DNAN+基含铝熔铸炸药倒药方法研究.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2014. 05. 011 DNAN 基含铝熔铸炸药倒药方法研究 ❋ 刘艳萍 金大勇 高玉玲 付改侠 西安近代化学研究所陕西西安,710065 [摘 要] 为了重复利用不合格战斗部壳体及炸药,针对战斗部装填的 DNAN 基含铝熔铸炸药进行了特性分析, 对比了机械破碎法、化学试剂溶解法、间接加热熔化法等几种常用倒药方法的优缺点,最终选定了适合该炸药体系 的间接加热熔化倒药方法。 同时,对倒药过程的安全性进行了分析,并利用计算模型对倒药工艺参数进行了预估。 试验结果表明,计算模型预估与实际结果较为吻合。 该方法的应用,既节约了成本,又避免了环境污染,实现了资 源的循环使用。 [关键词] 炸药 缺陷 倒药 模型 不合格 处置 [分类号] TQ 560. 7 引言 炸药是战斗部实现毁伤的能源,炸药装药的质 量直接影响到战斗部效能的发挥及其使用安全性。 因此,为完成武器系统赋予的战术使命,许多高价值 的战斗部装药已不允许有目视可见的裂纹、缩孔和 气泡等装药疵病。 某战斗部装填了以不敏感炸药 DNAN2,4-二硝基苯甲醚 [1]为基的高能含铝熔铸 炸药,但在装药过程中产生了无法接受的裂纹缺陷, 产品被判定为不合格。 其处置方法一是要查找裂 纹产生的原因,以便改进和完善装药工艺,避免此类 事件的再次发生;二是要对该发产品采取挽救措施, 使高价值零部件能继续使用,从而最大限度地减少 经济损失。 目前,常用的挽救措施是对产品进行返修,即将 原来有缺陷的装药从战斗部壳体中倒出,战斗部壳 体得以重复利用,然后重新进行炸药装填。 在此过 程中,倒药方法选择的合理性、工艺参数设计的准确 性以及安全技术措施制定的科学性,都是关系到整 个倒药工作能否安全与顺利实施的关键因素。 目前 国内 TNT 基熔铸混合炸药的倒药技术较为成熟,刘 光烈等[2]对中小型战斗部 TNT 装药的倒空方法及 其安全技术进行了阐述,娄建武等[3]对装填 TNT 的 炮弹和炸弹在销毁时,如何利用外界可燃物燃烧的 热量使弹体内部的炸药熔化并自行倒出的方法进行 了说明。 但是针对装填 DNAN 基含铝熔铸混合炸 药的大型战斗部倒药方法还未见报道,无成熟经验 可以借鉴。 因此,在确保安全零风险的前提下避免 高价值零部件报废带来的损失,成为该研究亟待解 决的问题。 1 炸药装药配方与战斗部结构特性分析 炸药装药的倒药方法与其配方本质特性和战斗 部结构有直接关系。 对这两方面进行研究是倒药方 法设计的关键。 1. 1 炸药配方本质特性分析 炸药配方主要特性参数见表 1。 由表 1 可知 1炸药配方本质上是一种含铝的熔铸型炸药, 可加热反复熔化,药浆可自行流动[4]; 2炸药熔点为 95. 0 ℃,比 TNT 高出约 15 ℃, 属于较高熔点的熔铸炸药; 3炸药的感度较低[5]。 其中,冲击波感度优于 TNT,机械感度和枪击感度均符合国军标的要求; 4炸药的热安全性较好,自发火温度和爆发点 5 s温度均在 198 ℃以上,远高于其熔点,并可长 时间加热保持稳定; 5炸药通过了 3 项易损性试验,属于低易损性 炸药[6]; 6炸药的力学强度较低,与传统的 TNT 基熔铸 炸药相比仅有其 20% 25%,导致炸药易产生裂纹 或破碎; 7装药部分组分可溶解于特定的有机溶剂之 中。 1. 2 战斗部结构特性分析 战斗部的结构特性见表 2。 152014 年 10 月 DNAN 基含铝熔铸炸药倒药方法研究 刘艳萍,等 ❋ 收稿日期2014-03-05 作者简介刘艳萍1974 ,女,工程师,主要从事火炸药装药及性能检测。 E-maillyp 713@163. com 表 1 某炸药配方基本性能参数 Tab. 1 Basic parameters of an explosive 性能参数备注 配方组成 DNAN/ RDX/ Al/ 钝感剂 熔铸型含铝炸药 工艺性药浆可自行流动 熔点/ ℃95. 0TNT 为 80. 2 冲击波感度 H50 / mm 29. 76TNT 为 42. 