不同點(diǎn)火條件下無(wú)起爆藥雷管實(shí)驗(yàn)

王俊杰， 李 瑞, 黃寅生,2, 鄭軍強(qiáng), 李錦濤, 曹始發(fā), 郭芬芬, 陳世雄

(1.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院， 南京 210094； 2.江蘇南理工春雷爆破工程有限公司， 江蘇宜興 214200；3.貴州久聯(lián)民爆器材發(fā)展股份有限公司， 貴陽(yáng) 550000)

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不同點(diǎn)火條件下無(wú)起爆藥雷管實(shí)驗(yàn)

王俊杰1， 李 瑞1, 黃寅生1,2, 鄭軍強(qiáng)1, 李錦濤1, 曹始發(fā)1, 郭芬芬1, 陳世雄3

(1.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院， 南京 210094； 2.江蘇南理工春雷爆破工程有限公司， 江蘇宜興 214200；3.貴州久聯(lián)民爆器材發(fā)展股份有限公司， 貴陽(yáng) 550000)

摘要：使用外徑6.0 mm、內(nèi)徑3.5 mm，長(zhǎng)度分別為30，25，20，15 mm的鋼內(nèi)管，裝填結(jié)晶PETN(太安)作為起爆元件代替起爆藥，分別使用橋絲電引火頭、塑料導(dǎo)爆管、半導(dǎo)體橋(SCB)點(diǎn)火。實(shí)驗(yàn)表明：在橋絲電引火頭作用下，30，25 mm鋼內(nèi)管裝藥密度分別為0.90 ～1.47 g/cm3、1.21 ～1.40 g/cm3；高能HGL點(diǎn)火藥作用下，20 mm鋼內(nèi)管裝藥密度為0.87 ～1.42 g/cm3，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)。半導(dǎo)體橋點(diǎn)火使用RDX(黑索今)和PETN作為點(diǎn)火端裝藥可以使雷管發(fā)生爆轟。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)火條件； 燃燒轉(zhuǎn)爆轟； 無(wú)起爆藥雷管； 點(diǎn)火藥

1引言

雷管的出現(xiàn)為爆破工程開(kāi)創(chuàng)了新紀(jì)元。隨著時(shí)代發(fā)展，爆破工作環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜〔1-2〕。復(fù)雜的環(huán)境可能使目前含有DDNP起爆藥的工業(yè)雷管意外發(fā)火，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，且起爆藥在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量污水，目前還沒(méi)有很好的處理方法〔3〕。因此，研究無(wú)起爆藥雷管是有必要的。沈兆武等〔4〕發(fā)明了一種簡(jiǎn)易飛片式無(wú)起爆藥雷管。成一等〔5〕采用兩個(gè)普通雷管加強(qiáng)帽作為內(nèi)管發(fā)明了雙帽式無(wú)起爆藥雷管。馬志鋼等〔6〕發(fā)明了使用一端開(kāi)口一端閉口鋼內(nèi)管裝填猛炸藥實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的無(wú)起爆藥雷管。蘇俊等〔7〕采用自制金屬管裝填超細(xì)PETN作為起爆元件，研究?jī)?nèi)管裝藥密度對(duì)燃燒轉(zhuǎn)爆轟影響。

本文利用外徑6.0mm、內(nèi)徑3.5mm鋼管裝填平均粒徑55μm結(jié)晶PETN作為起爆元件，在橋絲電引火頭、塑料導(dǎo)爆管、半導(dǎo)體橋點(diǎn)火條件下，對(duì)無(wú)起爆藥雷管裝藥條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2無(wú)起爆藥雷管的制備

2.1點(diǎn)火藥的制備

高能HGL點(diǎn)火藥由黑火藥、高氯酸鉀、鋁粉按質(zhì)量比83∶12∶5混合制得。黑火藥由3號(hào)小粒黑經(jīng)碾磨后過(guò)80目篩制得，高氯酸鉀過(guò)200～320目篩，鋁粉過(guò)200目篩〔8〕。

