LLM-105炸藥晶形對射孔彈穿深性能的影響

徐文新，李尚杰，曲忠仁，李必紅，李萬全，周明

（1.西安物華巨能爆破器材有限責任公司，陜西 西安 710061；2.中國石油西部鉆探工程有限公司測井公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引 言

在超高溫油氣井完井的發(fā)展歷程中，人們一直在尋求具備能量更高、耐溫性能更好等綜合性能集于一體的高能量密度材料（HEDM）用于超高溫射孔彈中，以達到增產(chǎn)增效的目的。根據(jù)最新國內(nèi)外資料顯示[1－5]，國內(nèi)外常用耐超高溫炸藥有二氨基三硝基苯（DATB）、三氨基三硝基苯（TATB）、3-硝基－1，2，4-三唑-5-酮（NTO）、二氨基六硝基聯(lián)苯（DI-PAM）、塔可特（TOCAT）、六硝基菧（HNS）、皮威克斯（PYX）、六硝基二苯砜（PCS）等。經(jīng)過長期工程實踐總結(jié)，現(xiàn)今主流耐熱炸藥仍是PYX和HNS。HNS常用于制備柔性超高溫導(dǎo)爆索、耐熱傳爆管及耐熱雷管裝藥，而PYX用于超高溫射孔彈裝藥。受PYX起爆感度低、爆速低等問題的影響，急需尋求一種能量更高、使用更安全可靠的超高溫耐熱炸藥。2，6-二氨基-3，5-二硝基-1氧吡嗪（ANPZO），國外代號LLM-105，1995年由美國LLNL（勞倫斯利弗莫爾）實驗室首次合成，1998年引起國際同行的關(guān)注，2003年前后中國小部分科研院所和高校相繼開始了該藥劑的合成和性能研究。該藥劑熱分解峰值溫度可達350℃以上[6]，熱安定性良好，爆炸威力比TATB高出15%，理論密度為1.913g／cm3，爆速8070m／s（ρ＝1.855g／cm3），是一種綜合性能優(yōu)良的高能鈍感耐熱炸藥[7－8]。該藥劑現(xiàn)已具備了產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，并由西安物華巨能爆破器材有限責任公司首次將該藥劑用于超高溫石油射孔彈裝藥[9]。

影響超高溫射孔彈穿深的因素較多。本文在藥型罩結(jié)構(gòu)、藥型罩材料、射孔彈殼體、裝藥結(jié)構(gòu)以及主裝藥相同的條件下，主要研究不同晶形LLM-105傳爆藥、藥量和傳爆孔孔徑對射孔彈穿深性能的影響。由于同一種炸藥的不同晶形影響著炸藥的流散性、爆速、沖擊波感度、機械感度等性能，為了深入研究LLM-105在超高溫深穿透射孔彈中的應(yīng)用，采用正交設(shè)計法將影響射孔彈穿深的因素LLM-105傳爆藥晶形、傳爆藥藥量及傳爆孔徑進行試驗，用較少的試驗次數(shù)、較低的試驗成本、較短的試驗時間得出影響超高溫射孔彈穿深性能的最優(yōu)組合[10]，為今后超高溫用藥劑LLM-105在油氣井中的拓展應(yīng)用提供一些可供參考的數(shù)據(jù)。

1 樣品選擇及試驗設(shè)計

試驗藥劑選用X狀、Y狀和Z狀晶形純LLM-105作為傳爆藥劑。3種晶形的熱安定性能均良好，沖擊波感度相當。因此，射孔彈主裝藥選擇機械感度低、配方爆速高、便于壓裝的X狀晶形LLM-105造型粉進行裝填102型超高溫深穿透射孔彈[8]，模擬裝102槍穿45號鋼靶（模擬裝槍方式見圖1）。單質(zhì)LLM-105為傳爆藥，選擇同樣的藥型罩、裝藥結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)和超高溫導(dǎo)爆索，將影響超高溫射孔彈穿孔深度歸結(jié)于傳爆藥LLM-105的晶形、傳爆藥藥量和傳爆孔孔徑等3個因素確定為該試驗的試驗因素，分別記作A、B、C因素，根據(jù)實踐經(jīng)驗各因素均取3個水平。

圖1 地面模擬裝槍穿45號鋼靶試驗結(jié)構(gòu)示意圖

表1為正交試驗因素水平表。根據(jù)較少的實驗次數(shù)可得到較多信息的原則，不考慮交互作用，采用L9（34）正交表最合適；第4列為空列。試驗方案和試驗數(shù)據(jù)見表2所示。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗設(shè)計及試驗結(jié)果

