高温环境对普通导爆管雷管点火可靠性的影响.pdf

doi10． 3969／ j． issn． 1001- 8352． 2018． 04． 010 高温环境对普通导爆管雷管点火可靠性的影响 * 倪 磊 唐 胜 况荣高 赵鹏飞 曾晓渝 廖 帆 重庆顺安爆破器材有限公司（重庆北碚，400713） ［摘 要］ 采用 951- 000、112A 和 Q210 3 种粒料拉制普通导爆管，测试不同环境温度条件下的爆速、抗击穿性能， 研究不同环境温度下 3 种粒料拉制的导爆管对钨系、硅系、锑系及硼系延期体的发火可靠性。 研究表明随着温度 的升高，3 种粒料拉制的导爆管爆速和抗击穿性能均有不同程度下降，其中，951- 000 的性能优于 112A 的性能， 112A 的性能优于 Q210 的性能。 对 4 类延期体进行发火可靠性测试温度 t≥60 ℃时，钨系和锑系延期体出现拒 爆；t≥70 ℃时，硼系延期体出现拒爆；t≥80 ℃时，硅系延期体出现拒爆。 且拒爆率均有随着温度升高而增加的趋 势。 同一类延期体，相同环境温度下，Q210 的拒爆率最大，951- 000 的拒爆率最小。 ［关键词］ 普通导爆管；粒料；温度；爆速；破孔数；拒爆率 ［分类号］ TJ45 ＋7 Influence of High Temperature on Ignition Reliability of Ordinary Nonel Detonator NI Lei， TANG Sheng， KUANG Ronggao， ZHAO Pengfei， ZENG Xiaoyu， LIAO Fan Chongqing Shun an Explosion Equipment Co． ， Ltd．（Chongqing Beibei， 400713） ［ABSTRACT］ Detonating tubes were produced by 951- 000， 112A and Q210 pellets．Changes of detonation speed and anti wear perance were tested under different temperatures．Ignition reliability of tungsten series， silicon series， anti- mony series and boron series delay compositions produced by the three pellets were studied at different temperatures．The results show that detonating tubes produced by different pellets have different decrease of detonation velocity and anti wear perance with the increase of temperature．Among them， the superiority of reliability is 951- 000， 112A， and Q210 in order． The ignition reliability test was carried out on the four types of delayed bodies when temperature ≥60 ℃， tungsten and antimony delayed element appeared reject to burst；≥ 70 ℃， the boron based delay element reject to burst； ≥ 80 ℃， the silicon based delayed element reject to burst． And as the temperature increases， rejection rate increases．For the same type of delay element exposing to the same temperature， rejection rate from large to small is Q210， 112A， 951- 000． ［KEYWORDS］ ordinary detonator； granules； temperature； detonation velocity； holes numbers； reject rate 引言 塑料导爆管是20 世纪 70 年代由 Nobel 公司发 明的一种内壁涂有薄炸药粉、一般采用 LDPE（低密 度聚乙烯）拉制成的塑料空心软管。 塑料导爆管同 基础雷管连接组成导爆管雷管，并与其他元件一起 组合成非电起爆系统。 