淹沒空化水射流倒空鈍黑鋁炸藥實(shí)驗(yàn)研究

張幺玄，廉 鵬，康 超，陳 松，雷靖華，羅志龍，李 萌，陳厚和

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200；3.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

廢舊彈藥的處理是國家軍事裝備保障的重要組成部分，如何將裝藥從彈藥中安全倒出是廢舊彈藥綠色處理面臨的重要問題之一，直接影響后續(xù)彈藥裝藥能否進(jìn)一步回收再利用［1］。目前國內(nèi)有大量的高能壓裝類（如鈍黑鋁）或澆注類裝藥彈藥進(jìn)入退役期成為報(bào)廢彈藥，并且數(shù)量逐年遞增，由于無法利用現(xiàn)有蒸汽熔融法（該法僅適用于裝填含梯恩梯或蠟類裝藥彈藥的倒空處理）倒出裝藥［2-5］，只能采用露天燒炸的方法處理，既不安全，同時(shí)也造成大氣污染和含能資源的浪費(fèi)，不符合國際倡導(dǎo)的“3R”（可回收、可利用、可循環(huán)）綠色處理理念［6-7］。

針對(duì)上述問題，國內(nèi)外研發(fā)出高壓水射流倒藥技術(shù)［8-10］，該技術(shù)利用高壓水直接沖擊裝藥表面，通過提高射流壓力對(duì)裝藥進(jìn)行破碎或切割，利用強(qiáng)大的沖擊作用將裝藥破碎或切割從而實(shí)現(xiàn)倒空處理，具有效率高，適用口徑范圍寬的優(yōu)勢(shì)，如朱左明等［11］采用30～50 MPa高壓水射流倒空NEPE推進(jìn)劑裝藥，可實(shí)現(xiàn)裝藥的有效破碎，并且射流壓力越高，倒空效果越好；蔣大勇［12］考察了60～100 MPa高壓水射流對(duì)HTPB推進(jìn)劑在不同工況條件下的沖擊效應(yīng)和切割效果，獲得高壓水射流破碎切割過程的最佳射流參數(shù)；何遠(yuǎn)航等［13］通過理論計(jì)算和驗(yàn)證試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，丁羥固體推進(jìn)劑在高壓水射流作用下具有熱點(diǎn)增長、局部反應(yīng)、混合體系3種點(diǎn)火模式，指出在高壓水射流破碎或切割試驗(yàn)過程中為保障安全應(yīng)盡量控制或及時(shí)消除這些點(diǎn)火因素。高壓水射流倒藥技術(shù)的不足之處在于由于壓力過高，對(duì)噴嘴、高壓泵、管路、密封、制造加工和安裝的要求都大大提高，這樣使得成本大幅上升，并且對(duì)一些敏感度稍高的裝藥不適用，高壓易引起裝藥爆炸，帶來安全隱患。

基于高壓水射流倒藥技術(shù)存在的問題，本研究提出基于空化原理強(qiáng)化裝藥破碎的淹沒空化水射流倒藥技術(shù)，它是利用二十至三十幾兆帕的中低壓射流通過一定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空化噴嘴，產(chǎn)生大量的空化泡，利用空泡潰滅時(shí)所產(chǎn)生的沖擊來增強(qiáng)射流的作業(yè)效果［14-15］。該法優(yōu)勢(shì)在于所需的射流壓力較低，淹沒條件下空化射流的形成，對(duì)提高射流自身空化強(qiáng)度、提高作業(yè)效率都有顯著的效果，并且裝藥處于淹沒水環(huán)境中可極大降低作業(yè)過程的燃爆風(fēng)險(xiǎn)，是一種極具潛力的彈藥裝藥倒空技術(shù)，目前該技術(shù)在我國彈藥倒空方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道較少。因此，本研究以典型含鋁炸藥——鈍黑鋁裝藥為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開展淹沒空化水射流倒空處理實(shí)驗(yàn)，對(duì)其破碎作用效果、作用機(jī)理、細(xì)觀破碎模式和溫度效應(yīng)等內(nèi)容進(jìn)行研究，考察淹沒空化水射流倒空鈍黑鋁裝藥的可行性和安全性，為含鋁裝藥以及其他裝藥彈藥的倒空處理提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與試樣

2.1.1 實(shí)驗(yàn)試樣

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和儀器

淹沒空化水射流倒藥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，西安近代化學(xué)研究所制，該系統(tǒng)主要由空化噴嘴、試樣夾固旋轉(zhuǎn)裝置、壓力表、高壓泵、儲(chǔ)水槽、藥水過濾箱等裝置組成，其中，高壓泵壓力可調(diào)，用以改變射流壓力，噴嘴高度可調(diào)，用以改變靶距（噴嘴與試樣之間的距離）。