2 結(jié)果分析與討論

2.1 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果分析見表3。

表3 試驗結(jié)果分析表

表3中，Kj表示各因素同一水平之和表示各因素同一水平的平均值；R表示各因素在其取值范圍內(nèi)試驗指標變化的幅度，計算公式為

2.2 試驗結(jié)果討論

根據(jù)正交設(shè)計的特性，對試驗條件完全一樣的可進行直接比較。對比表2中9組數(shù)據(jù)，可見試驗3的射孔穿深為249mm，為最高，其水平組合為A1、B3、C3，而根據(jù)表3可得A1、B3、C3分別是各因素中影響最大的水平。由此可得到該試驗各因素組合中的最優(yōu)組合為A1、B3、C3。而通過R值的大小可以得出該試驗因素存在顯著性順序，其主次關(guān)系為A＞C＞B，即影響超高溫射孔彈穿深最主要的因素是LLM-105傳爆藥晶形，其次是傳爆孔孔徑、傳爆藥的藥量。

A因素中影響最大的水平是A1，即Y狀晶形LLM-105炸藥。相對其他晶形LLM-105炸藥，Y狀晶形表面存在棱角較多，壓裝后炸藥顆粒間的空穴數(shù)量較多和孔隙率較高，這些因素使得熱點溫度升高，點火相對容易，在相同的輸入能量的條件下，Y晶形的LLM-105傳爆藥容易起爆。

B因素中影響最大的水平是B3，即傳爆藥量為2g。根據(jù)傳爆藥量和起爆能力關(guān)系，當傳爆藥柱直徑固定后，在一定范圍內(nèi)藥量增加，藥高增加，起爆能力增加。在不影響射孔彈殼裝藥量的同時，適當增加傳爆藥藥量，使傳爆藥輸出最大的爆轟能量，達到穩(wěn)定起爆主裝藥的目的。

C因素中影響最大的水平是C3，即傳爆孔孔徑為4mm。根據(jù)起爆深度理論[11]，單位表面積獲得的熱點越多，熱量傳爆越多，起爆越容易實現(xiàn)。相對同一種晶形的傳爆藥，單位面積上的熱點相同，增加傳爆面積，可達到增加熱點數(shù)量的目的；增加傳爆孔孔徑，傳爆藥爆轟成長期就越短，越容易起爆。

3 結(jié) 論

（1）在使用同一批次藥型罩、裝藥結(jié)構(gòu)一致、殼體結(jié)構(gòu)相同和X狀LLM-105造型粉為主裝藥的條件下，通過利用正交試驗法得出數(shù)據(jù)結(jié)果可知，各因素對超高溫射孔彈穿深影響的次序由高到低為LLM-105晶形、傳爆藥藥量、傳爆孔孔徑。

（2）該試驗得出102型超高溫深穿透射孔彈設(shè)計的最佳條件是Y狀LLM-105為傳爆藥、傳爆藥藥量為2g、傳爆孔孔徑為4mm。

（3）按照最佳條件裝藥的102型超高溫射孔彈地面模擬裝102槍穿45號鋼靶深度最佳，射孔穿孔深度為249mm。

[1]孫榮康，任特生，高懷琳.猛炸藥的化學(xué)與工藝學(xué)：上冊 [M].北京：國防工業(yè)出版社，1981：353-355.

[2]呂春緒.耐熱硝基芳烴化學(xué) [M].北京：兵器工業(yè)出版社，2000：164-173.

[3]劉家驄，黃桂枝.我國油、氣井射孔器材的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].爆破器材，1995（6）：27-31.

[4]Kartritzky A R，Rees C W.Comprehensive Heterocyclic Chemistry[M].1984：735-790.

[5]Pagoria P F.Synthesis of LLM-105 [R].UCRL-JC-117228，1997.

[6]Tran T D，Pagoria P F，Hoffman D M，et al.Characterization of 2，6-DIamino-3，5-Dinitropyrazine-1-Oxide（LLM-105）as an Insensitive High Explosive Material[C]∥ 33rd International Annual Conference on ICT on Energetic Materials-Synthesis，Production and Application，Karlsruhe，Germany，June 25-28，2002.

[7]Pagoria P F，Mitchell A R，Schmidt R D，et al.Synthesis，Scale-up and Experimental Testing of LLM-105[C]∥Proceeding-1998Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium，San Diego，1998.

[8]劉玉存，劉登程，楊宗偉，等.耐熱炸藥ANPZO性能研究 [C]∥全國危險物質(zhì)與安全應(yīng)急技術(shù)研討會論文集：上，2011：252-256.

[9]徐文新，李必紅，李萬全，等.以LLM-105為基的耐熱混合炸藥的應(yīng)用研究 [J].火工品，2012（4）：40-43.

[10]袁志發(fā).試驗設(shè)計與分析 [M].北京：高等教育出版社，2000：25-30.

[11]蔡瑞嬌.火工品設(shè)計原理 [M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1999：274-276.