深水壓力下乳化炸藥的氣泡脈動周期

張海濤，劉 磊，王 遠

(昆明理工大學國土資源學院,昆明 650093)

水下爆炸過程大體可分為炸藥爆轟、沖擊波的形成和傳播、氣泡脈動3個階段。前2個階段發生時間很短，通常在幾十微秒內完成。氣泡脈動與前兩個階段相比，雖然能量較弱，但作用時間相對較長。在炸藥爆炸能量中大約有一半是以氣泡脈動形式傳播出去的，對于TNT炸藥來說，氣泡脈動做功約為炸藥爆炸總能量的47%，沖擊波消耗的能量約為炸藥爆炸總能量的53%[1]，所以氣泡脈動產生的總功不能忽略。

氣泡脈動是水下爆炸的特有現象，所產生的水波振蕩會對水下結構產生很大影響[2]，近些年來水下氣泡脈動的研究成為熱點，理論研究主要包括：淺水環境下氣泡運動規律引發射流現象造成水下結構破壞[3-4]、通過脈動周期準確計算評估水下炸藥性能[5-6]、優化氣泡脈動的數值模擬計算方案[7-9]、邊界條件對氣泡脈動的影響[10-11]和氣泡脈動對水下結構的毀傷研究[12-13]等；在工程領域，崔杰[14]對水下爆炸氣泡載荷對結構毀傷做了全面研究得出氣泡半徑、周期、中心遷移、上下表面位移等都是水下爆炸所需考慮的影響因素，張立等[15]通過確定氣泡脈動周期來計算氣泡能，趙根[16]研究拆除爆破的危害得出氣泡脈動對水下結構具有一定危害；在軍事領域，很多學者對TNT、RDX等單質固體炸藥水下爆炸過程中產生的氣泡脈動對艦船、潛艇等的損傷進行了大量研究。研究發現當爆炸發生在相對堅硬的邊界附近，比如軍艦的船體或堅硬的海底時，爆炸氣泡在收縮過程中會向邊界移動。對于發生在軍艦附近的爆炸，氣泡的移動會使氣泡射流發生在離船體更近的地方，這會增加對船只的傷害[17]。目前國內已發表的關于氣泡脈動周期的研究成果大多用于軍事領域，使用的都是單質固體炸藥，對含水混合炸藥鮮有發表。隨著越來越多的水下工程建設，水下環境也越來越復雜，乳化炸藥等含水混合炸藥使用率逐年提升，逐漸成為我國工業領域使用的主體炸藥。在使用乳化炸藥水下爆破施工時得到氣泡脈動參數難度較大，同時海上實驗需要花費昂貴的費用且實驗條件受海上氣候影響很大。有學者在實驗室進行了關于小藥量[18]、有限水域[19]、不同邊界條件[20]的實驗研究得到，在小當量、一定邊界條件下爆炸模擬實驗與自由場實驗具有等效性。在實驗室探究乳化炸藥在深水壓力下的氣泡脈動周期，不僅可以為以后含水混合炸藥在水下爆炸提供依據，同時對實際工程應用和后續研究也具有十分重要的意義。

本文使用8號雷管進行系統驗證，并通過對乳化炸藥水下爆炸實驗，得到乳化炸藥氣泡脈動周期參數，通過對比實驗測量值與公式計算值之間的誤差，判斷經典公式對含水混合炸藥的實用性。并在此基礎上進行分析擬合，得出全新的、適用于乳化炸藥的氣泡脈動周期計算公式。

1 實驗方案

1.1 爆炸球罐與炸藥制備

球罐總體呈圓柱狀，高220 cm、罐體最大直徑140 cm、筒壁厚2.2 cm、容積2 m3、工作壓力3.0 MPa。有3個地腳與地面焊接，筒壁中央有4個連接窗口，窗口處由連接法蘭密封，各項指標均符合HG/T 20592-2009(SO)標準。其中2對稱窗口用來安裝防爆有機玻璃，作為觀察窗口，其余2對稱窗口用來安裝傳感器(見圖1)。

