TNT基炸药储存寿命评估研究 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１６. ０３. ００８ ＴＮＴ 基炸药储存寿命评估研究 ❋ 祝逢春 刘恒春 游培寒 郭广文 赵未平 ９５８５６ 部队江苏南京，２１００２８ [摘 要] 为解决有效评估炸药储存寿命的难题,提出一套基于炸药加速退化试验失重率阈值的储存寿命评估技 术 采用基于伪失效寿命的加速寿命试验数据建模与处理方法,对某 ＴＮＴ 基炸药加速退化试验数据,使用正态分 布和威布尔分布模型,估计了两种模型参数,评定了其储存寿命 研究表明,该评估技术可行,结论可信 [关键词] 炸药；加速试验；退化；失重率；储存寿命；寿命评估 [分类号] ＴＱ５６０. ７ 引言 炸药储存寿命是关系装药产品安全储存、可靠 使用的重要指标 目前国内外尚无有效的炸药储存 寿命评定技术 对于炸药的储存寿命[１],美国主要 依靠长期监测,辅以加速储存试验,获取变化规律, 建立外推模型进行预报；俄罗斯相关理论与试验结 合很好,加速储存试验理论和方法较成熟,能够通过 加速储存试验提前较长时间预报；我国主要是采用 性能监测、加速储存试验和产品类比等方法进行综 合评估 我国对于火工品加速试验和储存寿命的研究较 领先,并形成了标准[２],而对于炸药或炸药装药产 品的相关研究尚不多 目前,炸药装药产品设计定 型时,储存寿命大多数是靠类比分析评估的 据报 导,余文力等利用四温度下定量截尾恒定应力加速 试验数据,按对数正态分布寿命模型评定了 ＲＤＸ 混 合炸药储存寿命[３]；石爽等人利用三温度恒定应力 定时截尾加速试验数据进行过多种炸药储存寿命评 估[４],对样品平均失重率退化模型研究较深 加速退化试验[５-７]是在不改变产品失效机理的 前提下,通过加大产品的热应力、电应力或机械应力 等敏感应力,加快产品的性能退化,利用高应力水平 下的性能退化数据,外推正常使用应力下的产品的 寿命和可靠性 其关键要识别出能够表征产品功能 退化和可靠性下降的性能值,以及引起产品发生性 能退化的主要影响因素 加速退化试验方法主要包括恒定加速退化试验 和步进加速退化试验 本文以某 ＴＮＴ 基炸药为研 究对象,采用恒定加速退化试验,以炸药失重率表征 炸药性能,将失重率阈值作为炸药失效依据,提出一 套符合统计学原理的基于加速退化试验数据的炸药 储存寿命评估技术 １ 评估基础 加速性能退化试验评估产品寿命,在电子器件、 非金属材料领域比较普遍[８-９],而用于炸药储存寿命 评估较为鲜见 进行加速退化试验,特征参数和加 速因素的选取是试验成功的关键,特征参数阈值是 寿命评估的依据,其科学性、合理性至关重要 １. １ 性能退化特征参数的选取 进行加速退化试验,选择的样品性能特征参数, 一是必须有准确定义而且能够进行监测,二是随着 试验时间增长,有明显的趋势性变化,能客观反映产 品状态 对于有机炸药,在一般情况下分子结构保 持相对稳定,但在较高温度或特殊情况下会出现挥 发、升华或分子链断裂分解成气相产物等现象,使得 试样质量发生变化,这种失重现象与炸药性能密切 相关 此特性常用于炸药热分解研究,并以此评价 炸药热性能 库存炸药随着储存时间增加,受环境 温度影响,其成分会分解挥发,质量会发生变化 可 见,将炸药失重率作为炸药特征参数符合加速退化 研究要求 １. ２ 特征参数阈值的确定 美国军用标准 ＭＬＳＴＤ１７５１ 规定,无论任何 原因引起的炸药失重 １％ 均认为该炸药失效 文献 [１０]的试验研究表明,一般炸药质量分解约 １％ ２％就进入加速分解期,并将失重率达 １％ 作为某型 固体云爆剂的失效阀值 同样,文献[３]将失重率 达 １％作为 ＲＤＸ 混合炸药的失效阀值 因此,本文 .６３. 