环境压力对铅芯延期时间的影响.pdf

第3 0 卷第3 期 2 0 1 3 年9 月 爆破 B L A S T 矾G V 0 1 ．3 0N o ．3 S e p ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 2 7 环境压力对铅芯延期时间的影响 马勇，马志钢，石玉硝，刘媛媛，胡先云 安徽理工大学化学工程学院，淮南2 3 2 0 0 1 摘要 为研究环境压力的变化对铅芯延期时间的影响，采用高速摄影仪记录密闭容器里铅芯的延期时 间，分析了不同压力对不同段别铅芯延期时间的影响。研究结果表明三、四、五段铅芯延期体随着周围环境 压力的增大，对铅芯延期时间都有显著影响。当环境压力在0 ．1 M P a 一0 ．7 M P a 变化时，三、四、五段铅芯延期 时间均变小，且最小值出现在不同压力值下。并且在一定的压力范围内，随环境压力的升高，铅芯延期时间 逐渐变短。 关键词铅芯延期体；环境压力；延期时间；延期段别 中图分类号’I ’J 4 5 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 3 0 1 2 0 0 5 E f f e c to fE n v i r o n m e n t a lP r e s s u r eo nD e l a yT i m eo f L e a dD e l a yE l e m e n t M Ay D 增，M AZ h i - g a n g ，S i l lY u x i a o ，L I UY u a n - y l l 尬r t ，H UX i a n - y u n S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lp r e s s u r ec h a n g eo nt h ed e l a yt i m eo fl e a dd e l a ye l e - m e n t ，t h eh i s hs p e e dc a m e r aw r i t 8u s e dt or e c o r dt h ed e l a yt i m eo fl e a dd e l a yt i m ef r o mt h es e a l e dc o n t a i n e r ．R e s u l t s s h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e ，a l lt h ed e l a yt i m ef o rt h r e e ，f o u ra n df i v es e c t i o n so ft h e l e a dd e l a ye l e m e n th a ds i g n i f i c a n t l ye f f e c t ．W h e ne n v i r o n m e n t a lp r e s s u r er a n g e df r o m0 ．1M P at o0 ．7M P a ，t h ed e l a yt i m eg o ts m a l l e r ，b u tt h em i n i m u mv a l u e sw e r ed i s c o v e r e du n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e s ．I na d d i t i o n ，a se n v i r o n m e n - t a lp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h ed e l a yt i m eo fl e a dd e l a ye l e m e n tb e c a m eg r a d u a l l ys h o r t e rw i t h i nac e r t a i nr a n g e ． K e yw o r d s l e a dd e l a ye l e m e n t ；e n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e ；d e l a yt i m e ；d e l a yp e r i o d 目前我国的延期雷管基本上能满足一般爆破工 程对延期时间精度的需求，而国外的延期雷管精度 已经发展到一个很高的水平，以2 5 1 0 0m s 为例， 国内延时误差为1 2 ．5m s ，国外为2m s ，可见我 国在延期药的制造水平与延期时间精度控制上与发 达国家相比具有明显的差距⋯。如果长期在起爆 器材领域处于劣势，这将会严重阻碍我国爆破器材 行业的发展，甚至可能会被淘汰出市场。因此，为提 收稿日期2 0 1 3 0 5 一0 5 作者简介马勇 1 9 8 7 一 ，男，在读硕士研究生，主要从事民用爆 破器材性能的研究， E m 西1 1 3 6 4 1 2 5 5 4 q q ．t o n i 。 通讯作者马志钢 1 9 6 1 一 ，男，副教授，主要从事民用爆破器材与 应用研究， E m a i l z 印a a a u s t ．e d u ．c a 。 