50 撞击感度/ %28,12,203 个鉴定批 摩擦感度/ %2,4,03 个鉴定批 枪击感度10 发不燃不爆 自发火温度/ ℃198. 9 爆发点5s / ℃268. 0 DNAN 在 100℃下 烤燃时间/ h 约为 4. 6 1015 [3] 易损性 通过快速烤燃、慢速 烤燃和子弹撞击 3 项 易损性试验 抗压强度/ MPa 4. 63室温、 3. 6750℃ TNT 基炸药 为 18 20 抗剪强度/ MPa 0. 960室温、 0. 53150℃ TNT 基炸药 为 3 4 抗拉强度/ MPa 1. 35室温、 0. 69350℃ TNT 基炸药 为 4 5 溶解性 可溶于丙酮、环己酮、 乙酸乙酯等有机溶剂 表 2 某战斗部结构特性 Tab. 2 Structural characters of a warhead 性能参数备注 弹体总质量/ kg1200 装药量/ kg480 装药长度/ mm1800 装药直径/ mm490 350 口部约 490, 底部约 350, 呈锥台形 壳体厚度/ mm3钢 破片厚度/ mm24钨珠和高分子胶 腐蚀性 高分子胶可溶于 丙酮、环己酮、乙酸乙酯 等有机溶剂 由表 2 的数据可知 1战斗部总质量及装药量巨大,属于超大型装 药战斗部; 2战斗部装药结构亦巨大,特别是装药长度接 近 2 m,但是其口部大,底部小,成锥台形; 3弹体结构复杂,特别是含有一层高分子胶黏 结钨珠形成的破片层,导热性差; 4破片层的高分子胶可溶解于有机溶剂。 2 倒药方法分析及选择 目前常用的倒药方法有机械破碎法[7]、化学试 剂溶解法和加热熔化法。 机械破碎倒药法是通过采用专用的工装或设 备,利用机械破碎的方法将弹体内的炸药装药从外 向里依次分割成若干个小块并取出,实现装药与战 斗部壳体分离。 这种方法需要设计复杂的专用工装 卡具及刀具,对炸药施加较大的机械冲击,操作过程 风险较高[8],一般要求人机隔离,采用监控及远距 离控制等方式来进行操作。 因此,仅适用于小型弹 药装药的倒药。 通过分析可知,炸药的力学强度较 低,理论上可以进行机械破碎。 由于战斗部装药量 和尺寸较大,采用机械破碎法倒药时由于炸药受到 破碎,机械冲击的强度高,安全性风险较大。 因此, 机械破碎法不适合某战斗部的倒药工作。 化学试剂溶解倒药法是根据炸药特性选用合适 的溶剂对炸药装药进行部分或全部溶解,然后将溶 液倒出,实现炸药与弹体分离的倒药方法。 这种方 法由于需要有机溶剂,污染较大,并且可能对弹体的 有机涂层、黏结剂等组件具有腐蚀性,因此,这种倒 药方法具有较大的局限性。 该炸药组分可以溶解于 部分有机溶剂中。 但有机溶剂对黏结战斗部内层破 片的高分子胶有腐蚀性;由于装药量大,需要的有机 溶剂量也巨大,环境污染严重,同时大量易燃的有机 溶剂也存在较大的安全隐患。 因此,化学试剂溶解 法不适合某战斗部的倒药工作。 加热熔化倒药法是利用熔铸型炸药可加热反复 熔化的特点,通过对已凝固成型的炸药装药进行加 热,载体炸药组分温度达到其熔点以上后由固态变 为液态,从弹体内腔中自行流出,达到装药与壳体分 离的目的。 加热熔化法不需要复杂的专用工装与设 备,操作方式简单,是熔铸型炸药装药的逆向过 程[9]。 一般可分为两种第一种是水煮法,此方法适用 于倒空熔点较低或者能溶于水的炸药,如 TNT、TNT 为基的混合炸药及硝铵炸药等。 第二种是蒸汽法,又分为直接熔化和间接熔化 两种方法。 即采用蒸汽直接加热炸药和利用通蒸汽 的导热工装来间接加热炸药而使其熔化流出的倒药 方法。 由于蒸汽温度高于 100℃,因此适用于熔点 较高的炸药倒药。 对于含铝炸药,因蒸汽会与铝粉 发生剧烈的氧化还原反应而放出易燃易爆的氢气, 采用加热熔化法时要避免水蒸气与炸药相互接触。 25 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 5 期 图 1 破片黏结性 试验示意图 Fig. 1 Schematic diagram of fragment binding test 因此,针对 DNAN 基含铝熔铸炸药及类似炸 药,其热安全性较好,可根据战斗部结构呈锥台形的 特点,将弹体口部向下,对装药进行加热,仅需将壳 体内壁与主装药相连接的小部分炸药熔化,即可实 现战斗部壳体与装药的整体分离。 