-30 ℃環境下雷管及起爆具爆炸特性研究

徐俊峰，馬宏昊,2，趙 凱，牟金友，沈兆武，萬嘉輝，吳建國

(1.中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，合肥 230026；2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥 230026；3.中鐵建工集團有限公司，北京 100070；4.中鐵二十一局集團第五工程有限公司，重慶 402160)

隨著凍土地區礦產資源的開發以及極地建設的推進，高寒地區下的爆破施工日益頻繁。炸藥作為爆破作業的重要組成部分，其在低溫環境下的使用特性已得到了廣泛的關注，相關研究涉及抗低溫乳化炸藥的工藝配方設計及其在-35 ℃以內的爆轟性能研究[1-2]、高能炸藥在低溫下的老化過程及其力學強度變化等[3-4]。然而，關于導爆管雷管、起爆具等爆破器材在低溫下(-30 ℃左右)的爆炸特性研究卻鮮有涉及，低溫下爆破器材的穩定起爆、可靠延時對于精準爆破控制至關重要。

針對上述問題，本研究預先對4種不同段別的導爆管雷管、起爆具進行-30 ℃低溫冷凍處理，然后經過多次重復實驗，分別測定了未經處理和經過低溫冷凍的各段別導爆管雷管的延時時間、水下爆轟參數以及起爆具的鋼板穿孔直徑，通過對實驗現象和實驗數據的分析，為爆破器材在低溫下的起爆性能判定提供依據。

1 實驗

1.1 實驗材料

導爆管選用山西某公司生產的普通塑料導爆管，主裝藥為黑索金，內徑1.5 mm，外徑3 mm；雷管和起爆具均為山東某集團生產，其中雷管選用無起爆藥飛片式雷管，主裝藥為PETN；起爆具質量400 g，由TNT和RDX按質量比53∶47澆鑄而成，直徑55 mm，高122 mm。

測試儀器包括：南京理工大學民爆器材研究所生產的電脈沖起爆器及智能爆速測量儀(ZBS9601B)，示波器(Tektronix，Inc. USA)，恒流源(482A22)，水下壓力傳感器(PCB-W ICP138A25)。

1.2 雷管延時時間的測定

為研究低溫環境對延時飛片雷管延時時間的影響，設置30 ℃(室溫)和-30 ℃(雷管裝在水袋內，置于-30 ℃冰柜中冷凍24 h)溫度下雷管的延時時間對比試驗，所用雷管段別為：MS2、MS5、MS8、MS10。其中各段別雷管分別在室溫和-30 ℃低溫下重復測試20發，延時時間取測量數據的平均值。

1.3 低溫下雷管爆轟參數的測量

為了得到低溫環境下雷管爆轟參數改變的定量數值，進而有利于評估其傳爆特性，分別進行了室溫下雷管和-30 ℃低溫冷凍處理后雷管的水下爆炸實驗。由于雷管在冷凍時有冰袋包覆，實驗時一并放入水中，能夠確保置于水中的雷管維持-30 ℃的溫度。實驗在直徑D為5 m，深度H為5 m的水下爆炸裝置中進行，為了消除有限水域中水池邊界和底部對測量結果的影響，將雷管放置在水下3 m處，兩個傳感器距離中心位置1.0 m。2組溫度下的雷管均做3組平行實驗，并取平均值表示其水下爆炸的參數，數據由示波器采集和儲存，實驗裝置如圖1所示。

圖1 水下爆炸實驗裝置Fig.1 Underwater explosion experiment device

1.4 低溫下起爆具的鋼板穿孔實驗

起爆具的起爆能力通過鋼板穿孔實驗驗證。將鋼板平放在地面上，起爆具豎直放置于鋼板中心，實驗布置如圖2所示。實驗分為3組，由于MS8段雷管的內管結構相比MS10段更小，利用-30 ℃冷凍后的MS8段及MS10段雷管起爆室溫及低溫冷凍后的起爆具，在得到鋼板穿孔結果的同時，可以驗證雷管的內管結構是否會影響其在低溫下的起爆性能。每組實驗重復3次，分別測試3組工況下的器材起爆情況及對應的鋼板穿孔直徑。所用鋼板厚10 mm，長、寬均為120 mm，實驗在野外靶場進行。