高延期雷管延期时间精度，缩短与发达国家在延期 技术方面的差距，对铅芯延期时间影响因素的研究 势在必行。目前对于铅芯延期时间的影响因素多从 延期药剂的组成及制造工艺、延期元件的结构、是否 卡中腰、气室长度的大小以及点火方式等方面来研 究延期时间的精度旧。4J ，但是都没有把周围环境压 力的变化与铅芯延期时间的关系联系起来。利用高 速摄影仪记录铅芯延期体延期时间，通过改变铅芯 表面的压力值大小来研究环境压力的变化对铅芯延 期时间的影响。并通过建立环境压力与延期时间的 函数关系，来分析影响延期药燃烧速度的因素，为研 制高精度延期雷管打下基础，探讨影响延期药燃烧 万方数据 第3 0 卷第3 期马勇，马志钢，石玉硝，等环境压力对铅芯延期时间的影响 1 2 1 的因素和规律对提高我国工业雷管的制造业具有重 要意义和价值。该研究对于进一步提高延期雷管的 延期时间精度具有很强的指导性。 l 铅芯延期时间的主要影响因子 1 ．1 延期药燃烧速度的大小 我国绝大部分工业延期雷管是采用延期药来实 现延期作用的，燃烧速度是延期药燃烧性能的一个 重要参数。延期药的燃烧过程可分为以下阶段o 1 1 点火阶段在外界能量作用下，延期药的表 面二部分温度升高到某一极限温度以上，发生激烈 化学反应即着火。 2 引燃阶段点火后，火焰传播到药剂的全部 表面。 3 燃烧与传递阶段火焰传播到药剂的内部， 燃烧向药柱纵向推进，延期药燃烧波阵面沿药柱逐 层传递直至燃烧完全。 一般来说，影响延期药燃速的因素主要有药剂 组分、比例、装药密度、粒度、掺合物以及环境温度和 压力等。根据延期药燃烧机理，在同样的实验条件 下，燃速随着环境压力的增大而变快。 1 ．2 环境压力对延期药燃速的影响 当环境压力大于0 ．1M P a 时，燃速随压力的增 加而增大，通常计算燃速的经验公式为∞1 M u o PX 0 ．1 y 1 式中u 。为标准大气压下的燃速，c m ／s ；p 为环境压 力，M P a ；T 为常数，取决于延期药装药密度。 对于同种规格的延期体，在相同装药密度和标 准大气压下的燃速是一定的，所以，延期药燃烧速度 与环境压力成正比。延期药的燃烧反应只在局部区 域内进行，靠热传导、热辐射、热扩散把能量传给未 反应区。随着环境压力的增大，这种能量传递更快， 延期药的燃烧也更快。但是，燃速不会随着压力的 增加而无限增大，因为在有限空间内产生很大的压 力，会从燃烧反方向泄爆，加快能量的损失，降低燃 烧波阵面传播的温度，使燃烧速度下降，而且也会使 延期体末端一段未燃延期药喷出。所以，对于同种 规格的延期体，存在一个压力值点使铅芯延期时间 最小。 2 实验 2 ．1 实验装置 实验装置主要由F a s t C a mS u p e r1 0 K c 型高速摄 影仪、F B 2 2 0 0 型发爆器和密闭容器装置组成，如图1 所示。实验所用高速摄影仪最快拍摄速度可达 1 00 0 0f p s ，为保证实验的精确性，此次实验研究过 程中拍摄速度均为1 0 0 0f p s 。密闭容器为自行设计 加工并可承受高压的铁制器皿，壁厚为1 0m m ，具体 为下端密闭，上端开E I 并带有法兰盘的空心圆柱状， 圆柱底部焊接有充气孔和压力表，侧面焊接两个电 极，法兰盘与上部开口端用透明有机玻璃板隔开，有 机玻璃板厚2 0m l n ，便于观察铅芯的喷火。实验时， 先把装置连接调试好，并通过密闭装置上安装的压 力表观察密闭容器的气密性，拍摄时要确保密闭装 置内的压力稳定，实验前要进行试拍。 图1 高速摄影实验系统 F i g ．1H i s hs p e e dc a n l e r ae x p e r i m e n t a ls y s t e m 2 ．2 实验原理及方法 2 ．2 ．1 实验原理 实验时以导爆管发火的亮光为点火时刻，以铅 芯末端喷火亮光为结束时刻，通过记录照片张数来 得到铅芯延期时间。导爆管传爆的速度远大于铅芯 燃烧速度，所以，导爆管内爆轰波传递时间忽略 不计。 2 ．2 ．2 样品制作 实验所用三芯三、四、五段铅芯延期体均为淮南 舜泰化工有限公司提供，所用铅芯规格均为同批次 生产。实验前要对所选用铅芯进行烘干，减少环境 湿度对延期药造成的影响，避免铅芯延期时间的秒 量漂移。导爆管长度均为1 0 0m m ，由电极击发。将 铅芯和导爆管装配到两端开口的雷管壳中，装配时， 铅芯平面朝上放置，马蹄面朝下，并用卡口机卡紧， 装有导爆管的橡胶塞装配到铅芯平面上，两者之间 不留空隙，如图2 所示。 2 ．2 ．3 测试方法 每次实验时，通过密闭容器底部的充气孔来改 变密闭容器里的压力大小。为了实验时便于观察铅 芯的喷火端，准确记录铅芯延期时间，减少观察误 差，每次实验密闭容器中只并排放人2 发样品。高 速摄影仪镜头距密闭容器1m 处，确保整个平面都 处在镜头范围之内。本次实验密闭装置里设定的环 境压力值分别为0 ．1 0M P a 、0 ．2 0M P a 、0 ．2 5M P a 、 万方数据 爆破 2 0 1 3 年9 月 0 ．3 0M P a 、0 ．3 5M P a 、0 ．4 0M P a 、0 ．4 5M P a 、 0 ．5 0M P a 、0 ．6 0M P a 、0 ．7 0M P a ，每个压力值下取1 0 发做平行实验。 图2 铅芯与导爆管装配图 F i g ．