综上所述,理论上可采用间接加热熔化法进行 倒药。 3 间接加热的倒药工艺控制 间接加热熔化法能否适用,还取决于以下两个 因素一是加热温度能否达到炸药熔点;二是加热温 度是否会使战斗部破片黏结材料老化失效而导致破 片脱落变形。 3. 1 加热温度控制 由表 1 可知,炸药的熔点为 95. 0 ℃,如果采用 间接加热法倒药,需要在战斗部壳体外安装一套加 热装置。 从安全性出发,热源一般为热水或者压力 蒸汽。 由于间接加热时有较大的热损失,而热水温 度一般不超过 100℃,其与炸药熔点温度梯度较小, 且存在壳体、破片、高分子胶、炸药等多个界面,部分 材料为热的不良导体,用其作为热源会带来因热量 损失使炸药达不到其熔点等技术风险问题。 压力蒸 汽为目前熔铸炸药常用的一种熔药热源,其具有升 温快、热效高等优点,能实现温度可调,且与炸药熔 点梯度较大,因此,压力蒸汽成为实现该炸药熔融的 较为理想的热源。 饱和蒸汽压力与温度的对照 表[10]见表 3。 由表 3 可知,蒸汽压力达到 0. 10 MPa 时,其温度已达到炸药熔点以上。 表 3 饱和蒸汽压力-温度对照 Tab. 3 The saturated vapor pressure-temperature control table 压力/ MPa温度/ ℃ 0. 10120. 0 0. 12123. 0 0. 14126. 0 0. 15127. 0 0. 16128. 5 0. 18131. 0 0. 20133. 5 为了提高战斗部的抗过载性能或实现密封、破 片黏结等功能,沥青、硅橡胶或其他高分子材料被广 泛用于战斗部壳体中。 不能排除某些内衬包覆缓冲 材料或者破片黏结用的高分子材料耐热性较差,在 高温加热过程中可能会出现老化失效、塌陷、鼓包等 情况。 在侵彻战斗部中,缓冲层出现起泡、鼓包或者 塌陷等缺陷一般被认为是不可接受的,如出现该类 情况,须进行重新包覆处理;而在爆破战斗部中,由 于战斗部为一次使用产品,只要黏结破片的高分子 材料的黏结性能不发生大的变化,可被认为接受;如 发生大的变化,由于破片黏结用的胶与金属壳体和 预制破片相比价值很小,可以将老化的胶用溶剂溶 解去除,然后重新进行破 片黏结即可。 为了考验该黏结胶在 高温下的黏结性能,防止 其在高温下发生脱黏、流 液等变化,设计了与战斗 部结构类似的单元试验 件,并加严了试验条件。 具体做法为在一个平面 钢板上黏贴 3 层钨珠破片 模块,垂直放置图 1于 烘 箱 中, 温 度 设 定 为 130℃。 试验结果为7 h 后,破片与钢板黏结牢固, 高分子胶未见起泡、鼓包 等异常状况,说明 130℃ 倒药加热温度对破片黏结 性无影响。 经过以上分析及试验,表明间接加热熔化法基 本可行,其适合于熔点较高、含有铝粉的 DNAN 基 熔铸炸药倒药,最终选定其为该战斗部装药所采用 的倒药方案。 3. 2 工艺流程及其参数设计 倒药工艺流程分为前期准备、倒药和后处理等 3 个工序。 3. 2. 1 前期准备 弹体状态检验。 倒药前首先对弹体进行全面的 状态检验,包括弹体的确认、装药外观检查等。 工具、工装准备。 1弹体端盖拆卸工具、加热 工装、起吊工具各 1 套; 2支撑木墩1 个,其直径略小于药面端口直 径; 3监控装置1 套,可对炸药熔化情况进行远程 监控。 3. 2. 2 倒药过程 3. 2. 2. 1 卸后端盖和弹体摆放 首先卸掉端盖。 为确保熔化后的炸药顺利流 出,需要将弹体翻转并支起离开操作面。 同时待炸 药和壳体分离后,为保证剩余的固态装药维持原状 352014 年 10 月 DNAN 基含铝熔铸炸药倒药方法研究 刘艳萍,等 不动,需要将装药支撑牢固,而壳体可以移动提开。 为达到上述目的,可采用在装药口部支撑一个圆形 木墩的方法来实现,即将一个支撑木墩放在操作面 上的一个盘子内,用行吊将弹体翻转口部朝下倒 放在木墩上,并使弹体装药对准木墩中心位置。 3. 2. 2. 2 装药的加热熔化 1加热工装的安装。 在弹体外壳套上加热工装,连接牢固蒸汽管路, 并在工装外部包裹一层保温棉被。 2加热温度参数的设计。 