2.2儀器設(shè)備及其他實(shí)驗(yàn)藥品

儀器設(shè)備：電子分析天平，游標(biāo)卡尺，壓藥設(shè)備，卡口機(jī)，壓藥模具，烘箱，外徑6mm、內(nèi)徑3.5mm的45#鋼管，橋絲電引火頭，塑料導(dǎo)爆管，半導(dǎo)體橋。

實(shí)驗(yàn)藥品：鈍化RDX、RDX、平均粒徑為55μm的結(jié)晶PETN，粒徑分布見(jiàn)圖1。

圖1　結(jié)晶PETN的粒徑分布Fig.1　Particle diameter distribution of crystal PETN

2.3制備過(guò)程

在8#雷管殼中依次壓入一遍藥鈍化RDX，質(zhì)量400mg，壓藥壓力39.1MPa；二遍藥RDX，質(zhì)量200mg，壓藥壓力22.8MPa。在二遍藥上端放入裝有結(jié)晶PETN的鋼內(nèi)管，鋼內(nèi)管上端放入點(diǎn)火裝置，在卡口機(jī)上卡口，完成無(wú)起爆藥雷管制作。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1普通橋絲電引火頭點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)

點(diǎn)火裝置為普通橋絲電引火頭，如圖2所示。

1-一遍藥； 2-二遍藥； 3-鋼內(nèi)管； 4-結(jié)晶PETN； 5-點(diǎn)火藥頭； 6-腳線； 7-普通雷管殼； 8-塑料塞圖2　橋絲電引火頭無(wú)起爆藥雷管實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2　Test device for electrical fuse head non-primary explosive detonator

使用5mm鉛板對(duì)雷管是否完全爆轟進(jìn)行驗(yàn)證。30mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1　30 mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼內(nèi)管的壓藥壓力在0～13.26MPa，裝藥密度為0.90～1.47g/cm3時(shí)，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN能夠?qū)崿F(xiàn)DDT，雷管發(fā)生完全爆轟，鉛板穿孔孔徑在10mm以上。當(dāng)鋼內(nèi)管裝藥密度大于1.55g/cm3時(shí)，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN不能實(shí)現(xiàn)DDT，雷管發(fā)生半爆。

多孔體系藥柱DDT機(jī)理認(rèn)為〔9〕：鋼內(nèi)管結(jié)晶PETN被點(diǎn)燃后，氣體燃燒產(chǎn)物向未燃藥柱滲透，產(chǎn)生一系列壓縮波，壓縮波加速結(jié)晶PETN燃燒反應(yīng)，加速燃燒使壓力累積，使壓縮波發(fā)展為沖擊波，沖擊波達(dá)到臨界強(qiáng)度后誘發(fā)爆轟。當(dāng)鋼內(nèi)管裝藥密度過(guò)大時(shí)，相應(yīng)的初始孔隙度就越小，已燃的氣體產(chǎn)物不易向未燃藥柱滲透，不能形成有效的對(duì)流燃燒，不利于已燃區(qū)的壓力增長(zhǎng)，很難形成爆轟。

同時(shí)，對(duì)于多孔藥柱的起爆機(jī)理，普遍認(rèn)為由于沖擊波對(duì)裝藥的不均勻加熱，形成熱點(diǎn)，逐步發(fā)展為爆轟波。熱點(diǎn)的溫度直接決定著多孔藥柱的DDT成長(zhǎng)性。根據(jù)彈塑性空穴閉合模型推導(dǎo)出多孔藥柱熱點(diǎn)溫度增量為〔10〕：

(1)

式中：cv為炸藥比熱容；ρ0為初始裝藥密度；p為藥柱壓力；p0為彈性極限壓力；α0為藥柱初始孔隙度；α為藥柱孔隙度。

假定cv為常數(shù)，由式(1)可看出，鋼內(nèi)管裝藥密度越大，相應(yīng)初始孔隙率越小，在相同沖擊波壓力作用下，相應(yīng)的鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN熱點(diǎn)溫升越小，不利于鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN起爆。因此，當(dāng)鋼內(nèi)管中的結(jié)晶PETN的壓藥壓力大于15.30MPa時(shí)，不利于藥柱的燃燒和壓縮波、沖擊波形成及多孔藥柱熱點(diǎn)溫度升高。從而，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN不易實(shí)現(xiàn)DDT，雷管發(fā)生半爆。