力學(xué)性能測(cè)試采用分離式霍普金森壓桿，西安近代化學(xué)研究所制，壓桿材質(zhì)為LY12鋁，直徑為16 mm；形貌表征采用Quanta 600FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM），美國 FEI公司；溫度測(cè)量采用WRe5/26熱電偶，泰州雙華儀表有限公司，偶絲直徑為0.2 mm，熱響應(yīng)時(shí)間小于2 ms，測(cè)量端兩點(diǎn)對(duì)焊，冷端用隔熱材料封裝在金屬殼體內(nèi)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差較小，具有足夠的抗爆強(qiáng)度；DSC熱分析測(cè)試采用 200F3型差示掃描量熱儀，德國耐馳儀器制造有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 空化水射流破碎鈍黑鋁炸藥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for cavitation water jet breaking A-IX-Ⅱexplosive

淹沒空化水射流倒藥實(shí)驗(yàn)所用試樣規(guī)格為Φ76 mm×300 mm，試樣始終在淹沒水環(huán)境中，高壓泵循環(huán)吸入低壓水和排出高壓水，把低壓水加壓至實(shí)驗(yàn)所需的壓力，送至空化噴嘴射出，獲得沖擊試樣的空化水射流。實(shí)驗(yàn)所用空化噴嘴為三噴頭噴嘴，如圖2所示，總直徑為16 mm，三個(gè)噴頭軸線與噴嘴主軸線的夾角不等，這種設(shè)計(jì)使空化水射流對(duì)試樣具有作用覆蓋面積大、破碎快的特點(diǎn)，射流壓力為25 MPa，噴嘴到試樣表面的距離為（即靶距）為30 mm。實(shí)驗(yàn)過程中，試樣固定于夾固旋轉(zhuǎn)裝置上，在夾固旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)下繞其中軸線均勻緩慢旋轉(zhuǎn)，噴嘴與試樣之間保持相對(duì)的旋轉(zhuǎn)，空化水射流在試樣表面形成的沖擊軌跡如圖3所示，空化水射流以不同的角度作用于試樣，在其表面沖擊出蝕坑，隨著試樣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，空化水射流在其表面作周向移動(dòng)，最終蝕坑會(huì)在試樣表面發(fā)展形成環(huán)形凹槽，可在實(shí)際倒藥處理過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)裝藥的層層剝蝕倒空。

圖2 空化噴嘴Fig.2 Cavitation nozzle

力學(xué)性能測(cè)試所用試樣規(guī)格為Φ12 mm×7 mm，實(shí)驗(yàn)中通過記錄入射桿和透射桿中的脈沖信號(hào)，從而計(jì)算獲取試樣動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。形貌表征是對(duì)實(shí)驗(yàn)后收集得到的破碎試樣顆粒進(jìn)行微觀掃描，用以觀察顆粒表面的破碎形貌。溫度測(cè)量過程如圖4所示，所用試樣規(guī)格為Φ50 mm×120 mm，將WRe5/26熱電偶填埋于試樣內(nèi)部，在空化水射流沖擊試樣時(shí)，試樣夾固于試樣平臺(tái)上保持靜止，熱電偶將模擬溫度信號(hào)由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集并經(jīng)模、數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字電壓信號(hào)，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的溫度值。DSC熱分析測(cè)試采用 N2氣氛，流量 100 mL·min-1，升溫速率分別為 10，15，20 ℃·min-1。

圖3 空化水射流與在炸藥表面形成的沖擊軌跡Fig.3 Impact traces of cavitation water jet on explosive

圖4 炸藥溫度測(cè)量Fig.4 Temperature measuring device for explosive

3 結(jié)果與討論

3.1 鈍黑鋁炸藥應(yīng)力-應(yīng)變特性

鈍黑鋁炸藥是一種顆粒高度填充的混合物，炸藥晶粒間不可避免存在在一定數(shù)量的微裂紋和空穴等初始損傷，通常情況下含有初始損傷的炸藥在動(dòng)態(tài)加載下其應(yīng)力-應(yīng)變力學(xué)性能會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特征［16］?？栈淞鲗?duì)鈍黑鋁的沖擊作用可等同視為動(dòng)態(tài)加載作用力，為深入了解空化水射流對(duì)鈍黑鋁破碎作用機(jī)理，對(duì)其在動(dòng)態(tài)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變力學(xué)性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 鈍黑鋁炸藥應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 The stress-strain curves of A-Ⅸ-Ⅱ explosive

