水噴霧對(duì)NC-NG雙基火藥燃燒的抑制作用

司振寬　李權(quán)威　杜宇軒

[關(guān)鍵詞]雙基火藥；水噴霧；燃燒抑制：火炸藥燃燒機(jī)理

[分類號(hào)] TQ560.7；TJ55

0引言

作為武器發(fā)射、推進(jìn)、毀傷等的動(dòng)力與能源，火炸藥是各類武器共同需求的技術(shù)和產(chǎn)品，更是國(guó)防安全的重要保障。然而作為一種亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)體系，在一定的能量刺激下，火炸藥能夠獨(dú)立地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并輸出能量。這使得火炸藥在制造、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用等過(guò)程中燃爆事故頻發(fā)。為遏制火炸藥燃燒、爆炸事故的發(fā)生，減少事故帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失，保障火炸藥領(lǐng)域發(fā)展的安全性，亟需展開(kāi)火炸藥火災(zāi)的滅火抑爆技術(shù)研究。

在燃燒理論的基礎(chǔ)之上，滅火技術(shù)各式各樣，其中滅火劑技術(shù)適用較為廣泛。根據(jù)《小量火藥、炸藥及其制品危險(xiǎn)性建筑設(shè)計(jì)安全規(guī)范》等要求，水系統(tǒng)滅火仍然是火炸藥行業(yè)滅火抑爆的主要技術(shù)手段。水的滅火機(jī)制主要有冷卻作用、窒息作用、乳化作用、沖擊作用等。為滿足不同火災(zāi)類型的需求，人們通過(guò)改變水的物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)提高滅火效率，逐漸演化出強(qiáng)化水、潤(rùn)濕水、乳化水、超細(xì)水霧等滅火技術(shù)。然而關(guān)于水系滅火劑對(duì)火炸藥的滅火抑爆技術(shù)研究較為罕見(jiàn)。學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)出針對(duì)火炸藥及其他爆炸物的雨淋滅火系統(tǒng)。程山等從理論層面分析認(rèn)為，水及水系滅火劑是固體推進(jìn)劑火災(zāi)較為理想的滅火劑。Thomas研究證實(shí)，水噴霧可以增加固體炸藥太安（PETN）在同一混合物中直接引爆所需的最低能量。Adiga等發(fā)現(xiàn)，超細(xì)液滴的表面積與體積之比及汽化時(shí)間尺度可以很好地用于沖擊能量的吸收。學(xué)者們認(rèn)為，水霧蒸發(fā)潛熱吸收是抑制有限空間內(nèi)爆炸的主要機(jī)制。Ananth等通過(guò)模擬細(xì)水霧對(duì)密閉空間內(nèi)黑索今（RDX）爆炸的影響，證明蒸發(fā)潛熱是水滴在激波前沿附近吸收能量的主要機(jī)制。Jiba等發(fā)現(xiàn)，細(xì)水霧可以延遲半封閉爆破室中PE4炸藥（基于RDX的高爆炸藥）爆炸后沖擊波的到達(dá)時(shí)間并減弱峰值超壓。Kong等發(fā)現(xiàn)，細(xì)水霧對(duì)密閉空間的梯恩梯（TNT）爆炸起到緩解作用。Schunck等發(fā)現(xiàn)，炸藥在水霧中爆炸時(shí)，水霧可以大大降低初始超壓和最大沖量。然而，對(duì)于水噴霧針對(duì)火炸藥燃燒抑制技術(shù)的應(yīng)用研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

NC-NG雙基火藥以無(wú)煙藥而聞名于世，適用于槍炮與火箭。它的主要成分為硝化棉（NC）和硝化甘油（NG）。本文中，以小尺寸NC-NG雙基火藥藥柱為研究對(duì)象，通過(guò)改變水噴霧的壓力大小及藥柱燃燒的傳播方向，對(duì)雙基火藥進(jìn)行燃燒滅火實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取不同壓力下水噴霧的速度、流量和霧化角，對(duì)比不同條件下NC-NG雙基火藥的燃燒時(shí)間、燃燒面溫度、火焰溫度。對(duì)滅火后的液體收集，進(jìn)行紅外光譜分析，初步探究水噴霧對(duì)NC-NG雙基火藥燃燒的抑制規(guī)律及滅火機(jī)理，為今后針對(duì)含能材料火災(zāi)燃燒的滅火技術(shù)提供思路與方向。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)藥品

