以LLM-105为基的耐热混合炸药的应用研究

徐文新 ，李必红 ，李万全 ，李尚杰 ，赵方琪 ，赵云涛 ，高 雨

（1.西安物华巨能爆破器材有限责任公司，陕西 西安，710061； 2.渤海装备石油机械厂，河北 任丘，062550）

随着石油战略资源在国际地位的逐渐提高，超深井、超高温井的勘探需求将会越来越多，用于完井射孔的石油射孔器材的耐热性也必须满足相应条件。耐热混合炸药是石油射孔弹射流形成的主要能量来源，目前国内石油射孔行业主要使用以 RDX、HMX、PCS、HNS、PYX 为基的混合炸药。其中，RDX、HMX、PCS为基的混合炸药有较高的爆轰能量和安定性，可在 170～200℃的高温环境中安全使用[1]；而HNS、PYX为基的混合炸药具有优良的耐热性[2]，可在200～260℃的超高温环境中安全使用，这两种药剂的爆速均在6 800m/s左右，由于受炸药能量的限制，这两种混合炸药装配的耐热射孔弹穿深性能仅为同类型常温射孔弹的75%左右。因此，开发一种高能量耐高温的新型炸药具有很高的经济效益和实用价值。

2,6-二氨基-3,5-二硝基-1-氧吡嗪（ANPZO）是美国劳伦斯•利弗莫尔实验室（LLNL）首次合成（俗称LLM-105）的一种高能低感、性能优良的耐热单质炸药，国外学者对它的报道主要集中在ANPZO的合成、配方性能和理论模拟计算上[3-7]；国内科研工作者对ANPZO的合成、性能测试和应用也进行了大量的研究工作[8-10]。由于LLM-105具有高能量和优良的耐热性，中北大学苏俊[10]等人提出将LLM-105混合炸药应用到石油射孔弹中，但缺乏相关试验数据论证。因此，本文研究了以LLM-105混合炸药为主装药的石油射孔弹的性能，为今后石油射孔器材的研究和应用提供可靠的数据支持。

1 药剂选择

1.1 耐超高温传爆药

为满足主装药的稳定爆轰，本文选用较敏感的针状LLM-105和PYX单质炸药作为石油射孔弹的传爆药，它们的部分性能参数如表1[11]所示。

表1 ANPZO和PYX性能比较Tab.1 Comparison of the property of ANPZO and PYX

1.2 耐热主装药

本文选用以多面立方状 LLM-105为基的混合炸药L091作为射孔弹的主装药，同时选取以HNS为基的混合炸药S992、以PYX为基的混合炸药Y971作为射孔弹的主装药进行地面穿钢靶性能对比试验。主装药L091、S992和Y971部分性能参数如表2所示。

表2 L091、S992与Y971性能对比Tab.2 Comparison of the property of L091、S992 and Y971

2 性能测试与分析

2.1 热安定性和相容性测试

一种新型炸药能否用于射孔弹中，主要取决于该炸药的热安定性以及其与射孔弹壳体、药型罩相容性，只有热安定性好和相容性好才能保证在较长的储存期内其性能不改变，同时保证生产、运输、储存和使用的安全。因此采用热失重法对L091混合炸药进行了耐热分析试验。同时按照GJB 5891.17-2006火工品药剂试验方法第17部分：相容性试验的差热分析和差示扫描量热法的要求对L091混合炸药和射孔弹弹壳体、L091混合炸药和药型罩混合体系进行相容性检测。

检测仪器：德国耐驰公司DSC204F1测试仪，升温速度：5/min℃；瑞士梅特勤-托利多公司TGA/SDTA851热分析仪，升温速度：10/min℃。测试结果见图1～ 5。

图1 L091的TGA曲线Fig.1 TGA curve of L091

图2 220℃48h后L091的TGA曲线Fig.2 TGA curve of L091 processing by 220℃/48h

图3 L091的DSC曲线Fig.3 DSC curve of L091

图4 L091/射孔弹壳体的DSC曲线Fig.4 DSC curve of L091/charge shell

图5 L091/药型罩的DSC曲线Fig.5 DSC curve of L091/liner

图1是L091混合炸药的TGA曲线，由图1可见L091混合炸药在 273℃以上才有分解失重发生，500℃时L091失重为81.95%；图2是L091混合炸药经过220/48h℃高温环境后的TGA曲线，由图2可见273℃时L091热失重为1.77%，500℃时L091失重为84.080 1%。图3为L091混合炸药的DSC曲线，放热峰温为349.64℃。经DSC和TGA测试结果表明，L091混合炸药具有很高的热分解温度和良好的热安定性，可以满足220/48h℃高温环境的使用条件。