由圖5可見，鈍黑鋁應(yīng)力-應(yīng)變曲線包括3個(gè)階段：脆彈性階段、非線性彈塑性階段和應(yīng)變軟化階段。在脆彈性階段中，試樣內(nèi)部損傷有所發(fā)展，但不能累積；當(dāng)加載超過一定應(yīng)力值后，進(jìn)入非線性彈塑性階段，損傷的演化將成為不可逆過程，由于損傷帶來的性能劣化使試樣承載能力下降，應(yīng)力也逐漸下降，在出現(xiàn)微裂紋甚至宏觀裂縫的區(qū)段內(nèi)，微裂紋區(qū)和宏觀裂縫損傷仍在不斷擴(kuò)展，故應(yīng)變將繼續(xù)增長，全曲線出現(xiàn)了下降段，這就是鈍黑鋁的應(yīng)變軟化效應(yīng)。在損傷演化過程中，從彈性階段到非線性彈塑性階段所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變的臨界值隨著應(yīng)變率不同而不同，這表明鈍黑鋁的損傷具有應(yīng)變率效應(yīng)。

3.2 淹沒空化水射流對(duì)鈍黑鋁炸藥沖擊破碎效果和作用機(jī)理

鈍黑鋁炸藥在空化水射流沖擊作用下的實(shí)驗(yàn)效果如圖6所示，倒出試樣顆粒如圖7所示。由圖6和圖7可以看出，實(shí)驗(yàn)前炸藥表面平整，實(shí)驗(yàn)過程中炸藥受空化水射流作用會(huì)在其表面形成環(huán)形凹槽，這與圖3所示空化水射流與炸藥之間的沖擊軌跡相符，作用一段時(shí)間（15 min）后炸藥被完全倒出，裝藥殼體內(nèi)部和內(nèi)表面干凈無殘留炸藥，倒出炸藥顆粒粒徑大小不一，最大粒徑不超過3 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空化水射流可以從裝藥彈體中將鈍黑鋁炸藥清洗干凈，并且破碎炸藥顆粒小，有利于后續(xù)回收再利用處理。

“由于90號(hào)瀝青與防水瀝青共用的裝車臺(tái)只有3個(gè)，車多口少經(jīng)常排長隊(duì)，而且首都新機(jī)場(chǎng)冬奧會(huì)瀝青運(yùn)輸車隊(duì)每輛車的到達(dá)時(shí)間不可控，導(dǎo)致確定給運(yùn)輸車隊(duì)開具提貨單時(shí)間成了一件非常頭疼的事情—時(shí)間早了提貨單有可能失效，晚了就要排隊(duì)?！饼R魯石化銷運(yùn)部煉油產(chǎn)品業(yè)務(wù)科崔曉波說。

空化水射流對(duì)炸藥表面的破壞主要是由空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生微射流和沖擊波的強(qiáng)大沖擊作用所致［17］，空化水射流中含有大量的空化泡，空化泡在炸藥表面因受力失衡發(fā)生潰滅，伴隨產(chǎn)生微射流和沖擊作用，在炸藥表面或其附近形成高壓區(qū)，產(chǎn)生極高的應(yīng)力集中，造成被沖擊炸藥表面的破壞，這一作用過程如圖8所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖Fig.6 Experimental factual pictures

圖7 收集得到的破碎鈍黑鋁炸藥顆粒Fig.7 Particles of the collected broken A-Ⅸ-Ⅱ explosive

圖8 空化水射流破碎炸藥示意圖Fig.8 Schematic chart of breaking explosive by cavitation water jet

為了更好地對(duì)空化水射流沖擊鈍黑鋁炸藥的破碎機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)空化水射流對(duì)脆性材料的破壞理論，結(jié)合前面得到的鈍黑鋁炸藥損傷應(yīng)力-應(yīng)變特性，將空化水射流的持續(xù)沖擊作用和空化泡潰滅瞬間產(chǎn)生的沖擊作用假設(shè)成一個(gè)具有一定速度的剛性球體，則空化水射流對(duì)鈍黑鋁的破碎過程如圖9所示。

圖9 空化水射流對(duì)鈍黑鋁炸藥裝藥的力學(xué)破碎過程Fig.9 The mechanical breakup process of cavitation water jet on A-Ⅸ-Ⅱ explosive