NC-NG雙基火藥藥柱：長(zhǎng)4 cm，底面直徑5mm，質(zhì)量1.33g。

1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由燃燒室、輸水系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)組成，如圖1、圖2所示。

輸水系統(tǒng)主要由高壓氮?dú)鈿馄俊?chǔ)水罐、輸水管路、噴頭組成。采用高壓氮?dú)庹{(diào)節(jié)水壓。輸水管道內(nèi)徑為10 mm，實(shí)心錐形水霧噴頭的孔徑為2 mm。噴頭位于燃燒平臺(tái)上方50 cm。

測(cè)試系統(tǒng)主要由溫度采集系統(tǒng)及圖像采集系統(tǒng)組成。在燃燒室正前方搭設(shè)高速攝影儀，用于NC-NG雙基火藥燃燒過(guò)程及水噴霧滅火過(guò)程的圖像采集；利用K型鎧裝熱電偶測(cè)量燃燒面及火焰溫度，HS-30B型熱通量?jī)x測(cè)量火焰的熱通量。然后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集箱將溫度及熱通量數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)主要分為3個(gè)部分：

1）NC-NG雙基火藥的自由燃燒實(shí)驗(yàn)：

2）雙基火藥水平放置時(shí)水壓為0.15、0.30、0.45 MPa和0.60 MPa條件下的水噴霧滅火實(shí)驗(yàn)：

3）雙基火藥豎直放置時(shí)水壓為0.15、0.30、0.45 MPa和0.60 MPa條件下的水噴霧滅火實(shí)驗(yàn)。

在噴頭的正下方將藥柱固定于燃燒平臺(tái)之上，調(diào)試高速攝影儀與溫度采集系統(tǒng)至最佳工作狀態(tài)：然后，將水噴霧壓力依次調(diào)節(jié)至預(yù)定值；藥品擺放完成后，等待點(diǎn)火。引燃火藥后，迅速將電磁閥通電，釋放噴霧，直至火焰熄滅，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。調(diào)整藥柱的擺放方式，然后依次施加不同壓力的水噴霧進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)。滅火實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收集滅火后的溶液并做紅外光譜分析。

2結(jié)果與討論

2.1水噴霧霧化特性測(cè)試

分別在0.15、0.30、0.45 MPa和0.60 MPa的水壓條件下對(duì)水噴霧進(jìn)行無(wú)滅火噴水測(cè)試，獲取水霧的霧化角、流速和最大作用范圍。

表1給出了不同水壓條件下的水霧霧化特性。隨著水壓的增大，水霧的霧化角、流速及單位時(shí)間內(nèi)的流量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。所以，水霧的作用面積隨著水壓的增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

2.2自由燃燒實(shí)驗(yàn)

圖3給出了NC-NG雙基火藥自由燃燒的全過(guò)程。火藥被引燃，發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，放出大量的熱量，產(chǎn)生強(qiáng)烈的光輻射，形成火焰，并在2.00s內(nèi)迅速膨脹變大，呈現(xiàn)V或W型?；鹧婷髁燎彝鈬尸F(xiàn)棕紅色，隨后維持穩(wěn)定；隨著雙基火藥的逐漸燃燒耗盡，火焰變小、亮度降低，最終在13.15 s熄滅?；鹚幍钠骄|(zhì)量燃速約為0.101g/s。

2.3滅火實(shí)驗(yàn)

表2給出了不同滅火條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表2可以看出：滅火實(shí)驗(yàn)組NC-NG雙基火藥的平均質(zhì)量燃速均低于自由燃燒條件的平均質(zhì)量燃速。這是因?yàn)?，水噴霧與高溫火焰接觸，吸收大量熱量用于自身蒸發(fā)、汽化，降低火焰溫度，并且高速水滴穿透火焰到達(dá)藥柱燃燒面的固相反應(yīng)區(qū)，浸濕藥柱未燃部位，再次通過(guò)蒸發(fā)、汽化對(duì)藥柱持續(xù)冷卻降溫，從而減少藥柱固相反應(yīng)區(qū)向預(yù)熱區(qū)的熱量傳遞，降低藥柱預(yù)熱區(qū)及固相反應(yīng)區(qū)的物理及化學(xué)反應(yīng)速率，最終達(dá)到抑制雙基火藥燃燒分解的目的。通過(guò)對(duì)比平均質(zhì)量燃燒速率發(fā)現(xiàn)：水噴霧壓力越大，NC-NG雙基火藥的平均質(zhì)量燃速越小。