2A s s e m b l yd i a g r a mb e t w e e nl e a dd e h y e l e m e n ta n dn o n e l 3 实验结果及分析 3 ．1 实验结果 利用图1 所示的实验装置，在上述设定环境压 力值下测得三、四、五段铅芯实验数据如表l 、2 、3 所 示，并根据三种铅芯规格的平均延期时间，得到如 图3 所示的折线图。‘ 表1 环境压力与三段铅芯延期时间的测试结果 T a b l e1R e s u l t sb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lp r e s s u r ea n dd e l a y t i m eo ft h r e es e c t i o n so ft h el e a dd e l a ye l e m e n t 对比图3 中三条折线可以看到三、四、五段铅芯 随着环境压力的逐渐增大，延期时间均受到显著影 响。三、四、五段延期体分别在0 ．1 0 0 ．3 5M P a 、 0 ．1 0 ～0 ．4 0M P a 和O ．1 0 ～0 ．4 5M P a 压力范围内延 期时间随压力线性减小，并分别在0 ．3 5M P a 、 0 ．4 0M P a 和0 ．4 5M P a 压力值下出现延期时间最小 值。环境压力与铅芯延期时间的相关性由相关系数 r 值表示。r 可由下述公式得到 表2 环境压力与四段铅芯延期时间的测试结果 T a b l e2R e s u l t sb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lp r e s s u r ea n d d e l a yt i m eo ff o u rs e c t i o n so ft h el e a dd e l a ye l e m e n t 表3环境压力与五段铅芯延期时间的测试结 T a b l e3R e s u l t sb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lp r e s s u r ea n d d e l a yt i m eo ff i v es e c t i o n so ft h el e a dd e l a ye l e m e n t 昌 厘 莒 蹊 域 三段铅芯 四段铅芯 五段铅芯 O ．100 ．2 00 ．3 00 ．4 00 ．5 00 ．6 00 ．7 0 环境压力／M P a 图3环境压力与不同铅芯延期时间对比图 F i g ．3 T h ec o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e ne n v i r o n m e n t a l p r e s s u r ea n dd i f f e r e n tl e a dd e l a yt i m e 舳；2弛2∞鲐如钙加”如 万方数据 第3 0 卷第3 期马勇，马志钢，石玉硝，等环境压力对铅芯延期时间的影响 ∑1 。x i Y i n i ， r 二 二 二 二 , ／t ∑ 。x ；一n i 2 】【∑ 。y 2 i n 亨2 ] 2 式中0 r l ，相关系数r 越接近1 ，说明X 与Y 两者 之间的相关程度越高，反之越低。当r 为0 ．3 0 ．5 之间 时为弱相关，0 ．5 0 ．8 之间时为显著相关，0 ．8 ～1 ．0 之间时为高度相关。把表1 、2 、3 中环境压力值和平均延 期时间代入到式 2 中，得到三、四、五段铅芯压力与延 期时间的相关系数分别为0 ．6 1 、0 ．6 3 、o ．6 2 ，均属于显著 相关，对应的回归直线见图4 ～6 。 ∞ g 重 留 黑 斌 图4 环境压力与三段铅芯延期时间回归直线 F i g ．4R e g r e s s i o nl i n eb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e a n dd e l a yt i m eo ft h r e es e c t i o n so ft h el e a dd e l a ye l e m e n t 图5 环境压力与四段铅芯延期时间回归直线 F i g ．5R e g r e s s i o nl i n eb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e a n dd e l a yt i m eo ff o u rs e c t i o n so ft h el e a dd e l a ye l e m e n t 图6 环境压力与五段铅芯延期时间回归直线 F i g ．6R e g r e s s i o nl i n eb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e a n dd e l a yt i m eo ff i v es e c t i o n so ft h el e a dd e l a ye l e m e n t 3 ．2 结果分析 从图4 、5 、6 中散点的分布可以得出，随着环境 气压的逐渐增大，三种规格的铅芯延期时间呈变小 趋势，并且分别出现拐点。将三、四、五段铅芯分别 在0 ．1 0 0 ．3 5M P a 、0 ．