不同点火条件下无起爆药雷管实验

王俊杰， 李 瑞, 黄寅生,2, 郑军强, 李锦涛, 曹始发, 郭芬芬, 陈世雄

(1.南京理工大学 化工学院， 南京 210094； 2.江苏南理工春雷爆破工程有限公司， 江苏宜兴 214200；3.贵州久联民爆器材发展股份有限公司， 贵阳 550000)



不同点火条件下无起爆药雷管实验

王俊杰1， 李 瑞1, 黄寅生1,2, 郑军强1, 李锦涛1, 曹始发1, 郭芬芬1, 陈世雄3

(1.南京理工大学 化工学院， 南京 210094； 2.江苏南理工春雷爆破工程有限公司， 江苏宜兴 214200；3.贵州久联民爆器材发展股份有限公司， 贵阳 550000)

摘要：使用外径6.0 mm、内径3.5 mm，长度分别为30，25，20，15 mm的钢内管，装填结晶PETN(太安)作为起爆元件代替起爆药，分别使用桥丝电引火头、塑料导爆管、半导体桥(SCB)点火。实验表明：在桥丝电引火头作用下，30，25 mm钢内管装药密度分别为0.90 ～1.47 g/cm3、1.21 ～1.40 g/cm3；高能HGL点火药作用下，20 mm钢内管装药密度为0.87 ～1.42 g/cm3，钢内管中结晶PETN能够实现燃烧转爆轰(DDT)。半导体桥点火使用RDX(黑索今)和PETN作为点火端装药可以使雷管发生爆轰。

关键词：点火条件； 燃烧转爆轰； 无起爆药雷管； 点火药

1引言

雷管的出现为爆破工程开创了新纪元。随着时代发展，爆破工作环境越来越复杂〔1-2〕。复杂的环境可能使目前含有DDNP起爆药的工业雷管意外发火，造成人员伤亡和财产损失，且起爆药在生产过程中产生大量污水，目前还没有很好的处理方法〔3〕。因此，研究无起爆药雷管是有必要的。沈兆武等〔4〕发明了一种简易飞片式无起爆药雷管。成一等〔5〕采用两个普通雷管加强帽作为内管发明了双帽式无起爆药雷管。马志钢等〔6〕发明了使用一端开口一端闭口钢内管装填猛炸药实现燃烧转爆轰的无起爆药雷管。苏俊等〔7〕采用自制金属管装填超细PETN作为起爆元件，研究内管装药密度对燃烧转爆轰影响。

本文利用外径6.0mm、内径3.5mm钢管装填平均粒径55μm结晶PETN作为起爆元件，在桥丝电引火头、塑料导爆管、半导体桥点火条件下，对无起爆药雷管装药条件进行实验研究。

2无起爆药雷管的制备

2.1点火药的制备

高能HGL点火药由黑火药、高氯酸钾、铝粉按质量比83∶12∶5混合制得。黑火药由3号小粒黑经碾磨后过80目筛制得，高氯酸钾过200～320目筛，铝粉过200目筛〔8〕。

2.2仪器设备及其他实验药品

仪器设备：电子分析天平，游标卡尺，压药设备，卡口机，压药模具，烘箱，外径6mm、内径3.5mm的45#钢管，桥丝电引火头，塑料导爆管，半导体桥。

实验药品：钝化RDX、RDX、平均粒径为55μm的结晶PETN，粒径分布见图1。

图1　结晶PETN的粒径分布Fig.1　Particle diameter distribution of crystal PETN

2.3制备过程

在8#雷管壳中依次压入一遍药钝化RDX，质量400mg，压药压力39.1MPa；二遍药RDX，质量200mg，压药压力22.8MPa。在二遍药上端放入装有结晶PETN的钢内管，钢内管上端放入点火装置，在卡口机上卡口，完成无起爆药雷管制作。

3实验结果与讨论

3.1普通桥丝电引火头点火实验

点火装置为普通桥丝电引火头，如图2所示。

1-一遍药； 2-二遍药； 3-钢内管； 4-结晶PETN； 5-点火药头； 6-脚线； 7-普通雷管壳； 8-塑料塞图2　桥丝电引火头无起爆药雷管实验装置Fig.2　Test device for electrical fuse head non-primary explosive detonator

使用5mm铅板对雷管是否完全爆轰进行验证。30mm钢内管在不同压药压力下铅板穿孔实验，结果如表1所示。

表1　30 mm钢内管在不同压药压力下铅板穿孔实验

从表1的实验结果可以看出，钢内管的压药压力在0～13.26MPa，装药密度为0.90～1.47g/cm3时，钢内管中结晶PETN能够实现DDT，雷管发生完全爆轰，铅板穿孔孔径在10mm以上。当钢内管装药密度大于1.55g/cm3时，钢内管中结晶PETN不能实现DDT，雷管发生半爆。

