硝基甲烷與鋁粉混合物燃爆特性實驗研究

何寧， 向聰， 李偉， 張奇

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院, 河北 廊坊 065201; 2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100081)

0 引言

硝基甲烷是一種液體烷烴燃料，在一定的引爆條件下能像固體炸藥那樣形成爆轟，在工業(yè)和軍事上都有著廣泛的應(yīng)用。胡棟等[1]研究了硝基甲烷與氧氣的氣態(tài)混合物在激波管中的爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程，實驗發(fā)現(xiàn)在激波管端蓋處爆轟壓力可達45 MPa. 長期以來，人們都將硝基甲烷作為炸藥類含能材料，對其氣態(tài)燃爆特性方面的研究與報道較少，研究主要集中于硝基甲烷在高能量起爆條件下燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過程[1-4]、爆轟的化學(xué)反應(yīng)過程[5]以及其熱分解性能[6-9]等方面。鋁粉在化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)、建材工業(yè)、軍事工業(yè)等許多領(lǐng)域有著十分廣泛的用途。硝基甲烷- 鋁粉塵的研究主要集中在對其混合燃料的燃料性能[10-13]、熱毀傷研究[14-15]、爆炸火球的特征[16]、爆炸超壓場及溫度場測量[17-18]等方面。隨著其混合燃料作為武器裝藥的廣泛應(yīng)用，鋁粉在提高爆炸性能方面的研究逐漸興起。胡榮祖等[19]研究了在硝基甲烷爆轟區(qū)熱作用下鋁、鋁熱劑和含鋁炸藥顆粒的溫度響應(yīng)問題。裴明敬等[20]研究了鋁粉在溫壓燃料爆炸過程中的能量釋放效率以及燃料爆炸火球發(fā)展規(guī)律和爆炸沖擊波形成、擴展過程。劉吉平等[21]用不同形態(tài)的鋁粉與環(huán)氧丙烷、硝基甲烷等混合制成混合燃料，研究其在長期貯存過程中鋁粉活性的變化情況。羅艾民等[22]利用熱滲透理論計算了在硝基甲烷液體爆炸熱作用下鋁粉顆粒溫度響應(yīng)。吳旌賀等[23]利用瞬態(tài)光譜測試系統(tǒng)，研究了納米鋁對硝基甲烷快速反應(yīng)的催化，研究表明納米鋁加快了硝基甲烷快速反應(yīng)過程，并使爆炸效率大大提高。綜上所述，國內(nèi)外研究學(xué)者對硝基甲烷蒸氣與硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物爆炸特性的研究與報道較少。

本文在1 m3爆炸罐內(nèi)組建了爆炸測試系統(tǒng)，研究了硝基甲烷蒸氣的燃爆特性及硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物的燃爆特性。

1 實驗系統(tǒng)

實驗測試系統(tǒng)包括壓力測試系統(tǒng)和點火能量測試系統(tǒng)。

1.1 壓力測試系統(tǒng)和密封爆炸罐

硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵燃爆特性實驗在1 m3爆炸罐內(nèi)進行，爆炸罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1 m3多相燃燒爆炸罐實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch of 1 m3 experimental system

壓力測試系統(tǒng)基于虛擬儀器設(shè)計搭建：

1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。選用美國NI公司生產(chǎn)的NI PXI 5922高速數(shù)字化儀，能夠進行2通道同步采集，分辨率為500 kS/s～15 MS/s，存儲深度為每通道8 MB.

2) 壓力傳感器。采用德國Kistler公司生產(chǎn)的211M0160型壓電式壓力傳感器，最大量程為6.895 MPa.

3) 溫度傳感器。為降低實驗成本及盡可能提高溫度響應(yīng)時間，溫度傳感器采用自制裸露K型熱電偶。

4) 熱電偶信號調(diào)理器。將信號輸入到調(diào)理模塊，經(jīng)過增益100的放大器與一個2 Hz的低通濾波器相連。調(diào)理后的信號經(jīng)過補償導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集卡相連，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

基于LabView語言編制“瞬態(tài)爆炸參數(shù)測試數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)”將溫度和壓力兩個通道的數(shù)據(jù)信號同時采集，便于分析對比。采樣率為500 kHz，采樣長度為1 MHz，溫度通道為觸發(fā)通道，觸發(fā)溫度為40 ℃.

