特殊压力条件下非电导爆管传爆速度的研究

李雪交，张 立，熊 苏，黄 麟

（1.安徽理工大学化工学院，安徽 淮南，232001；2. 北京矿冶研究总院，北京，100160）

非电导爆管具有安全、可靠、传爆稳定、不易受外界影响等特点，在工程爆破领域运用越来越广泛。许多学者对导爆管传爆机理进行了大量研究和理论分析，提出的一些理论解释了导爆管的一些现象，但有些现象还不能很好解释，导爆管传爆机理还不尽完善[1-5]。尤其是某些特殊压力条件对导爆管爆速的影响研究较少，如导爆管在水下和高原使用时的传爆、爆速等问题，本文对此进行了实验研究和传爆机理探讨。

1 测试装置及方案

1.1 测试装置

图1 测试装置示意图Fig.1 Schematic of experimental setup

测试系统由光电传感器和DDBS-20型时间间隔测量仪组成。图1是采用光电法测量爆速的装置示意图。

测试原理是：导爆管传爆时波阵面的强光讯号经过光电传感器转换成电讯号，测量仪测出两靶间距为50cm的时间间隔，由此得到爆速。研究使用某厂生产的变色导爆管，管壁为聚乙烯材料，内部装药wRDX∶wAl=91∶9，装药量 16mg/m，内径(1.5±0.1)mm，外径(3.0±0.1)mm。由于测试在负压和正压环境中进行，压差较大，选用内部长×宽×高为200cm× 10 cm×10cm的方形不锈钢管道，两端由方形法兰密闭。负压环境时接真空泵和真空表。正压环境接高压气瓶和压力表。真空表和压力表同为1.5级，本文量程内的误差分别为±0.001 6MPa和±0.013MPa。

1.2 测试方案

1.2.1 导爆管外壁承载正压

截取2m导爆管，将一端穿入铜管并密封，另一端引出方形法兰，引出孔密封。用高压气瓶向不锈钢方管充入0～0.6MPa气压，导爆管引爆端距第1靶的距离为70cm，其余1.3m在方管内，使导爆管外壁承载正压而内壁保持常压状态。在方管外（图1中引爆端1＇部位）用FB-100型发爆器的1 000V高压放电火花引爆。由于起爆针易碳化，起爆前将针头碳化部分剪去，确保每次起爆可靠。外壁承受正压类似于水下爆破时导爆管的压力环境。

1.2.2 导爆管内外壁承载负压和正压

与上述方案不同的是2m长导爆管全部在不锈钢方管道内，导爆管在方管内（图1中引爆端1部位）引爆。起爆前由真空泵抽取封闭方管内气体为-0.1～0MPa气压（负压），或向封闭的方管内充气达到0～0.8MPa气压（正压），使得导爆管内外承载的压力相同。

2 测试结果与分析

文献[4]中规定：测试环境温度10～20℃，爆速允许极限偏差±50m/s。实际测试环境温度为12～18℃，符合国标温差范围，爆速也未受温度影响，数据重复性较好，所有数据点均为多次试验数据的算术平均值。

导爆管外壁承载正压的爆速结果见图2。

图2 导爆管外壁承载正压的爆速Fig.2 Explosion velocity of Nobel tube borne positive pressure outside

从图2可以看出，在0～0.6MPa压力范围内爆速为（1 732.2±4.9）m/s，在误差允许范围内没有变化。表明导爆管爆速未因外部压力变化而改变，与常压时爆速相差无几，对传爆没有影响。因此，在0～0.6MPa压力内(相当0～60m水深)设计水下微差爆破网络时，导爆管爆速可按常压下爆速计算。由于导爆管爆速不受水压的影响，当导爆管网络发生拒爆时，可以排除导爆管受水下压力环境这一影响因素，该结果对工程爆破具有一定参考价值。

导爆管内外壁承载负压的爆速结果见图3。

图3 导爆管内外壁承载负压的爆速Fig.3 Explosion velocity of Nobel tube borne negative pressure inside and outside

从图3中可以看出：在-0.1～0MPa气压时，导爆管的爆速为（1 729.7±6.7）m/s，即管道内真空度改变时，爆速没有变化，甚至接近真空条件下，仍可以稳定传爆，表明导爆管内炸药的爆炸反应在没有空气参与情况下能维持，真空度对导爆管爆速没有影响。这一结果对低气压的高海拔地区放心可靠地使用导爆管提供了依据。

文献[6]根据C-J理论指出：当爆轰波传至介质界面但未发生膨胀时，产物质点速度正比于爆速D：由于稀疏波传入，爆轰产物发生等熵膨胀，将产生一个附加速度ur，产物分界面的速度ux应为：

式（1）～（3）中：ρ为介质密度；PH、ρH、u H、CH分别为C-J面上的爆轰压力、产物密度、产物流速和当地声速；PX为爆轰产物飞散在空气中形成的空气冲击波；K为爆轰产物的比热比。c为爆轰产物中的声速；A为常数；s为单位质量介质的熵。而：