同時(shí)對(duì)長(zhǎng)度分別為25mm和20mm的鋼內(nèi)管裝填結(jié)晶PETN進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2　25 mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

表3　20 mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

從表1～表3可以看出，隨著鋼內(nèi)管長(zhǎng)度縮短，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN能夠?qū)崿F(xiàn)DDT的裝藥密度范圍在縮小。25mm鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN壓藥壓力1.02 ～9.18MPa，裝藥密度為1.21 ～1.40g/cm3時(shí)，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN能夠?qū)崿F(xiàn)DDT，而當(dāng)密度低于0.92g/cm3或高于1.46g/cm3時(shí)，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN不能實(shí)現(xiàn)DDT。20mm鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN在任何裝填密度下都不能實(shí)現(xiàn)DDT，雷管發(fā)生半爆。

影響多孔藥柱DDT成長(zhǎng)性的另一個(gè)重要因素是介質(zhì)的質(zhì)量燃耗率〔9〕，其可表示為：

(2)

由式(2)可以看出，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN裝藥密度越小，單位體積內(nèi)的藥粒個(gè)數(shù)就越少，藥柱質(zhì)量燃耗率就越低，降低了氣體產(chǎn)物的釋放速率，使得單位體積內(nèi)產(chǎn)生的能量與壓力梯度減小，不利于沖擊波形成，進(jìn)而不利于鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN實(shí)現(xiàn)DDT。裝藥密度過(guò)大時(shí)，燃燒產(chǎn)物不易向未燃藥柱滲透，不能形成有效對(duì)流燃燒，氣體產(chǎn)物釋放速率很低，不利于已燃區(qū)壓力的增大，很難形成爆轟。因此，25mm鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN裝藥密度過(guò)高或過(guò)低都不易實(shí)現(xiàn)DDT。

圖3為無(wú)起爆藥雷管起爆后的鋼內(nèi)管，可以看出雷管爆轟的鋼內(nèi)管一端破裂，另一端完好，而雷管半爆的鋼內(nèi)管沒(méi)有破裂，只是發(fā)生膨脹變形。

圖3　鋼內(nèi)管變形部分結(jié)果Fig.3　Steel inner tube part of deformation results

對(duì)于同一粒徑的結(jié)晶PETN顆粒，由式(2)可以看出，裝填密度越大，單位體積內(nèi)藥粒個(gè)數(shù)就越多，使得單位體積內(nèi)產(chǎn)生的能量與壓力梯度增大。DDT機(jī)理〔9〕認(rèn)為：鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN裝藥被點(diǎn)燃后，在點(diǎn)火具附近，能量緩慢釋放，壓力隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，在點(diǎn)火區(qū)下游、離爆轟點(diǎn)很近的地方，能量突然釋放、壓力急劇上升。當(dāng)鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN燃燒過(guò)程產(chǎn)生的壓力大于鋼內(nèi)管的剪切屈服極限時(shí)，鋼內(nèi)管發(fā)生破裂。在圖3(a)、(d)和(e)中，鋼內(nèi)管的約束長(zhǎng)度足夠、裝藥密度合適使裝填的結(jié)晶PETN燃燒氣體產(chǎn)物和反應(yīng)生成的熱能不能立即釋放，管內(nèi)氣體壓力急劇升高，當(dāng)管內(nèi)氣體壓力達(dá)到剪切屈服極限，鋼內(nèi)管下端發(fā)生破裂。相反，圖3(b)的25mm鋼內(nèi)管裝藥密度較小，鋼內(nèi)管裝藥量少，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN燃燒氣體產(chǎn)物量少，壓力低，沒(méi)有達(dá)到鋼內(nèi)管的剪切屈服極限，使鋼內(nèi)管僅僅發(fā)生膨脹。氣體平衡的破壞是燃燒轉(zhuǎn)爆轟的主要原因。在圖3(c)和(f)中，20mm鋼內(nèi)管由于約束長(zhǎng)度不夠，鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN燃燒氣體產(chǎn)物或熱能在鋼管下端過(guò)早釋放，難以形成壓力積累，管內(nèi)燃燒氣體產(chǎn)物壓力降低，沒(méi)有達(dá)到鋼內(nèi)管的剪切屈服極限，進(jìn)而鋼內(nèi)管下端僅僅發(fā)生膨脹，沒(méi)有破裂。