1.2 點火能量測試系統(tǒng)

點火能量測試系統(tǒng)包括自制點火器、美國Tektronix公司產(chǎn)DPO4054數(shù)字熒光示波器、計算機、火花點火裝置、高壓電源、電容器、高壓探頭等。

為使火花放電點火裝置滿足放電火花持續(xù)時間可調(diào)的要求，使不同大小的儲能電容在低電壓(1 kV以下)條件下順利放電產(chǎn)生能量較小的火花，自行設(shè)計、制作火花放電點火裝置，該裝置主要由高壓直流電源、整流電路、點火線圈、儲能電容、可調(diào)并聯(lián)電容、高壓硅堆、采樣電阻和點火開關(guān)等部分組成。

實驗選用美國Tektronix公司生產(chǎn)的P6015A高壓探頭和P6139A探頭，分別測量電極間的電壓和電流波形，選用DPO4054數(shù)字熒光示波器對波形進行采集。

2 實驗過程

采用功率為500 W的電加熱帶對爆炸罐體進行加熱，初始預(yù)熱溫度保持在70℃，在不同初始濃度條件下(10%、20%、30%、40%、50%、60%)對硝基甲烷空氣混合物爆炸參數(shù)進行測試。

實驗過程中，硝基甲烷蒸氣濃度為10%的混合物被點燃之后所產(chǎn)生的棕紅色氣體產(chǎn)物最多，并且棕紅色的氣體產(chǎn)物隨初始混合物中硝基甲烷蒸氣濃度的增大而逐漸減少；在其濃度為60%的混合物被點燃之后的氣體產(chǎn)物中已經(jīng)很難用肉眼觀察到棕紅色的氣體產(chǎn)物。

獲取的火花放電波形如圖2所示，實驗數(shù)據(jù)參見表1，其中紅色線為火花放電起始點標(biāo)定線，黑色線為火花放電終止點標(biāo)定線。

硝基甲烷在不同初始濃度條件下(10%、20%、30%、40%、50%)爆炸參數(shù)測試曲線如圖3所示。

圖2 火花放電波形Fig.2 Spark discharge waveform

硝基甲烷蒸氣濃度/%電壓/V電容/μF點火能/mJ溫度峰值/℃壓力峰值/MPa100800144487458705111008001444878869051620080014448974560714200800144481006710772300800144481024400758300800144481256640872400800144481125930830400800144481173160906500800144481246870872500800144481225180904600800144481314000919600800144481301610884

圖3 不同濃度硝基甲烷蒸氣與空氣混合物爆炸測試曲線Fig.3 Pressure and temperature-time curves of nitromethane mixtures with various concentrations

3 實驗結(jié)果分析

3.1 硝基甲烷蒸氣與空氣混合物燃爆參數(shù)

硝基甲烷蒸氣與空氣混合物爆炸參數(shù)隨濃度的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4所示的結(jié)果可以看出，各初始濃度混合物的超壓及溫度峰值均遠低于爆轟狀態(tài)時的數(shù)值，所以在弱點火的條件下，硝基甲烷混合物處于爆燃狀態(tài)。在硝基甲烷蒸氣爆炸極限范圍內(nèi)，隨著其濃度的增加，混合物的爆炸超壓峰值、溫度峰值出現(xiàn)一直增大的趨勢，其中：爆炸超壓在其濃度值達40%～60%時趨于平緩；當(dāng)其初始濃度為30%時，最大壓力上升速率平均值最大為4.656 MPa/s.

硝基甲烷作為高性能燃料的特殊性，在硝基甲烷濃度較低時，氧化劑充足，其蒸氣爆炸產(chǎn)物中NO2的含量較高，即實驗中觀察到大量的棕紅色氣體產(chǎn)物。隨著硝基甲烷蒸氣濃度的不斷增大，氧化劑含量逐漸減少，爆炸產(chǎn)物中的棕紅色氣體也就越來越少。

圖4 不同濃度硝基甲烷蒸氣與空氣混合物爆炸參數(shù)峰值Fig.4 Maxima of explosive parameters of nitromethane-air mixtures with various concentrations

從安全生產(chǎn)角度來看，硝基甲烷蒸氣與空氣混合物爆炸參數(shù)的增大意味著發(fā)生爆炸事故后其破壞力的增強。因此，在硝基甲烷的生產(chǎn)、存儲等場所必須采取有效措施防止硝基甲烷的意外泄漏以及硝基甲烷的自然蒸發(fā)。

3.2 硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物燃爆參數(shù)