1 0 ～0 ．4 0M P a 、0 ．1 0 ～ 0 ．4 5M P a 压力下的延期时间代人式 2 中，得出相 关系数都非常接近于1 ，相关性非常高。表明延期 药的燃烧受环境压力影响非常大，一般情况下，环境 压力对延期药燃烧速度的影响为燃速随压力的增 加而增大，随压力的降低而减慢。 延期药的燃烧反应发生在直接靠近火焰面的一 层极薄的药剂内，延期药的燃烧过程是一种复杂的 传热、传质和传动量的物理过程和激烈的化学反应 过程。从燃烧传播过程的机理来看，燃烧是以燃烧 反应波的方式进行，热量通过热传导、热辐射及燃烧 气体产物的扩散作用传人未燃烧部分和周围介质 的。燃烧反应区呈薄层状，一层一层地进行，随着环 境压力的逐渐增大，作用在燃烧波阵面上的压力也 越大，使燃烧气体产物的扩散作用越来越强，燃烧过 程中产生的能量传人未燃部分也越来越快，致使延 期药柱的燃烧也越来越快，延期时间变短。但是随 着环境压力的继续增加，燃烧速度不会无限增大，这 是因为延期药是在有限空间内燃烧，压力太大会将 薄层状的燃烧产物向后推移，脱离了未燃烧的药层， 在燃烧和未燃层之间形成空隙，阻碍热量的传导，急 剧上升的压力也会使延期药出现泄爆的情况，燃烧 散热大于燃烧放热，从而使燃速降低。从表1 、2 、3 中能看出在拐点值后随着压力的增加，三种规格铅 芯延期时间上下波动，极差也在不断增大，从动力学 观点来看，燃烧反应波的扩散速率呈现出脉动特性， 热量的供给和氧化性气体的流动受到阻碍，使反应 速率降低，但氧化还原反应的积累，隔一段时间又使 燃烧加速，造成延期药燃烧的不稳定，出现延期药的 燃速忽快忽慢，甚至是突增突降，形成振荡燃烧。 铅芯延期时间长短取决于延期药柱的燃烧速度 快慢和长度大小。本次实验均采用导爆管引燃铅 芯，导爆管直径小，管内装药量少，传爆过程中产生 的微量气体对环境压力的影响可忽略，实验所选用 的铅芯都是同批次同规格延期体，同一段别延期药 柱的切长误差所引起的延期时间误差也可以忽略不 计。延期药燃速的影响因素主要有药剂成分、粒度、 装药密度、掺合物、环境温度以及压力等，实验时只 是改变了铅芯表面的压力大小，其他影响因素则保 持不变，符合变量控制法原则。 4结论 1 在相同的实验条件下，对于同厂同批次三、 四、五段毫秒铅芯延期体，当环境压力在0 ．1 0 ．7 0M P a 变化时，铅芯均能被导爆管引燃，随着密 闭容器里压力值的不断增大，铅芯延期时间均是先 线性减小后振荡减小。三、四、五段铅芯分别在 0 ．3 5M P a 、0 ．4 0 M P a 、0 ．4 5M P a 压力值处出现延期 时间最小值。 万方数据 1 2 4爆破 2 0 1 3 年9 月 上接第4 8 页 [ 2 ] 沈晓松，詹振锵，赵明生，等．数值模拟在朱旺沱宾馆 爆破拆除中的应用[ J ] ．爆破，2 0 1 2 ，2 9 1 2 7 - 3 0 ． [ 2 ] S H E NX i a o - s o n g ，Z H A NZ h e n q i a n g ，Z H A OM i n g s h e n g ，e ta 1 ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o ni ne x p l o s i v ed e m o l i ． t i o no f Z h u w a n g t u oh o t e l [ J ] B l a s t i n g ，2 0 1 2 ，2 9 1 2 7 3 0 ．fi nC h i n e s e [ 3 ] 唐t 海，梁开水．烟囱爆破倾倒折断的力学浅析[ J ] ． 爆破，2 0 0 3 ，2 0 3 9 - 1 1 ． [ 3 ] T A N GH a i ，L I A N GK a i - s h u i ．M e c h a n i c sa n a l y s i so ff a l l - d o w n p r o c e s so fc h i m n e yb yb l a s t i n gd e m o l i t i o n [ J ] ． B l a s t i n g ，2 0 0 3 ，2 0 3 9 - 1 1 ． i nC h i n e s e [ 4 ]王斌，梁开水，张建华．高耸建筑物定向爆破中切口 长度安全范围的研究[ J ] ．中国安全科学学报， 2 0 0 4 5 1 4 - 2 0 ． [ 4 ] W A N GB i n ，L I A N GK a i - s h u i ，Z H A N GJ i a n h u a ．S t u d y o nt h es a f er a n g eo fb l a s t i n gc u tl e n g t hi nd i r e c t i o n a l l y b l a s t i n gt h et o w e r yb u i l d i n g [ J ] ．C h i n aS a f e t yS c i e n c e J o u r n a l ，2 0 0 4 5 1 4 - 2 0 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 谢先启．精细爆破[ M ] ．武汉华中科技大学出版社， 2 0 1 0 1 4 2 1 4 7 ． [ 6 ]叶海旺，薛江波，房泽法．