3.2塑料導(dǎo)爆管點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)

在硼系點(diǎn)火藥點(diǎn)火作用下，30mm、25mm鋼內(nèi)管中的結(jié)晶PETN在一定的裝藥密度下，能夠?qū)崿F(xiàn)DDT，雷管發(fā)生爆轟。20mm鋼內(nèi)管在任何裝藥密度下都不能實(shí)現(xiàn)DDT，雷管發(fā)生半爆〔11〕。為此，使用高能HGL點(diǎn)火藥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以期縮短鋼內(nèi)管長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4　20 mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力下鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

表5　15 mm鋼內(nèi)管在不同壓藥壓力鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

鋼內(nèi)管上端放入裝有高能HGL點(diǎn)火藥加強(qiáng)帽，加強(qiáng)帽長(zhǎng)6mm，傳火孔直徑2mm，如圖4所示。

1-一遍藥； 2-二遍藥； 3-鋼內(nèi)管； 4-結(jié)晶PETN； 5-點(diǎn)火藥；6-塑料塞； 7-導(dǎo)爆管； 8-加強(qiáng)帽； 9-普通雷管殼圖4　導(dǎo)爆管式無(wú)起爆藥雷管實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4　Test device for nonel non-primary explosive detonator

從表5和表6可以看出，在高能HGL點(diǎn)火藥作用下，長(zhǎng)度為20mm鋼內(nèi)管裝填結(jié)晶PETN在壓藥壓力為0 ～10.20MPa，裝藥密度為0.87 ～1.42g/cm3條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)DDT，雷管發(fā)生爆轟。15mm鋼內(nèi)管的結(jié)晶PETN在任何裝藥條件下都不能實(shí)現(xiàn)DDT，雷管發(fā)生半爆。因此，相比硼系點(diǎn)火藥點(diǎn)火作用，高能HGL點(diǎn)火藥能夠縮短鋼內(nèi)管長(zhǎng)度，使雷管發(fā)生爆轟。

高能HGL點(diǎn)火藥中黑火藥點(diǎn)火壓力大，在鋼內(nèi)管結(jié)晶PETN藥柱前端產(chǎn)生初始?jí)嚎s波，燃燒氣流使藥柱產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓縮，增大了藥柱前端的裝藥密度，使得單位體積內(nèi)藥粒個(gè)數(shù)增加，藥柱質(zhì)量燃耗率增加，單位體積內(nèi)產(chǎn)生的能量與壓力梯度增大。同時(shí)，高能HGL點(diǎn)火藥中含有金屬鋁粉，在點(diǎn)火過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫固體殘?jiān)?，隨著壓縮波進(jìn)入鋼內(nèi)管中多孔結(jié)晶PETN藥柱，使得鋼內(nèi)管結(jié)晶PETN裝藥在短時(shí)間內(nèi)熱點(diǎn)溫度升高，炸藥迅速分解、燃燒，氣體產(chǎn)物壓力瞬間增大，形成沖擊波，進(jìn)而形成爆轟。因此，高能HGL點(diǎn)火藥點(diǎn)火作用有利于鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN裝藥短時(shí)間內(nèi)形成爆轟，縮短誘導(dǎo)爆轟距離。所以20mm鋼內(nèi)管中結(jié)晶PETN在高能HGL點(diǎn)火藥點(diǎn)火作用下能夠?qū)崿F(xiàn)DDT，而15mm鋼內(nèi)管由于管長(zhǎng)過(guò)短，氣體產(chǎn)物過(guò)早釋放，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)DDT。

3.3半導(dǎo)體橋點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)

半導(dǎo)體橋(SCB)〔12〕結(jié)構(gòu)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中在鋼內(nèi)管上端裝入猛炸藥作為點(diǎn)火端裝藥，插入半導(dǎo)體橋點(diǎn)火裝置，如圖6所示。

