以LLM-105為基的耐熱混合炸藥的應(yīng)用研究

徐文新 ，李必紅 ，李萬全 ，李尚杰 ，趙方琪 ，趙云濤 ，高 雨

（1.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西 西安，710061； 2.渤海裝備石油機(jī)械廠，河北 任丘，062550）

隨著石油戰(zhàn)略資源在國際地位的逐漸提高，超深井、超高溫井的勘探需求將會(huì)越來越多，用于完井射孔的石油射孔器材的耐熱性也必須滿足相應(yīng)條件。耐熱混合炸藥是石油射孔彈射流形成的主要能量來源，目前國內(nèi)石油射孔行業(yè)主要使用以 RDX、HMX、PCS、HNS、PYX 為基的混合炸藥。其中，RDX、HMX、PCS為基的混合炸藥有較高的爆轟能量和安定性，可在 170～200℃的高溫環(huán)境中安全使用[1]；而HNS、PYX為基的混合炸藥具有優(yōu)良的耐熱性[2]，可在200～260℃的超高溫環(huán)境中安全使用，這兩種藥劑的爆速均在6 800m/s左右，由于受炸藥能量的限制，這兩種混合炸藥裝配的耐熱射孔彈穿深性能僅為同類型常溫射孔彈的75%左右。因此，開發(fā)一種高能量耐高溫的新型炸藥具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。

2,6-二氨基-3,5-二硝基-1-氧吡嗪（ANPZO）是美國勞倫斯?利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL）首次合成（俗稱LLM-105）的一種高能低感、性能優(yōu)良的耐熱單質(zhì)炸藥，國外學(xué)者對它的報(bào)道主要集中在ANPZO的合成、配方性能和理論模擬計(jì)算上[3-7]；國內(nèi)科研工作者對ANPZO的合成、性能測試和應(yīng)用也進(jìn)行了大量的研究工作[8-10]。由于LLM-105具有高能量和優(yōu)良的耐熱性，中北大學(xué)蘇俊[10]等人提出將LLM-105混合炸藥應(yīng)用到石油射孔彈中，但缺乏相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)論證。因此，本文研究了以LLM-105混合炸藥為主裝藥的石油射孔彈的性能，為今后石油射孔器材的研究和應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 藥劑選擇

1.1 耐超高溫傳爆藥

為滿足主裝藥的穩(wěn)定爆轟，本文選用較敏感的針狀LLM-105和PYX單質(zhì)炸藥作為石油射孔彈的傳爆藥，它們的部分性能參數(shù)如表1[11]所示。

表1 ANPZO和PYX性能比較Tab.1 Comparison of the property of ANPZO and PYX

1.2 耐熱主裝藥

本文選用以多面立方狀 LLM-105為基的混合炸藥L091作為射孔彈的主裝藥，同時(shí)選取以HNS為基的混合炸藥S992、以PYX為基的混合炸藥Y971作為射孔彈的主裝藥進(jìn)行地面穿鋼靶性能對比試驗(yàn)。主裝藥L091、S992和Y971部分性能參數(shù)如表2所示。

表2 L091、S992與Y971性能對比Tab.2 Comparison of the property of L091、S992 and Y971

2 性能測試與分析

2.1 熱安定性和相容性測試

一種新型炸藥能否用于射孔彈中，主要取決于該炸藥的熱安定性以及其與射孔彈殼體、藥型罩相容性，只有熱安定性好和相容性好才能保證在較長的儲存期內(nèi)其性能不改變，同時(shí)保證生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存和使用的安全。因此采用熱失重法對L091混合炸藥進(jìn)行了耐熱分析試驗(yàn)。同時(shí)按照GJB 5891.17-2006火工品藥劑試驗(yàn)方法第17部分：相容性試驗(yàn)的差熱分析和差示掃描量熱法的要求對L091混合炸藥和射孔彈彈殼體、L091混合炸藥和藥型罩混合體系進(jìn)行相容性檢測。

檢測儀器：德國耐馳公司DSC204F1測試儀，升溫速度：5/min℃；瑞士梅特勤-托利多公司TGA/SDTA851熱分析儀，升溫速度：10/min℃。測試結(jié)果見圖1～ 5。

圖1 L091的TGA曲線Fig.1 TGA curve of L091

圖2 220℃48h后L091的TGA曲線Fig.2 TGA curve of L091 processing by 220℃/48h

圖3 L091的DSC曲線Fig.3 DSC curve of L091

圖4 L091/射孔彈殼體的DSC曲線Fig.4 DSC curve of L091/charge shell

圖5 L091/藥型罩的DSC曲線Fig.5 DSC curve of L091/liner

圖1是L091混合炸藥的TGA曲線，由圖1可見L091混合炸藥在 273℃以上才有分解失重發(fā)生，500℃時(shí)L091失重為81.95%；圖2是L091混合炸藥經(jīng)過220/48h℃高溫環(huán)境后的TGA曲線，由圖2可見273℃時(shí)L091熱失重為1.77%，500℃時(shí)L091失重為84.080 1%。圖3為L091混合炸藥的DSC曲線，放熱峰溫為349.64℃。經(jīng)DSC和TGA測試結(jié)果表明，L091混合炸藥具有很高的熱分解溫度和良好的熱安定性，可以滿足220/48h℃高溫環(huán)境的使用條件。