圖2 鋼板穿孔實驗Fig.2 Steel plate perforation experiment

2 結果與分析

2.1 低溫對雷管延時時間的影響

對上述4種段別雷管在30 ℃和-30 ℃下的延時時間實測數據進行處理，得到不同段別雷管在30 ℃和-30 ℃下延時時間數據的箱型(見圖3)。由于傳感器記錄故障導致部分組別數據不足20發。國標GB 19417-2003規定各段別導爆管雷管的標準延時時間及其允許的上、下規格限如表1所示[5]。

表1 各段別雷管的標準延時時間

圖3 不同段別雷管在30 ℃和-30 ℃下延時時間數據的箱型Fig.3 Box chart of delay time data for different period detonators at 30 ℃ and -30 ℃

結合表1中的規定，從圖3中可以看出，除去未采集到的數據，所有雷管均正常起爆，且在室溫及低溫條件下，各段雷管的延時時間均處于標準延時時間范圍內，因此可知低溫環境并不影響其正常的使用性能。但是在受低溫處理后，雷管的平均延時時間較室溫下均有所上升，延時時間的波動幅度也更大。并且，對于具有相同普通內管結構的MS2～MS8段延時雷管，段別越高，低溫對延時時間的影響越明顯。

雷管中的延時體藥柱由氧化劑、可燃劑及少量粘合劑組成，其燃燒過程滿足多段燃燒規律[6]：藥柱軸向分為固相反應區、氣相反應區、加熱區及未反應區，反應區放出的熱量使加熱區達到燃點后，加熱區開始反應，使得燃燒繼續向前推進。由于低溫環境下燃燒的熱損失更大，結合延時藥柱的多段燃燒規律可知，加熱區達到燃點的時間因為熱量損失而發生延遲。同時燃燒時的初溫對燃速有一定的影響，可通過公式(1)表示：

v=Beβ(T-T0)

(1)

式中：v為燃速，m/s；B為常數；β為燃燒的溫度系數，數值為正；T為溫度，K。

由公式(1)可知，低溫處理會降低延時藥的燃燒速度，從而在一定程度上會增加其延時時間。

綜上所述，低溫環境下延時雷管的延時時間有所增加，且延時不穩定性上升。同時，由于所有測試的低溫雷管未出現拒爆現象，表明低溫下導爆管的傳爆性能及雷管的起爆性能不受影響。

2.2 低溫雷管水下爆轟參數的計算

1)沖擊波比沖量。水下爆炸沖擊波的沖量I可由公式(2)計算[7]：

(2)

式中：I(t)為沖擊波比沖量，kPa·s；p(t)為距離R處沖擊波壓力時程曲線；Pa；θ為沖擊波衰減時間，s，數值等于沖擊波壓力從pm衰減到pm/e的時間，其中e為數學常量，數值約為2.718。

2)沖擊波比沖擊波能、比氣泡能及總能量。水下爆炸比沖擊波能Es可由公式(3)計算[7]：

(3)

式中：Es為比沖擊波能，MJ/kg；R為雷管中心距傳感器中心的距離，m；m為雷管的裝藥質量，kg；ρw為水的密度，kg/m；Cw為水中的聲速，m/s。

水下爆炸比氣泡能Eb可由公式(4)計算[7]：

(4)

(5)

式中：Eb為比氣泡能，MJ/kg；Tb為氣泡的第一次脈動周期，s；C為實驗條件下測得的校正系數[8]，數值為-0.332；ph為雷管處的靜水壓，Pa。

水下爆炸總能量E可由公式(6)計算[7]：

E=Ks(μEs+Eb)

(6)

(7)

(8)

式中：E為水下爆炸總能量，MJ/kg；Ks為雷管中裝藥形狀的修正系數，對于圓柱形裝藥，取1.08；μ為水下沖擊波的壓力損失系數；pC-J為爆轟過程的C-J壓力，GPa；ρ為主裝藥的密度，kg/m3；D為主裝藥的爆速，m/s；γ為比熱容，對于C-J壓力計算取3。

