深水壓力下乳化炸藥的氣泡脈動(dòng)周期

張海濤，劉 磊，王 遠(yuǎn)

(昆明理工大學(xué)國土資源學(xué)院,昆明 650093)

水下爆炸過程大體可分為炸藥爆轟、沖擊波的形成和傳播、氣泡脈動(dòng)3個(gè)階段。前2個(gè)階段發(fā)生時(shí)間很短，通常在幾十微秒內(nèi)完成。氣泡脈動(dòng)與前兩個(gè)階段相比，雖然能量較弱，但作用時(shí)間相對(duì)較長。在炸藥爆炸能量中大約有一半是以氣泡脈動(dòng)形式傳播出去的，對(duì)于TNT炸藥來說，氣泡脈動(dòng)做功約為炸藥爆炸總能量的47%，沖擊波消耗的能量約為炸藥爆炸總能量的53%[1]，所以氣泡脈動(dòng)產(chǎn)生的總功不能忽略。

氣泡脈動(dòng)是水下爆炸的特有現(xiàn)象，所產(chǎn)生的水波振蕩會(huì)對(duì)水下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響[2]，近些年來水下氣泡脈動(dòng)的研究成為熱點(diǎn)，理論研究主要包括：淺水環(huán)境下氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律引發(fā)射流現(xiàn)象造成水下結(jié)構(gòu)破壞[3-4]、通過脈動(dòng)周期準(zhǔn)確計(jì)算評(píng)估水下炸藥性能[5-6]、優(yōu)化氣泡脈動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算方案[7-9]、邊界條件對(duì)氣泡脈動(dòng)的影響[10-11]和氣泡脈動(dòng)對(duì)水下結(jié)構(gòu)的毀傷研究[12-13]等；在工程領(lǐng)域，崔杰[14]對(duì)水下爆炸氣泡載荷對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷做了全面研究得出氣泡半徑、周期、中心遷移、上下表面位移等都是水下爆炸所需考慮的影響因素，張立等[15]通過確定氣泡脈動(dòng)周期來計(jì)算氣泡能，趙根[16]研究拆除爆破的危害得出氣泡脈動(dòng)對(duì)水下結(jié)構(gòu)具有一定危害；在軍事領(lǐng)域，很多學(xué)者對(duì)TNT、RDX等單質(zhì)固體炸藥水下爆炸過程中產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)對(duì)艦船、潛艇等的損傷進(jìn)行了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)爆炸發(fā)生在相對(duì)堅(jiān)硬的邊界附近，比如軍艦的船體或堅(jiān)硬的海底時(shí)，爆炸氣泡在收縮過程中會(huì)向邊界移動(dòng)。對(duì)于發(fā)生在軍艦附近的爆炸，氣泡的移動(dòng)會(huì)使氣泡射流發(fā)生在離船體更近的地方，這會(huì)增加對(duì)船只的傷害[17]。目前國內(nèi)已發(fā)表的關(guān)于氣泡脈動(dòng)周期的研究成果大多用于軍事領(lǐng)域，使用的都是單質(zhì)固體炸藥，對(duì)含水混合炸藥鮮有發(fā)表。隨著越來越多的水下工程建設(shè)，水下環(huán)境也越來越復(fù)雜，乳化炸藥等含水混合炸藥使用率逐年提升，逐漸成為我國工業(yè)領(lǐng)域使用的主體炸藥。在使用乳化炸藥水下爆破施工時(shí)得到氣泡脈動(dòng)參數(shù)難度較大，同時(shí)海上實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)昂貴的費(fèi)用且實(shí)驗(yàn)條件受海上氣候影響很大。有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了關(guān)于小藥量[18]、有限水域[19]、不同邊界條件[20]的實(shí)驗(yàn)研究得到，在小當(dāng)量、一定邊界條件下爆炸模擬實(shí)驗(yàn)與自由場實(shí)驗(yàn)具有等效性。在實(shí)驗(yàn)室探究乳化炸藥在深水壓力下的氣泡脈動(dòng)周期，不僅可以為以后含水混合炸藥在水下爆炸提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用和后續(xù)研究也具有十分重要的意義。