圖5　半導(dǎo)體橋結(jié)構(gòu)Fig.5　Structure of SCB

1-一遍藥； 2-二遍藥； 3-結(jié)晶PETN； 4-SCB； 5-腳線； 6-普通雷管殼； 7-鋼內(nèi)管； 8-猛炸藥； 9-塑料塞圖6　半導(dǎo)體橋式無(wú)起爆藥雷管實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6　Test device for SCB non-primary explosive detonator

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中點(diǎn)火端猛炸藥分別采用無(wú)裝藥、結(jié)晶PETN、RDX以及鈍化RDX。實(shí)驗(yàn)使用5mm厚度鉛板對(duì)雷管是否爆轟進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　不同點(diǎn)火端裝藥鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

從表6中可以看出，點(diǎn)火端裝藥為鈍化RDX或沒(méi)有裝藥時(shí)，雷管不能爆轟；點(diǎn)火端裝藥為RDX或結(jié)晶PETN時(shí)，雷管發(fā)生爆轟。RDX和PETN的感度較高，半導(dǎo)體橋易點(diǎn)燃，使鋼內(nèi)管結(jié)晶PETN裝藥實(shí)現(xiàn)DDT。鈍化RDX感度低，半導(dǎo)體橋不易點(diǎn)燃，雷管不能爆轟。

4結(jié)論

(1) 利用鋼內(nèi)管裝填結(jié)晶PETN作為起爆元件，雷管能夠完全起爆。不必對(duì)結(jié)晶PETN進(jìn)行細(xì)化，且細(xì)化的PETN易產(chǎn)生靜電，不安全。

(2) 電引火頭作用，30mm、25mm鋼內(nèi)管裝藥密度分別為0.90～1.47g/cm3、1.21～1.40g/cm3；高能HGL點(diǎn)火藥作用，20mm內(nèi)管裝藥密度為0.87～1.42g/cm3，結(jié)晶PETN能夠?qū)崿F(xiàn)DDT。

(3) 半導(dǎo)體橋點(diǎn)火作用，點(diǎn)火端裝藥為RDX或結(jié)晶PETN，雷管可以實(shí)現(xiàn)爆轟，而點(diǎn)火端無(wú)裝藥或?yàn)殁g化RDX，則不能實(shí)現(xiàn)爆轟。

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文章編號(hào)：1006-7051(2016)03-0034-00

收稿日期：2015-10-20

作者簡(jiǎn)介：王俊杰(1991-)，男，碩士，主要從事無(wú)起爆藥雷管設(shè)計(jì)研究。E-mail： 1552264387@qq.com 通訊作者： 黃寅生(1962-)，男，教授、博導(dǎo)，主要從事點(diǎn)火與起爆技術(shù)、爆炸技術(shù)的研究。E-mail： huangyinsheng@sina.com

中圖分類號(hào)：TD235.22+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.03.007

Non-primaryexplosivedetonatoratdifferentignitionconditions

WANGJun-jie1,LIRui1,HUANGYin-sheng1,2,ZHENGJun-qiang1,LIJin-tao1,CAOShi-fa1,GUOFen-fen1,CHENShi-xiong3

(1.SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China；2.JiangsuNUSTChunleiBlastingEngineeringCo.,Ltd.,Yixing214200,Jiangsu,China；3.GuizhouJiulianIndustrialExplosiveMaterialsDevelopmentCo.,Ltd.,Guiyang550000,China)

ABSTRACT：Steel tubes with outer diameter of 6.0 mm, inter diameter of 3.5 mm and lengths of 30,25,20，15 mm filled with crystal PETN(pentaerythritol tetranitrate) as detonation device to replace the primary explosives were ignited by electrical fuse head, nonel tube and semiconductor bridge(SCB). The testing results showed the crystal PETN within the inner tube could reliably trigger deflagration and later transition to detonation(DDT) at a packed density of 0.90 ～1.47 g/cm3 for 30 mm tube and a packed density of 1.21 ～1.40 g/cm3 for 25 mm tube by electrical fuse head and a packed density of 0.87 ～1.42 g/cm3 for 20 mm tube by nonel tube with HGL high-energy ignition composition. By using RDX and PETN as ignition composition under SCB ignition condition, the detonator could be detonated.

KEY WORDS:Ignition condition； Deflagration to detonation transition (DDT)； Non-primary explosive detonator； Ignition