炸藥在水介質中殉爆特性分析

劉曉文，高玉剛

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京北礦億博科技有限責任公司，北京 100160；3.中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

目前，國內工業(yè)炸藥生產普遍采用連續(xù)生產工藝，炸藥在制造、裝藥以及包裝等工序間大多采用輸送帶輸送，一些乳化炸藥生產線上，制成的藥卷還需要在水下輸送以達到冷卻藥卷的目的。由于這些生產線的設計產能較大(很多在1萬t/年以上)，輸送帶上的炸藥量也較大(數百千克以上)，若不能采取有效防止殉爆發(fā)生的措施，一旦發(fā)生意外爆炸，可能導致整條輸送帶上的炸藥發(fā)生殉爆，甚至波及相鄰工序，勢必會造成重大事故，亟需開展炸藥在水中殉爆特性研究。在軍事上，可通過炸藥在水下爆炸殉爆摧毀敵方水下武器，分析水下兵器與來襲兵器安全距離和殉爆距離，可為水下兵器安全設計提供一定依據[1]。

有關炸藥在空氣介質中的殉爆特性研究測試開展的較多，余德運等[2]對現場混裝銨油炸藥(ANFO)在炮孔中進行殉爆試驗，起爆體安裝在下部裝藥中引爆，觀察是否引起上部裝藥殉爆，試驗結果表明在露天礦干燥鈣質硅酸鹽和覆蓋砂層臺階爆破時，采用空氣分段間隔裝藥，大孔徑(311 mm)炮孔比小孔徑(165 mm)炮孔的殉爆距離更大。李奇安[3]針對低溫敏化乳化生產線，探討了一種在雙層連續(xù)敏化機與送藥皮帶間，對連續(xù)、無間隔的乳化炸藥進行分割，防止乳化炸藥在生產或敏化過程中發(fā)生傳爆與殉爆的裝置。岳紀煒等[4]針對炸藥廠內各工序間距離受限，可能導致工業(yè)炸藥與生產工房內存藥發(fā)生殉爆的問題，研制出一種組合隔爆墻用來替代防爆土堤，該裝置可有效起到抗爆、防殉爆效果。唐平等[5]通過查閱相關文獻對國內外有關殉爆材料、防殉爆技術以及火工品運輸貯存過程中防殉爆安全技術進行分析總結，得到防爆材料、防爆技術改進以及防爆裝置低成本設計的一些方法。高玉剛[6]對乳化炸藥生產線中的乳化基質平鋪、敏化后的平鋪及成箱藥卷輸送等5種情況分別進行殉爆試驗，得到在不同情況下對應的殉爆距離。李啟月等[7]采用無縫鋼管模擬乳化炸藥在炮孔約束條件下的殉爆試驗研究，得到約束條件越強，乳化炸藥的殉爆距離越小。施維等[8]通過改變乳化炸藥的擺放方式，測試乳化炸藥在不同擺放方式情況下的殉爆距離。而有關炸藥在水介質中的殉爆特性研究還不多見，受試驗條件所限，目前還未有系統(tǒng)的試驗研究。本文結合現有文獻，對炸藥在水介質中的殉爆特性進行分析。

1 殉爆機理

炸藥發(fā)生爆轟時，引起相鄰炸藥爆炸的現象叫殉爆。李錚等[9]通過試驗發(fā)現，對于不敏感的炸藥，主要是由于爆轟產物的沖擊使被發(fā)炸藥產生熱點，從而導致爆炸或爆轟，爆轟產物是一種混合物，既有固體顆粒(如炭顆粒)，又有多種氣體(如N2、CO2、CO、H2O、NOx等)；而敏感炸藥殉爆主要是沖擊波超壓和正壓作用時間的作用下引發(fā)爆轟。炸藥殉爆要經歷“燃燒—加速燃燒—爆炸”的反應過程，當被發(fā)裝藥受到主發(fā)裝藥爆炸產生的爆轟產物作用時，其表面溫度升高直至發(fā)生局部分解，分解熱引起炸藥燃燒，燃燒放熱進一步使溫度升高，燃速加快，并沿著孔隙傳遞到炸藥內部；同時，沖擊波壓縮孔隙內的空氣，形成熱點，進一步發(fā)生急劇的化學反應，發(fā)生加速燃燒直至整個炸藥爆炸[10]。炸藥在水介質中殉爆機理更為復雜，可能引發(fā)殉爆的原因有主發(fā)裝藥爆炸產生沖擊波、爆轟產物直接作用、氣泡、二次壓力波等[1]。

2 引起殉爆的原因

2.1 主發(fā)裝藥的爆轟產物直接沖擊被發(fā)裝藥[11]

當兩裝藥之間的介質密度很小(如空氣)，并且兩裝藥間距離較近時，主發(fā)裝藥爆轟時產生的物質能直接作用在被發(fā)裝藥上，引起被發(fā)裝藥的爆轟。

2.2 主發(fā)裝藥爆轟時，拋射出的物體沖擊被發(fā)裝藥[11-13]