本文使用8號(hào)雷管進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，并通過對(duì)乳化炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)，得到乳化炸藥氣泡脈動(dòng)周期參數(shù)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)測量值與公式計(jì)算值之間的誤差，判斷經(jīng)典公式對(duì)含水混合炸藥的實(shí)用性。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析擬合，得出全新的、適用于乳化炸藥的氣泡脈動(dòng)周期計(jì)算公式。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 爆炸球罐與炸藥制備

球罐總體呈圓柱狀，高220 cm、罐體最大直徑140 cm、筒壁厚2.2 cm、容積2 m3、工作壓力3.0 MPa。有3個(gè)地腳與地面焊接，筒壁中央有4個(gè)連接窗口，窗口處由連接法蘭密封，各項(xiàng)指標(biāo)均符合HG/T 20592-2009(SO)標(biāo)準(zhǔn)。其中2對(duì)稱窗口用來安裝防爆有機(jī)玻璃，作為觀察窗口，其余2對(duì)稱窗口用來安裝傳感器(見圖1)。

圖1 爆炸球罐實(shí)物

此次實(shí)驗(yàn)采用自行配置的乳化炸藥作為研究對(duì)象，炸藥使用硝酸銨+硝酸鈉+尿素+水在116 ℃下加熱溶解，同時(shí)使用復(fù)合蠟+乳化劑在96 ℃下加熱熔化，將水相油相乳化4 min，然后冷卻到50～60 ℃,隨后加入敏化劑混合，最后進(jìn)行裝藥。具體配方如表1所示。

表1 乳化炸藥配方

1.2 測試系統(tǒng)

在水下爆炸測量中通常選用壓電式傳感器，壓電式傳感器一般由壓電元件、彈性元件、結(jié)構(gòu)件(如殼體等)組成。本次實(shí)驗(yàn)采用ICP壓電式傳感器，ICP(Integrated Circuit Piezoelectric)壓電式傳感器采用非共振、立體敏感的電氣石晶體并裝有微型 ICP 電荷放大器。

波形采集儀為NUBOX-90/91便攜式瞬態(tài)信號(hào)測量儀，可集成ICP、橋壓、電荷調(diào)理、應(yīng)變調(diào)理以及無線通訊、WIFI、GPS通訊功能等。其主要參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器參數(shù)

傳感器與波形采集儀之間通過電纜連接，電纜有兩個(gè)功能即：信號(hào)傳輸和電流/電壓傳輸。傳感器在安裝時(shí)通過帶孔螺栓將傳感器頭部伸入爆炸球罐內(nèi)，ICP接口在外部，帶孔螺栓用防水密封膠密封實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。

注：1-密封盤；2-固定桿；3-懸掛繩；4-炸藥；5-傳感器；6-電纜；7-水。

1.3 系統(tǒng)可行性研究

通過數(shù)顯壓力表實(shí)時(shí)測量罐內(nèi)壓力，雷管入水深度為0.36 m。本部分主要研究靜水壓為0.0、0.1、0.3、0.5、0.7 MPa下雷管的氣泡脈動(dòng)周期情況，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析。

很多學(xué)者對(duì)單質(zhì)固體炸藥的氣泡脈動(dòng)及公式驗(yàn)證做了大量研究，所以本次實(shí)驗(yàn)使用電磁雷管作為校準(zhǔn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的校準(zhǔn)測量。實(shí)驗(yàn)使用8號(hào)雷管(藥量為1.08 gTNT當(dāng)量)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，炸藥初始入水深為0.36 m，通過向爆炸球罐內(nèi)加壓實(shí)現(xiàn)炸藥深度變化。氣泡脈動(dòng)周期計(jì)算公式為以下公式(1)[21]和公式(2)[22]：

