火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (4): 363-368   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.008
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引用本文  

方华, 程扬帆, 李进, 宋诗祥, 刘文近, 沈兆武. 储氢型乳化震源弹配方设计及爆轰性能研究[J]. 火炸药学报, 2018, 41(4): 363-368. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.008
FANG Hua, CHENG Yang-fan, LI Jin, SONG Shi-xiang, LIU Wen-jin, SHEN Zhao-wu. Formulation Design and Detonation Performances of the Hydrogen Storage Emulsifying Seismic Bomb[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(4): 363-368. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.04.008

基金项目

国家自然科学基金(No.11602001);安徽理工大学硕士研究生创新基金(No.2017CX2071)

作者简介

方华(1995-), 男, 硕士研究生, 从事乳化炸药配方的优化与设计。E-mail:fh199584@163.com

通信作者

程扬帆(1987-), 男, 博士, 副教授, 从事工业炸药和粉尘爆炸研究。E-mail:cyf518@mail.ustc.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-12-28
修回日期:2018-04-11
储氢型乳化震源弹配方设计及爆轰性能研究
方华1, 程扬帆1,2, 李进3, 宋诗祥1, 刘文近1, 沈兆武2     
1. 安徽理工大学化学工程学院, 安徽 淮南 232001;
2. 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026;
3. 淮南舜泰化工有限公司, 安徽 淮南 232046
摘要: 为了提高乳化震源弹的爆炸威力和抗压性能,同时减少环境污染和安全隐患,设计了一种储氢型乳化震源弹,以TiH2-玻璃微球复合敏化的乳化炸药作为起爆药柱,MgH2化学敏化的乳化炸药作为主装药。利用猛度实验、爆速实验、水下爆炸实验和冲击波动压实验,分别研究了TiH2-玻璃微球复合敏化乳化炸药的爆炸威力和MgH2化学敏化乳化炸药的爆炸威力及抗压性能。结果表明,与传统乳化震源弹相比,储氢型乳化震源弹中TiH2-玻璃微球复合敏化的乳化炸药爆炸威力大,铅柱压缩量为23.80 mm,达到军用炸药猛度,同时爆速达到4 659 m/s,适合作为起爆药柱代替TNT起爆药柱;MgH2化学敏化乳化炸药的爆炸威力大且抗压性能好,峰值压力、比冲量、冲击波总能较传统玻璃微球敏化炸药分别提高了8.7%、12.4%、33.0%,适合作为主装药代替乳化炸药主装药;采用储氢型乳化震源弹替代传统震源弹具有较好的应用前景。
关键词: 储氢材料     乳化炸药     震源弹     爆炸威力     玻璃微球     化学敏化    
Formulation Design and Detonation Performances of the Hydrogen Storage Emulsifying Seismic Bomb
FANG Hua1, CHENG Yang-fan1,2, LI Jin3, SONG Shi-xiang1, LIU Wen-jin1, SHEN Zhao-wu2     
1. School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China;
2. CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;
3. Huainan Shuntai Chemical Co., Ltd, Huainan Anhui 232046, China
Abstract: To improve the explosion power and the pressure resistant properties of emulsifying seismic bomb, and reduce the environmental pollution and safety hazards, a kind of hydrogen storage type emulsifying seismic bomb was designed using emulsion explosive sensitized compositely by TiH2-glass microsphere as the initiating explosive grain, and emulsion explosive sensitized chemically by MgH2 as the main charge. The explosion power of TiH2-glass microsphere sensitized emulsion explosive and the explosion power and the pressure resistant properties of MgH2 sensitized emulsion explosive were studied by compression experiments, detonation velocity tests, underwater explosion experiments, and shock wave pressure experiments, respectively. The results show that compared with the traditional emulsifying seismic bomb, TiH2-glass microspheres sensitized emulsion explosive in hydrogen storage type emulsifying seismic bomb has high explosion power, the compression amount of lead column is 23.80 mm, reaching military explosives brisance and at the same time the detonation velocity is 4 659 m/s, it is suitable to be used as initiating explosive grain instead of TNT explosive grain. MgH2 sensitized emulsion explosive has high explosive power and good compressive resistance, the peak pressure, specific impulse and shock wave total energy were respectively increased by 8.7%, 12.4% and 33.0% compared with the traditional glass microsphere sensitized emulsion explosive, which is suitable for main charge instead of the main charge of emulsion explosive. The use of hydrogen storage type emulsifying seismic bomb instead of the traditional seismic bomb has a good application prospect.
Keywords: hydrogen storage material     emulsion explosive     seismic bomb     explosion power     glass microsphere     chemical sensitization    
引言

