深水靜壓下化學敏化乳化炸藥爆炸能量的輸出特性?

劉 磊 王 遠 張成良 張海濤

昆明理工大學國土資源工程學院(云南昆明，650093)

引言

乳化炸藥是一種以氧化劑水溶液作為分散相、油相作為連續相的工業炸藥。分散相懸浮于連續相，形成一種油包水型乳化體系，再經過敏化工藝而形成乳化炸藥[1]。在乳化炸藥敏化的過程中，敏化劑的作用是形成微小、規則的敏化氣泡并均勻分布在乳化基質中，可以適當地調節炸藥的密度；當起爆原件產生沖擊波作用后，通過壓縮形成微小熱點，從而使炸藥產生爆轟反應。常用的敏化劑有物理敏化劑(玻璃微球和膨脹珍珠巖)和化學敏化劑(亞硝酸鈉)。相比物理敏化，化學敏化有價格低廉、來源廣泛、用量少等優勢。所以當下，亞硝酸鈉作為敏化劑在國內得到廣泛應用。早期，學者們通過試驗研究炸藥的爆速、猛度等參數，定性分析炸藥的能量輸出性能[2-4]。近年來，又利用水下爆炸測試系統對工業炸藥的爆炸能量輸出性能開展了大量研究。周霖等[5]通過典型炸藥爆炸的性能參數，分析計算了幾種混合炸藥的沖擊波能、氣泡能等，并修正了能量計算公式；田俊宏等[6]研究了鋁氧比對含鋁炸藥能量輸出特性的影響；趙倩[7]對黑索今含鋁炸藥水中爆炸能量輸出做了系統研究；盧勇等[8]通過溫壓炸藥配方設計，研究了溫壓炸藥的能量輸出特性；牟金磊等[9]通過計算與試驗研究分析小藥量試驗條件下有效比沖能隨距離變化的關系；龔悅等[10]研究了玻璃微球含量對乳化炸藥水下爆炸能量的影響；汪泉等[11]對幾種不同工業炸藥的水下爆炸能量輸出特性進行了對比研究。雖然研究炸藥水下爆炸能量的報道很多，但研究深水靜壓對炸藥的能量輸出影響的較少。

本文中，使用自行設計的可改變靜水壓力大小的水下爆炸測試系統，選用化學敏化的乳化炸藥進行水下爆炸試驗，測量在靜水壓力下乳化炸藥的水下爆炸能量變化情況。通過沖擊波峰值壓力pm、比沖擊波能Es、氣泡能Eb和總能量Et的變化關系，定量研究化學敏化乳化炸藥在不同靜水壓力下的能量變化規律。

1 試驗方案

按照表1的配方，乳化基質水相在110℃下加熱溶解，復合油相在100℃下加熱熔化，將兩組分乳化4 min，然后將乳化基質溫度控制在50～60℃。配制亞硝酸鈉水溶液(亞硝酸鈉與水質量比為1∶2)，加入乳化基質中，隨后加入2～3滴促進劑磷酸溶液(磷酸與水的質量比為1∶3)，攪拌2～3 min即可。將制備好的乳化炸藥自然冷卻至常溫。

表1 乳化基質基本配方Tab.1 Basic formula of emulsion explosive%

乳化炸藥試樣中，亞硝酸鈉質量分數分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，試樣分別對應標記為Y-0.1%、Y-0.2%、Y-0.3%、Y-0.4%。乳化炸藥入水初始深度為0.36 m，所受壓力可忽略不計(0 MPa)。設置0、0.1、0.3、0.5 MPa 4個靜水壓力分別對應0.36、10.36、30.36、50.36 m的水深。每組測量3次，試驗結果取平均值。

水下爆炸信號的采集流程為:傳感器接收并輸出沖擊波信號、電纜傳輸信號、波形采集儀采集并儲存、筆記本電腦數據處理。傳感器與波形采集儀之間通過電纜連接。電纜有兩個功能，即信號傳輸線和電流、電壓傳輸線。在安裝傳感器時，通過帶孔螺栓將傳感器頭部伸入爆炸球罐內，ICP接口在外部，帶孔螺栓用防水密封膠密封。爆炸球罐高220 cm，最大直徑140 cm，筒壁厚2.2 cm，容積2 m3，工作壓力3.0 MPa。藥包位于球罐中心，入水深0.36 m，與傳感器距離0.58 m。測試系統如圖1所示。

