炸藥殉爆的研究進展與展望?

汪成運 魏志豐 何鵬鵬

中國五洲工程設(shè)計集團有限公司(北京，100053)

引言

殉爆是指一炸藥(主發(fā)裝藥)爆炸，通過各種介質(zhì)使爆轟傳遞給另一炸藥(被發(fā)裝藥)，引起被發(fā)裝藥爆炸的現(xiàn)象[1]。被發(fā)裝藥殉爆時，主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥之間的最大距離稱為殉爆距離R。被發(fā)裝藥100%殉爆時，殉爆距離記作R100；被發(fā)裝藥50%殉爆時，殉爆距離記作R50。被發(fā)裝藥不殉爆時，主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥之間的距離稱為殉爆安全距離，記作R0。

在炸藥生產(chǎn)、使用和儲存中，當(dāng)殉爆發(fā)生時，往往會導(dǎo)致更多的人員傷亡、更大的財產(chǎn)損失。通過研究炸藥殉爆，分析殉爆過程、機理、主要影響因素和確定殉爆距離等，采取科學(xué)的防殉爆措施，防止殉爆發(fā)生，能更大程度地保障人員和財產(chǎn)的安全。

1 殉爆機理

主發(fā)裝藥爆炸產(chǎn)生沖擊波、爆炸產(chǎn)物流、高速飛散物等；被發(fā)裝藥在沖擊波、爆炸產(chǎn)物流或高速飛散物的一種或多種因素的作用下，內(nèi)部溫度升高。

如果被發(fā)裝藥為均質(zhì)炸藥，被發(fā)裝藥受沖擊后整體溫度升高，最先受到?jīng)_擊的部位快速完成反應(yīng)，產(chǎn)生高速爆轟波，在未受沖擊的被發(fā)裝藥內(nèi)發(fā)展成穩(wěn)定的爆轟[2]。

如果被發(fā)裝藥為非均質(zhì)炸藥，被發(fā)裝藥由于物理上的不均勻性，受沖擊后局部產(chǎn)生熱點。在熱點及附近的炸藥產(chǎn)生緩慢的化學(xué)分解并釋放出能量，這些能量加速炸藥溫度升高，使熱點擴展，逐漸引發(fā)燃燒，進而引起爆轟[3]?；谶@種熱點理論，F(xiàn)rey[4]提出了孔洞塌縮機理；Barua等[5]提出了摩擦生熱機理；Bourne等[6]提出了氣泡壓縮機理；Deribas等[7]提出了剪切摩擦機理；Zhou等[8]提出了微噴射機理等。這些機理中，孔洞塌縮機理目前是熱點形成的主要機理[9]。

2 炸藥殉爆的主要影響因素

炸藥的殉爆，與主發(fā)裝藥、被發(fā)裝藥、兩炸藥間的惰性介質(zhì)和炸藥的擺放形式等因素有關(guān)[10]。工業(yè)炸藥殉爆影響因素的研究主要集中在主、被發(fā)裝藥的配方及擺放方式。

工業(yè)炸藥主、被發(fā)裝藥配方方面，配方中的含水量和發(fā)泡劑構(gòu)成等是炸藥殉爆的重要影響因素。研究表明[11]:改性胺油炸藥水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.04%~0.20%時，炸藥殉爆距離隨著水分的增加呈現(xiàn)先減小、再增大、然后減小的趨勢；當(dāng)炸藥水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%時，炸藥出現(xiàn)拒爆。沈斌等[12]的研究表明:MRB型Ⅱ號巖石乳化炸藥發(fā)泡劑中亞硝酸鈉及助泡劑中磷酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均控制在30%～35%為宜，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和殉爆距離的提高。