(1)

(2)

式中：T為氣泡脈動(dòng)周期，s；m為藥量，kg；h為水深，m；KT=0.295。

使用ICP壓電傳感器進(jìn)行測量，每組測量4組平行數(shù)據(jù)，不同壓力下測得雷管的脈動(dòng)周期如表3所示，并使用軟件擬合深度與脈動(dòng)周期的曲線(見圖4)。

表3 不同深度下雷管脈動(dòng)周期

通過表3和圖3對(duì)8號(hào)雷管的測量數(shù)據(jù)分析可以看出，實(shí)驗(yàn)測量值與公式(1)和公式(2)的計(jì)算值吻合度較高，最大誤差不超過8%。分別計(jì)算實(shí)驗(yàn)測量值與公式(1)和公式(2)的計(jì)算值之間的平均誤差與誤差方差，得出公式(1)和公式(2)的平均誤差分別為3.501 %和1.107 %，誤差方差分別為4.565和3.852，從2組數(shù)據(jù)中可以看出本次實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)均與公式計(jì)算值相符合，公式(2)計(jì)算值更適合本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢源_定本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很高的可信度，實(shí)驗(yàn)布局以及藥包位置的放置均滿足實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下降低邊界效應(yīng)的條件[23]。

圖3 氣泡脈動(dòng)周期與深度關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 波形采集結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)以8號(hào)電磁雷管作為起爆原件，研究3、5、7 g藥量在0.0、0.1、0.3、0.5、0.7 MPa壓力下的爆炸波形，以期獲得符合乳化炸藥的氣泡脈動(dòng)周期計(jì)算公式。由文獻(xiàn)[24]可知1 g乳化炸藥為0.79 g TNT當(dāng)量，所以1發(fā)8號(hào)雷管可算1.367 g乳化炸藥，帶入到公式中可得如表4所示結(jié)果，玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的乳化炸藥在不同藥量、不同壓力下氣泡脈動(dòng)周期實(shí)驗(yàn)測量值與公式(1)和公式(2)對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同藥量、壓力下氣泡脈動(dòng)周期

由表4可以看出同一種炸藥隨著壓力增加氣泡脈動(dòng)周期呈遞減趨勢(shì)，同一壓力下隨著藥量增加氣泡脈動(dòng)周期呈上升趨勢(shì)，說明總體上符合公式(1)與公式(2)所表達(dá)的氣泡脈動(dòng)周期隨藥量增大而增大，隨深度增大而減小的規(guī)律。但通過表中給出的計(jì)算值可以看出3種藥量平均誤差大部分超過10%以上，最大誤差為-35.05%，最小誤差為-0.51%；誤差方差最小為11.276，最大值為20.16，表明誤差之間有很大的偏離度。說明使用上述2個(gè)公式計(jì)算乳化炸藥氣泡脈動(dòng)周期時(shí)誤差較大，所以上述公式比較適用于固體單質(zhì)炸藥，混合含水炸藥不能通過上述公式來計(jì)算氣泡脈動(dòng)周期。

2.2 壓力對(duì)氣泡脈動(dòng)周期的影響

從表4中提取3組炸藥的5種不同壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)值，將每種炸藥的氣泡脈動(dòng)周期數(shù)值與模擬壓力進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4所示。3種炸藥的擬合曲線均呈現(xiàn)遞減狀態(tài)，說明隨著模擬深度的增加氣泡脈動(dòng)周期越短，符合氣泡脈動(dòng)在水下形成規(guī)律。