當主發(fā)裝藥被金屬材質的外殼包裝時，在主發(fā)裝藥爆炸的高溫高壓作用下，金屬材質的包裝殼會被瞬間氣化，形成金屬射流作用在被發(fā)裝藥上引起被發(fā)裝藥爆轟。

2.3 主發(fā)裝藥爆轟時，在惰性介質中形成的沖擊波沖擊被發(fā)裝藥[14]

主發(fā)裝藥爆炸時壓力急劇增大，作用于周圍空氣，形成空氣沖擊波超壓。沖擊波作用于被發(fā)裝藥上，就能引起被發(fā)裝藥爆轟。

在實際工程爆破中，引起殉爆的原因可能是以上某一原因，也可能是以上多種因素的綜合。在水介質中，引起炸藥殉爆的主要原因是沖擊波的作用。

3 影響炸藥殉爆特性的因素

影響殉爆的主要因素有炸藥爆炸沖擊波超壓、溫度、藥量和裝藥直徑、高溫高壓產物的沖擊能量、被發(fā)裝藥的裝藥密度、感度、形狀和擺放方式、惰性介質的性質等。

3.1 溫度對殉爆的影響

炸藥試樣溫度較高，越容易產生殉爆，對應的殉爆距離越大。因此，在炸藥生產線輸送帶上的炸藥藥卷經水冷卻后，理論上其殉爆距離將變小，即相同的藥卷距離下發(fā)生殉爆的可能性將變小。文獻[15]指出硝銨炸藥在0 ℃條件下比常溫下的殉爆距離稍低；乳化炸藥在-15～-20 ℃條件下，殉爆距離比常溫下下降10～20 mm，當溫度降低至-25 ℃以下時，殉爆距離大幅度降低。

3.2 與藥卷間惰性介質的性質有關

文獻[11]表明，不同的惰性介質，在沖擊波傳輸過程中由于其壓縮性不同，對炸藥的殉爆距離有很大影響。

試驗樣品：主發(fā)裝藥為苦味酸，紙質外殼裝藥，其藥量為50 g，被發(fā)裝藥為苦味酸，裝藥密度相同的情況下，試驗結果如表1所示。

表1 不同介質的殉爆距離

由表1可以看出，炸藥在水中的殉爆距離比在空氣中大。由于水介質的近似不可壓縮性，水下沖擊波衰減比空氣慢，所以炸藥在水中殉爆的可能性比在空氣中大。

3.3 與藥卷的擺放形式有關

炸藥藥包的擺放形式不同，其殉爆距離也不同。孫德勇等[14]測試乳化炸藥、膨化硝銨炸藥和改性銨油炸藥3個不同品種炸藥的軸向殉爆距離和徑向殉爆距離，指出炸藥擺放位置不同，被發(fā)裝藥接受主發(fā)裝藥爆炸時產生的沖擊波面積不同，兩藥包平行正對擺放時更容易殉爆，錯開擺放位置越大，其殉爆距離會減小。文獻[16]指出，藥包的擺放位置關系到爆炸沖擊波和產物射流的沖擊方向，對殉爆效果影響較大，軸向共線擺放時效果最佳，軸向垂直效果最差，殉爆距離會減少4～5倍。

3.4 與藥卷質量(或藥卷直徑)有關

增加主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的質量或增大裝藥直徑，將使主發(fā)裝藥產生的爆炸沖擊波強度增大、被發(fā)裝藥接受沖擊波的面積增大，其徑向殉爆距離也就增大。鄭孟菊等[17]設計實驗將一定質量的特定炸藥，制成不同直徑的藥卷，試驗結果表明，當藥卷直徑31 mm時殉爆距離為50 mm，當藥卷直徑為40 mm時，殉爆距離增大至110 mm。

根據文獻[11]TNT的試驗結果(見表2)可見，隨著主發(fā)裝藥質量的增加，殉爆距離也顯著增大。

表2 藥量對殉爆距離的影響

4 水下殉爆特性試驗方法

胡宏偉等[18]根據炸藥在水中爆炸的特點，通過2種方式對炸藥在水介質中的殉爆試驗進行判斷。實驗原理如圖1所示，通過壓力傳感器測得炸藥在水下爆炸的沖擊波超壓值隨時間變化信號，再通過示波器將傳感器捕捉到的信號轉化為波形圖，進一步由專業(yè)軟件分析得出水中沖擊波壓力上升的時間、最大壓力值以及氣泡脈動周期，從而判斷是否發(fā)生殉爆。

方式一：殉爆距離指當主發(fā)裝藥爆轟時，可以將被發(fā)裝藥100%引爆的最大裝藥距離；殉爆安全距離指主發(fā)裝藥爆轟時，被發(fā)裝藥100%不被引爆的最小裝藥距離。