經(jīng)分析，有以下3點(diǎn)原因：

1）增大壓力可以提高水霧沿火焰軸線方向的霧動(dòng)量，從而提高切割及穿透火焰的能力；

2）增大壓力可以增大霧化角，提高水噴霧的覆蓋范圍，加快燃燒區(qū)域的冷卻降溫，提高滅火效率；

3）增大壓力還會(huì)使高速水噴霧帶動(dòng)周?chē)目諝饪焖倭鲃?dòng)，對(duì)火焰的吹熄作用更加明顯。

對(duì)比藥柱豎直燃燒與水平燃燒的滅火效果發(fā)現(xiàn)：藥柱沿水平方向燃燒時(shí)，水噴霧滅火效果更好；藥柱豎直燃燒時(shí)，水噴霧的滅火效果不佳，甚至滅火失敗?？赡苁且?yàn)樗幹Q直燃燒時(shí)，水霧呈發(fā)散狀態(tài)，液滴之間存在空隙，并且藥柱自身截面積較小，滅火劑與火焰作用效率降低。所以，在利用水噴霧對(duì)NC-NG雙基火藥進(jìn)行滅火時(shí)，可以調(diào)整噴射角度，使盡可能多的水噴霧與火焰作用，從而提高滅火效率。

2.4滅火劑與火焰作用過(guò)程

圖4記錄了水壓為0.60 MPa、藥品水平放置的滅火過(guò)程。噴嘴出水時(shí)刻為1.00s，每組照片的間隔時(shí)間為1.00s，圖4中顯示：水噴霧到達(dá)火焰之前，經(jīng)標(biāo)定，火焰高度約為7.2cm，火焰亮度較強(qiáng)，且在豎直方向上波動(dòng)穩(wěn)定；釋放噴霧之后，火焰在水噴霧的壓力及切割作用下，火焰形狀受到壓制而發(fā)生擾動(dòng)，并迅速變小，火焰高度縮短至2.5 cm左右；同時(shí)水噴霧不斷地進(jìn)入火焰內(nèi)部，對(duì)火焰及燃燒面進(jìn)行冷卻降溫，火焰亮度迅速降低。隨著滅火時(shí)間的增加，火焰形狀逐漸變小、亮度變暗，直至熄滅。

2.5溫度及熱通量變化分析

在藥柱自由燃燒及水壓0.15、0.30、0.45 MPa和0.60 MPa條件下，對(duì)水平放置藥品的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行分析，如圖5～圖7所示。自由燃燒條件下，火焰溫度在9s內(nèi)迅速升高至最大值1040.9℃，燃燒面溫度達(dá)到最大值943.1℃，火焰的熱通量也達(dá)到221.5W／m²的最大值。此過(guò)程中，火焰溫度的最大上升速率為252.7℃／s，燃面溫度的最大上升速率為283.3℃／s，火焰及燃面溫度穩(wěn)定一段時(shí)間后逐漸下降，直至最終燃燒殆盡、火焰熄滅。而當(dāng)雙基火藥水平放置被引燃后，釋放水噴霧進(jìn)行滅火，火焰、燃面溫度及火焰熱通量上升速率瞬間降低，然后短暫的緩慢升溫之后，溫度開(kāi)始迅速降低，最終除水壓為0.15MPa的實(shí)驗(yàn)組外，火焰均被熄滅。由圖8和圖9可以看出，隨著水壓的增大，火焰及燃燒面的升溫速率明顯降低，且火焰及燃面的最高溫度同樣低于自由燃燒的最高溫度。