圖1 測試系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

在炸藥爆炸時，必須滿足一定的藥包直徑。當藥包直徑較小時，炸藥會發生不完全爆轟；隨著藥包直徑的增大，爆轟趨向穩定，最后達到理想爆轟。

在實驗室使用3、5、7 g炸藥進行輸出能量測試，并綜合考慮爆炸振動和對測試系統的保護，主體試驗藥量選5 g。將炸藥與傳感器置于同一水平面上，經過標定，穩定性和靈敏度等均符合要求。需要注意的是，在測量中必須設置預起爆時間，以便獲得完整波形。通過加壓，獲得靜水壓力為0.3 MPa時炸藥Y-0.3%的爆炸壓力實測波形，如圖2所示。

圖2 靜水壓力0.3 MPa時Y-0.3%的爆炸壓力實測波形圖Fig.2 Measured waveform of explosion pressure of Y-0.3%at hydrostatic pressure of 0.3 MPa

2 結果與分析

2.1 水下爆炸測試結果

比沖擊波能[12]

式中:p為沖擊波壓力，MPa；θ為衰減時間常數，s；ρw為水的密度，取1 000 kg/m3；Cw為水中聲速，取1 460 m/s；W為藥量，kg。

氣泡能[13]

式中:C為給定水池和裝藥位置等測試條件下的固有常數，C=b/a2，根據球罐參數，計算得C=-4.393 8 m/s；K1為常數；Tb為氣泡脈動周期，s。

炸藥的總能量[13]

式中:Kf為藥形系數，對于球形藥包，Kf為1；μ為沖擊波損失系數。

結合式(1)～式(3)，計算得到采用不同敏化劑敏化的乳化炸藥的水下爆炸參數，并與雷管水下爆炸的參數進行比較，結果見表2。表2中，pm為沖擊波峰值壓力，MPa。

2.2 無靜水壓力下乳化炸藥水下爆炸能量的變化

無靜水壓力時，4種質量分數的亞硝酸鈉敏化的乳化炸藥水下爆炸能量參數分布，如圖3所示。

圖3 無靜水壓力下乳化炸藥水下爆炸參數與亞硝酸鈉質量分數的關系Fig.3 Relationship between underwater explosion parameters of emulsion explosive and mass fraction of sodium nitrite at 0 MPa

表2中，雷管試驗作為一個測量基準，是為了對比炸藥的爆轟能量下降程度。從4組參數可以看出:無靜水壓力時，炸藥Y-0.1%的爆炸能量較小；當亞硝酸鈉質量分數增加到0.2%時，炸藥爆炸能量均顯著提高；當質量分數增加到0.3%時，炸藥爆炸能量呈現下降趨勢；當質量分數增加到0.4%時，pm、Es、Eb和Et呈現下降趨勢，與Y-0.3%相比，分別下降了7.11%、13.73%、9.49%、11.80%。綜上可得:Y-0.2%炸藥的能量最佳；隨著亞硝酸鈉質量分數的增加，炸藥的能量將會有所下降；亞硝酸鈉質量分數越大，能量下降速率越大。

表2 水下爆炸參數Tab.2 Underwater explosion parameters

2.3 不同靜水壓力下乳化炸藥水下爆炸性能的變化

圖4對比了亞硝酸鈉敏化的乳化炸藥在不同水壓下爆炸后的能量分布。無靜水壓力時，只有Y-0.1%發生半爆；外加壓力增大后，直接拒爆。與Y-0.1%相比，Y-0.2%各項能量均顯著提高；通過計算分析，此時，乳化炸藥達到完全爆轟。分析Y-0.3%可以看出，無靜水壓力時，pm、Es、Et比Y-0.2%的稍低一些，這是因為Y-0.3%中加入了過量的亞硝酸鈉，使得乳化炸藥中氣泡空穴過多，導致乳化炸藥的密度減小，從而能量釋放減小。當靜水壓力增加到0.1 MPa時，所有炸藥試樣的能量均發生斷崖式下降，除Y-0.1%以外的3種炸藥均發生不同程度半爆。當外加壓力增加到0.1～0.3 MPa時，3種乳化炸藥的各項能量由大到小順序為Y-0.4%、Y-0.3%、Y-0.2%；當靜水壓力增加到0.5 MPa后，所測炸藥的沖擊波峰值與單發雷管的沖擊波峰值相差不大，說明對于所測量的3種乳化炸藥，當外界壓力增大到一定程度時，均會失去爆轟感度。