工業(yè)炸藥主、被發(fā)裝藥擺放方式方面的研究表明，軸向擺放藥卷的殉爆距離大于徑向擺放藥卷的殉爆距離，均大于垂直擺放藥卷的殉爆距離[13-14]。

3 炸藥殉爆距離的測定方法

非工業(yè)炸藥的殉爆距離目前沒有統(tǒng)一的測定方法。工業(yè)炸藥常用的殉爆距離測定方法有沙地法和懸吊法。兩種方法的優(yōu)、缺點見表1。

倪歐琪等[17]用半圓槽取代了懸吊法里的硬桿材料，保證了主、被發(fā)裝藥在同一軸心上。李仕洪等[19]采用紙箱板等代替懸吊法里的剛性桿，提高了測定結(jié)果的準(zhǔn)確度，降低了測定誤差。羅曉碧等[20]采用紙管懸吊法、PVC懸吊法和沙地法對4＃巖石粉狀銨梯油炸藥、三級煤礦許用乳化炸藥、粉狀乳化炸藥進行了殉爆距離測定。測定結(jié)果表明，紙管懸吊法測定質(zhì)量高、成本低。

4 炸藥殉爆距離的計算公式

國內(nèi)外學(xué)者通過一系列的殉爆試驗，得出了各種炸藥在空氣介質(zhì)中的殉爆距離計算公式。

4.1 殉爆距離與炸藥質(zhì)量的關(guān)系

國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，殉爆距離與炸藥質(zhì)量的關(guān)系為

式中:R為殉爆距離，m；W為炸藥的質(zhì)量，kg；K和n為系數(shù)。

前蘇聯(lián)《爆破作業(yè)統(tǒng)一安全規(guī)程》中，R0的計算公式[21]

式中:W1，W2，…Wn為不同種炸藥的質(zhì)量，kg；K1，K2，…，Kn為不同炸藥的系數(shù)。

李錚等[22]通過一系列的殉爆試驗，得出散裝單質(zhì)炸藥R的計算公式為

王澤溥等[3]通過殉爆試驗，得出散裝鱗片狀梯恩梯的R100和R0的計算公式為

4.2 殉爆距離與炸藥威力、爆速的關(guān)系

格普塔等[23]研究了硝化甘油基炸藥的殉爆距離與炸藥威力、爆速的關(guān)系。

在主、被發(fā)裝藥量為5 kg時，殉爆距離與炸藥威力、爆速的關(guān)系分別為

式中:S為炸藥威力，TNT當(dāng)量；v為炸藥爆速，m/s。

4.3 殉爆距離與多因素的關(guān)系

張福宏[24]建立了炸藥藥卷在炮眼中殉爆距離的計算公式:

式中:r為標(biāo)準(zhǔn)實驗室殉爆距離，cm；d為藥卷直徑，mm；D為炮眼直徑，mm；L為藥卷長度，cm。

5 殉爆的數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬，可以獲得炸藥殉爆過程的細(xì)節(jié)，研究殉爆中的反應(yīng)規(guī)律，在一定程度上減少殉爆試驗數(shù)量。

5.1 模擬軟件、模型、狀態(tài)方程

用于殉爆數(shù)值模擬的主要軟件有ALE3D、CTH、LS-DYNA、DYNA2D/3D。在這些軟件基礎(chǔ)上，需要構(gòu)建計算模型，使用狀態(tài)方程。

描述殉爆的模型主要有Forest-Fire[25]、JIF[26]、IG[27]。Forest-Fire模型不適合描述炸藥低壓沖擊起爆過程，但可以預(yù)估炸藥的爆轟距離和時間；JIF模型是一種多過程反應(yīng)速率模型，模型中包含很多常數(shù)，但這些常數(shù)在不同條件下的適用性需進一步驗證。IG模型在炸藥殉爆的數(shù)值模擬中應(yīng)用最為廣泛，但若炸藥的初始條件或結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，模型參數(shù)需要重新設(shè)置。

描述殉爆產(chǎn)物狀態(tài)方程主要有JWL狀態(tài)方程[28]。JWL狀態(tài)方程形式簡單，不受爆炸產(chǎn)生的氣體組分影響。

5.2 主要臨界殉爆判據(jù)