由于塑料导爆管具有抗水性 良好、不受杂散电流及感应电流影响、爆破网路连接 形式多样、起爆方法灵活等优点，随着爆破技术的不 断发展，被广泛地应用在各项工程爆破中 ［1］ 。 国内外专家学者对导爆管及导爆管雷管从各方 面进行了广泛的研究，但针对它们在高温环境下的 性能研究仍不多。 而在西南地区的夏季，施工时环 境温度可达70 ℃以上，在此类环境下，偶有使用导 爆管雷管点火不可靠的情况发生，而目前国内较多 厂家生产的是普通变色导爆管雷管 ［2］ 。 因此，研究 此条件下普通导爆管雷管的点火可靠性，具有较强 意义。 在导爆管雷管的生产、运输使用过程中，部分导 爆管中的导爆药易受到震动后脱落，因此，笔者将按 照 GB194172003导爆管雷管抗震性能要求对 导爆管雷管进行震动模拟，从导爆管管壁材质、环境 温度、延期体铅芯类型等方面对导爆管爆速、抗击穿 第47 卷 第 4 期 爆 破 器 材 Vol． 47 No． 4 2018 年8 月 Explosive Materials Aug． 2018 * 收稿日期2018- 03- 14 作者简介倪磊（1987 - ），男，工程师，主要从事火工品生产工艺方面的研究。 E- mailnilei19870616126． com 万方数据 性能及点火可靠性予以分析研究。 1 试验部分 1. 1 样本制备 塑料导爆管，采用上海石化 Q210、广东茂名石 化951- 000、燕山石化 112A 3 种类型的 LDPE 粒料， 药量11 ～ 12 mg／ m，内径 1. 40 mm，外径 3. 00 mm， 长度5 m。 HX- 2500 循环热风隧道式烘箱，上海宝碟塑料 成套设备有限公司，温度范围10 ～ 150 ℃， 控温精 度 1 ℃；震动试验机，自制，符合 WJ2311977 要求；BC- 1B 型多功能爆速仪，开封市精工仪表厂。 硅系延期体，三芯结构，燃速约20 mm／ ms，切长 10 mm；硼系延期体，三芯结构，燃速约 30 mm／ ms， 切长10 mm；钨系延期体，单芯结构，燃速约 80 mm／ ms，切长10 mm；锑系延期体，单芯结构，燃速约 120 mm／ ms，切长10 mm。 分别装入 66 mm 长度发蓝管 壳中，底部采用5 mm 29 mm 实芯铅芯体作为模 拟猛炸药装药，卡中腰固定，中腰大小5. 4 mm，采用 Q210、951- 000 和112A 3 种粒料拉制的药量为 11 ～ 12 mg／ m、长度为 5 m 的导爆管进行装配，预留消爆 空间600 mm 3，卡口为双收印，直径5. 3 ～ 5. 4 mm。 1. 2 试验方法 将3 种粒料导爆管分别装配成不同类型延期体 的导爆管雷管，在震动试验机震动10 min，放置在预 设好温度的烘箱中加热 10 min，烘箱温度自 20 ℃ 起，以10 ℃间隔，直至升温到80 ℃。 将爆速仪靶标 完全放置于烘箱内，将待测导爆管在烘箱外预留 10 cm 以供起爆器激发用，其余全部内置在烘箱内以保 持恒温，测量该温度下的爆速，并记录破孔数；逐发 激发后，用解剖刀解剖后判定铅芯点火状况。 2 结果与分析 2. 1 导爆管爆速、抗击穿性能与温度的关系 弹性模量是在物体的弹性限度内，应力与应变 的比值。 弹性模量的大小标志了材料的强度，弹性 模量越大，材料越不容易发生形变，强度越好，它与 材料性能和所处的环境温度有关。 因此，在探究不 同温度条件下，不同粒料拉制导爆管的爆速和抗击 穿性能时，可用导爆管管材的弹性模量予以表征分 析 ［3］ 。 当爆轰波在导爆管内传播时，内腔截面受到冲 击波超压△p 的作用，产生变形，使截面积增加了 △A。 将导爆管视为壁薄圆筒，在受冲击波超压△p 作用下，△A 与△p 的关系为 △A A ＝ d△p δE 。（1） 式中 A 为导爆管内腔截面积；△A 为导爆管内腔截 面积在△p 作用下的增加量；d 为导爆管内径；δ 为 导爆管壁厚；E 为管壁材质的弹性模量。 取一小截长 L 的导爆管（L ＝ Ddt），管内截面初 始压力为 p0，初始密度为 ρ0，由于受到冲击波超压 △p 作用，导爆管管腔变形，体积增大 L△A，相应介 质被压缩 α LA△p（α为介质压缩系数）。 根据质量平衡，介质运动速度 u1为 u1＝ D（△A A ＋ α△p）。（2） 当不考虑管腔变形对爆速的影响时，△A ＝ 0， 则根据式（2），可以得 u1＝ D0α△p。（3） 式中D0为管腔未膨胀时的爆速。 当考虑管腔变形对爆速的影响时， 将式（1）带 入式（2）可得 u1＝ D1△p（ d δE ＋ α ）。（4） 式中D1为管腔膨胀时的爆速。 由式（3）、式（4）可得 u1＝ D1△p（ d δE ＋ α ） ＝ D0α△p。（5） 由式（5）可以得出 E ＝ d （D 0 D1 - 1）δα 。