前混合磨料水射流切割HTPB推进剂的可行性研究.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2019. 01. 008 前混合磨料水射流切割 HTPB 推进剂的可行性研究 ❋ 蒋大勇 武警工程大学装备管理与保障学院陕西西安,710086 [摘 要] 针对前混合磨料水射流切割 HTPB 推进剂的过程安全性和效率,开展了理论分析与试验验证。 在理论 分析的结果上,分别开展了基于固定和移动两种试验模式下的安全性和效率试验。 该切割方式由于有效降低了出 口压力,在保证切割能力的前提下其冲击压力远远低于推进剂的冲击感度,导致推进剂内部升温不明显,安全性有 足够保证。 研究结果表明,在90的置信水平下,切割的安全可靠度不低于99. 52。 而磨料粒子的添加极大地提 高了射流的切割效率。 试验结果表明,当保持出口压力 30 MPa 以上、磨料质量分数不低于 50 时,磨料水射流约 为相同条件下纯水射流切割效率的 2 倍。 由此得出可行性结论由于前混合磨料水射流具有极强的冷态冲蚀磨削 作用,在安全性和效率方面均能够满足对三组元 HTPB 推进剂的切割作业。 [关键词] 安全工程;前混合磨料水射流;HTPB 推进剂;可行性试验 [分类号] TJ410. 89 Feasibility Study on Cutting HTPB Propellants with Pre-mixed Abrasive Water Jet JIANG Dayong Equipment Engineering College, Engineering University of PAP Shaanxi xi’an, 710086 [ABSTRACT] Process safety and efficiency of cutting test of HTPB propellant by pre-mixed abrasive water jet was stu- died. Based on theoretical analysis, safety and cutting efficiency of the cutting process were tested by fixed and moving cut- ting modes. It shows that, the cutting effectively reduces the outlet pressure, and the impact pressure is far lower than the impact sensitivity under the premise of ensuring the cutting ability. The internal temperature rise is insignificant, so the safety is guaranteed. The research results show that at 90 confidence level, the safety of cutting is no less than 99. 52. Mereover,addition of abrasive particles greatly improves the cutting efficiency of the jet. When the outlet pressure is maintained above 30 MPa and the abrasive concentration is no less than 50, cutting efficiency of the abrasive water jet is twice of that of the pure water jet under the same conditions. The study shows that the pre-mixed abrasive water jet has a strong cold erosion grinding effect, which can meet the cutting operation of the three component HTPB propellant in terms of safety and efficiency. [KEYWORDS] safety engineering; pre-mixed abrasive water jet; HTPB propellant; feasibility test 引言 大型火箭发动机的“处废”是一项难度极大的 军工技术作业,其中关键和重要内容之一是将火箭 发动机中的推进剂安全去除,从而实现壳体的回收 利用。 传统的技术方法主要是利用机械刀具或者高 压水射流对推进剂进行掏药处理,但是经过大规模 实践后,二者被认为均存在重大缺陷。