圖4 不同靜水壓力下水下爆炸參數Fig.4 Variation curves of underwater explosion parameters under different hydrostatic pressures

2.4 機理分析

根據上述試驗結果，分析pm、Es、Eb和Et4個能量參數在靜水壓力下變化的原因。無靜水壓力時，Y-0.1%的4個能量參數均與單發雷管能量相當，發生拒爆；原因在于亞硝酸鈉含量較低，反應生成的氣泡數量很少，敏化后乳化炸藥內部生成的熱點不足，無法形成從點到面的爆轟，繼而影響乳化炸藥能量的釋放。亞硝酸鈉質量分數提升到0.2%時，亞硝酸鈉在炸藥中反應并形成大量敏化氣泡，此時炸藥中的熱點數目足夠多，且尺寸相當，雷管起爆使熱點溫度升高到爆發點，進而引起熱點周圍炸藥發生爆炸。當亞硝酸鈉質量分數繼續增加到0.3%～0.4%時，4個能量參數不升反降；這是因為在乳化炸藥質量一定的情況下，過量添加亞硝酸鈉會導致乳化炸藥體積增大、密度減小，使炸藥內部孔隙率增大。根據生成敏化氣泡的化學機理可知，亞硝酸鈉在生成敏化氣泡時會消耗硝酸銨的量，所以過量的亞硝酸鈉既會使炸藥的有效成分降低，又會增加孔隙率以減少炸藥水相、油相的面面接觸，最終導致炸藥樣品的爆轟性能下降。

乳化炸藥中的化學敏化氣泡受外界環境壓力的影響很大。由于亞硝酸鈉是在常壓下加入乳化基質的，所以為達到內、外壓力平衡，此時生成的敏化氣泡內、外壓力均為常壓。隨著外加壓力的增大，敏化氣泡會出現體積縮小、相鄰氣泡融合的現象，體積較小的氣泡經過體積壓縮，無法在爆炸過程中形成有效灼熱核，部分大氣泡和新融合的氣泡尺寸相當，形成有效熱點，所以炸藥發生半爆。靜水壓力提升至0.3 MPa時，pm、Es、Et3個參數下降速率變慢；這是因為在此過程中不斷會有小氣泡與相鄰氣泡聚集、融合，形成新的有效氣泡，但更多的是由于外加壓力過大，使氣泡縮小到無效尺寸，所以炸藥的能量依然會處于下降狀態，發生更深程度的半爆。0.3 MPa時，3種炸藥的Eb會呈現上升狀態；分析原因，隨著靜水壓力的增大，炸藥的各項爆轟感度均下降，但還具有一定的爆轟性能，而且雷管在其中發揮了很大作用，所以水深增加后，Eb相應提升。當靜水壓力增加到0.5 MPa后，3種炸藥的各項能量下降速率又增大；這是因為隨著外加壓力的不斷增大，炸藥中生成的化學敏化氣泡均變成一個個尺寸很小的點，均為無效熱點，不能形成灼熱核，炸藥發生拒爆，此時測到的爆炸能量僅為雷管釋放的能量。

3 結論

研究了亞硝酸鈉化學敏化的乳化炸藥在深水靜壓作用下爆炸能量的輸出特性。主要結論如下:

1)隨著外加壓力的增大，乳化炸藥的爆炸能量輸出性能呈遞減趨勢:0～0.1 MPa下，能量下降最快；從0.1 MPa以后，能量下降趨勢變緩；0.3 MPa后，4種炸藥呈半爆或拒爆；當外界壓力達到0.5 MPa后，所測得爆炸能量僅為雷管爆炸的能量。

2)在一定的靜水壓力變化范圍內，Y-0.2%、Y-0.3%和Y-0.4%3種炸藥的pm、Es、Eb和Et下降明顯；當壓力增加到0.5MPa時，Y-0.4%的4個參數的下降速率比Y-0.2%、Y-0.3%兩種炸藥的下降速率顯著增高。

3)根據熱點理論:隨著靜水壓力的不斷增大，炸藥試樣中的化學敏化氣泡逐漸變小或消失，大部分變為無效熱點，不能形成灼熱核；當靜水壓力過大時，炸藥會發生拒爆。