圖1 爆炸球罐實物

此次實驗采用自行配置的乳化炸藥作為研究對象，炸藥使用硝酸銨+硝酸鈉+尿素+水在116 ℃下加熱溶解，同時使用復合蠟+乳化劑在96 ℃下加熱熔化，將水相油相乳化4 min，然后冷卻到50～60 ℃,隨后加入敏化劑混合，最后進行裝藥。具體配方如表1所示。

表1 乳化炸藥配方

1.2 測試系統

在水下爆炸測量中通常選用壓電式傳感器，壓電式傳感器一般由壓電元件、彈性元件、結構件(如殼體等)組成。本次實驗采用ICP壓電式傳感器，ICP(Integrated Circuit Piezoelectric)壓電式傳感器采用非共振、立體敏感的電氣石晶體并裝有微型 ICP 電荷放大器。

波形采集儀為NUBOX-90/91便攜式瞬態信號測量儀，可集成ICP、橋壓、電荷調理、應變調理以及無線通訊、WIFI、GPS通訊功能等。其主要參數如表2所示。

表2 傳感器參數

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：信號傳輸和電流/電壓傳輸。傳感器在安裝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實驗布置如圖2所示。

注：1-密封盤；2-固定桿；3-懸掛繩；4-炸藥；5-傳感器；6-電纜；7-水。

1.3 系統可行性研究

通過數顯壓力表實時測量罐內壓力，雷管入水深度為0.36 m。本部分主要研究靜水壓為0.0、0.1、0.3、0.5、0.7 MPa下雷管的氣泡脈動周期情況，并利用實測數據與理論計算公式進行對比分析。

很多學者對單質固體炸藥的氣泡脈動及公式驗證做了大量研究，所以本次實驗使用電磁雷管作為校準對象進行實驗裝置的校準測量。實驗使用8號雷管(藥量為1.08 gTNT當量)作為實驗對象，炸藥初始入水深為0.36 m，通過向爆炸球罐內加壓實現炸藥深度變化。氣泡脈動周期計算公式為以下公式(1)[21]和公式(2)[22]：

(1)

(2)

式中：T為氣泡脈動周期，s；m為藥量，kg；h為水深，m；KT=0.295。

使用ICP壓電傳感器進行測量，每組測量4組平行數據，不同壓力下測得雷管的脈動周期如表3所示，并使用軟件擬合深度與脈動周期的曲線(見圖4)。

表3 不同深度下雷管脈動周期

通過表3和圖3對8號雷管的測量數據分析可以看出，實驗測量值與公式(1)和公式(2)的計算值吻合度較高，最大誤差不超過8%。分別計算實驗測量值與公式(1)和公式(2)的計算值之間的平均誤差與誤差方差，得出公式(1)和公式(2)的平均誤差分別為3.501 %和1.107 %，誤差方差分別為4.565和3.852，從2組數據中可以看出本次實驗測量數據均與公式計算值相符合，公式(2)計算值更適合本次實驗結果。可以確定本次實驗結果具有很高的可信度，實驗布局以及藥包位置的放置均滿足實驗室環境下降低邊界效應的條件[23]。

圖3 氣泡脈動周期與深度關系

2 實驗結果與數據分析

2.1 波形采集結果

本次實驗以8號電磁雷管作為起爆原件，研究3、5、7 g藥量在0.0、0.1、0.3、0.5、0.7 MPa壓力下的爆炸波形，以期獲得符合乳化炸藥的氣泡脈動周期計算公式。由文獻[24]可知1 g乳化炸藥為0.79 g TNT當量，所以1發8號雷管可算1.367 g乳化炸藥，帶入到公式中可得如表4所示結果，玻璃微球質量分數3%的乳化炸藥在不同藥量、不同壓力下氣泡脈動周期實驗測量值與公式(1)和公式(2)對比數據如表4所示。

表4 不同藥量、壓力下氣泡脈動周期

由表4可以看出同一種炸藥隨著壓力增加氣泡脈動周期呈遞減趨勢，同一壓力下隨著藥量增加氣泡脈動周期呈上升趨勢，說明總體上符合公式(1)與公式(2)所表達的氣泡脈動周期隨藥量增大而增大，隨深度增大而減小的規律。但通過表中給出的計算值可以看出3種藥量平均誤差大部分超過10%以上，最大誤差為-35.05%，最小誤差為-0.51%；誤差方差最小為11.276，最大值為20.16，表明誤差之間有很大的偏離度。說明使用上述2個公式計算乳化炸藥氣泡脈動周期時誤差較大，所以上述公式比較適用于固體單質炸藥，混合含水炸藥不能通過上述公式來計算氣泡脈動周期。