利用机械刀 具需要人工近距离作业,推进剂遭受机械作用后易 引起燃烧、爆炸等事故。 高压水射流在切割过程中 虽然具有降温、降感的优势,一度被认为是固体发动 机处废的首选,但该技术由于切割效率极低,导致气 溶胶集聚等次生危害的几率极高[1]。 因此,寻求安 全可靠的切割技术势在必行。 前混合磨料水射流切 割是一种新型的现代切割技术,通过将高压水与磨 料事先混合而形成液固两相高能束流,在相同切割 能力的基础上大大降低了出口压力,尤其适用于切 割各种具有压敏、热敏、易燃、易爆等性质的材 料[2-3]。本研究中,基于可靠性理论开展相关实验, 第 48 卷 第 1 期 爆 破 器 材 Vol. 48 No. 1 2019 年 2 月 Explosive Materials Feb. 2019 ❋ 收稿日期2018-09-19 基金项目国家自然科学基金51503224;武警工程大学“智能反恐防暴装备”创新团队基金 第一作者蒋大勇1981 - ,男,博士后,副教授,从事含能材料的研究。 E-mailwanghe717163. com 万方数据 探讨前混合磨料水射流对存量巨大的三组元HTPB 推进剂以下简称 HTPB 推进剂的切割安全性和 切割效率,以期获得可行性结论,为其日后的工程化 应用提供理论指导。 1 可行性分析 基于安全的前提下,前混合磨料水射流较高压 纯水射流能否具有更高的切割效率,是得出可行性 结论的必要条件。 因此,首先在理论上对过程的安 全性和效率进行分析。 1. 1 安全性分析 根据含能材料起爆的热点说理论,在HTPB推进 剂中受冲击形成的热点,只有持续一定的时间10 -7 s 以上,达到一定的尺寸半径 10 -3 10 -5cm和 温度300 600 ℃时,推进剂才会发生爆炸[4]。 当 磨料水射流以极高的速度直接作用于推进剂时,对 于黏弹体性质的推进剂而言,切割过程可视为一种 冲蚀破碎而非绝热压缩,此状态下热量不易集聚。 因此,基于临界起爆判据 p2 t τ K,在此区间内只需 考虑建立以水锤压力为危险源的飞片冲击模型,无 需考虑建立以滞止压力为危险源的黏弹体-热点安 全模型。 根据前苏联 RA 狄克霍米诺夫经验公式[5],得 出射流中磨料对推进剂的打击力 F1 40π 3 ρL 3 5 R2 s u3 6 1 - μ2 s Es 1 - μ2 2 E2 2 5 ;1 ρL ρw50 ρs50。2 式中Rs为磨料颗粒粒度,mm;Es为磨料颗粒弹性 模量,MPa;μs为磨料颗粒的泊松比;E2为推进剂弹 性模量,MPa;μ2为推进剂的泊松比;F1为磨料颗粒 的作用力,MPa;ρL为射流密度,g/ cm3;ρw为水的密 度,g/ cm3;ρs为磨料密度,g/ cm3。 u 为射流的速度, m/ s。 根据 VF 巴巴宁经验公式[6],得出水流对推进 剂的打击力 F2120 p 100 1. 15d1. 75 n 。3 式中F2为射流中水对推进剂的作用力,MPa;p 为 出口压力,MPa;dn为喷嘴直径,mm。 作业过程中对推进剂的水锤压力 Fmax可视为磨 料和水流的共同作用,即总打击力,包括磨料颗粒及 水流两部分的打击力之和,可大致表示为 Fmax F1 F2。4 当设备的喷嘴直径为 0. 8 mm、出口压力为 30 MPa、磨料质量分数为 50时,可计算出射流对推进 剂表面打击的最大水锤压力为 162. 4 MPa。 该数值 与推进剂的撞击感度相比较,可以在理论上初步判 断其安全性。 撞击感度一般用落锤法测定。 HTPB 推进剂在落锤质量为 2 kg、落高为 64 cm、落锤与之 接触面 10 mm、接触时间 100 μs 条件下的撞击感 度为 50 [7]。 根据动能定理与动量定量可得 F m2gh t 。5 式中F 为落锤与推进剂的冲击压力,MPa;m 为落 锤的质量,kg;g 为重力加速度,m/ s2;h 为落高,cm;t 为落锤与推进剂的碰撞时间,s。 可计算出落锤对推进剂的冲击压力为 715 MPa。 通过比较,磨料水射流在一般工作条件下,对推 进剂产生的水锤压力远远小于其冲击感度,从这个 角度讲射流冲击并不会造成危险。 1. 2 效率分析 由于磨料与水的预先充分混合,前混合磨料射 流对材料切割能力约为相同出口压力下纯水射流的 2. 8 倍[8],即前混合磨料射流在保持相同切割能力 的前提下可有效降低出口压力。 出口压力是指水射 流经由喷嘴出来的最初压力,其经靶距过程中的压 力损耗达到界面时便成为滞止压力。 在冲击过程 中,滞止压力 pz是最终反映有效破坏的关键因素, 而出口压力 p0是滞止压力的衡量指标。 当水射流 的靶距处于起始段内且喷嘴直径不变的情况下,损 耗压力 ps一般约为滞止压力 pz的 49。 在工程实 践中,出口压力与滞止压力的经验公式[9]为 ps≈pz0. 49; p0 pz ps。 { 6 对于推进剂而言,极限破坏点主要是依据其抗 压强度的大小而定。 