根據(jù)圖9所示，空化水射流對(duì)鈍黑鋁的破碎機(jī)理為：空化水射流剛沖擊到試樣表面時(shí)，在其表面一定范圍形成沖擊接觸區(qū)域，在沖擊壓力作用下，表面發(fā)生了微小變形（圖9a）；在沖擊接觸區(qū)的1處切應(yīng)力最大，在2處拉應(yīng)力最大（圖9b）；隨著空化水射流的持續(xù)沖擊作用，當(dāng)最大切應(yīng)力、拉應(yīng)力超過試樣固有的抗切、抗拉強(qiáng)度時(shí)，在內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生剪切及拉伸裂紋，見3區(qū)域（圖9c）；當(dāng)空化水射流沖擊作用繼續(xù)增加時(shí)，試樣內(nèi)部剪切、拉伸裂紋會(huì)持續(xù)擴(kuò)展并逐步向沖擊接觸面匯集，內(nèi)部的微裂紋也漸漸連接成核（即裂紋集中在一個(gè)很小的范圍區(qū)域內(nèi)），見4區(qū)域，為試樣破碎打下基礎(chǔ)（圖9d）；微裂紋核區(qū)域隨著空化水射流的持續(xù)沖擊作用逐步被壓縮，變?yōu)榻茷闄E球形的區(qū)域，當(dāng)該區(qū)域被壓縮到一定程度時(shí)，將開始膨脹使其周圍試樣產(chǎn)生切向的拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力超過試樣固有抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣邊壁將會(huì)出現(xiàn)徑向裂紋5，此時(shí)水射流會(huì)迅速填入這些裂紋中6（圖9e），在阻力較小的自由面上將試樣破碎，完成倒空過程，形成具有一定體積的凹坑（圖9f），凹坑下方為新擴(kuò)展的裂紋，隨著這一過程的不斷反復(fù)作用，最終試樣會(huì)被倒空成具有一定直徑和深度的凹坑。

3.3 淹沒空化水射流對(duì)鈍黑鋁炸藥細(xì)觀破碎模式

炸藥的細(xì)觀破碎模式有三種情況：晶粒與黏結(jié)劑分離、晶粒破碎以及黏結(jié)劑斷裂［18］。為確定鈍黑鋁在空化水射流作用下的細(xì)觀破碎模式，選取三個(gè)鈍黑鋁破碎顆粒試樣，如圖10所示，進(jìn)行SEM形貌表征，觀察試樣斷面的SEM照片，如圖11所示，其中淺色物質(zhì)為黏結(jié)劑，大體積深色物質(zhì)主要為RDX，小體積深色物質(zhì)為鋁粉。

圖10 鈍黑鋁炸藥破碎顆粒SEM測(cè)試試樣Fig.10 Broken A-Ⅸ-Ⅱ explosive samples used for SEM testing

圖11 破碎鈍黑鋁炸藥SEM圖Fig.11 SEM images of broken A-Ⅸ-Ⅱ explosive

由圖11可見，RDX晶體與黏結(jié)劑脫粘后留下有凹坑（1#），RDX晶體有裂紋（2#）及少量的穿晶現(xiàn)象（3#），鈍黑鋁斷面細(xì)觀破碎模式主要是晶體與黏結(jié)劑和鋁粉之間的沿晶分離，并伴隨少量的穿晶現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)晶粒破碎的現(xiàn)象，分析原因可能為鈍黑鋁中含有石蠟，起鈍感作用，同時(shí)其強(qiáng)度較低，與晶粒的黏結(jié)力較弱，在外力作用下容易首先弱化形成宏觀破壞，避免炸藥晶粒出現(xiàn)破碎。

鈍黑鋁炸藥在一定壓縮作用下，其內(nèi)部應(yīng)力增加，在內(nèi)部會(huì)積累一定的能量，這部分能量若未能及時(shí)以宏觀破壞的形式釋放出去，就會(huì)積累在內(nèi)部造成宏觀裂紋的形成和擴(kuò)展。當(dāng)這部分能量大于一定數(shù)值的時(shí)候會(huì)引起RDX晶粒的破碎，同時(shí)在這一過程中伴隨著炸藥內(nèi)部微裂紋的傳播，其傳播路徑比較復(fù)雜，但總是沿著比較薄弱的路徑進(jìn)行；如果黏結(jié)劑與晶粒表面的黏結(jié)強(qiáng)度大于黏結(jié)劑的強(qiáng)度，則表現(xiàn)為黏結(jié)劑的斷裂，反之，則表現(xiàn)為黏結(jié)劑與晶粒的分離，如圖11（1#）所示。

3.4 淹沒空化水射流沖擊破碎鈍黑鋁炸藥的溫度效應(yīng)

圖12 空化水射流作用下鈍黑鋁炸藥內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化Fig.12 Internal temperature versus time curve of A-Ⅸ-Ⅱexplosive during the impact process of cavitation water jet