圖4 外界壓力與氣泡脈動(dòng)周期

圖4中大部分點(diǎn)都在擬合曲線上，0.0、0.1、0.3 MPa時(shí)實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)幾乎與擬合曲線完全重和，說明擬合程度較高；0.5 MPa時(shí)6.367 g和8.367 g藥量正常，4.367 g藥量點(diǎn)較擬合曲線偏小，經(jīng)過分析得出，4.367 g藥量由于藥包較小導(dǎo)致爆轟不完全發(fā)生半爆；0.7 MPa時(shí)3組藥量均發(fā)生拒爆，所以數(shù)值偏小與雷管在水下爆炸時(shí)產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)周期相符。根據(jù)擬合曲線結(jié)果加上數(shù)學(xué)計(jì)算，得到擬合方程如下式(3)所示。

(3)

式中：T為氣泡脈動(dòng)周期，s；k為與藥量有關(guān)的常數(shù)；x為與壓力相關(guān)的未定參數(shù)。

2.3 藥量對(duì)氣泡脈動(dòng)周期的影響

藥量與氣泡脈動(dòng)周期擬合曲線如圖5所示，圖中各數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線偏離較小說明擬合程度較高，擬合曲線均為一次線性關(guān)系，可以得出同一壓力下氣泡脈動(dòng)周期與乳化炸藥藥量呈線性關(guān)系，因此認(rèn)為上述公式(3)中的k值應(yīng)該與乳化炸藥藥量為一次線性關(guān)系。圖5中可以看出在0.0、0.1、0.3 MPa擬合曲線具有一定斜率，且擬合度高；0.5 MPa時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線偏移量較大，斜率較大；0.7 MPa時(shí)擬合曲線呈水平直線，說明當(dāng)壓力達(dá)到0.7 MPa時(shí)3組炸藥脈動(dòng)周期沒有呈現(xiàn)出隨著藥量增加而增加的趨勢(shì)。此結(jié)論與上述結(jié)論一致，即乳化炸藥在0.5 MPa發(fā)生半爆，當(dāng)壓力達(dá)到0.7 MPa時(shí)3組炸藥均發(fā)生拒爆。

圖5 藥量與氣泡脈動(dòng)周期

通過藥量與k值的關(guān)系擬合出曲線(見圖6)，求出k值。最終得出乳化炸藥的氣泡脈動(dòng)周期與藥量、壓力的關(guān)系如式(4)所示。

圖6 k值與藥量

(4)

式中：T為氣泡脈動(dòng)周期，s；m為藥量，kg；p為壓力，MPa。

實(shí)驗(yàn)測量值與公式(4)計(jì)算誤差如表5所示。

表5 誤差驗(yàn)證

續(xù)表5

從表5中可以看出使用公式(4)的計(jì)算值誤差均很小，總藥量為4.367、6.367、8.367 g乳化炸藥平均誤差分別為-6.02%、0.471%、-0.51%?？梢钥闯鱿啾容^公式(1)和公式(2)，公式(4)能更好的計(jì)算乳化炸藥氣泡脈動(dòng)周期隨藥量和壓力的變化。

3 結(jié)論

1)首先使用8號(hào)雷管對(duì)本次實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，消除因?qū)嶒?yàn)本身的因素導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，得到本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置完全合理，與之前學(xué)者研究結(jié)果相符。

2)使用本次實(shí)驗(yàn)裝置開展了玻璃微球(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%)敏化的3、5、7 g乳化炸藥不同靜水壓力下的爆炸實(shí)驗(yàn)研究，得出公式(1)和公式(2)計(jì)算氣泡脈動(dòng)周期的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測量值誤差較大。

3)通過深水壓力與氣泡脈動(dòng)周期關(guān)系、藥量與氣泡脈動(dòng)周期關(guān)系和最終k值確定，3組擬合曲線擬合得出公式(4)，并用實(shí)驗(yàn)室測量值與公式(4)計(jì)算值進(jìn)行驗(yàn)證得出2組數(shù)據(jù)之間誤差較小，只有當(dāng)藥量為3 g時(shí)誤差較大為12.18%，分析原因可能是由于藥包結(jié)構(gòu)較差沒有形成完全爆轟，其余誤差均在5%以下。