选择 20 ℃ 时 HTPB 推进剂的 抗压强度作为破坏依据见表 1[10]。 使材料产生 明显破坏的压力称为门限压力[11],而水射流以最低 的比能工作时,所对应的最小滞止压力 p′z一般为 门限压力 pm的 3 倍,故表达式为 pz′ pm3。7 经计算可知,当门限压力大于 11 MPa 时,纯水 射流可以对推进剂实施有效的破坏,由式6、式 7可得,此时的最小滞止压力为 33 MPa。 在实际 情况中,纯水射流的出口压力不应低于 60 MPa。 显 然,该数值远高于磨料水射流的最低出口压力,即在 342019 年 2 月 前混合磨料水射流切割 HTPB 推进剂的可行性分析 蒋大勇 万方数据 相同出口压力条件下,磨料水射流的切割效率要优 于纯水射流。 表 1 HTPB 推进剂的力学性能参数 Tab. 1 Mechanical property parameters of HTPB propellant 试验温度/ ℃5020-40 抗压强度/ kgcm -2 75. 9111. 1250. 0 抗拉强度/ kgcm -2 41. 0 延伸率/ 6. 0 破坏延 伸率/ 6. 3 抗冲强度/ kgcm -2 6. 545. 313. 32 2 试验验证 通过固定式和移动式两种切割试验模式,验证 上述理论分析。 2. 1 试验系统 试验设备选用保定锐迅公司出品的前混式磨料 水射流切割装置,其组成包括压力发生装置、磨料装 置、控制装置等,如图 1 所示。 图 1 试验设备 Fig. 1 Experimental installation 其运行原理如下设备水箱内的纯水与磨料储 罐中的磨料经过充分混合后供入增压系统;增压系 统通过高压柱塞泵带动功率匹配器进行驱动,用于 向整个工作系统提供压力;经过发生装置后,即可调 制出具有一定浓度的磨料浆体;磨料浆体通过高压 胶管输送至喷嘴喷出,即形成磨料水射流;将被切材 料置于切割装置下方的运动机构上,运动机构使被 切材料相对切割装置移动,从而完成整个切割作业 过程。 系统的主要技术参数见表 2。 2. 2 试验对象 2. 2. 1 推进剂试件 根据试验需要,预制两种规格的推进剂试件,分 别命名为1和2。其中,1试样为圆柱体,直径为50 表 2 参数调节范围 Tab. 2 Parameter adjustment range 参数范围 射流压力/ MPa0 50 磨料质量分数/ 0 50 进给速度/ mmmin -1 100 600 靶距/ mm1 11 喷嘴内径/ mm0. 8 mm,高度为 40 mm,药量约为 150 g,用于固定式切 割试验。 2试样为100 mm 100 mm 200 mm 的长 方体,药量约为 3 600 g,其内部埋置多组温度传感 器,主要用于移动式切割试验。 2. 2. 2 温度传感器与记录仪 温度传感器选择 pt1000 热电偶,精度为 0. 01 ℃。 在 2试件浇筑过程中,沿射流切割路径两端预 先埋设 6 个该型温度传感器,并与记录仪相连接,固 化后用于测试切割过程中的推进剂内部的温度。 2. 2. 3 磨料 试验选用的磨料为石榴石。 其莫氏硬度 7. 5, 努氏硬度 1 350,粒度 80 目,密度 3. 4 4. 3 g/ cm3。 2. 3 试验方法 2. 3. 1 固定式切割试验 固定式切割试验,也称穿孔试验,试验条件为 靶距 3 mm,磨料质量分数 0 50,出口压力 50 MPa。 试验目的一是通过测试射流的穿透时间检 验磨料浓度对切割效率的影响;二是进行成败型安 全试验,为了保证该试验数据的可靠性,试验的样本 量为 474 个。 将 1试件装入 3 个强磁铁夹具之间, 喷嘴正对其顶端中心位置,利用磨料水射流将试件 击穿,并记录时间与过程变化。 见图 2。 图 2 固定式切割试验 Fig. 2 Fixed cutting test 2. 3. 2 移动式切割试验 移动式切割试验的试验目的一是记录不同出 口压力下磨料水射流对推进剂内部的温度变化的影 响,检验出口压力对安全性的影响;二是通过记录切 割深度,比较磨料射流与纯水射流对切割效率的影 响。 由于移动式的切割效率是与时间有关的变量, 44 爆 破 器 材 第 48 卷第 1 期 万方数据 因此采用相同时间内的最大切割深度来衡量。 喷嘴 垂直于 2试件进行水平切割,切口长度为 8 cm,切 割深度用探针和游标卡尺沿着切口每 1 mm 测量 1 次,并取平均值。 试验条件为室外 7 ℃,靶距为 3 mm,出口压力由 10 50 MPa 逐渐增加,横移速度保 持 1 cm/ s,磨料质量分数为 50。 见图 3。 图 3 移动式切割试验 Fig. 3 Mobile cutting test 3 结果与讨论 3. 1 安全性试验结果与讨论 3. 1. 1 移动式切割试验中的温度变化 表 3 的试验结果得出不同出口压力下,磨料水 射流切割 HTPB 推进剂时的内部升温幅度不超过 25 ℃,最高温度为 56. 