基于L S - D Y N A 的砖烟囱爆 破拆除模拟研究[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 2 3 9 4 2 ． [ 6 ] Y EH a i w a n g ，X U EJ i a n g - b o ，F A N GZ e - f a ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no fb r i c kc h i m n e yb l a s t i n gd e m o l i t i o nb a s e do n L S ．D Y N A [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 8 ，2 5 2 3 9 4 2 ． i nC h i - n e s e [ 7 ]武双章，顾文彬，夏卫国．6 1 m 高砖砌烟囱定向控制爆 破拆除[ J ] ．爆破器材，2 0 1 2 3 3 2 - 3 4 ． [ 7 ] w uS h u a n g z h a n g ，G Uw e n - b i n ，X I AW e i g u o ．D e m o l i t i o no fa6 1mh i s hb r i c kc h i m n e y b yd i r e c t i o n a lc o n - t r o l l e db l a s t i n g [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 1 2 0 3 3 2 3 4 ． i nC h i n e s e [ 8 ] I T O HM ，Y O S S H I D AN ，U T A G A W AN ，S i m u l a t i o no f b l a s td e m o l i t i o no fr e i n o f o r c e dc o f l c e r e t eb u i l d i n g s [ C ] ∥ P o r e e e d n i g so ft h eT h i r dW o r l dC o n g e r s so nC o m p u t a t i o n a lM a c h a n i c s ，1 9 9 4 ，2 5 2 - 5 3 ． [ 9 ]郑炳旭，魏晓林，陈庆寿．钢筋混凝土高烟囱切口支撑 部失稳力学分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 7 ， 2 5 S 1 3 3 4 8 - 3 3 5 4 ． [ 9 ] Z H E N GB i n g X U ，W E IX i a o - l i n ，C H E NQ i n g - s h o u ．M e - c h a n i c a la n a l y s i so fc u t t i n g s u p p o r td e s t a b i l i z a t i o no fh i I s h r e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e y [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 5 S 1 3 3 4 8 - 3 3 5 4 ． i nC h i n e s e [ 1 0 ]谢春明，杨军，薛里．高耸筒形结构爆破拆除的 数值模拟[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 1 2 1 7 3 - 7 8 ． [ 1 0 ] X I EC h u n m i n g ，Y A N GJ u n ，X U EL i ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft o w e r i n gt u b b ys t r u c t u r eb l a s t i n gd e m o l i t i o n [ J ] ． E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 1 2 1 7 3 - 7 8 ． i nC h i - n e s e [ 1 1 ]傅建秋，魏晓林，汪旭光．建筑爆破拆除动力方程近 似解研究 1 [ J ] ．爆破，2 0 0 7 ，2 4 3 1 - 6 ． [ 1 1 ] F UJ i a n - q i u ，W E IX i a o - l i n ，W A N GX u - g u a n g ．S t u d y o nd y n a m i c se q u a t i o na p p r o x i m a t i o no fb l a s t i n gd e m d i - t i o no fs t r u c t u r e s 1 [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 7 ，2 4 3 I - 6 ． i nC h i n e s e 万方数据