由图4可知，在5℃/min升温速率条件下L091混合炸药和射孔弹壳体的混合体系分解峰值温度为347.97℃，较L091单独体系峰值前移1.67℃，小于2℃，混合体系较单独体系的表观活化能变化率为0.71%，变化率小于 20%，说明射孔弹壳体对 L091混合炸药的热分解具有一定的催化作用。根据 GJB 5891.17-2006判定L091混合炸药和射孔弹壳体相容性好，相容性等级为一级。

由图5可知，在5℃/min升温速率条件下L091混合炸药与药型罩的混合体系出现两个明显的峰值。由于药型罩中含有少量的低熔点金属，该粉末熔点为271.3℃，与图5中的起始点温度271.46℃非常接近，可判断第1个峰为该金属粉的熔化峰。根据文献[12]报道，由于铋属于低熔点软金属，塑性变形能力较大，可以有效地增加金属颗粒间的接触面积，从而提高药型罩的强度，在药型罩成型、射流的形成和拉伸及穿靶过程中起到重要的作用。第2个峰348.13℃为L091混合炸药的分解峰温。对比图3可知，L091混合炸药与药型罩的混合体系较 L091单独体系峰值前移1.51℃，小于 2℃，混合体系较单独体系表观活化能变化率为4.3%，变化率小于20%，说明药型罩对L091混合炸药的热分解也具有一定的催化作用。根据GJB 5891.17-2006判定L091混合炸药和射孔弹药型罩相容性好，相容性等级为一级。

2.2 成型性试验

现有石油射孔弹等爆破器材均采用压装工艺，本文L091采用的粘结剂为含氟高聚物粘结剂F2602，该粘结剂性能优良，经试验研究，采用常规压制工艺，装药的相对密度达91%，压制性能优良。根据文献[9]报道该配方的 LLM-105混合炸药的压药成形性好，如果采用热压，装药的相对密度达97%，但现在石油射孔弹压药工艺还不能实现热压工艺，这也将成为今后改进石油射孔弹综合性能的一个突破方向。

2.3 破甲威力试验

根据 GB/T 20489-2006 油气井聚能射孔器材通用技术条件 6.2对样品射孔弹进行地面穿钢靶试验。压制过程中，采用相同的药量和压制工艺参数，分4组进行试验：前3组传爆药相同，主装药不同，得出最佳穿深的主装药类型；第4组采用最佳主装药和针状LLM-105传爆药配合进行试验，对比试验数据，得出最佳主装药和传爆药配合方案。

靶体材料：45#钢；弹型：102弹；炸高：40mm；每组3发。

表3 地面穿钢靶试验结果Tab.3 Test result of steel target penetration

通过上述对比试验可以得到：前3组试验传爆药（PYX）相同，装填以LLM-105为基的混合炸药L091比S992 、Y971混合炸药的穿孔深度和孔径有明显提高。对比第3组和第4组试验可知：主装药（L091）相同，采用LLM-105传爆药的石油射孔弹比PYX传爆药的穿深、孔径和穿深稳定性均略有提高。

炸药是射孔弹射流形成的主要能量来源，而理论分析和试验研究都表明，炸药影响破甲威力的主要因素是爆轰压力，按照流体力学理论知：

式（1）中：PCJ为爆压；ρ0为密度；D为爆速。

本文采用的LLM-105混合炸药的密度和爆速均大于混合炸药S992和Y971，根据式（1）可得LLM-105混合炸药产生的爆压大于 S992和 Y971，因此用LLM-105混合炸药装填的石油射孔弹破甲威力更强一些，这和试验得到的结论相吻合。

3 结论

（1）L091混合炸药是一种新型耐热混合炸药，热安定性优良，经220/48h℃高温环境后性能不发生变化。

（2）L091混合炸药与射孔弹壳体、药型罩的相容性均为一级，可长时间储存性能不发生变化。

（3）在相同传爆药条件下，地面穿钢靶试验表明，采用L091混合炸药装填的射孔弹的穿深和孔径都优于S992和Y971。

（4）在相同主装药L091条件下，地面穿钢靶试验表明，以单质炸药LLM-105为传爆药的射孔弹的穿深和孔径均优于传爆药PYX。因此可得到最佳的装药结构：传爆药为针状LLM-105，主装药为多面立方状LLM-105为基的混合炸药L091。

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