由于雷管爆炸時其主裝藥的爆速無法直接測得，先假定爆速不受溫度影響，pC-J的值參考文獻[7]。

結合式(2)～式(8)，分別計算了雷管在30 ℃下和-30 ℃低溫處理后的比沖量I、比沖擊波能Es、比氣泡能Eb及雷管的總能量E(見表2)。2種溫度下雷管水下爆炸1.0 m處的沖擊波壓力時程對比如圖4所示。

表2 不同溫度雷管的水下爆炸的能量參數

圖4 不同溫度下雷管水下爆炸1.0 m處的沖擊波壓力時程Fig.4 Shock wave pressure-time of detonators under different temperature at the distance of 1.0 m in underwater explosion

根據表2和圖4，可知2種溫度下雷管的沖擊波壓力峰值變化不明顯，但是相比室溫環境，低溫處理后雷管的其他能量參數均呈現不同程度的下降。其中，沖擊波比沖量下降了5.0%，比沖擊波能降低了3.3%，比氣泡能降低了9.6%，總能量下降了7.3%。由于爆轟本質上是一種化學反應，其特點是存在一個使反應速率突變式增加的臨界條件，進而從平穩的化學反應躍變為劇烈的化學反應。反應速率與溫度的關系可用阿龍尼烏斯方程描述[9]：

(9)

式中：k為反應速度常數，min-1；A為頻率因子，min-1；Ea為反應活化能，一般視為與溫度無關的常數，J/mol；T為絕對溫度，K；R為氣體摩爾常數，8.314 J/(mol·K)。

由式(9)可知，當反應的初溫降低時，其初始的反應速率減小，因此反應速率發生突變的時間更晚。由于化學反應歷程的改變，出現極大反應速率值的時間延遲，使得炸藥在加速反應轉為爆轟時消耗得更多[10]，導致爆炸的輸出能量稍有減弱。因此測量得到的水下爆炸各項能量參數均呈現一定幅度的下降。

2.3 低溫對起爆具的影響

30、-30 ℃溫度下起爆具的鋼板穿孔實驗結果如圖5所示，由圖5a～圖5c可以看出，兩種溫度下起爆具均穿透10 mm厚鋼板，正面穿孔直徑均在56 mm左右，略大于起爆具的直徑，表明低溫對起爆具的起爆能力沒有影響。鋼板背面破壞形態稍有差異。與圖5e、圖5f相比，圖5d中室溫起爆具穿孔后鋼板背面的破壞區域面積更大，周圍層裂現象更為明顯，顯然低溫在一定程度上降低了起爆具內炸藥的化學反應速率，進而影響了其輸出的能量，這與雷管水下爆轟參數降低的原因一致。

注：(a)、(d)為30 ℃起爆具的穿孔；(b)、(c)、(e)、(f)為-30 ℃起爆具的穿孔。圖5 起爆具鋼板穿孔實驗結果Fig.5 Steel plate perforation results with blasting primer

此外，起爆所用雷管同樣經過了-30 ℃低溫處理，說明具有普通內管結構的MS8段雷管和具有大內管結構的MS10段雷管都能適應低溫環境。

3 結論

1)-30 ℃低溫環境下起爆具及各段別延時導爆管雷管均能正常起爆，表明爆破器材的正常起爆能力不受低溫影響。

2)-30 ℃低溫環境下，各段別延時雷管的延時時間均有所增加，且當內管結構相同時，延時雷管的段別越高，受低溫的影響就越明顯。但是所有延時時間的改變均處于標準允許范圍內，不影響其正常的使用性能。

3)-30 ℃低溫條件下雷管水下爆炸的比沖擊波能、比氣泡能及總能量較常溫下分別降低了3.3%、9.6%、7.3%，而使用-30 ℃起爆具進行鋼板穿孔時，對鋼板的背面破壞更小。因此-30 ℃低溫下雷管、起爆具的輸出能量相比常溫下都有一定程度的下降。