2.2 壓力對氣泡脈動周期的影響

從表4中提取3組炸藥的5種不同壓力實驗數值，將每種炸藥的氣泡脈動周期數值與模擬壓力進行擬合，結果如圖4所示。3種炸藥的擬合曲線均呈現遞減狀態，說明隨著模擬深度的增加氣泡脈動周期越短，符合氣泡脈動在水下形成規律。

圖4 外界壓力與氣泡脈動周期

圖4中大部分點都在擬合曲線上，0.0、0.1、0.3 MPa時實驗測量點幾乎與擬合曲線完全重和，說明擬合程度較高；0.5 MPa時6.367 g和8.367 g藥量正常，4.367 g藥量點較擬合曲線偏小，經過分析得出，4.367 g藥量由于藥包較小導致爆轟不完全發生半爆；0.7 MPa時3組藥量均發生拒爆，所以數值偏小與雷管在水下爆炸時產生的氣泡脈動周期相符。根據擬合曲線結果加上數學計算，得到擬合方程如下式(3)所示。

(3)

式中：T為氣泡脈動周期，s；k為與藥量有關的常數；x為與壓力相關的未定參數。

2.3 藥量對氣泡脈動周期的影響

藥量與氣泡脈動周期擬合曲線如圖5所示，圖中各數據點與擬合曲線偏離較小說明擬合程度較高，擬合曲線均為一次線性關系，可以得出同一壓力下氣泡脈動周期與乳化炸藥藥量呈線性關系，因此認為上述公式(3)中的k值應該與乳化炸藥藥量為一次線性關系。圖5中可以看出在0.0、0.1、0.3 MPa擬合曲線具有一定斜率，且擬合度高；0.5 MPa時實驗數據點與擬合曲線偏移量較大，斜率較大；0.7 MPa時擬合曲線呈水平直線，說明當壓力達到0.7 MPa時3組炸藥脈動周期沒有呈現出隨著藥量增加而增加的趨勢。此結論與上述結論一致，即乳化炸藥在0.5 MPa發生半爆，當壓力達到0.7 MPa時3組炸藥均發生拒爆。

圖5 藥量與氣泡脈動周期

通過藥量與k值的關系擬合出曲線(見圖6)，求出k值。最終得出乳化炸藥的氣泡脈動周期與藥量、壓力的關系如式(4)所示。

圖6 k值與藥量

(4)

式中：T為氣泡脈動周期，s；m為藥量，kg；p為壓力，MPa。

實驗測量值與公式(4)計算誤差如表5所示。

表5 誤差驗證

續表5

從表5中可以看出使用公式(4)的計算值誤差均很小，總藥量為4.367、6.367、8.367 g乳化炸藥平均誤差分別為-6.02%、0.471%、-0.51%。可以看出相比較公式(1)和公式(2)，公式(4)能更好的計算乳化炸藥氣泡脈動周期隨藥量和壓力的變化。

3 結論

1)首先使用8號雷管對本次實驗裝置進行驗證，消除因實驗本身的因素導致的實驗結果不準確，得到本次實驗設置完全合理，與之前學者研究結果相符。

2)使用本次實驗裝置開展了玻璃微球(質量分數3%)敏化的3、5、7 g乳化炸藥不同靜水壓力下的爆炸實驗研究，得出公式(1)和公式(2)計算氣泡脈動周期的數值與實驗測量值誤差較大。

3)通過深水壓力與氣泡脈動周期關系、藥量與氣泡脈動周期關系和最終k值確定，3組擬合曲線擬合得出公式(4)，并用實驗室測量值與公式(4)計算值進行驗證得出2組數據之間誤差較小，只有當藥量為3 g時誤差較大為12.18%，分析原因可能是由于藥包結構較差沒有形成完全爆轟，其余誤差均在5%以下。