對(duì)鈍黑鋁炸藥進(jìn)行空化水射流沖擊實(shí)驗(yàn)，空化噴嘴進(jìn)水口水溫為30℃，沖擊持續(xù)8 min后連接熱電偶的數(shù)據(jù)采集器顯示試樣內(nèi)部溫度趨于穩(wěn)定，此時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)到試樣在空化水射流沖擊作用下的最高溫度約50℃。鈍黑鋁炸藥在實(shí)驗(yàn)過程中的溫度變化曲線如圖12所示。由圖12可見，鈍黑鋁炸藥在空化水射流沖擊過程中溫度有升高現(xiàn)象，溫升過程可分為兩個(gè)不同升溫速率階段，空化水射流作用140 s之前的的炸藥溫升速率高于后期的炸藥溫升速率，整個(gè)過程溫度升高約20℃。分析原因可能為：前期溫升速率快是由于空化水射流作用于試樣時(shí)，沖擊摩擦生熱在試樣內(nèi)部產(chǎn)生熱量積累，并且試樣組分中含有鋁粉，鋁粉與射流水及水蒸氣直接接觸發(fā)生放熱反應(yīng)，這些熱量來不及散失從而引起溫度突升；后期溫升速率緩慢是由于試樣在空化水射流的沖擊作用下形成凹槽通路，熱量不容易積累，加之熱量迅速被大量射流冷態(tài)水包圍，并隨之迅速流出而帶走多余的熱量，導(dǎo)致后期溫溫度升高緩慢。

對(duì)鈍黑鋁炸藥進(jìn)行DSC熱分析測(cè)試，結(jié)果如圖13所示。由圖13可見，鈍黑鋁炸藥在不同升溫速率下的吸熱峰和放熱峰在205℃和240℃附近，當(dāng)溫度升至205℃附近時(shí)鈍黑鋁炸藥發(fā)生融化而吸收大量熱量，繼續(xù)升溫至240℃附近時(shí)鈍黑鋁炸藥發(fā)生化學(xué)分解反應(yīng)而釋放出大量熱量。鈍黑鋁炸藥在溫度為205℃時(shí)會(huì)發(fā)生融化而影響炸藥的結(jié)構(gòu)性能，減去炸藥生產(chǎn)部門給出的安全系數(shù)50℃［19］，認(rèn)為鈍黑鋁炸藥的破碎工藝溫度不應(yīng)超過155℃。由圖12得知鈍黑鋁炸藥在空化水射流沖擊作用下的最高溫度約為50℃，低于160℃，表明空化水射流沖擊鈍黑鋁炸藥引起的溫升效應(yīng)在安全范圍內(nèi)，不易引發(fā)鈍黑鋁炸藥爆炸。

4 結(jié)論

（1）鈍黑鋁應(yīng)力-應(yīng)變曲線包括脆彈性階段、非線性彈塑性階段和應(yīng)變軟化階段，其在動(dòng)態(tài)加載下的損傷具有應(yīng)變率效應(yīng)。

（2）空化水射流能夠干凈倒空鈍黑鋁炸藥，實(shí)驗(yàn)過程中試樣受空化水射流作用會(huì)在其表面形成環(huán)形凹槽沖擊軌跡，倒空后殼體內(nèi)部和內(nèi)表面無殘留炸藥，倒出炸藥顆粒粒徑大小不一，最大粒徑不超過3 cm，有利于后續(xù)回收再利用處理。

（3）空化水射流對(duì)鈍黑鋁表面的破壞主要是由空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生微射流和沖擊波的強(qiáng)大沖擊作用所致，在作用過程中試樣受到切應(yīng)力和拉應(yīng)力的作用，當(dāng)應(yīng)力超過其自身的屈服極限時(shí)，形成裂紋，隨著空化水射流的持續(xù)沖擊作用，裂紋成核并不斷擴(kuò)展，最終鈍黑鋁被破碎倒空。

圖13 鈍黑鋁炸藥DSC曲線Fig.13 DSC curves of A-Ⅸ-Ⅱ explosive

（4）鈍黑鋁細(xì)觀破碎模式主要是晶體與黏結(jié)劑和鋁粉之間的沿晶分離，并伴隨少量的穿晶現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)晶粒破碎的現(xiàn)象。

（5）鈍黑鋁在空化水射流沖擊過程中引起的溫度效應(yīng)在安全范圍內(nèi)，最高溫度約為50℃（低于160℃），不易引發(fā)鈍黑鋁炸藥爆炸。