數(shù)值模擬中，被發(fā)裝藥的臨界殉爆判據(jù)依托于炸藥起爆判據(jù)的研究進展。

Walker等[29]以熱起爆理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了p-t判據(jù)，該判據(jù)適用于炸藥在短脈沖作用下的沖擊起爆。Foan等[30]在Walker等理論的基礎(chǔ)上使用積分的方法拓寬了p-t判據(jù)的適用范圍；使用積分方法后，p-t判據(jù)適用于炸藥在衰減壓力脈沖作用下的沖擊起爆。

James[31]在Walker等的起爆臨界判據(jù)基礎(chǔ)上提出了質(zhì)點比動能的概念，將炸藥內(nèi)部質(zhì)點的動能作為判定依據(jù)。該判據(jù)不受壓力范圍限制。

Kim等[32]研究發(fā)現(xiàn)，功率通量可以表征沖擊過程中加載面單位面積的輸入速率，提出了Π-t判據(jù)。Π-t判據(jù)將輸入炸藥的能量分解為能量輸入速率和脈沖持續(xù)時間，更接近沖擊起爆的實際過程。

5.3 殉爆數(shù)值模擬

5.3.1 殉爆過程

通過數(shù)值模擬，可以計算被發(fā)裝藥內(nèi)部壓力的變化過程，進而研究殉爆發(fā)展過程。模擬計算的壓力，通過試驗中實測的數(shù)值進行驗證。

Kim等[33]使用數(shù)值模擬的方式研究了炸藥(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%RDX、20%Al、16%HTPB)的殉爆過程，分析了殉爆過程中被發(fā)裝藥的壓力變化過程(圖1)，清晰地反映了被發(fā)裝藥在不同時刻的殉爆情況。

圖1 不同時刻主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的壓力等高線Fig.1 Pressure contours of donor charge and acceptor charge at different times

Ko等[34]使用數(shù)值模擬研究了RDX炸藥的水下殉爆過程，模擬出了殉爆過程中主、被發(fā)裝藥及惰性介質(zhì)在不同時刻的壓力變化情況(圖2)，清晰地描述了RDX炸藥水下殉爆過程。

圖2 RDX炸藥的水下殉爆過程Fig.2 Underwater sympathetic detonation process of RDX

陳朗等[35]以固黑鋁炸藥為主、被發(fā)裝藥，通過數(shù)值模擬得出了被發(fā)裝藥爆轟波的傳播規(guī)律:爆轟波首先沿與炸藥底面法線45°角的方向向下傳播，使底部炸藥先爆炸；然后轉(zhuǎn)為向上傳播；最終起爆整個藥柱。

5.3.2 破片形成

數(shù)值模擬可以研究帶殼主發(fā)裝藥破片的形成過程，以及被發(fā)裝藥受破片沖擊至殉爆的過程。數(shù)值模擬中，可以改變主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥之間的距離、主發(fā)藥殼體破片的速度和質(zhì)量、被發(fā)藥殼體的防護性能等因素，評估這些因素對殉爆的影響。

張立建等[36]采用數(shù)值模擬對柱殼裝藥的殉爆過程進行了研究，探討了尺寸效應(yīng)和彈間距對殉爆結(jié)果的影響。結(jié)果表明:兩種不同尺寸的彈體破裂后的碎片尺寸和形狀差異較大。對于小尺寸彈體，主發(fā)彈爆炸破裂形成的碎片尺寸較小，撞擊被發(fā)彈后的壓力波疊加造成殉爆。對于大尺寸彈體，主發(fā)彈爆炸破裂形成的碎片尺寸較大，撞擊被發(fā)彈后的壓力波匯聚效應(yīng)較強，同相鄰碎片的壓力波相互疊加，從而導(dǎo)致殉爆。