7 ℃含补偿温度 25 ℃,与 其爆发点 400 ℃相差甚远。 因此,此阶段目前未发 现实质性危险。 表 3 升温试验结果 Tab. 3 Heating test results 出口压力/ MPa温度变化范围/ ℃温差/ ℃ 107. 5 24. 316. 8 207. 5 31. 724. 2 308. 2 29. 421. 2 4013. 4 31. 518. 1 5010. 2 24. 113. 9 3. 1. 2 成败试验 在一定工艺参数下,共对 474 个试件进行了穿 孔,均未引起燃烧或爆炸。 根据可靠性理论中二项 分布的单侧置信下限估计法,实际未发生失效情况 下的失效概率,即对应可靠度下限值的置信度[12]为 c 1 - Rn。8 可靠度下限值为 R 1 - c 1 n。 9 式中n 为没有燃烧或爆炸发生的成功试验次数,n 474;取c 0. 9,则 R 0. 995 2。 据此可知,磨料水射流冲击 HTPB 推进剂不发 生燃烧或爆炸的可靠度为在 90 的置信水平下, 安全可靠度不低于 99. 52。 通过内部升温变化和成败型试验分析,可以判 断出对低敏感度的三组元 HTPB 推进剂而言,由于 黏合剂的作用,使得磨料粒子对于推进剂的含能物 质的机械作用有限,加之转化而来的热量也很快被 大流量的水流带走,安全性是有足够保证的。 即使 在切割过程中,切缝中随时出现磨料与金属摩擦产 生的微弱火花,但是由于火花被冷态高速水束所包 围,同时水束充当润滑剂减轻了磨料与推进剂之间 的摩擦,从而抑制了热点的产生和成长,降低了推进 剂的冲击感度。 总之,短时间内磨料射流的低出口 压力与冷却减摩作用,是抑制 HTPB 推进剂冲击起 爆的决定性因素。 当然,这不能说明中试以及工程 化应用的危险性,因为期间的危险因素还包括爆炸 性气溶胶的产生以及切割时间的延长造成的热量聚 集等因素。 3. 2 切割效率试验结果与讨论 3. 2. 1 切割时间 保持50 MPa 的出口压力,测试不同磨料质量分 数下穿孔时间,试验结果见表 4。 表 4 切割效率试验结果 Tab. 4 Cutting efficiency test results 磨料质量分数/ 01020304050 贯穿时间/ s7066304803922820 由表 4 可看出,随着磨料质量分数的增加,射流 贯穿时间缩短,说明射流的切割能力加强。 当磨料 质量分数在 0 30内,切割能力变化不大,其原因 是随着切割深度的增加,实际靶距也随之不断增大, 切割效果逐渐下降,当深度增加到一定程度,实际靶 距超过了有效靶距,切割效果迅速下降,再加上深度 增加后切槽中存水量不断增大,水垫作用也随之增 大,对切割性能造成影响。 当磨料质量分数达到 40后,射流的切割能力较纯水射流提高了 96, 实现质的飞跃。 这说明该状态下的磨料射流与纯水 射流表现出不同的工作状态,这也与实际工作状态 下系统 50质量分数的磨料添加量相吻合。 3. 2. 2 切割深度 不同出口压力下,50 质量分数的磨料水射流 和纯水射流对推进剂的平均切割深度如图 4 所示。 从图4可以看出,在0 30 MPa的出口压力下, 50质量分数的磨料水射流与纯水射流切割能力相 差无几,这是由于在该压力范围内,射流速度较小, 未达到推进剂的门限压力,冲蚀破碎的程度不大。 当出口压力突破30 MPa 后,纯水射流虽能完成冲蚀 542019 年 2 月 前混合磨料水射流切割 HTPB 推进剂的可行性分析 蒋大勇 万方数据 图 4 不同出口压力下两种射流的切割深度比较 Fig. 4 Cutting depth of two kinds of jets under different outlet pressure 破碎,但是效率较低。 相反,磨料射流由于含有大量 刚性磨料粒子,使其切割能力大大提高,其综合性能 约为纯水射流的 2 倍。 4 结论 在理论分析的基础上,开展了基于移动和固定 模式下的前混合磨料水射流切割 HTPB 推进剂安全 性和切割效率的 4 类试验,得出结论如下 1射流切割 HTPB 推进剂的过程安全性具有保 障。 其中推进剂的内部升温幅度不超过25 ℃,远低 于爆发点 400 ℃;成败型试验结果表明在 90 的 置信水平下,安全可靠度不低于 99. 52。 分析其 原因为高速水束的冷却与减摩作用,是抑制 HTPB 推进剂起爆的决定性因素。 2射流的切割效率能达到实用需要,即在相同 压力条件下,磨料质量分数为 50 的磨料水射流, 其切割能力约为普通高压水射流的 2 倍。 3前混合磨料水射流切割是一种安全、可行的 推进剂切割新方法,该研究成果对磨料水射流技术 应用于火箭发动机的“处废”工程实践具有一定的 指导意义。 参 考 文 献 [1] 郁红陶,张庆明,何远航. 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