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４５ 卷第 ３ 期 ❋ 收稿日期２０１５-０６-２３ 作者简介祝逢春１９６４ － 男,博士,高工,主要从事弹药储存可靠性研究 Ｅ-ｍａｉｌ１３３８２７６３８５７＠１８９. ｃｎ 也将失重率 １％作为性能退化参数的阈值 １. ３ 加速因素的选取 本研究的炸药处于较密封状态,储存过程中受 湿度影响较小,因而进行加速退化试验时,仅进行温 度单因素加速试验 １. ４ 储存寿命评估方法 利用加速退化试验数据评估储存寿命有两种方 法[１１-１３]一种是基于伪失效寿命的加速退化数据建 模分析方法,另一种是基于退化量分布的加速退化 数据建模分析方法 本文采用前一种方法 ２ 试验及结果 试验用炸药为某 ＴＮＴ 基炸药,样品储存 ８ ａ 分别称量 ２７ 份块状装药样品,每份 ５ ｇ ３ 个老化 箱的试验温度分别设定为 ５９、６５、７１ ℃；各老化箱放 炸药样品 ９ 份,定期取出样品称其质量取出称量 时应该注意减少时间,控制温度,并保持干燥,直 到 ９０ ｄ 停止试验 试验获得数据如表 １ 表 ３ 所示 表 １ ５９ ℃加速试验时的失重率 Ｔａｂ. １ Ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｅ ｉｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｓｔ ａｔ ５９ ℃％ 序号１０ ｄ２０ ｄ３０ ｄ４０ ｄ５０ ｄ６０ ｄ７０ ｄ８０ ｄ９０ ｄ １＃０. ００７０. ０１２０. ０１７０. ０２３０. ０３００. ０３９０. ０４６０. ０５３０. ０６０ ２＃０. ００５０. ００９０. ０１５０. ０２１０. ０２８０. ０３４０. ０４２０. ０４９０. ０５８ ３＃０. ００５０. ０１００. ０１９０. ０２６０. ０３００. ０３６０. ０４１０. ０４７０. ０５２ ４＃０. ００７０. ０１２０. ０１８０. ０２７０. ０３００. ０３８０. ０４４０. ０５２０. ０６０ ５＃０. ００４０. ０１２０. ０１９０. ０２３０. ０３１０. ０３５０. ０４２０. ０４８０. ０５４ ６＃０. ００６０. ０１１０. ０１６０. ０２００. ０２６０. ０３５０. ０４３０. ０５１０. ０５６ ７＃０. ００６０. ０１３０. ０２００. ０２５０. ０３１０. ０３６０. ０４３０. ０５００. ０５６ ８＃０. ００７０. ０１２０. ０２１０. ０２６０. ０３２０. ０３９０. ０４７０. ０５５０. ０６３ ９＃０. ００５０. ０１５０. ０２２０. ０２８０. ０３５０. ０４１０. ０４８０. ０５６０. ０６４ 表 ２ ６５ ℃加速试验时的失重率 Ｔａｂ. ２ Ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｅ ｉｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｓｔ ａｔ ６５ ℃％ 序号１０ ｄ２０ ｄ３０ ｄ４０ ｄ５０ ｄ６０ ｄ７０ ｄ８０ ｄ９０ ｄ １＃０. ００６０. ０１５０. ０２３０. ０３００. ０３８０. ０５００. ０５６０. ０６３０. ０７０ ２＃０. ００５０. ０１４０. ０２２０. ０３１０. ０４１０. ０５１０. ０５７０. ０６５０. ０７３ ３＃０. ００５０. ０１３０. ０２１０. ０２９０. ０３６０. ０４６０. ０５５０. ０６４０. ０７４ ４＃０. ００８０. ０１２０. ０２４０. ０３３０. ０４１０. ０４９０. ０５５０. ０６８０. ０７８ ５＃０. ００７０. ０１７０. ０２５０. ０２９０. ０３９０. ０４９０. ０６００. ０７１０. ０８０ ６＃０. ００４０. ０２００. ０２８０. ０３４０. ０４００. ０５１０. ０６００. ０６９０. ０７７ ７＃０. ００７０. ０１３０. ０２２０. ０３２０. ０４１０. ０５２０. ０６２０. ０７３０. ０８２ ８＃０. ００６０. ０１４０. ０２６０. ０３４０. ０４５０. ０５６０. ０６５０. ０７４０. ０８４ ９＃０. ００５０. ０１００. ０１８０. ０２６０. ０４６０. ０５１０. ０５８０. ０６８０. ０７９ 表 ３ ７１ ℃加速试验时的失重率 Ｔａｂ. ３ Ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｅ ｉｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｓｔ ａｔ ７１ ℃％ 序号１０ ｄ２０ ｄ３０ ｄ４０ ｄ５０ ｄ６０ ｄ７０ ｄ８０ ｄ９０ ｄ １＃０. ００８０. ０２００. ０３２０. ０４４０. ０５７０. ０７００. ０８２０. ０９４０. １０７ ２＃０. ０１１０. ０２１０. ０３５０. ０４５０. ０５６０. ０６７０. ０７８０. ０９００. １０２ ３＃０. ０１００. ０２４０. ０３１０. ０４４０. ０５６０. ０６９０. ０８１０. ０９３０. １０４ ４＃０. ００９０. ０１５０. ０３００. ０３７０. ０４７０. ０５９０. ０７００. ０８５０. ０９６ ５＃０. ００８０. ０２２０. ０３４０. ０４６０. ０５９０. ０６８０. ０８００. ０９００. １００ ６＃０. ０１００. ０２５０. ０３６０. ０４８０. ０６００. ０７２０. ０８３０. ０９６０. １０９ ７＃０. ００７０. ０１９０. ０３１０. ０３８０. ０４７０. ０５６０. ０６７０. ０８２０. ０９５ ８＃０. ００９０. ０２２０. ０３１０. ０４１０. ０５３０. ０６４０. ０７４０. ０８３０. ０９２ ９＃０. ０１００. ０２１０. ０３２０. ０４３０. ０５５０. ０６５０. ０７６０. ０８８０. ０９８ .７３.２０１６ 年 ６ 月 ＴＮＴ 基炸药储存寿命评估研究 祝逢春,等 ３ 寿命评估 先对各应力下各样品数据作曲线,由退化曲线 选择退化轨迹模型,采用最小二乘法估计退化轨迹 模型参数,根据各样品退化轨迹模型和退化阈值,计 算各应力下各样品伪失效寿命；再对伪失效寿命分 布进行检验,确定分布模型,估计模型参数；然后利 用加速模型建模分析方法,推导失效寿命参数与应 力水平关系,用外推法估计正常应力下炸药储存寿 命模型参数,从而由储存寿命分布函数计算出炸药 在正常条件下的储存寿命 ３. １ 退化轨迹模型的选择与模型参数计算 分别对每一温度下每个样品数据作图,发现装 药失重率曲线呈线性上升分布[１] 采用最小二乘 法求出退化轨迹模型参数 设模型为 ｙ ＝ ａｔ ＋ ｂ１ 式中ｙ 为失重率,％；ｔ 为试验时间,ｄ 退化轨迹如图 １ 所示,计算参数如表 ４ 所示 图 １ 不同温度下各样本失重退化轨迹 Ｆｉｇ. １ Ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｔｒａｃｋ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ３. ２ 各样本伪失效寿命的外推 由退化轨迹模型和特征参数阈值,分别计算 ５９、６５ ℃和 ７１ ℃ 各样品伪失效寿命 对于新炸药 退化阈值失重率为 １. ０％,而本研究炸药已储存 ８ ａ,按炸药寿命 ２０ ａ 的保守估计,可确定退化阈值 为 ０. ６％,将表 ４ 的参数分别代入式１,计算伪失 效寿命 ｔ,计算结果见表 ５ 表 ５ 不同温度下各样品的伪失效寿命 Ｔａｂ. ５ Ｐｓｅｕｄｏ-ｆａｉｌｕｒｅ ｌｉｆｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄ 序号５９ ℃６５ ℃７１ ℃ １＃８５２. ０６２６. １４９６. ９ ２＃８７０. ７６４４. ８４９６. ９ ３＃８９７. ６６６０. ４５１４. ４ ４＃９１８. ８６７８. ０５２７. １ ５＃９３８. ７６９６. ０５３１. ４ ６＃９５２. ８６９９. １５４６. １ ７＃９７３. ４７１４. ７５６２. ９ ８＃９９０. ３７２５. ４５７６. ２ ９＃１ ０１７. ８７４９. １５８２. ９ ３. ３ 失效寿命分布检验与参数估计 以图估法[１４]对伪失效寿命进行威布尔分布和 正态分布假设检验从文献[４]中附表７. １查得,９ 个样本情况的概率Ｆｎｔｉ 为０. ０７４ １２、０. １７９ ６２、 ０. ２８６ ２４、０. ３９３ ０８、０. ５００ ００、０. ６０６ ９１、０. ７１３ ７６、 ０. ８２０ ３８、０. ９２５ ８７ 以概率为纵坐标,３ 