Kim等[33]使用數(shù)值模擬的方式研究了圓柱形鋼套管裝藥(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64% RDX、20% Al、16%HTPB)殉爆中破片的形成過程(圖3)，并通過殉爆試驗搜集到的破片尺寸進行了驗證。

圖3 鋼套管裝藥的三維破片過程Fig.3 3D fragmentation process of steel casting charge

Chen等[37]以殼裝固黑鋁炸藥為主、被發(fā)裝藥，模擬了破片的形成過程和破片對被發(fā)裝藥的影響。其中，主發(fā)裝藥為單個炸藥，被發(fā)裝藥為多個炸藥。隨著主、被發(fā)裝藥距離的增加，被發(fā)裝藥由完全殉爆轉(zhuǎn)向部分殉爆，最終變?yōu)椴谎潮?/p>

王晨等[38]以殼裝固黑鋁炸藥為主、被發(fā)裝藥，模擬了主發(fā)裝藥殼體破片和被發(fā)裝藥不同時刻的變形情況(圖4)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著殼體厚度的增加，被發(fā)裝藥的臨界殉爆距離整體呈增大趨勢。被發(fā)裝藥的起爆主要與主發(fā)裝藥殼體破片的速度和質(zhì)量、被發(fā)裝藥殼體的防護性能有關(guān)。

圖4 主發(fā)裝藥殼體破片和被發(fā)裝藥不同時刻的變形Fig.4 Deformation diagram of the fragment and the shell of the donor charge and acceptor charge at different times

5.3.3 殉爆的影響因素

國內(nèi)外學(xué)者數(shù)值模擬了主發(fā)裝藥爆轟壓力、主發(fā)裝藥爆轟速度、被發(fā)裝藥爆轟感度、主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的形狀、隔板厚度、裝藥直徑、屏蔽板厚度以及復(fù)合裝藥對殉爆的影響，并通過試驗進行了驗證。

周保順等[39]數(shù)值模擬了兩種不同主發(fā)裝藥(TNT和PETN)和同種被發(fā)裝藥(PBX9404)在爆轟沖擊波作用下的殉爆過程。研究表明，殉爆距離主要與主發(fā)裝藥的爆轟壓力、被發(fā)裝藥的爆轟感度和主、被發(fā)裝藥的形狀等因素有關(guān)。

Kubota等[40]以B炸藥為主、被發(fā)裝藥，有機玻璃為隔板，進行了一系列殉爆試驗，并對殉爆過程進行了模擬研究。研究表明:隔板臨界厚度和裝藥直徑的對數(shù)呈線性關(guān)系。

姜穎資等[41]利用數(shù)值模擬研究了不同運動速度下的主發(fā)裝藥(TNT、PBX9404)對帶殼被發(fā)裝藥(B炸藥)的殉爆影響。研究表明:主發(fā)裝藥的運動速度對帶殼被發(fā)裝藥的臨界殉爆距離有顯著影響，主發(fā)裝藥運動速度越快，被發(fā)裝藥的臨界殉爆距離越大。

陳興旺等[42]通過數(shù)值模擬對屏蔽裝藥(TNT)的殉爆過程進行了研究。結(jié)果表明:無屏蔽板接觸作用下得到的殉爆距離更小，且殉爆距離隨著屏蔽板厚度的增加而減小。

李興隆等[43]通過殉爆試驗和數(shù)值模擬研究了疊層復(fù)合裝藥(PBX)對臨界殉爆距離的影響。研究發(fā)現(xiàn):與單一高能裝藥相比，將高能炸藥和鈍感炸藥疊加裝藥可有效減小臨界殉爆距離；但同時，其能量會被降低一定比例。

5.3.4 被發(fā)裝藥分解

國外學(xué)者通過數(shù)值模擬研究了殉爆試驗中被發(fā)裝藥的分解情況，并通過殉爆試驗進行驗證。驗證試驗中，采用高速攝影表征沖擊波傳播位置，通過壓力傳感器獲得被發(fā)裝藥內(nèi)部的壓力變化[44-45]。研究表明，若被發(fā)裝藥發(fā)生了殉爆，主發(fā)裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波通過被發(fā)裝藥后，被發(fā)裝藥快速完成反應(yīng)，形成爆轟。若未發(fā)生殉爆，一般情況下被發(fā)裝藥未發(fā)生反應(yīng)。但在未發(fā)生殉爆的臨界點附近，被發(fā)裝藥發(fā)生了部分分解。

Kubota等[46]進行了一系列炸藥(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91%的RDX和9%的塑化劑)的隔板殉爆試驗，并通過數(shù)值模擬研究了不同隔板厚度下被發(fā)裝藥的殉爆情況。研究表明:當(dāng)隔板厚度≥22.8 mm時，被發(fā)裝藥未發(fā)生殉爆。圖5(a)中，隔板厚度為22.0 mm，被發(fā)裝藥發(fā)生了殉爆；圖5(b)中，隔板厚度為23.0 mm，被發(fā)裝藥雖未發(fā)生殉爆，但發(fā)生了部分反應(yīng)。圖5中，被發(fā)裝藥中的白色對應(yīng)于高密度區(qū)域。

圖5 被發(fā)炸藥的沖擊傳播過程Fig.5 Shock propagation process of acceptor charge

Kubota等[47]通過數(shù)字模擬研究了B炸藥的水下殉爆過程。研究表明:當(dāng)被發(fā)炸藥厚度為10 mm，主、被發(fā)裝藥間距≤20 mm時，水下沖擊波速度幾乎相同。在主、被發(fā)裝藥間距為25 mm時，水下沖擊波速度顯著降低。這是因為在主、被發(fā)裝藥間距≤20 mm時，被發(fā)裝藥在主發(fā)裝藥爆炸沖擊波通過后，快速被殉爆，形成爆轟波。當(dāng)主、被發(fā)裝藥間距變成25 mm后，被發(fā)裝藥受到的沖擊壓力變小，被發(fā)裝藥僅部分發(fā)生分解，未形成完整爆轟。

6 炸藥殉爆的研究展望

6.1 殉爆研究存在的問題

關(guān)于炸藥殉爆的研究無法滿足炸藥生產(chǎn)、使用和儲存對殉爆的實際需求。

1)裝藥數(shù)量級的差異。目前研究中，主、被發(fā)裝藥質(zhì)量大部分都在千克級以下，而實際場景中主、被發(fā)裝藥的質(zhì)量大部分為100 kg～10 t量級。

2)殉爆場景的差異。目前研究中炸藥形態(tài)為單一形態(tài)(裸藥或殼裝)，殉爆惰性介質(zhì)多為單一介質(zhì)(空氣或者水)，殉爆因素為單一因素(沖擊波或破片)；而實際場景中，炸藥形態(tài)為多形態(tài)(存在于各種設(shè)備中)，殉爆惰性介質(zhì)多為多介質(zhì)(水、空氣、隔墻等同時存在)，殉爆因素為多因素(沖擊波、爆轟產(chǎn)物流和破片都存在)。

3)防殉爆措施研究的缺失。目前研究集中于殉爆本身，缺少防殉爆措施的研究。

4)炸藥工程安全設(shè)計需求的差異。與炸藥生產(chǎn)、使用和儲存密切相關(guān)的安全規(guī)范主要有《民用爆炸物品工程設(shè)計規(guī)范》[48]和《軍工燃燒爆炸物品工程設(shè)計安全規(guī)范》[49]。這兩本規(guī)范中，影響建(構(gòu))筑物內(nèi)、外部安全距離的關(guān)鍵因素是計算藥量。計算藥量指的是建(構(gòu))筑物內(nèi)、外可能同時爆炸或燃燒的危險品最大藥量。目前的研究尚不能定量預(yù)測建(構(gòu))筑物內(nèi)的不同房間或地點存放的炸藥殉爆情況，進而無法確定工房計算藥量。