多孔体系药柱DDT机理认为〔9〕：钢内管结晶PETN被点燃后，气体燃烧产物向未燃药柱渗透，产生一系列压缩波，压缩波加速结晶PETN燃烧反应，加速燃烧使压力累积，使压缩波发展为冲击波，冲击波达到临界强度后诱发爆轰。当钢内管装药密度过大时，相应的初始孔隙度就越小，已燃的气体产物不易向未燃药柱渗透，不能形成有效的对流燃烧，不利于已燃区的压力增长，很难形成爆轰。

同时，对于多孔药柱的起爆机理，普遍认为由于冲击波对装药的不均匀加热，形成热点，逐步发展为爆轰波。热点的温度直接决定着多孔药柱的DDT成长性。根据弹塑性空穴闭合模型推导出多孔药柱热点温度增量为〔10〕：

(1)

式中：cv为炸药比热容；ρ0为初始装药密度；p为药柱压力；p0为弹性极限压力；α0为药柱初始孔隙度；α为药柱孔隙度。

假定cv为常数，由式(1)可看出，钢内管装药密度越大，相应初始孔隙率越小，在相同冲击波压力作用下，相应的钢内管中结晶PETN热点温升越小，不利于钢内管中结晶PETN起爆。因此，当钢内管中的结晶PETN的压药压力大于15.30MPa时，不利于药柱的燃烧和压缩波、冲击波形成及多孔药柱热点温度升高。从而，钢内管中结晶PETN不易实现DDT，雷管发生半爆。

同时对长度分别为25mm和20mm的钢内管装填结晶PETN进行了研究，实验结果见表2、表3。

表2　25 mm钢内管在不同压药压力下铅板穿孔实验

表3　20 mm钢内管在不同压药压力下铅板穿孔实验

从表1～表3可以看出，随着钢内管长度缩短，钢内管中结晶PETN能够实现DDT的装药密度范围在缩小。25mm钢内管中结晶PETN压药压力1.02 ～9.18MPa，装药密度为1.21 ～1.40g/cm3时，钢内管中结晶PETN能够实现DDT，而当密度低于0.92g/cm3或高于1.46g/cm3时，钢内管中结晶PETN不能实现DDT。20mm钢内管中结晶PETN在任何装填密度下都不能实现DDT，雷管发生半爆。

影响多孔药柱DDT成长性的另一个重要因素是介质的质量燃耗率〔9〕，其可表示为：

(2)

由式(2)可以看出，钢内管中结晶PETN装药密度越小，单位体积内的药粒个数就越少，药柱质量燃耗率就越低，降低了气体产物的释放速率，使得单位体积内产生的能量与压力梯度减小，不利于冲击波形成，进而不利于钢内管中结晶PETN实现DDT。装药密度过大时，燃烧产物不易向未燃药柱渗透，不能形成有效对流燃烧，气体产物释放速率很低，不利于已燃区压力的增大，很难形成爆轰。因此，25mm钢内管中结晶PETN装药密度过高或过低都不易实现DDT。

图3为无起爆药雷管起爆后的钢内管，可以看出雷管爆轰的钢内管一端破裂，另一端完好，而雷管半爆的钢内管没有破裂，只是发生膨胀变形。

图3　钢内管变形部分结果Fig.3　Steel inner tube part of deformation results

对于同一粒径的结晶PETN颗粒，由式(2)可以看出，装填密度越大，单位体积内药粒个数就越多，使得单位体积内产生的能量与压力梯度增大。DDT机理〔9〕认为：钢内管中结晶PETN装药被点燃后，在点火具附近，能量缓慢释放，压力随时间呈线性增长，在点火区下游、离爆轰点很近的地方，能量突然释放、压力急剧上升。当钢内管中结晶PETN燃烧过程产生的压力大于钢内管的剪切屈服极限时，钢内管发生破裂。在图3(a)、(d)和(e)中，钢内管的约束长度足够、装药密度合适使装填的结晶PETN燃烧气体产物和反应生成的热能不能立即释放，管内气体压力急剧升高，当管内气体压力达到剪切屈服极限，钢内管下端发生破裂。相反，图3(b)的25mm钢内管装药密度较小，钢内管装药量少，钢内管中结晶PETN燃烧气体产物量少，压力低，没有达到钢内管的剪切屈服极限，使钢内管仅仅发生膨胀。气体平衡的破坏是燃烧转爆轰的主要原因。在图3(c)和(f)中，20mm钢内管由于约束长度不够，钢内管中结晶PETN燃烧气体产物或热能在钢管下端过早释放，难以形成压力积累，管内燃烧气体产物压力降低，没有达到钢内管的剪切屈服极限，进而钢内管下端仅仅发生膨胀，没有破裂。