个温度的 伪失效寿命为横坐标分别作图,如图 ２ 对于正态分布模型,采用式２和式３分别计 算 ３ 个温度下的伪失效寿命均值＾μ 和标准差＾σ,计 算所得参数如表 ６ 所示 ＾μ ＝ １ ｎ ∑ ｎ ｉ ＝１ｔｉ； ２ ＾σ ＝ [ １ ｎ －１∑ ｎ ｉ ＝１ｔｉ －＾μ２] １ ２ ３ 表 ４ 不同温度时各样本模型参数的计算值 Ｔａｂ. ４ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 序号 ５９ ℃ ａ １０ －４ ｂ １０ －４ ６５ ℃ ａ １０ －４ ｂ １０ －３ ７１ ℃ ａ １０ －３ ｂ １０ －３ １＃６. ７－１５. ００８. ０－１. ００１. ２－３. ２０ ２＃６. ４－２８. ００８. ４－２. ００１. １－０. ３０ ３＃５. ９０. ７１８. ３－３. １０１. ２－１. ４０ ４＃６. ５－６. ２０８. ６－２. ００１. １－３. ５０ ５＃６. １－４. ９０８. ９－２. ３０１. １－０. ６０ ６＃６. ３－２０. ００８. ６－０. ５０１. ２－０. ５０ ７＃６. ２２. ７０９. ４－３. ７０１. ０－２. ３０ ８＃６. ９－８. ６０９. ６－２. ９０１. ００. ０４ ９＃７. ０－３. ２０９. ２－５. １０１. １－０. ７０ .８３. 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４５ 卷第 ３ 期 ａ５９ ℃ ｂ６５ ℃ ｃ７１ ℃ 图 ２ 失效寿命概率图 Ｆｉｇ. ２ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｆｅｔｉｍｅ 表 ６ 不同温度下的正态分布参数 Ｔａｂ. ６ Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 参数７１ ℃６５ ℃５９ ℃ ＾μ ５３７. ２６８８. ２９３４. ７ ＾σ ３２. １３９. ７５５. ２ 对于威布尔分布模型,采用最小二乘法拟合直 线,以 ｌｎｌｎ{１/ [１ － Ｆｔ]}为纵坐标,ｌｎｔ 为横坐标 作图,如图 ３,其中 Ｆｔ和 ｔ 分别为概率和伪失效寿 命 伪失效寿命在概率图上分布均呈直线,说明伪 失效寿命服从正态分布和威布尔分布 威布尔分布 的形状参数＾ｍｉ和尺度参数＾ηｉ计算方法参照式１, 直线斜率 ａ 即为＾ｍｉ,ｅ － ｂ则为＾ ηｉ,计算结果见表 ７ ａ５９ ℃ ｂ６５ ℃ ｂ７１ ℃ 图 ３ 威布尔分布 Ｆｉｇ. ３ Ｗｅｉｂｕｌｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ 表 ７ 不同温度下的威布尔分布参数 Ｔａｂ. ７ Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｗｅｉｂｕｌｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 参数７１ ℃６５ ℃５９ ℃ ＾ｍｉ １７. ８２０１８. ９５０１８. ４６１ ＾ηｉ ５５２. ２７０６. ３９５９. ９ ３. ４ 加速模型的拟合 以 ｌｎ＾μ、ｌｎ＾σ 为纵坐标,１/ Ｔ其中 Ｔ 的单位为 Ｋ 为横坐标作图如图 ４ 中的点 从图 ４ 中可以看 出,ｌｎ＾μ 和 ｌｎ＾σ 数据分布呈直线状,说明符合 Ａｒｒｈｅ- ｎｉｕｓ 加速模型 用最小二乘法计算模型参数,并作 .９３.２０１６ 年 ６ 月 ＴＮＴ 基炸药储存寿命评估研究 祝逢春,等 图图 ４ 中的线 由图 ４ 还可知,两条直线斜率接 近,即 ｌｎ＾μ 和 ｌｎ＾σ 比值接近,表明加速试验失效机理 一致 图 ４ 正态分布参数与温度的关系 Ｆｉｇ. ４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 拟合所得正态分布参数与温度的关系如下 ＾μＴ ＝ ｅｘｐ －９. ０５２ ３ ＋５ ２７３. ７/ Ｔ； ４ ＾σＴ ＝ ｅｘｐ －１１. ５６８ ２ ＋５ １６６. ６/ Ｔ ５ 从表 ７ 