在硝基甲烷蒸氣濃度20%、不同鋁粉塵濃度條件下(0 g/m3、60 g/m3、120 g/m3、180 g/m3)對硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物爆炸參數(shù)進行測試，混合物超壓峰值的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 鋁粉塵濃度對最大爆炸壓力的影響Fig.5 Maximum explosive pressure vs. aluminum density

在鋁粉塵濃度120 g/m3、不同硝基甲烷濃度條件下(15%、20%、30%)對硝基甲烷與鋁粉塵混合物爆炸參數(shù)進行測試，混合物超壓峰值的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 硝基甲烷蒸氣濃度對最大爆炸壓力的影響Fig.6 Maximum explosive pressure vs. nitromethane density

隨著混合物中鋁粉塵濃度的增加，爆燃的壓力呈起伏狀的增加，出現(xiàn)一個極值點。這種現(xiàn)象基本符合一般的可爆性物質(zhì)濃度的增加，其爆燃(或爆轟)壓力或速度呈倒“U”形曲線。在弱點火條件下，鋁粉塵參與反應(yīng)給混合物超壓的貢獻值遠低于強點火條件。

圖7 硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物爆炸壓力時程曲線Fig.7 Measured explosive pressure curve of nitromethane gaseous-aluminum dust

在硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物爆炸實驗過程中，出現(xiàn)兩種典型的爆炸壓力曲線，如圖7所示。實測壓力曲線中，壓力波形可分為兩類：壓力緩慢上升(見圖7(a))和壓力瞬時上升(見圖7(b))。壓力緩慢上升的過程是已燃硝基甲烷蒸氣、鋁粉塵周圍的鋁粉塵粒子通過熱傳遞和熱輻射，從已燃部分獲得能量，分解、燃燒的過程。與硝基甲烷蒸氣與空氣混合物壓力曲線對比，硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物反應(yīng)過程明顯比前者長，壓力峰值出現(xiàn)的時間明顯晚于前者，壓力峰值明顯高于前者?？梢?，鋁粉塵的加入使混合物爆燃壓力增大，使混合物爆炸效率大大提高。因此，從安全生產(chǎn)角度來看，在武器彈藥的生產(chǎn)、存儲等場所必須對鋁粉塵濃度進行嚴(yán)格控制。

3.3 硝基甲烷蒸氣與空氣混合物最小點火能量

硝基甲烷蒸氣與空氣混合物的最小點火能量，如圖8所示。

圖8 不同濃度硝基甲烷蒸氣與空氣混合物最小點火能量Fig.8 Minimum ignition energies of nitromethane-air mixtures with various concentrations

由圖8可見，隨著混合物中硝基甲烷蒸氣濃度的增加，最小點火能先減小后增大。最小點火能的最低值為0.7 mJ，硝基甲烷蒸氣濃度區(qū)域為20%～35%，該濃度區(qū)域為實驗條件下硝基甲烷的敏感濃度。

因此，從安全生產(chǎn)角度來看，在硝基甲烷的生產(chǎn)、存儲等場所必須對混合物中硝基甲烷蒸氣濃度進行動態(tài)實時監(jiān)測，在敏感濃度區(qū)域及時采取相應(yīng)的安全措施。

4 結(jié)論

本文對不同濃度硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物的燃爆特性進行了實驗研究，得出如下主要結(jié)論：

1) 隨著硝基甲烷蒸氣濃度的增加，混合物的爆炸超壓峰值、爆炸溫度峰值出現(xiàn)一直增大的趨勢，意味著發(fā)生爆炸事故后其破壞力的增強。因此，在現(xiàn)場生產(chǎn)中必須采取有效措施防止硝基甲烷的泄漏及自然蒸發(fā)。

2) 隨著硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物中鋁粉塵濃度的增加，其爆燃(或爆轟)壓力呈倒“U”形曲線，出現(xiàn)一個極值點。因此，從安全生產(chǎn)角度來看，在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中必須采取措施消除鋁粉塵懸浮。

3) 硝基甲烷蒸氣與鋁粉塵混合物爆燃的最小點火能最低值為0.7 mJ，硝基甲烷的敏感濃度閾值20%～35%，因此，在現(xiàn)場生產(chǎn)中必須對混合物中硝基甲烷蒸氣濃度進行動態(tài)監(jiān)測，并采取相應(yīng)的安全措施。

本文精確地描述了生產(chǎn)環(huán)境中硝基甲烷蒸氣與空氣中鋁粉塵所形成的爆炸性混合物燃爆特征及規(guī)律，為指導(dǎo)武器彈藥領(lǐng)域安全生產(chǎn)提供一定的理論參考依據(jù)。

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