現(xiàn)場混裝乳化炸藥靜態(tài)敏化器混合特性研究

張小勇，薛 里

(1.中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶401121；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

現(xiàn)場混裝乳化炸藥以安全、高效、適應(yīng)廣等諸多優(yōu)勢在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，敏化裝置是乳化炸藥生產(chǎn)中影響炸藥爆轟性能的核心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到現(xiàn)場爆破的質(zhì)量和安全。目前國內(nèi)乳化炸藥主要有機械攪拌及靜態(tài)混合等兩種化學(xué)敏化方式。機械攪拌敏化方式由于生產(chǎn)過程存在機械剪切作用，導(dǎo)致乳化基質(zhì)會出現(xiàn)破乳現(xiàn)象，從而影響炸藥性能，而靜態(tài)敏化器無運動部件，具有混合效率高、體積小、能耗小、易于連續(xù)化生產(chǎn)等特點，因此，靜態(tài)敏化器替代傳統(tǒng)機械攪拌敏化機進行敏化，可有效避免機械攪拌對乳膠油膜的破壞，并能提高敏化過程的安全性[1]。

靜態(tài)敏化器是實現(xiàn)乳化炸藥現(xiàn)場混裝的一個關(guān)鍵裝置[2]，苗濤等[3]論述了現(xiàn)場混裝炸藥不同結(jié)構(gòu)敏化混合裝置及各自的應(yīng)用場合，孫偉博等[4]應(yīng)用數(shù)值模擬軟件分析了撞擊流混合單元對井下現(xiàn)場乳化炸藥混合敏化的效果，周俊等[5]針對采用靜態(tài)混合敏化器的安全性進行了分析。本文設(shè)計了一種針對鐵路大斷面隧道應(yīng)用現(xiàn)場混裝乳化炸藥的靜態(tài)敏化器，并采用數(shù)值模擬方法對其流場特性進行了研究，結(jié)合敏化試驗進行了驗證。

1 靜態(tài)敏化器結(jié)構(gòu)設(shè)計

靜態(tài)敏化器是一種在管道內(nèi)安裝有若干不同類別、固定的混合單元而成，其作用可分為3類，一是對流體起分割作用；二是使流道形狀和截面發(fā)生變化產(chǎn)生剪切作用；三是使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，起到自動攪拌作用[6-9]。靜態(tài)敏化器混合單元的結(jié)構(gòu)及數(shù)量產(chǎn)生的節(jié)流、分流及造渦作用將對乳化基質(zhì)與敏化劑的混合效果產(chǎn)生直接影響[10-14]。根據(jù)上述特點，采用三維軟件設(shè)計了靜態(tài)敏化器幾何模型(見圖1)。

圖1 靜態(tài)敏化器幾何模型Fig.1 Static sensitizer geometry model

在現(xiàn)場敏化混裝乳化炸藥時，非牛頓型流體的乳化基質(zhì)[15]與低黏度的牛頓流體敏化劑分別從靜態(tài)敏化器左端兩個入口注入，分別經(jīng)過管內(nèi)布置的靜態(tài)混合單元，完成乳化基質(zhì)的靜態(tài)敏化過程，最終由出口進入炮孔。靜態(tài)敏化器由兩個混合單元1和一個混合單元2組成，靜態(tài)混合單元1結(jié)構(gòu)是一個由大直徑進口逐漸縮小成為一個小直徑管道的單元，靜態(tài)混合單元2是一個類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的靜態(tài)混合單元。

2 靜態(tài)敏化機理及參數(shù)模擬研究

2.1 模型建立

采用專業(yè)的計算流體動力學(xué)分析軟件SOLIDWORKS Flow Simulation對乳化基質(zhì)與敏化劑在靜態(tài)敏化器中靜態(tài)敏化過程進行數(shù)值模擬，通過應(yīng)用數(shù)值模擬分析豐富類似工程問題的研究方法，對靜態(tài)敏化器的進一步研究提供重要參考依據(jù)。