看,威布尔分布形状参数估计值＾ｍ 很接 近,表明加速退化试验过程中失效机理保持不变 以 ｌｎ＾η 为纵坐标,１/ Ｔ 为横坐标作图如图 ５ 从图 ５ 看,ｌｎ＾η 分布呈直线状,表明符合 Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ 加 速模型 采用二乘法计算模型参数,并作参数与温 度关系图图 ５ 图 ５ 威布尔分布参数与温度的关系 Ｆｉｇ. ５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｗｅｉｂｕｌｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 拟合所得威布尔参数与温度的关系如下 ｌｎ＾η ＝ －８. ９９８ １ ＋５ ２６４. ４/ Ｔ６ ３. ５ 正常温度下分布参数的外推 对于正态分布,正常温度２９３ Ｋ下的均值和 标准差分别由式４和式５计算得 ＾μ０＝ ｅｘｐ －９. ０５２ ３ ＋５ ２７３. ７/２９３ ＝７ ６９１. ４； ＾σ０＝ ｅｘｐ －１１. ５６８ ２ ＋５ １６６. ６/２９３ ＝４３０. ６ 对于威布尔分布,正常温度下的参数＾ｍ０由下 式求得 ＾ｍ０＝ ｎ１ｍ１ ＋ ｎ２ｍ２＋ ｎ３ｍ３ / ｎ１＋ ｎ２＋ ｎ３ ＝ ９ １８. ４６１﹢ ９ １８. ９５０﹢ ９ １７. ８２０ / ９ ＋９ ＋９ ＝ １８. ４１ 参数＾η０由式６计算得 ＾η０＝ ｅｘｐ －８. ９９８ １ ＋５ ２６４. ４/２９３ ＝７ ８５６. ２ ３. ６ 估计储存寿命 对于正态分布,由于＾μｉ和＾σｉ分别定义为伪失 效寿命均值和标准差,可知＾μ０就是正常温度下的中 位寿命ｔ０. ５＝＾μ０＝７ ６９１. ４ ｄ ＝２１. １ ａ ＾σ０即为正常温度下寿命标准差＾σ０ ＝ ４３０. ６ ｄ ＝１. ２ ａ 对于威布尔分布,＾ηｉ与伪失效寿命对应,故＾η０ 为正常温度下的特征寿命＾η０＝７ ８５６. ２ ｄ ＝２１. ５ ａ 对于中位寿命ｔ０. ５＝＾η０ｌｎ２１/ ＾ｍ０ ＝７ ７０１. ３ ｄ ＝ ２１. １ ａ 采用两种分布计算的中位寿命均为 ２１. １ ａ,这 里可取整数 ２１ ａ 作为炸药的剩余储存寿命 根据以上样本 ２１ ａ 的储存寿命评估结果,加上 样本历经 ８ ａ 储存时间,得出该炸药储存寿命为 ２９ ａ ４ 结论 炸药储存寿命评估的准确性,主要取决于特征 参数及其阈值的合理性、试验数据的准确性以及评 估技术的科学性 基于失重率阈值的依据是美军标 ＭＬＳＴＤ１７５１,此依据是否合理或具普适性需要 进一步验证 试验数据的准确性要取决于样品状 况、试验条件控制、测试仪器精度等多种因素 评估 技术中评估方法、加速模型和数据量大小对结果均 产生影响 此外,实际获得的试验数据通常会出倒 挂现象,这还需要参照相关文献作统计修正 本文介绍一种炸药储存寿命的评估技术 它不 局限于 ＴＮＴ 基炸药,也适用于其他炸药或产品如 电子器件、非金属材料等的储存寿命评估 评估 过程表明,采用加速退化试验数据,基于失重率阈 值,利用统计学方法,可以评估炸药储存寿命 参 考 文 献 [１] 孟涛,张仕念,易当祥,等. 导弹储存延寿技术概论 [Ｍ]. 北京中国宇航出版社,２０１３. 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[ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ； ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｓｔ； ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ； ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｅ； ｓｔｏｒａｇｅ ｌｉｆｅ； ｌｉｆｅｔｉｍｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ .１４.２０１６ 年 ６ 月 ＴＮＴ 基炸药储存寿命评估研究 祝逢春,等