因?yàn)樗畤婌F滅火劑作用于NC-NG雙基火藥燃燒火焰時(shí)，燃燒產(chǎn)生的大量熱量被水霧吸收，用于水霧的蒸發(fā)與汽化，火焰溫度迅速降低，火焰的大量熱量不能持續(xù)地傳遞至燃燒面，燃燒面處的熱分解反應(yīng)受到抑制，進(jìn)而阻礙分解反應(yīng)過(guò)程中大量熱量的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致燃燒反應(yīng)的終止。如表1所示，增大水壓時(shí)，水噴霧的流速、流量增大，霧化角也增大，相同時(shí)間內(nèi)有更多的滅火劑與火源作用，火焰及燃面的最高溫度均隨著水壓的增大而減小，在滅火劑的作用之下，火焰及燃面的最大升溫速率同樣隨著水壓的增大而減小。所以，在一定壓力范圍之內(nèi)，水壓越大，水噴霧對(duì)NC-NG雙基火藥的滅火效果越好。

2.6熄火面樣貌特征

圖10為NC-NG雙基火藥熄火面的形貌特征。熄火面表層黏附一層蜂窩狀的黑色固體，主要成分為碳，為NC-NG雙基火藥燃燒過(guò)程的中間產(chǎn)物。由于滅火劑的冷卻降溫作用，導(dǎo)致碳無(wú)法繼續(xù)反應(yīng)生成CO或CO₂氣體而滯留于熄火面，然后分解過(guò)程產(chǎn)生大量的氣體從覆蓋在燃燒面的碳層溢出，最終導(dǎo)致熄火面呈現(xiàn)多孔形狀。另外，還有部分原因可能是分解產(chǎn)生的大量NO₂氣體被滅火劑吸收消耗，之后分解反應(yīng)受到抑制，使得放熱量大大減少，最終導(dǎo)致大量的碳?xì)埩粲谙ɑ鹈妗?/p>

2.7滅火后的溶液紅外光譜分析

收集部分滅火后的溶液發(fā)現(xiàn)，溶液顏色明顯不同于清水，反而呈現(xiàn)為淡黃色。圖11是水噴霧滅火后溶液的紅外光譜圖。在波數(shù)為1390 cm^-1和858cm^-1出現(xiàn)特征峰，該特征峰正是NO₃^-的紅外吸收特征峰。分析原因可能是：滅火過(guò)程中，NC-NG雙基火藥的固相反應(yīng)區(qū)分解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物是NO₂，除參與燃燒反應(yīng)之外，一部分溶于水中，使殘液呈現(xiàn)淡黃色，還有一部分與H₂O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硝酸和NO氣體。由于NO₂是NC-NG雙基火藥燃燒的關(guān)鍵中間產(chǎn)物，并在NC-NG雙基火藥燃燒波的嘶嘶區(qū)參與反應(yīng)，放出大量熱量。當(dāng)NO₂被滅火劑消耗掉后，后續(xù)燃燒反應(yīng)受阻，最終導(dǎo)致燃燒反應(yīng)中斷，達(dá)到滅火效果。

3結(jié)論

以NC-NG固體雙基火藥為研究對(duì)象，將火藥平鋪于燃燒平臺(tái)，模擬火災(zāi)由點(diǎn)到面的發(fā)展過(guò)程。通過(guò)分析熱電偶溫度、熱通量數(shù)據(jù)及高速攝影圖像之間的聯(lián)系，結(jié)合雙基火藥的燃燒模型、燃燒機(jī)理，得出以下結(jié)論：

1）水噴霧可以通過(guò)冷卻降溫、火焰切割、潤(rùn)濕3個(gè)方面對(duì)NC-NG雙基火藥的燃燒起到較好的抑制作用。并且，水噴霧壓力越大，對(duì)NC-NG雙基火藥藥柱的滅火效果越好。

2）調(diào)整水噴霧噴頭的方向.可以使水噴霧最大限度地與NC-NG雙基火藥火焰作用，從而提高滅火效率。

3）結(jié)合NC-NG雙基火藥的燃燒機(jī)理模型，從滅火后溶液的紅外光譜分析推測(cè)得到：在NC-NG雙基火藥的滅火過(guò)程中，水噴霧可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)消耗NC-NG雙基火藥燃燒過(guò)程的中間產(chǎn)物NO₂，進(jìn)而在一定程度上抑制NC-NG雙基火藥的燃燒，最終實(shí)現(xiàn)滅火。