（6） 在其他条件保持一致时，由式（6）可知，当知道 某一温度时的爆速 D1和管腔未膨胀时的爆速 D0 时，即可求得此温度条件下的该材料的弹性模量。 但由于管腔未膨胀时的爆速 D0不易测量，因此，设 定室温20 ℃时的实测爆速作为管腔未膨胀时的爆 速 D0，即可表征在不同温度条件下相对 20 ℃时导 爆管壁弹性模量的变化情况。 由式（6）设定函数 f（E）为相对弹性模量，可以 间接表征管壁材质随着温度变化而变化的规律 f（E） ＝ δα d E ＝ 1 （D 0 D1 - 1） 。（7） 由式（7）可知，当导爆管内径 d、壁厚 δ 和介质 压缩系数 α不变的情况下，设定函数 f（E）同弹性模 量 E 正相关，同膨胀时的爆速与未膨胀时的爆速比 65 爆 破 器 材 第 47 卷第 4 期 万方数据 值负相关。 在不同温度条件下，测量不同粒料导爆管的众 数爆速变化情况（样本量 n ＝ 20），爆速见表 1。 表1 在不同温度条件下，不同粒料导爆管的爆速 Tab. 1 Detonation velocity of detonating tube with different granular materials and at different temperatures m／ s 温度／ ℃20▌30▌40 50＋60B70Y80p Q210▌1 7801 7511 740Q1 730h1 600▌1 58021 450▌ 951- 000▌1 7751 7611 750Q1 745h1 610▌1 60021 551▌ 112A1 7701 7521 741Q1 736h1 603▌1 59021 533▌ 将表1 相关数据带入式（5），可以推算出相对 20 ℃时的 f（E）值，见表2。 表 2 在不同温度条件下，不同粒 料相对于20 ℃时的 f（E） Tab. 2 f（E） of different granular materials at different temperatures compared at 20℃ 温度／ ℃30⑦40▌50 60B70Y80p Q210 951- 000 112A 60\. 4 125. 8 97. 3 43▌. 5 70. 0 60. 0 34▌. 6 58. 2 51. 1 8▌. 9 9. 8 9. 6 7 . 9 9. 1 8. 8 4,. 4 6. 9 6. 5 由表2 可得 f（E）与温度变化关系图，见图1。 图 1 3 种粒料的 f（E）与温度的关系 Fig. 1 Relationship between f（E） of the three granular materials and temperature 由图1 可知在30 ℃时，3 种粒料的 f（E）有明 显差异；从 30 ℃到40 ℃时，管壁 f（E）突降，但不同 的粒料的曲线斜率不同，说明此温度区间内，管壁受 温度变化影响较大；40 ℃到 50 ℃时，f（E）变化不 大，说明此温度区间内，管壁受温度变化影响不明 显，但 f（E）较低；从 50 ℃到 60 ℃时，管壁 f（E）突 降，在 60 ℃时已经低于 10，说明此温度区间内，管 壁受温度变化影响较大，管壁强度大幅降低；60 ℃ 后，由于管壁强度已经很弱，管壁 f（E）变化不大，此 温度区间内，管壁受温度变化影响不明显。 由于 3 种粒料的 f（E）随着温度升高而不断降 低，可以推断，导爆管管壁材料的弹性模量 E 是随 着温度升高而降低的。 随着温度的升高，导爆管管 壁材料弹性模量降低，导爆管强度下降，更易变形与 击穿。 在不同温度条件下，测量不同粒料导爆管击穿 情况（样本量为 20），以每米平均击穿破孔数统计， 见表3。 表3 不同粒料、不同温度条件下 导爆管每米击穿破孔数 Tab. 3 Bursting holes（every one meter） of detonating tube with different granular materials and at different temperatures 温度／ ℃20 30 40450K60b70y80▌ Q210▌00 0. 20 . 52 . 845. 76L. 6 951- 000 00 0 0 . 51 . 225. 86L. 4 112A00 0. 10 . 62 . 035. 86L. 5 由表3 可以绘制温度与导爆管平均每米击穿破 孔数的关系图，见图2。 图2 3 种粒料击穿破孔数与温度的关系 Fig. 2 Relationship between bursting holes and temperature of the three granular materials 从图2 可知30 ℃之前，3 种粒料均未出现击穿 破孔；30 ℃到 40 ℃时，Q210 和112A 已经出现了击 穿破孔；40 ℃到 50 ℃时，均已出现击穿破孔，50 ℃ 到60 ℃时，3 种粒料的击穿破孔明显增多；60 ℃以 后，3 种粒料的击穿破孔情况随温度的升高进一步 加剧。 