裝藥密度1.5 g/cm3，爆熱4 225.8 kJ/kg3。

希臘的城市遍布圖書館，給科學(xué)的發(fā)展提供了契機(jī)。歐幾里得總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)立了系統(tǒng)的幾何學(xué)，他的《幾何原理》直到現(xiàn)在都是歐洲大學(xué)里流行的教材；阿基米德從洗澡盆溢出的水里悟出浮力的存在，他從科學(xué)中得到力量和自信，聲稱如果給他一個(gè)支點(diǎn)他將撬動(dòng)整個(gè)地球。希臘科學(xué)家自由的精神鼓勵(lì)著后人對(duì)真理不懈追求，希臘人在天文學(xué)領(lǐng)域也成就斐然，他們把神話賦予撲朔迷離的天穹并將其劃分成星座：仙女星座、獵戶星座、天狼星座、大熊星座、小熊星座。此外，希臘人在植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、醫(yī)學(xué)等各方面都取得了探索性的成果，為現(xiàn)代學(xué)科發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

以外徑32 mm，裝藥量460 g計(jì)算TNT的裝藥長(zhǎng)度L為

以19 mm的復(fù)合鋼板參數(shù)設(shè)計(jì)為例：泊松比υ=0.29，彈性模量E=206×109Pa，屈服極限σb=300×106Pa，許用應(yīng)力[σ]=157×106Pa，爆炸箱箱體半徑R=1.3 m，爆炸箱材料密度ρ=7 800 kg/m3。

將上述數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得，爆炸箱的固有自振周期值為

爆炸箱的圓頻率為

3 氣密性及抗爆性試驗(yàn)

3.1 氣密性試驗(yàn)

爆炸箱安裝完成后，采用空氣壓縮機(jī)對(duì)爆炸箱加壓的方式，測(cè)試爆炸箱的氣密性。具體加壓方式，先測(cè)試爆炸箱箱體的氣密性，再測(cè)試爆炸箱管道的氣密性。先將閥門管道關(guān)閉，用空氣壓縮機(jī)對(duì)爆炸箱箱體和管道分別加壓至0.15 MPa，觀察與爆炸箱體相連的壓力表，10 min不下降。同時(shí)采用皂液法分別對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的門、管道、風(fēng)機(jī)以及管道連接處進(jìn)行密封性測(cè)試。經(jīng)氣密性測(cè)試，爆炸箱箱體及管道的密封性良好，符合設(shè)計(jì)要求。有毒氣體爆炸箱實(shí)物如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)物Fig.2 Physical of test system structure

3.2 抗爆性試驗(yàn)

爆炸箱抗爆能力試驗(yàn)：由于TNT炸藥爆炸后產(chǎn)生爆炸產(chǎn)物給環(huán)境帶來(lái)不可修復(fù)的破壞，因此采用2號(hào)巖石乳化炸藥。試驗(yàn)藥量從200 g開始，逐次增加測(cè)試藥量，為保證安全性每次增加藥量為50 g，直至增加至600 g(600 g 2號(hào)巖石乳化炸藥相當(dāng)于460 g TNT的藥量)。試驗(yàn)條件，在距爆炸箱底部1.65 m處懸吊2號(hào)巖石乳化炸藥。在臼炮中也按此藥量進(jìn)行爆破測(cè)試。

按測(cè)試方案進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，每次試驗(yàn)后對(duì)爆炸箱箱體、管道及管道連接處進(jìn)行氣密性測(cè)試。經(jīng)氣密性試驗(yàn)(皂液法)檢查爆炸箱、管道及管道連接處均無(wú)異常，說(shuō)明爆炸箱的安全可靠，功能滿足設(shè)計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)理論計(jì)算 460 g TNT炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波壓力，從而確定有毒氣體爆炸箱的結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑及應(yīng)選擇的復(fù)合鋼材。

2)通過(guò)計(jì)算得到的動(dòng)力系數(shù)Cd和反射壓力Δp′r，再得出等效靜載荷Δp靜=1.29 MPa。并通過(guò)等效靜載荷Δp靜對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行換算得到殼體中的應(yīng)力：σ=55.9 MPa<[σ]。

3)裝藥采用2號(hào)巖石乳化炸藥替代TNT炸藥，試驗(yàn)藥量從200 g開始、逐次增加至600 g藥量進(jìn)行裸露藥包懸掛試驗(yàn)時(shí)，均未發(fā)生破壞。說(shuō)明該爆炸箱可承受600 g 的2號(hào)巖石乳化炸藥的爆炸沖擊作用。所以該工業(yè)炸藥有毒氣體含量測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，并且安全可靠。