震源弹作为一种特殊的民用爆破器材,应用于地质勘测,石油、天然气、煤矿开采和深水破礁作业等领域[1],其主要利用地震波勘探原理,可探知地下各种矿藏。目前,震源弹主要分为两种:铵梯震源弹和乳化震源弹。铵梯震源弹主要由硝酸铵、TNT和木粉组成,其中TNT撞击和摩擦感度低,但突然受热能引起爆炸,同时毒性较强,在生产和使用过程中会产生大量的有毒气体,危害人身健康和造成环境污染。并且铵梯炸药不抗水,常因井下进水而发生拒爆炸。乳化震源弹以乳化炸药作为主装药,环境污染小,但其爆炸威力相对较低,所能激发地震波的能量弱,药柱黏性大且耐压性差。陆明等[2]通过在乳化炸药中加入铝粉来提高炸药的爆热,从而提高乳化震源药柱的作功能力;赵洁等[3]研制了耐压高威力乳化震源药柱,较现有乳化震源药柱在作功能力、耐压性和低温性能方面都有显著提高;阮传鹏[4]通过对混药和装药技术的改进,提高了粉状震源药柱的起爆和传爆可靠性。但上述研究并没有解决震源弹所存在的污染大、不防水和激发地震波能量较小等问题。贾占山等[5]利用退役发射药制造了震源药柱,增加了震源药柱爆速,为退役火药的综合利用开辟新途径,但并不适合广泛应用于震源弹;国外Dane Blair[6]建立模型研究了柱状装药产生的地震辐射,结果表明,若爆炸速度超过材料纵波速度则能促进材料的破裂。

程扬帆课题组研制了两种储氢型乳化炸药:(1)TiH2粉末和玻璃微球复合敏化的乳化炸药[7],爆炸威力大;(2)MgH2化学敏化的乳化炸药[8],其中MgH2粉末可以显著提高乳化炸药的爆炸威力和抗压能力。两种炸药中储氢材料分别起到含能添加剂和含能发泡剂的作用,课题组前期研究表明[9-10],敏化方式对储氢乳化炸药的爆轰性能具有显著影响。虽然MgH2化学敏化储氢型乳化炸药本身已具备8号雷管感度,但是MgH2化学敏化的乳化炸药比较钝感,单发雷管难以保证其安全起爆,为了提高该震源弹的起爆可靠性,采用强起爆方式,即采用起爆药柱。

针对铵梯震源弹污染大、不防水和乳化震源弹爆炸威力较小等问题,本研究用TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药替代传统乳化震源弹中的起爆药柱;同时,用MgH2化学敏化储氢型乳化炸药替代传统乳化震源弹中的主装药。通过猛度实验、爆速实验、水下爆炸实验和冲击波动压实验,分别研究了TiH2-玻璃微球复合敏化乳化炸药的爆炸威力及MgH2化学敏化乳化炸药的爆炸威力和抗压性能。

1 实验 1.1 材料与仪器

乳胶基质,密度为1.31 g/cm3,实验室自制,配方(质量分数)为:硝酸铵,75%;硝酸钠,10%;石蜡,4%;柴油,1%;乳化剂,2%;水,8%。空心玻璃微球,堆积密度为0.25 g/cm3,平均粒径为55 μm,美国3M公司;TiH2,平均粒径为48 μm,储氢量为3.8%,纯度为98%,英国Alfa Aesar公司;MgH2,平均粒径为20 μm,储氢量为7.6%,英国Alfa Aesar公司;聚乙烯醇,麦克林试剂有限公司;石蜡、石油醚(分析纯)、增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯),阿拉丁试剂有限公司。

DZF-6050型真空干燥箱,扬州市三发电子有限公司;CJJ79-1型磁力搅拌器,力辰科技有限公司;Agilent5000A型数字存储示波器,美国安捷伦公司;482A22型恒流源、W1238A5型水下爆炸压力传感器,美国PCB公司;数字式测时仪,精度不低于0.1 μm,西安同步电子科技有限公司;探针,自制。