综上可知虽然管壁材料均为 LDPE，但不同生 产厂家的生产方式不同，会导致其分子结构、产品密 度、熔体流动速率等不同，从而力学性能指标也存有 较大差异，即弹性模量差异明显。 对于同种粒料，温 度越高，击穿破孔情况越明显；同种温度、不同粒料， 击穿破孔情况有明显差异，f（E）越低的粒料，击穿 752018 年8 月 高温环境对普通导爆管雷管点火可靠性的影响 倪 磊，等 万方数据 破孔情况越明显。 此 3 种粒料，在抗击穿性能和爆 速衰减上，951- 000 的性能优于 112A 的性能，112A 的性能优于 Q210 的性能。 2. 2 导爆管点火可靠性与温度关系 根据导爆管稳定传爆的物理模型及在该模型下 对导爆管有效反应区长度计算方法可知，当炸药的 燃速Dr＝ 0. 006 ～ 0. 010 m／ s、有效反应长度l ＜ 1 m、 爆速 D ＝ 1 600 ～ 2 000 m／ s 时，有效反应区长度公 式可以写成 ［4- 5］ l ＝DdQ v 6DrQ1。 （8） 式中l 为有效反应区长度；d 为导爆管装药平均粒 径；Dr为炸药燃速；Q1为炸药爆热；Qv为炸药的有 效爆热。 假定导爆管对雷管的点火时间即为导爆管有效 反应区反应持续时间，则 tn＝l d 。（9） 由式（8）、式（9）可得 tn＝ D 6DrQ1Q v。 （10） 对于导爆管来说，在其他条件不变的情况下，爆 热随着爆速的增大而增大，因此，导爆管点火持续时 间 tn∝爆速 D。 根据相关理论，延期体能够被点燃所需的最低 时间为延期体所需的点火时间t，而导爆管能够有效 点燃延期体的必要条件是 tn＞ t。 对比导爆管点火 持续时间 tn和铅芯延期所需点火时间 t，可以预测 导爆管对铅芯延期体的点火可靠性，tn越短，导爆管 的点火可靠性就越差，其导致导爆管雷管拒爆的概 率也就越大。 不同系列延期体制备成的导爆管雷管。 所需点 火时间 t 不同，总体来说，燃速越慢，所需的点火时 间 t 越长。 而当环境温度不断升高时，导爆管爆速 下降，从而导致爆热降低，导爆管的点火持续时间 tn 也会随之缩短，当爆速下降至使得 tn小于延期体的 所需点火时间 t 时，铅芯不会被点燃，从而造成雷管 拒爆。 目前，雷管生产厂家使用的延期体类型，根据延 期时间不同，大多为硅系、硼系、钨系、锑系等。 对比 分析不同温度条件下，采用 3 种粒料拉制的导爆管 点燃不同类型延期体的拒爆情况（样本量 n ＝ 50）， 相关数据见表4 ［6- 8］ 。 由表 4，可以绘制不同延期体采用不同粒料在 不同温度下的拒爆率曲线，见图3 ～ 图6。 表4 不同温度条件下、不同类型导爆管点燃 不同类型铅芯体的拒爆率 Tab. 4 Rejection rates of different detonators igniting different lead- core at different temperatures ％ 温度／ ℃20c30 40ψ50▌60K70 80▌ Q210▌ 钨系延期体 硅系延期体 锑系延期体 硼系延期体 0 0 0 0L 0 0 0 0 0 0 0 0▌ 0 0 0 0z 4 0 4 04 18 0 14 4▌ 44 16 30 20▌ 951- 000＋ 钨系延期体 硅系延期体 锑系延期体 硼系延期体 0 0 0 0L 0 0 0 0 0 0 0 0▌ 0 0 0 0z 2 0 2 04 14 0 8 2▌ 24 6 18 8 112A 钨系延期体 硅系延期体 锑系延期体 硼系延期体 0 0 0 0L 0 0 0 0 0 0 0 0▌ 0 0 0 0z 2 0 2 04 16 0 10 4▌ 32 10 24 10▌ 图3 不同温度条件下 3 种粒料拉制的 导爆管点燃钨系延期体的拒爆率 Fig. 3 Rejection rates of the three granular materials igniting tungsten- based delay element at different temperatures 图4 不同温度条件下 3 种粒料拉制的 导爆管点燃硅系延期体导爆管点燃的拒爆率 Fig. 4 Rejection rates of the three granular materials igniting silicon- based delay element at different temperatures 85 爆 破 器 材 第 47 卷第 4 期 万方数据 图5 不同温度条件下 3 种粒料拉制的 导爆管点燃锑系延期体的拒爆率 Fig. 5 Rejection