弹体的加热过程属于稳态导热问题,因此,通过 计算来确定加热温度。 弹体为轴对称结构,传热主要由壳体、钢珠、高 分子黏接胶以及主装药组成,实体模型如图 2 所示。 其中壳体材料为钢,厚度为3 mm;破片层钢珠和高 分子黏接胶厚度为 24 mm;主装药厚度为245 mm。 战斗部初始温度约为 25 ℃,外界环境温度为 130 ℃。 1 - 壳体;2 - 破片;3 - 高分子黏结胶;4 - 炸药 图 2 实体模型 Fig. 2 Entity model 由于采用间接加热倒药法,实现壳体与炸药分 离的理想状态为在与破片接触处 5 10 mm 厚的 炸药熔化后,其与破片的黏接力基本丧失,壳体在起 吊工装的作用下受到向上的拉力,控制好起吊的速 度,实现壳体与炸药分离。 熔化的炸药厚度约为 5 10 mm,而装药直径为 350 490 mm,厚度仅为直 径的 1. 0% 1. 4%,也就是熔化的炸药是一个薄壁 的环形结构,由于炸药密度基本一致,且圆环在任一 轴向剖面可被看作一矩形。 因此,可将沿径向和轴 向的二维热传导模型简化为沿径向的一维传热模型 对装药的热传导进行计算。 为方便起见,理论计算时将钨珠和高分子黏接 胶按照体积比分别等效为一定厚度,则钨珠的等效 厚度为 18 mm,高分子黏接胶等效为 6 mm 厚隔热 层,理论模型如图 3 所示。 由于弹体内不存在热源,一维热传导方程为 1 - 壳体;2 - 破片;3 - 高分子黏结胶;4 - 炸药 图 3 理论模型 Fig. 3 Theory model ux- α2uxx=0; α = k cpρ。 { 1 式中u 为弹体环境温度;x 为热传导厚度;α 为热扩 散系数;k 为导热系数;cp为比热容; ρ 为材料密度。 根据战斗部理论计算模型,可知该问题初始条 件为 u x =2= T0; u x = R0= T1。 { 2 衔接条件为 u x = l- 1 = u x = l﹢ 1; u x = l- 2 = u x = l﹢ 2; u x = l- 3 = u x = l﹢ 3; u x = l- 4 = u x = l﹢ 4。 3 式中l1、l2、l3、l4分别为壳体、破片、黏接胶和主装药 的边界。 不含热源的一维热传导方程的解析解为 u - u x =0 u t =0- ux =0 = fer x 2ατ 。4 式中fer为误差函数,被定义为 fer x 2ατ = 2 π ʃ x/2ατ 0 e - z2dz。 5 加热时,弹体外部环境温度保持为 130℃,即 u x =0=130℃,将边界条件及材料的热扩散系数代 入式4和式5可得,炸药内表面温度随时间的变 化曲线,其结果如图 4 所示。 由图 4 可以得到,在保 45 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 5 期 温约 3 h 炸药内表面温度约为 95℃,即炸药装药已 经开始熔化,5 h 之后温度达到了约 115℃,之后上 升空间很小,基本保持稳定。 另外,由表3可知,蒸汽压力在0. 15 0. 20MPa 之间时,其温度为127. 0℃ 133. 5℃ 。综上所述, 图 4 炸药内表面温度随时间的变化曲线 Fig. 4 Curves of internal surface temperature of the explosive changing with time 加热的蒸汽压力设计为 0. 15 0. 20 MPa。 3. 2. 2. 3 过程监控和装药与壳体的分离 为确保整个倒药过程受到监控,通过远程监控 装置不间断观察炸药的熔化状况。 待装药与壳体分 离后,利用行吊将壳体提起移走,将装药整体倒出。 3. 2. 3 后处理 将药柱用木榔头逐步粉碎成小药块后移走;采 用溶剂对弹体、中心管和隔板内外表面进行清理;检 验弹体、中心管和隔板的状态。 4 倒药过程的安全性分析 炸药装药的倒药过程分为以下几个工序弹体 检查及工具、工装准备→卸端盖和弹体摆放→装药 加热熔化→过程监控及装药与壳体的分离→后处 理。 主要的工艺参数是加热的温度和时间。 经过倒药流程进行梳理和风险辨识,倒药过程 中的主要危险因素是爆炸,引起爆炸的主要原因有 炸药受到外界的热刺激导致意外爆炸;装药受到外 界的机械刺激导致意外爆炸。 