1.2 乳化炸药样品制备

3种敏化形式的乳化炸药配方设计见表 1

表1 3种敏化炸药的配方设计 Table 1 Formulation design of three kinds of sensitized explosives

TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药的制备:TiH2稳定不水解,作为含能添加剂同时具有优良的抗水和抗氧化特性[11-12]。将乳胶基质在恒温箱40~60℃条件下加热30~50 min,然后在乳胶基质中按比例加入混合均匀的TiH2粉末和玻璃微球,在常温下搅拌均匀,制得TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药。

MgH2化学敏化储氢型乳化炸药的制备:MgH2在乳胶基质中水解释放出H2,形成均匀分布的敏化气泡,并参与爆轰反应从而提高乳化炸药的爆炸威力。所以将乳胶基质在恒温箱40~60℃条件下加热30~50 min,然后在乳胶基质中加入MgH2粉末进行发泡,最后制得MgH2化学敏化储氢型乳化炸药。

玻璃微球敏化炸药的制备:将乳胶基质在恒温箱40~60℃条件下加热30~50 min,然后在乳胶基质中加入玻璃微球进行敏化,最后制得玻璃微球敏化乳化炸药。

1.3 爆轰性能测试

储氢型乳化震源弹中,分别采用铅柱压缩法[13]和探针法[14]对TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型起爆药柱进行猛度和爆速试验。铅柱压缩法中未压缩铅柱的初始高度为60 mm,每个乳化炸药样品的质量为50 g,每种样品做3次实验,取平均值;探针法中每个乳化炸药样品的质量为50 g,将样品装入长度为350 mm和直径为40 mm的PVC管中,每种样品做3次实验,取平均值。通过水下爆炸测试系统和抗压性能测试系统对MgH2化学敏化储氢型主装药进行水下爆炸和冲击波动压实验,水下爆炸实验在爆炸水池中进行,水池深为5 m,如图 1所示。

图 1 水下爆炸测试系统 Figure 1 The testing system of underwater explosion

水下爆炸测试系统由待测实验样品,爆炸水池和信息收集系统3部分组成,信息收集系统主要由传感器、恒流源、示波器3部分组成,实验时将待测样品置于水面以下2.5 m处,与传感器的距离为0.5 m,每种样品做3次实验,取平均值。

冲击波动压实验采用冲击波动态压力减敏装置,如图 2所示,实验将压装RDX固定在矩形钢架的中间位置,用细铁丝将乳化炸药样品固定在离压装RDX不同距离的框架上(图 2(a))再置于水面以下,然后引爆压装RDX,产生的冲击波会使不同距离乳化炸药受到不同程度的冲击波压力作用,得到受压实验样品,最后通过水下爆炸测试系统(图 2(b)),用雷管引爆受压后的乳化炸药样品,其中炸药样品与传感器间距离为70 cm,用示波器记录冲击波信号,每种样品做3次实验,取平均值。

图 2 抗压性能测试系统 Figure 2 Anti-pressure performance test system
2 结果与讨论 2.1 TiH2-玻璃微球复合敏化炸药的猛度和爆速

3种乳化炸药的猛度及爆速试验结果如表 2图 3所示。

表2 3种乳化炸药爆炸性能参数 Table 2 Parameters of the explosion performance of three kinds of emulsion explosives
图 3 3种乳化炸药猛度实验结果 Figure 3 Brisance test results of three kinds of emulsion explosives

表 2可以看出,猛度方面,TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药的平均猛度用铅柱压缩量表示为23.80 mm,比玻璃微球敏化乳化炸药的16.10 mm高7.7 mm,已达到军用炸药的猛度,从图 3可以更直观地看到猛度的不同,说明TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药的爆炸威力明显提高,满足震源弹起爆药柱的强起爆要求。爆速方面,TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药的平均爆速为4 659 m/s,比玻璃微球敏化乳化炸药的4 534 m/s高125 m/s,高爆速使地震勘探中地震波的激发频率增大,波长变短,抗干扰能力增强,结果可靠性高,记录真实,分辨率增强[5]。以上实验数据说明TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药适合作乳化震源弹的起爆药柱,解决TNT起爆药柱在生产和使用过程中存在的问题。