rates of the three granular materials igniting antimony- based delay element at different temperatures 图6 不同温度条件下 3 种粒料拉制的 导爆管点燃硼系延期体的拒爆率 Fig. 6 Rejection rates of the three granular materials igniting boron- based delay element at different temperatures 从图3 ～ 图6 可知，环境温度≥60 ℃时，燃速较 慢的锑系和钨系延期体出现拒爆；环境温度≥70 ℃ 时，燃速适中的硼延期体出现拒爆；环境温度≥80 ℃时，燃速较快的硅系延期体出现拒爆。 4 类延期 体均呈现拒爆率随着环境温度升高而明显增加的趋 势。 对比每种延期体在相同温度条件下的拒爆率， 951- 000 的拒爆率最小，Q210 的拒爆率最大。 这与 2. 1所分析的相关数据和结论吻合。 3 结论 综合上述分析，可得到以下结论 1）随着环境温度不断升高，使用 LDPE 材料的 塑料导爆管管壁强度和爆速明显下降，比较常用的 3 种粒料 951- 000、112A 和 Q210，力学性能指标不 同，其强度下降幅度和某温度时相对20 ℃时弹性模 量 f（E）也明显不同，爆速下降和破孔数存有明显差 异。 2）当雷管使用铅芯延期体时，不同类型的延期 体出现拒爆时的所需环境温度也不同。 t≥60 ℃ 时，钨系和锑系延期体出现拒爆；t≥70 ℃时，硼系 延期体出现拒爆；t≥80 ℃时，硅系延期体出现拒 爆。 且随着温度升高，拒爆率均呈现增加的趋势。 3）在用作普通导爆管拉拔用粒料时，951- 000 的性能优于112A，112A 的性能优于 Q210。 在温度 较高时，由于本身材料特性，当温度达到一定范围 时，导爆管均点火不可靠。 因此在施工环境温度≥ 60 ℃时，不宜使用，宜采用专用的耐温型复合型导 爆管或高强度导爆管。 参 考 文 献 ［1］ 陈嘉琨，范钦文，高耀林. 塑料导爆管［M］. 北京国防 工业出版社，1987. ［2］ 吴红梅，宋敬埔. 普通变色塑料导爆管高温性能研究 ［J］. 火工品，2003（4）28- 30. WU H M，SONG J P. Study on the character of color changeable nonel tube at high temperature［J］.Initiators ＆ Pyrotechnics，2003（4）28- 30. ［3］ 高耀林，范钦文，陈嘉琨. 温度对塑料导爆管爆速影响 的理论分析［J］. 爆破器材，1984，13（6）1- 4. ［4］ 刘大斌. 塑料导爆管的起爆、传爆及输出性能研究 ［D］. 南京 南京理工大学，2002. LIU D B.Study of the initation，explosion transfering and output character of nonel tube ［ D］.Nanjing Nanjing University of Science and Technology，2002. ［5］ 范钦文，高耀林，陈嘉琨. 塑料导爆管稳定传爆的物理 模型［J］. 爆破器材，1984，13（2）8- 12. ［6］ 吴幼成， 宋敬埔.延期药技术综述［J］.爆破器材， 2000， 29（2） 23- 27，39. WU Y C， SONG J P. Technology of delay compositionsa review［J］. Explosive Materials，2000， 29（2） 23- 27， 39. ［7］ 倪磊，唐胜，赵鹏飞，等. 一种毫秒导爆管雷管拒爆现 象原因分析［J］. 煤矿爆破，2016（3）19- 21，24. NI L，TANG S，ZHAO P F， et al.Analysis of a milli- second detonating tube detonator misfire phenomenon rea- son［J］. Coal Mine Blasting，2016（3）19- 21，24. ［8］ 赵祥. 塑料导爆管抗击穿性能相关问题研究［D］. 南 京南京理工大学，2014. ZHAO X. Reaserch on the related problems about wear perance of plastic detonating tube［D］. NanjingNan- jing University of Science ＆ Technology，2014. 952018 年8 月 高温环境对普通导爆管雷管点火可靠性的影响 倪 磊，等 万方数据