由圖4可知，在5℃/min升溫速率條件下L091混合炸藥和射孔彈殼體的混合體系分解峰值溫度為347.97℃，較L091單獨(dú)體系峰值前移1.67℃，小于2℃，混合體系較單獨(dú)體系的表觀活化能變化率為0.71%，變化率小于 20%，說明射孔彈殼體對 L091混合炸藥的熱分解具有一定的催化作用。根據(jù) GJB 5891.17-2006判定L091混合炸藥和射孔彈殼體相容性好，相容性等級為一級。

由圖5可知，在5℃/min升溫速率條件下L091混合炸藥與藥型罩的混合體系出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰值。由于藥型罩中含有少量的低熔點(diǎn)金屬，該粉末熔點(diǎn)為271.3℃，與圖5中的起始點(diǎn)溫度271.46℃非常接近，可判斷第1個(gè)峰為該金屬粉的熔化峰。根據(jù)文獻(xiàn)[12]報(bào)道，由于鉍屬于低熔點(diǎn)軟金屬，塑性變形能力較大，可以有效地增加金屬顆粒間的接觸面積，從而提高藥型罩的強(qiáng)度，在藥型罩成型、射流的形成和拉伸及穿靶過程中起到重要的作用。第2個(gè)峰348.13℃為L091混合炸藥的分解峰溫。對比圖3可知，L091混合炸藥與藥型罩的混合體系較 L091單獨(dú)體系峰值前移1.51℃，小于 2℃，混合體系較單獨(dú)體系表觀活化能變化率為4.3%，變化率小于20%，說明藥型罩對L091混合炸藥的熱分解也具有一定的催化作用。根據(jù)GJB 5891.17-2006判定L091混合炸藥和射孔彈藥型罩相容性好，相容性等級為一級。

2.2 成型性試驗(yàn)

現(xiàn)有石油射孔彈等爆破器材均采用壓裝工藝，本文L091采用的粘結(jié)劑為含氟高聚物粘結(jié)劑F2602，該粘結(jié)劑性能優(yōu)良，經(jīng)試驗(yàn)研究，采用常規(guī)壓制工藝，裝藥的相對密度達(dá)91%，壓制性能優(yōu)良。根據(jù)文獻(xiàn)[9]報(bào)道該配方的 LLM-105混合炸藥的壓藥成形性好，如果采用熱壓，裝藥的相對密度達(dá)97%，但現(xiàn)在石油射孔彈壓藥工藝還不能實(shí)現(xiàn)熱壓工藝，這也將成為今后改進(jìn)石油射孔彈綜合性能的一個(gè)突破方向。

2.3 破甲威力試驗(yàn)

根據(jù) GB/T 20489-2006 油氣井聚能射孔器材通用技術(shù)條件 6.2對樣品射孔彈進(jìn)行地面穿鋼靶試驗(yàn)。壓制過程中，采用相同的藥量和壓制工藝參數(shù)，分4組進(jìn)行試驗(yàn)：前3組傳爆藥相同，主裝藥不同，得出最佳穿深的主裝藥類型；第4組采用最佳主裝藥和針狀LLM-105傳爆藥配合進(jìn)行試驗(yàn)，對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出最佳主裝藥和傳爆藥配合方案。

靶體材料：45#鋼；彈型：102彈；炸高：40mm；每組3發(fā)。

表3 地面穿鋼靶試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test result of steel target penetration

通過上述對比試驗(yàn)可以得到：前3組試驗(yàn)傳爆藥（PYX）相同，裝填以LLM-105為基的混合炸藥L091比S992 、Y971混合炸藥的穿孔深度和孔徑有明顯提高。對比第3組和第4組試驗(yàn)可知：主裝藥（L091）相同，采用LLM-105傳爆藥的石油射孔彈比PYX傳爆藥的穿深、孔徑和穿深穩(wěn)定性均略有提高。

炸藥是射孔彈射流形成的主要能量來源，而理論分析和試驗(yàn)研究都表明，炸藥影響破甲威力的主要因素是爆轟壓力，按照流體力學(xué)理論知：

式（1）中：PCJ為爆壓；ρ0為密度；D為爆速。

本文采用的LLM-105混合炸藥的密度和爆速均大于混合炸藥S992和Y971，根據(jù)式（1）可得LLM-105混合炸藥產(chǎn)生的爆壓大于 S992和 Y971，因此用LLM-105混合炸藥裝填的石油射孔彈破甲威力更強(qiáng)一些，這和試驗(yàn)得到的結(jié)論相吻合。

3 結(jié)論

（1）L091混合炸藥是一種新型耐熱混合炸藥，熱安定性優(yōu)良，經(jīng)220/48h℃高溫環(huán)境后性能不發(fā)生變化。

（2）L091混合炸藥與射孔彈殼體、藥型罩的相容性均為一級，可長時(shí)間儲存性能不發(fā)生變化。

（3）在相同傳爆藥條件下，地面穿鋼靶試驗(yàn)表明，采用L091混合炸藥裝填的射孔彈的穿深和孔徑都優(yōu)于S992和Y971。

（4）在相同主裝藥L091條件下，地面穿鋼靶試驗(yàn)表明，以單質(zhì)炸藥LLM-105為傳爆藥的射孔彈的穿深和孔徑均優(yōu)于傳爆藥PYX。因此可得到最佳的裝藥結(jié)構(gòu)：傳爆藥為針狀LLM-105，主裝藥為多面立方狀LLM-105為基的混合炸藥L091。

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