1)基本參數(shù)。數(shù)值模擬選擇計算單位制為SI，壓力單位bar；創(chuàng)建一個內(nèi)部類型的流場分析，選擇條件“排除不具備流動條件的腔”，選擇瞬態(tài)分析和自由面物理特征，分析總時間3 s，輸出時間步長0.2 s；默認流體乳化基質(zhì)和敏化劑，其中乳化基質(zhì)溫度為50 ℃，密度為1.35 g/cm3，黏度為24 Pa·s，敏化劑用水代替；使用默認壁面條件為絕熱壁面，粗糙度0 μm；初始液體為水。

2)邊界條件及目標(biāo)。靜態(tài)敏化器模型主要由靜態(tài)混合單元與靜態(tài)敏化器殼體組成。其中乳化基質(zhì)與敏化劑入口在靜態(tài)敏化器管體上，直徑分別為16、3 mm，管體長度200 mm，入口流體的質(zhì)量流率分別為0.35、0.008 kg/s，出口處的壓力邊界條件為環(huán)境壓力。數(shù)值模擬是流場的速度及壓力分布，在此定義全局速度及靜壓為計算目標(biāo)。

3)劃分網(wǎng)格。全局網(wǎng)格采用4級精度自動劃分網(wǎng)格，其中最小間隙0.3 mm；為靜態(tài)混合單元3設(shè)置流體局部網(wǎng)格，細化流體網(wǎng)格的級別為3級。靜態(tài)敏化器劃分總網(wǎng)格510 178個，流體網(wǎng)格345 308個，接觸固體的流體網(wǎng)格164 870個。

2.2 靜態(tài)敏化器機理

1)靜態(tài)混合單元1混合機理。當(dāng)乳化基質(zhì)、敏化劑混合流經(jīng)過靜態(tài)混合單元1時，從其出口端的一段管體中心流體速度最大，從管中心至管壁速度逐漸減小，中心高速流與管壁區(qū)域低速流形成的速度梯度渦流混合區(qū)讓乳化基質(zhì)與敏化劑得到混合，但隨著混合流的流動距離增加，管中心至管壁區(qū)域之間的流速差變小，在靜態(tài)敏化器管體出口段混合流成為層流狀態(tài)(見圖2)。

圖2 靜態(tài)敏化器縱向速度流場Fig.2 Longitudinal velocityf low field of static sensitizer

2)靜態(tài)混合單元2混合機理。分別于距靜態(tài)混合單元1出口端X0處20、40、50、60、150 mm位置，選取X1～X5截面速度流場，得靜態(tài)敏化器在不同位置橫截面的速度流場變化分布(見圖3)，可直觀觀察到當(dāng)乳化基質(zhì)、敏化劑混合流流經(jīng)靜態(tài)混合單元2時，乳化基質(zhì)、敏化劑混合流除經(jīng)“分割—移位—匯合”3個要素混合之外，還會形成渦流。渦流產(chǎn)生的強剪切力會作用于乳化基質(zhì)、敏化劑混合流，使流體的細微部分進一步被分割、混合，進而實現(xiàn)強化混合效果。

圖3 靜態(tài)敏化器不同橫向位置的速度流場分布Fig.3 Velocity flow field distribution of static mixer at different horizontal positions

2.3 參數(shù)變化對靜態(tài)敏化的影響

1)不同結(jié)構(gòu)單元對靜態(tài)敏化的影響。保持靜態(tài)混合器的邊界條件不變，單獨對靜態(tài)混合單元1與2各自的混合效果分別進行數(shù)值模擬對比，結(jié)果如圖4所示。從圖4a中可看出，乳化基質(zhì)、敏化劑混合流分別通過靜態(tài)混合單元1和單元2時，前者的出口流體速度達到7.9 m/s，后者只有1.09 m/s，靜態(tài)混合單元1遠大于單元2；靜態(tài)混合單元1出口流體高速流會保持一段距離，而靜態(tài)混合單元2出口的流體速度會迅速降低。從圖4b中可看出，在相同邊界條件下，靜態(tài)混合單元1的靜壓為5 bar，高于靜態(tài)混合單元2的2.8 bar。

圖4 靜態(tài)敏化器不同混合單元的流場分布Fig.4 Flow field distribution of different mixing units in static sensitizer

2)入口流體質(zhì)量流率變化對靜態(tài)敏化的影響。入口流體質(zhì)量流率選用工程常用的3種工作質(zhì)量流率進行了數(shù)值模擬對比(見表1)。

