导爆管传爆性能设计与参数分析.pdf

2 0 l O 年6 月导爆管传爆性能设计与参数分析何中其等 导爆管传爆性能设计与参数分析‘ 何中其彭金华刘大斌高耀林 南京理工大学化工学院 南京，2 1 0 0 9 4 【摘要] 在导爆管传爆规律定性分析基础上，结合不同装药条件，对导爆管传爆速度、反应区长度等主要传爆性 能参数进行简化计算，并与实验数据进行了对比。结果表明在1 2 1 8 m g ／m 的普通导爆管装药量区间内，利用爆 轰反应区能量损耗一半的经验算式对导爆管传爆速度进行估算，结果精度较好且计算简便。通过数值计算进行导 爆管装药设计指导值得推广。 [ 关键词] 导爆管传爆性能设计 [ 分类号] T J 4 5 7 ’I l D 2 3 5 ．2 2 引言 作为行业鼓励推广的民爆器材品种，以导爆管 为主体的非电起爆器材在爆破行业中越来越凸显重 要的位置⋯。 近年来，南京理工大学刘大斌等悼刮研究人员对 导爆管的起爆、传爆及输出特性、高强度导爆管研制 及设计等开展了较多的研究，侯建华MJ 、廖小翠r 7 1 、 肖绍清【B 】、杨月平一1 等人对导爆管、导爆管雷管的 使用可靠性也进行了相应的研究。实践表明，导爆 管的传爆性能是影响非电起爆器材发展、技术革新 的关键因素。一般爆破作业环境中，需要关注的导 爆管传爆性能参数主要有稳定传爆速度、爆轰反应 区长度、反应区温度及压力变化等。选取适用的爆 轰机理，可对既定生产条件下的导爆管传爆性能参 数进行分析、计算和预测，为导爆管产品设计、研发 工作提供便利，不仅节省产品研制成本，同时能大大 缩短新品研制时间。 1 导爆管传爆性能分析 1 ．1 传爆机理定性分析 工程爆破中，塑料导爆管的应用最为普遍。使 用时，选取的塑料导爆管长度为几米至几百米不等， 而其管径仅为1 ．5m m 左右，传爆距离与管径的比 值达到1 0 3 数量级以上。同时，据大量的使用经验 和爆速测试，装药密度均匀的塑料导爆管传爆时爆 速稳定，与传爆距离无明显关系0 1 。因此，导爆管 内的爆轰波可视为沿管轴向传播的一维平面爆轰 波。 塑料导爆管传爆时，粘附在管内壁的混合药粉 平均粒径约1 0 1 0 0 岫 发生快速化学反应，提供 传爆能量的来源；在一般的爆破作业条件下，管内同 时还存在初始气体 如空气 。因此，管内紧邻爆轰 波前沿波阵面后，有气相和固相存在。波阵面后气 相为压缩后的高温、高压、高速流动的气体；固相则 通过波阵面后气体的一系列作用，如传递动量、热 量，开始流动、升温，发生化学反应放热、生成气体， 放出的热量用以维持爆轰波前进。在爆轰反应 区内，炸药颗粒的体积不断变小，直至全部生成气相 物质，反应区终止，该区间示意图见图1 。 反应区终止面 前沿波阵面 图l 导爆管传爆时爆轰波反应区示意 1 ．2 传爆性能参数定量分析 1 ．2 ．1 爆速 从机理分析得出，导爆管传爆过程是典型固一 气两相混合物爆轰，爆轰过程与云雾爆轰机理一致。 对于云雾爆轰的一维理论，在不考虑管壁摩擦和热 量损失时，根据文献[ 1 2 ] 的详细分析和推导，可以 得到理想的无能量损耗的爆速表达式 ‰ 臀 收稿日期2 0 I O D 3 - 1 8 基金项目基础产品创新计划火炸药科研专项项目，南京理工大学科技发展基金项目 X K f D 9 0 0 9 作者简介何中其 1 9 r 7 8 一 ，男。博士，从事爆炸作用及其应用、安全技术及工程研究。E n l i l h ∞q 5 5 5 1 6 3 ．咖 万方数据 爆破器材＆p l ∞i v eM a t e r i a l s第3 9 卷第3 期 式中口。爆速； ． 后爆轰气体产物综合绝热指数； 叩一导爆管装药质量比例系数； p 川热。 1 ．2 ．2 爆轰反应区长度 考虑导爆管传爆时，炸药粒子的燃烧反应特性， 爆轰反应区的长度可认为由粒子的燃烧时间决定。 假设初始炸药粒子为球形，利用炸药粒子的燃速公 式可得到反应区间内球形粒子的燃烧时间。燃速公 式为 娄 c 6 p 2 i 2 c 6 p【2 式中r 炸药粒子的半径，c m ； ‘反应时间，s ； p 压力，M P a ； c 、6 物质的燃烧指数，对于R D x ，c 0 ．0 0 9 c I n ／s ，6 O ．0 5 [ 引。 爆轰反应区内压力一般由波阵面开始衰减，至 反应区结束时约为原来的一半n 引，其变化过程可近 似视为线性关系，此时，对公式 2 积分并推导，得 到压力与炸药粒子完全燃烧时间的关系式为 t B r 1 ／ c 6 p 2 3 式中h 炸药粒子完全燃烧时间，8 ； ■炸药粒子初始半径，c m ； p 波阵面后初始压力，M P a ，下标2 表示 初始波阵面状态。 最后，得到爆轰反应区长度J 己计算式 工 ％t ，D 。 4 1 ．2 ．3 反应区内压力 从爆轰反应区长度的简化推导过程中，可以得 出反应区的压力在波阵面后最高，此时其值由传爆 速度决定。