2.2 MgH2化学敏化炸药的爆轰性能 2.2.1 炸药的爆炸威力

根据参考文献[15-16]计算出水下爆炸的相关参数,见表 3。同时由水下爆炸实验结果绘制得到MgH2化学敏化和玻璃微球敏化的乳化炸药压力—时间曲线,如图 4所示。

表3 两种乳化炸药水下爆炸爆轰参数 Table 3 Detonation parameters of the underwater explosion of two kinds of emulsion explosives
图 4 两种乳化炸药压力—时间曲线 Figure 4 Pressure—time curves of two kinds of emulsion explosives

水下爆炸实验结果如表 3所示,MgH2化学敏化储氢型乳化炸药的峰值压力、衰减时间、比冲量、能流密度和冲击波总能都大于玻璃微球敏化的乳化炸药。其中峰值压力为11.2 MPa,增加8.7%;衰减时间为35.2 μs,增加了0.3%;比冲量为636.9 Pa·s,增加了12.4%;能流密度为2 311.0 J/m3,增加了26.4%;冲击波总能为3 352.9 kJ/kg,增加33.0%。由图 4可知,MgH2化学敏化储氢型乳化炸药的冲击波压力峰值约为10.8 MPa,达到冲击波压力峰值所需时间约为15 μs;而玻璃微球敏化乳化炸药的冲击波压力峰值约为10.4 MPa,达到冲击波压力峰值所需时间约为30 μs。以上水下爆炸实验数据说明,MgH2化学敏化储氢型乳化炸药的爆炸威力大,能更加有效激发地震波,提高了使用可靠性和爆轰性能。

2.2.2 炸药的抗压性能

两种乳化炸药在不同距离受压后,水下爆炸冲击波压力峰值如表 4所示。

表4 不同距离受压后乳化炸药水下爆炸冲击波压力峰值 Table 4 Peak pressure of the underwater explosion shock wave of emulsion explosive after compression at different distance

表 4可以看出,玻璃微球敏化型和MgH2化学敏化储氢型乳化炸药的爆轰性能在受压之后都受到了影响,但是MgH2化学敏化储氢型乳化炸药爆轰性能的下降幅度小于玻璃微球敏化型乳化炸药,同时在相同强度冲击波作用下,受压后的MgH2化学敏化储氢型乳化炸药水下爆炸冲击波压力峰值远大于受压后的玻璃微球敏化乳化炸药。以上冲击波动压实验结果说明MgH2化学敏化储氢型乳化炸药抗压性能强,爆轰性能受外界压力的影响小。因此,MgH2化学敏化储氢型乳化炸药适合作为乳化震源弹的主装药。

2.3 储氢型乳化震源弹的制备

储氢型乳化震源弹的结构示意图和实物图如图 5所示。

图 5 储氢型乳化震源弹 Figure 5 The hydrogen storage emulsifying seismic bomb

制备储氢型乳化震源弹包括起爆药柱塑化成型、装药和封药。

TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药的起爆药柱塑化成型:考虑到乳化炸药呈胶状,黏性大且耐压性差,作为起爆药柱容易变形,所以需要用塑性膜成型。方法为将塑性膜材料聚乙烯醇溶于有机溶剂石油醚,然后按比例加入增塑剂后制成溶液,再将该溶液涂抹在TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药圆柱形药柱的外表面,最后在真空干燥箱中烘20~50 min,温度控制在30~45℃,制得塑性膜材料包覆成型的TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药的圆柱形起爆药柱。

储氢型乳化震源弹装药和封药:首先将MgH2化学敏化储氢型乳化炸药按要求填入震源弹的塑料弹壳内,然后将塑性膜成型的TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药插入主装药上方,加盖封装后制成储氢型乳化震源弹。

3 结论

(1) 储氢型乳化震源弹中的TiH2-玻璃微球复合敏化储氢型乳化炸药猛度为23.80 mm,爆速为4 659 m/s,适合作为储氢型乳化震源弹的起爆药柱替代传统震源弹中的TNT起爆药柱。

(2) 储氢型乳化震源弹中的MgH2化学敏化储氢型乳化炸药水下爆炸参数有明显提高,其中冲击波总能增加了33.0%,爆炸威力大,同时抗压性能强,适合作为储氢型乳化震源弹的主装药替代传统震源弹中的主装药。

(3) 储氢型乳化震源弹爆炸威力大、抗压性能优异,同时具有安全环保等优点,因而具有广泛的应用前景。


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