表1 入口流體質(zhì)量流率

經(jīng)數(shù)值模擬計算，當(dāng)乳化基質(zhì)、敏化劑混合流流經(jīng)靜態(tài)混合單元時，乳化基質(zhì)、敏化劑混合流會逐級產(chǎn)生壓降，使系統(tǒng)壓力逐漸提高(見圖5)。但在3種不同質(zhì)量流率下，靜態(tài)敏化器的速度流場除最高流速增大外，其混合分布形態(tài)未發(fā)生變化，但靜態(tài)敏化器的整體靜壓會隨著質(zhì)量流率增大而增大，3者最大靜壓力值為15 bar， 壓力值在乳化基質(zhì)管路安全泵送的壓力范圍0.8～1.5 MPa[16]內(nèi)，應(yīng)用安全。數(shù)值模擬仿真初始條件管道內(nèi)壁表面粗糙度0 μm，未考慮管道與混合流體的摩擦，顯而易見摩擦將會導(dǎo)致輸送壓力增大。因此，靜態(tài)敏化器實際工作應(yīng)采用低于0.5 kg/s入口質(zhì)量流率。

圖5 靜態(tài)敏化器不同入口質(zhì)量流率縱向靜壓流場分布Fig.5 Longitudinal static pressure flow field distribution of mass flow rate at different inlet of static sensitizer

3 靜態(tài)敏化器應(yīng)用研究

3.1 敏化試驗

為直觀驗證靜態(tài)敏化器的敏化效果，采用現(xiàn)場混裝設(shè)備進行敏化試驗，試驗設(shè)備及工藝流程系統(tǒng)如圖6所示。試驗時，乳化基質(zhì)、敏化劑分別從乳化基質(zhì)料箱及敏化劑箱中流出，通過泵送、計量至靜態(tài)混合器，經(jīng)靜態(tài)敏化后，取樣觀察乳化基質(zhì)敏化的效果及測量乳化基質(zhì)敏化的密度。

圖6 試驗設(shè)備及工藝流程Fig.6 Flow of test equipment and process

為了對比靜態(tài)敏化效果，試驗分為兩組進行，一組靜態(tài)敏化器中包含兩個靜態(tài)混合單元1(試驗1)，另一組則在兩個靜態(tài)混合單元1中間加了一個靜態(tài)混合單元2(試驗2)，試驗結(jié)果如圖7所示。試驗1敏化劑分散混合不均勻，乳化基質(zhì)的敏化密度1.22～1.27 g/cm3；試驗2敏化劑分散混合均勻，乳化基質(zhì)的敏化密度1.10～1.17 g/cm3，試驗2滿足應(yīng)用需求。從兩種組合的敏化效果看，試驗2采用的組合靜態(tài)敏化器敏化混合均勻性明顯優(yōu)于試驗1，發(fā)泡效果也更好。

圖7 靜態(tài)敏化效果對比Fig.7 Comparison of static sensitization effect

3.2 工程應(yīng)用

應(yīng)用經(jīng)靜態(tài)敏化器敏化的現(xiàn)場混裝乳化炸藥在東方希望重慶水泥有限公司六期804平臺石灰?guī)r礦開展了裝藥、爆破作業(yè)?，F(xiàn)場炮孔臺階高度12 m，孔網(wǎng)參數(shù)6.5 m×4.0 m，炮孔直徑160 mm，炮孔深度13.5～14.0 m，單孔裝藥量130～165 kg，填塞長度4.5～5.0 m，裝藥輸送壓力小于0.8 MPa。爆破后巖石破碎均勻，爆破效果良好(見圖8)。

圖8 爆破效果Fig.8 Blasting effect

4 結(jié)論

1)通過分析靜態(tài)敏化器內(nèi)部縱向及橫向不同位置的速度流場，顯示乳化基質(zhì)與敏化劑在兩種靜態(tài)混合單元的作用下得到充分混合。

2)通過分析不同靜態(tài)混合單元、不同入口質(zhì)量流率下的速度及靜壓流場分布，獲得靜態(tài)混合單元及入口質(zhì)量流率對靜態(tài)混合器的影響，驗證了現(xiàn)場混裝乳化炸藥靜態(tài)敏化器的安全性。

3)由兩個混合單元和一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元組成的靜態(tài)敏化器混合均勻，敏化效果良好，能滿足工程使用需求。