方式二：利用炸藥在水中爆炸產生的沖擊波和氣泡周期來判斷被發(fā)裝藥是否發(fā)生殉爆。設定2個裝藥與測點的距離，pm1表示主發(fā)裝藥產生的最大沖擊波壓力，tb1表示氣泡周期；當被發(fā)裝藥殉爆時，pm2表示被發(fā)裝藥產生最大沖擊波壓力，tb2表示被發(fā)裝藥的氣泡周期；若被發(fā)裝藥B發(fā)生半爆，測量到沖擊波最大壓力pm3和氣泡脈動周期為tb3。判斷是否發(fā)生殉爆的方法為：若pm2>pm1，tb2>tb1，則被發(fā)裝藥殉爆；若pm2>pm3>pm1，tb2>tb3>tb1，則被發(fā)裝藥半爆；若pm2=pm1，tb2=tb1，則被發(fā)裝藥未殉爆。

胡宏偉等[18]采用上述2種試驗方法對水下爆破殉爆試驗進行探究，試驗結果表明該方法不僅能判斷炸藥是否發(fā)生殉爆現象，同時還可以定量反映殉爆的程度。通過這種試驗方法，可以進一步研究水介質中主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥不同的擺放位置和不同藥卷直徑的殉爆距離。

Shigeru Itoh等[19]采用高速攝影與錳銅壓阻法2種方法，對高威力炸藥在水中的殉爆現象進行直觀和定量的研究。采用高速攝影方法，以時間軸為參考系，用選定的時間間隔標尺，對殉爆過程進行高速攝影，分析主發(fā)裝藥爆炸產生水下沖擊波到達的時間L1與被發(fā)裝藥產生水下沖擊波到達的時間L2進行動態(tài)對比分析，以判斷是否發(fā)生殉爆或是否完全殉爆；錳銅壓阻法測量被發(fā)裝藥處的爆轟壓力，原理是利用錳銅材料電阻率小，電阻的變化與沖擊波壓力呈線性關系，通過試驗測量得到壓力值，將測得的壓力值與炸藥正常爆炸的C-J面爆轟壓力值進行比較，從而判斷被發(fā)裝藥是否被殉爆。2種實驗方法相互佐證，對炸藥在水中殉爆研究提供了更多的研究方法。

5 水下沖擊波界面效應對殉爆性能的影響

炸藥的沖擊波感度決定了其殉爆的難易程度，沖擊波在水中和空氣中的傳播具有不同的性質，很多學者對此進行了研究，主要從沖擊波傳播的速度、峰值壓力、沖量等物理參數進行對比分析。寧心等[20]設計實驗，分別將0.2、0.5、1 kg TNT 在空氣和水下爆炸, 布置傳感器測得不同距離的爆炸特性參數；實驗表明，測試距離相同的情況下，相同質量的TNT爆炸產生的水下沖擊波的傳播速度是空氣沖擊波傳播速度的4倍左右；水下沖擊波峰值壓力是空氣中峰值壓力的230倍左右；水下沖擊波正向壓力作用時間短，其沖量是空氣中的10倍左右。傳播介質密度不同，沖擊波的傳播速度和峰值壓力都不同，水下沖擊波比空氣中傳播的速度更快，傳播的距離更遠，沖擊波峰值壓力更大，產生的破壞效應更顯著。

由于界面效應的作用，爆炸沖擊波會發(fā)生反射、折射、透射，如果主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥間存在不同的介質，必然對殉爆距離產生影響。張社榮等[21]通過數值模擬的方式分別構建水下和空氣中自由場，研究了自由界面對2種介質下產生的爆炸沖擊波傳播特性的影響。研究結果表明，沖擊波受空氣與水界面作用，炸藥在自由面水下起爆時，界面反射波比透射波強度大，在反射沖擊波與入射波的共同作用下，產生氣穴現象；炸藥在自由面空中起爆時，界面透射波強度大于反射波，在反射沖擊波與入射波的共同作用下，沖擊波在近界面處有增強效應。王奕鑫等[22]通過計算得出，在一定應用范圍內，淺水爆炸中無機械雜質的水可承受約60 MPa的負壓，出現空蝕現象，然后壓力迅速降低，產生沖擊波的截斷效應；進一步設計實驗以單發(fā)雷管在淺水下起爆，距雷管不同水平距離和深度布置傳感器，測得沖擊波壓力在某一時刻明顯減小，有截斷現象；受反射波的影響，測點深度越淺，反射波與透射波之間的夾角越小，對透射波的峰值和上升沿影響越大。

6 結論

1)炸藥在水中的殉爆距離比在空氣中大，即在水中的殉爆可能性比在空氣中大。

2)增加主發(fā)裝藥的質量，將明顯提高被發(fā)裝藥的殉爆可能性。

3)在相同炸藥量，距炸藥藥包中心相同距離情況下，在水中爆炸時產生的沖擊波峰值壓力遠大于在空中爆炸產生的沖擊波峰值壓力。

4)炸藥爆炸產生的沖擊波在空氣與水界面影響下，沖擊波會發(fā)生反射和透射，從而影響炸藥的殉爆距離。

盡管文獻顯示炸藥在水中的殉爆可能性比在空氣中大，但應當看到，由于試驗條件與炸藥生產實際存在差異，還需通過一系列的模擬試驗研究并進行進一步的分析才能客觀評估炸藥在水介質中的殉爆特性。