针对倒药的工艺过程,由表 1 的内容可知,炸药 配方的机械感度满足国军标的要求,热安全性也十 分优异;通过第 3. 2. 2 节对倒药过程炸药温度变化 的数值计算,结果表明炸药在长时间加热时基本保 持稳定,热安全性可以得到保证;倒药工艺过程中使 用的工具均为铜、铝等非黑色金属工具,满足防爆安 全要求;倒药过程中所用器具均接地良好,避免静电 积累造成电火花的危险;倒药的场地留有适当的安 全距离,尽量减少意外发生时的附带损害;编制了详 细的倒药方案和应急预案,对人、机、料、法、环等环 节进行了检查、确认。 综上所述,倒药过程的安全性是有保证的。 5 倒药试验结果 倒药现场布置示意图见图 5。 对加热工装通蒸 汽加热,5 h 左右炸药开始熔化,与战斗部壳体相接 触的炸药从垫板处流出。 通过观察炸药的流出状 况,待炸药基本上不再流出后,利用行吊和吊具将与 装药脱离的战斗部壳体提起移开,实现了两者的成 功分离,倒药试验结果见图 6 和表 4。 1 - 远程监控装置;2 - 接药盘;3 - 蒸汽入口;4 - 行吊 装置;5 - 弹体;6 - 蒸汽出口;7 - 加热工装;8 - 支撑工装 图 5 倒药现场布置示意图 Fig. 5 Schematic diagram of the site layout 图 6 装药与弹体分离 Fig. 6 Separate graph of the charge and shell 由表 4 和图 6 可以看出,利用一维传热模型计 算的结果与试验结果较为吻合,证明了模型的正确 性。 另外,装药与弹体成功实现了完全的安全性分 离,证明了设计的 DNAN 基含铝熔铸炸药倒药方法 的正确性。 6 结论 1间接加热倒药方法适合于熔点较高、含有铝 552014 年 10 月 DNAN 基含铝熔铸炸药倒药方法研究 刘艳萍,等 表 4 倒药试验结果 Tab. 4 Results of charge-inverted test 蒸汽压力/ MPa 温度/ ℃ 炸药熔化开始 时间/ min 炸药停止流出 时间/ min 熔化厚度/ mm 装药与壳体 分离状况 0. 18 0. 20129. 0 133. 53123556 7完全安全分离 粉的 DNAN 基熔铸炸药倒药; 2压力蒸汽升温快、热效高、温度可调,适合作 为间接加热的热源; 3一维传热模型计算结果与试验结果较为吻 合,可为今后类似大型战斗部倒药工艺参数设计提 供参考。 参 考 文 献 [1] 王浩,王亲会,黄文斌,等. 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The last method was finally selected to suit this explosive system best. Meanwhile, the safety analysis was conducted in the charge-inverted process. The simulated process parameters had a good agreement with real results according to test verifica- tion. The application of this method not only can save cost, but also avoids environmental pollution to achieve the recycling of resources. [KEY WORDS] explosive; drawback; inversion of charge; model; unqualified products; treatment 声 明 1、本刊对发表的文章拥有出版电子版、网络版版权,并拥有与其他网站交换信息的权利。 本刊支付的稿酬已 包含以上费用。 2、本刊文章版权所有,未经书面许可,不得以任何形式转载。爆破器材编辑部 65 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 5 期