随后在反应区内，压力不断衰减，是距波 阵面距离的函数，最终衰减约为波阵面压力的一半。 m 扣 √- 一半] 5 式中p 波阵面后初始压力，M P a ； Q 。计算爆热，M J ／k g ； A 炸药反应度函数，与距离波阵面长 度，即炸药粒子燃烧时间￡ s 有关。 A “二竺 二垫幽 6 L r l J 1 ．2 ．4 反应区内温度 波阵面开始处气相受激波作用，温度发生突跃。 由于混合药粉为固相，不可压缩、传热慢，因此温度 升高较慢。在反应区内，气相一直处于高温相， 直至固相反应结束。该过程中气相的温度可根据理 想气体状态方程确定。 2 传爆性能设计与参数计算 1 从爆速的简化计算式中得出，爆速仅为爆 热的函数，实际计算时分别考虑了热量无损耗、因摩 擦及热传导等因素热量有不同程度损耗的处理方 法。对于混合药粉为R D x 、铝粉及其他助剂的普通 导爆管装药，在室温条件下 2 5 ℃、O 。l M P a 、空气密 度1 ．2 2 5k g ／m 3 ，将公式 1 中竹换算成装药质量 仅考虑R D x 的爆热，取6 ．3 2M J ／k g ，得到不同导 爆管装药量与爆速关系，见图2 、表1 ，| | } 取值为1 ．3 。 表l 中实测爆速值是利用W I 化0 1 9 2 0 0 4 中光电 法 仲裁法 测定所得。 图2 导爆管装药量与爆速关系计算结果与实测值对比 从图2 及表l 可以看出，考虑爆轰反应区内能 量不同程度损耗的情况下，在导爆管装药量为1 5 m g ／m 实际普通导爆管装药量为1 6m ∥m 左右时， 能量损耗5 0 ％计算结果与实测值较为吻合。因此， 利用热量损耗一半的经验式u 刨来进行导爆管传爆 性能虚拟设计可行，即根据导爆管的装药量大小来 确定爆速。但是对于药量低于1 2 m g ／m 或高于 1 8 m g ／m 时则该经验式并不适用。采用能量无损耗 的计算结果则与实际偏差太大，设计时不能采用。 2 取导爆管的稳定爆速为1 ．8k - n ／s ，此时可 以得到爆轰反应区的长度与炸药装药颗粒直径关系 式。据经验，普通导爆管爆轰有效反应区的长度为 3 0 一6 0c m 旧J ，而通过考虑炸药粒子燃烧特性进行计 算时发现，结果与实际偏离很大，2 0 岬直径的 R D X 粒子的爆轰反应区达到了1 0m 以上。表明该 处理方法不适用于爆轰反应区长度的求算。 但是，爆轰反应区长度随着炸药粒径增大丽增 加的趋势规律与实际一致。当粒径过大时，由于反 万方数据 2 0 1 0 年6 月 导爆管传爆性能设计与参数分析何中其等 3 应区过长会导致能量损失加剧、反应区不稳定，甚至 断爆。因此，在不影响导爆管制造工艺时，炸药粒径 应尽可能减小。 3 利用爆速的经验式计算结果，得到装药为 1 6m g ／m 的普通导爆管爆速为1 ．9 lk n ∥s 。此时，假 定R D x 装药粒径为2 0 脚，进一步求算得出爆轰反 应区内压力队气相密度p 、炸药粒径r 与波阵面后 初始参数的比例变化规律，如图3 。计算结果表明， 反应区内压力 p ／p 、密度 p 和 等参数的衰减规 律与假设相符。 图3 导爆管爆轰反应区内压力、密度、 粒径变化与时间关系 爆速1 ．9 l l 【Ⅱ∥s 3 结论 通过对导爆管传爆规律的分析，可在一定装药 条件下对其传爆特征参数进行预估和设计。目前普 通导爆管的装药量为1 6m g ／m 左右，采用能量损失 一半的经验公式来调节装药量，以获得需要的爆速 性能等参数，其计算结果的误差可以接受。 为了使虚拟设计技术在导爆管产品设计、研发 工作中得到更好的应用，节约产品研制成本、缩短新 品研发时间，需要对导爆管传爆过程进行更合理、更 精确的分析、建模和计算。 4 致谢 南京理工科技化工有限责任公司为本研究提供 了样品和测试条件，中国兵器工业集团第二O 四研 究所对研究工作给予了支持，一并表示感谢。 参考文献 [ 1 ] 贾晓宏，雷智军．浅谈国内外导爆管雷管标准的差异 [ J ] ．国防技术基础，2 0 0 9 1 1 7 - 1 1 ． [ 2 ] 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，2 0 0 2 ． [ 3 ] 徐东．高强度导爆管研制[ D ] ．南京南京理工大学， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 何中其，侯建华，朱长江，等．长期贮存后导爆管的性 能检测与分析[ J ] ．爆破器材，2 0 0 5 ，3 4 3 1 0 1 2 ． [ 5 ] 何中其，王孟春，高耀林．塑料共混改性提高导爆管高 温使用性能[ J ] ．爆破器材，2 0 0 5 ，3 4 1 1 7 - 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