已知：

得：

取K=1.3，得到

由此可以得到，爆轰产物向空中飞散的最大速度比爆轰速度大，在负压环境中，导爆管内形成的初始冲击波阵面的爆轰产物向空中飞散的速度大于爆轰速度，因而导爆管传爆过程中，爆轰波前面不是真空，而是含有爆轰产物的气体，其传播机理和常压下相同。导爆药受冲击波绝热压缩，局部温度迅速上升，发生化学反应，释放的能量一部分抵消加热管壁、散热等能量消耗，以及形成没有到达爆轰波阵面的膨胀，一部分用于支持爆轰波和超前冲击波的传播，超前冲击波又对其前端未爆药剂绝热压缩，能量的释放和消耗达到平衡，正是这种正反馈作用下，支持导爆管稳定传爆下去。因此，超前冲击波、管道效应、气体介质是导爆管稳定传播的必要条件。

导爆管内外壁承载正压的爆速见图4。

图4 导爆管内外壁承载正压的爆速Fig.4 Explosion velocity of Nobel tube borne positive pressure inside and outside

图4的曲线与图2的直线关系有很大区别。导爆管内外壁承载正压时，随着气压增大爆速呈现先增大再减小的规律。在0.2MPa时爆速最大达到1 804m/s，0.2～0.8MPa时，尽管导爆管仍可以稳定传爆，但爆速逐渐变小，0.8MPa时仅为1 424 m/s。其中0.4MPa的爆速和常压下的爆速相同，为1 736m/s。根据测试结果推断，导爆管可能会在某一压力下拒爆。由于方管密闭性的限制，没有得到导爆管拒爆时的压力值。爆炸气体压力一般只有几十个大气压，那么此压力环境下，环境压力的阻碍导致导爆管中装药释放的能量不足以支持爆轰波的形成，这样就会发生拒爆。

从另一角度分析：随着气压增大，导爆管内爆炸波传播过程中能量消耗增加，气体密度变大，氧气总量增多，使得导爆管内炸药反应释放的能量增多，支持爆轰波传播。0～0.2MPa时，由于氧气量增加，释放的能量大于爆轰波传播消耗的能量，所以爆速有所增加；与此相反，在 0.2～0.8MPa时，氧气量增加，释放的能量小于爆轰波传播消耗的能量，导爆管的爆速变小，其中在0.4MPa时，氧气量增加释放的能量等于爆轰波传播消耗的能量，导爆管爆速与常压下的爆速相等；因此当气压达到一定值时，导爆管将发生拒爆。

根据图4曲线拟合的爆速与气压变化的公式为：

式（8）中：y表示导爆管传爆速度，x表示气压，x值大于零。根据公式推断，当x等于1.54MPa时，导爆管将无法稳定传爆导致熄爆，这一观点还有待于通过实验验证。

工程爆破中使用导爆管时，如遇到内外壁都处于高压环境，需考虑导爆管爆速、传爆可靠性等问题。

3 结论

本文研究得出以下主要结论：

（1）导爆管外壁承载 0～0.6MPa的爆速为（1 732.2±4.9）m/s，外部压力变化对爆速无影响；

（2）导爆管内外壁承载-0.1～0MPa的爆速为（1 729.7±6.7）m/s，真空度变化对爆速也无影响，而在0～0.8MPa的正压时爆速先增大至1 804m/s (0.2MPa)，再减小到1 424 m/s(0.8MPa)，由此推断导爆管在压力增加到某一值时会无法稳定传爆导致熄爆，通过对压力与爆速曲线回归得出这一压力值为1.54MPa。

（3）在真空中超前冲击波、气体介质、管道效应是导爆管稳定传播的必要条件。

研究结果对导爆管在水下、高海拔和高压环境的爆破工程设计，以及网络可靠性判断具有一定使用价值。

[1]范钦文,高耀林,陈嘉琨.塑料导爆管稳定传爆的物理模型[J].爆破器材,1984,13(3): 1- 3.

[2]阳世清,王荪源,杨权中,等.塑料导爆管燃烧转爆轰过程的火焰结构及爆轰波生成机理[J].爆炸与冲击,1990,10(1):14- 20.

[3]魏伴云,杨志宇,刘江云.导爆管传爆机理的实验研究[J].爆炸与冲击,1984,4(4):54-59.

[4]WJ/T 2019-2004塑料导爆管[S].北京:兵器工业标准化研究所,2004.

[5]刘大斌,王卫,张峰,等.塑料导爆管内腔气体介质对传爆可靠性的影响[J].南京理工大学学报(自然版), 2000,24(6):565-569.

[6]陈嘉琨,范钦文,高耀林.塑料导爆管[M].北京:国防工业出版社,1987.