在工程設(shè)計中，由于沒有殉爆數(shù)據(jù)支撐，一般將工房的總存藥量等同于計算藥量。導(dǎo)致設(shè)計中建(構(gòu))筑物的內(nèi)、外部安全距離較實際情況偏大，大量建設(shè)用地浪費，甚至出現(xiàn)了許多企業(yè)因為外部安全距離不符合要求，而無法進行項目建設(shè)，只能通過新征地或拆遷企業(yè)周圍住戶的形式解決。

6.2 炸藥殉爆的研究展望

目前，關(guān)于炸藥殉爆的研究多集中在不同影響因素對殉爆的影響、數(shù)值仿真模型、狀態(tài)方程的構(gòu)建和仿真效果等方面，而符合炸藥生產(chǎn)實際需求的殉爆研究較少。建議后續(xù)的殉爆研究從以下幾個方面展開。

1)殉爆研究應(yīng)更貼近實際需求。裝藥數(shù)量級方面，提高殉爆研究中的裝藥數(shù)量級；炸藥形態(tài)方面，采用與實際需求更接近的形態(tài)，如在生產(chǎn)設(shè)備中；殉爆惰性介質(zhì)考慮多介質(zhì)，如同時考慮空氣與隔墻；殉爆因素考慮多因素，如同時考慮沖擊波和破片效應(yīng)。

2)應(yīng)加強防殉爆措施的研究。研究不同防殉爆措施的效果及機理，為工程實踐提供依據(jù)。

3)殉爆研究應(yīng)與工程安全設(shè)計需求結(jié)合。研究建筑物內(nèi)不同隔間內(nèi)的炸藥是否會發(fā)生殉爆，不同生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)炸藥是否會發(fā)生殉爆，某一建筑物內(nèi)炸藥發(fā)生爆炸對周邊炸藥生產(chǎn)或儲存工房的殉爆或毀傷效應(yīng)，為工程安全設(shè)計提供理論依據(jù)。

4)數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有的本構(gòu)模型僅考慮了一種熱點機理，而炸藥殉爆是多種熱點機理耦合作用的結(jié)果。研究多熱點耦合機理，分析各種熱點機理對炸藥殉爆過程的貢獻，構(gòu)建更加符合實際的多熱點耦合本構(gòu)模型，從而更準(zhǔn)確地表征炸藥的殉爆過程及預(yù)測殉爆結(jié)果。

7 結(jié)論

通過綜述炸藥殉爆的研究進展，分析目前炸藥殉爆研究中的不足，得出以下結(jié)論。

1)在殉爆機理方面，均質(zhì)炸藥基于熱爆炸理論形成；非均質(zhì)炸藥主要是基于熱點理論形成。

2)在炸藥殉爆影響因素方面，炸藥的殉爆主要是主發(fā)裝藥、被發(fā)裝藥和介質(zhì)綜合作用的結(jié)果。

3)在炸藥殉爆距離測定方法方面，工業(yè)炸藥以沙地法和懸吊法為主，兩種方法各有利弊。

4)在炸藥殉爆距離計算公式方面，殉爆距離與炸藥量關(guān)系密切，以炸藥質(zhì)量的不同次方根表征得到的公式有所差異，且殉爆距離受到炸藥質(zhì)量、威力、爆速、爆轟感度和炸藥間的介質(zhì)等多種因素的影響。

5)在殉爆數(shù)值模擬方面，主要是研究殉爆過程、破片形成過程、不同因素對殉爆的影響、被發(fā)裝藥在未殉爆情況下的反應(yīng)情況等內(nèi)容。

6)在炸藥殉爆研究展望方面，建議提高主、被發(fā)裝藥的數(shù)量級；采用與實際需求更接近的炸藥形態(tài)；同時考慮多種殉爆惰性介質(zhì)；同時考慮多種殉爆影響因素；加強防殉爆措施研究；考慮工程安全設(shè)計需求；構(gòu)建多熱點耦合本構(gòu)模型。