3.2塑料导爆管点火实验

在硼系点火药点火作用下，30mm、25mm钢内管中的结晶PETN在一定的装药密度下，能够实现DDT，雷管发生爆轰。20mm钢内管在任何装药密度下都不能实现DDT，雷管发生半爆〔11〕。为此，使用高能HGL点火药进行实验，以期缩短钢内管长度。实验结果见表4和表5。

表4　20 mm钢内管在不同压药压力下铅板穿孔实验

表5　15 mm钢内管在不同压药压力铅板穿孔实验

钢内管上端放入装有高能HGL点火药加强帽，加强帽长6mm，传火孔直径2mm，如图4所示。

1-一遍药； 2-二遍药； 3-钢内管； 4-结晶PETN； 5-点火药；6-塑料塞； 7-导爆管； 8-加强帽； 9-普通雷管壳图4　导爆管式无起爆药雷管实验装置Fig.4　Test device for nonel non-primary explosive detonator

从表5和表6可以看出，在高能HGL点火药作用下，长度为20mm钢内管装填结晶PETN在压药压力为0 ～10.20MPa，装药密度为0.87 ～1.42g/cm3条件下，能够实现DDT，雷管发生爆轰。15mm钢内管的结晶PETN在任何装药条件下都不能实现DDT，雷管发生半爆。因此，相比硼系点火药点火作用，高能HGL点火药能够缩短钢内管长度，使雷管发生爆轰。

高能HGL点火药中黑火药点火压力大，在钢内管结晶PETN药柱前端产生初始压缩波，燃烧气流使药柱产生动态压缩，增大了药柱前端的装药密度，使得单位体积内药粒个数增加，药柱质量燃耗率增加，单位体积内产生的能量与压力梯度增大。同时，高能HGL点火药中含有金属铝粉，在点火过程中会产生高温固体残渣，随着压缩波进入钢内管中多孔结晶PETN药柱，使得钢内管结晶PETN装药在短时间内热点温度升高，炸药迅速分解、燃烧，气体产物压力瞬间增大，形成冲击波，进而形成爆轰。因此，高能HGL点火药点火作用有利于钢内管中结晶PETN装药短时间内形成爆轰，缩短诱导爆轰距离。所以20mm钢内管中结晶PETN在高能HGL点火药点火作用下能够实现DDT，而15mm钢内管由于管长过短，气体产物过早释放，没有实现DDT。

3.3半导体桥点火实验

半导体桥(SCB)〔12〕结构如图5所示。实验中在钢内管上端装入猛炸药作为点火端装药，插入半导体桥点火装置，如图6所示。

图5　半导体桥结构Fig.5　Structure of SCB

1-一遍药； 2-二遍药； 3-结晶PETN； 4-SCB； 5-脚线； 6-普通雷管壳； 7-钢内管； 8-猛炸药； 9-塑料塞图6　半导体桥式无起爆药雷管实验装置Fig.6　Test device for SCB non-primary explosive detonator

实验过程中点火端猛炸药分别采用无装药、结晶PETN、RDX以及钝化RDX。实验使用5mm厚度铅板对雷管是否爆轰进行验证，结果见表6。

表6　不同点火端装药铅板穿孔实验

从表6中可以看出，点火端装药为钝化RDX或没有装药时，雷管不能爆轰；点火端装药为RDX或结晶PETN时，雷管发生爆轰。RDX和PETN的感度较高，半导体桥易点燃，使钢内管结晶PETN装药实现DDT。钝化RDX感度低，半导体桥不易点燃，雷管不能爆轰。

4结论

(1) 利用钢内管装填结晶PETN作为起爆元件，雷管能够完全起爆。不必对结晶PETN进行细化，且细化的PETN易产生静电，不安全。

(2) 电引火头作用，30mm、25mm钢内管装药密度分别为0.90～1.47g/cm3、1.21～1.40g/cm3；高能HGL点火药作用，20mm内管装药密度为0.87～1.42g/cm3，结晶PETN能够实现DDT。

(3) 半导体桥点火作用，点火端装药为RDX或结晶PETN，雷管可以实现爆轰，而点火端无装药或为钝化RDX，则不能实现爆轰。

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文章编号：1006-7051(2016)03-0034-00

收稿日期：2015-10-20

作者简介：王俊杰(1991-)，男，硕士，主要从事无起爆药雷管设计研究。E-mail： 1552264387@qq.com 通讯作者： 黄寅生(1962-)，男，教授、博导，主要从事点火与起爆技术、爆炸技术的研究。E-mail： huangyinsheng@sina.com

中图分类号：TD235.22+2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.03.007

Non-primaryexplosivedetonatoratdifferentignitionconditions

WANGJun-jie1,LIRui1,HUANGYin-sheng1,2,ZHENGJun-qiang1,LIJin-tao1,CAOShi-fa1,GUOFen-fen1,CHENShi-xiong3

(1.SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China；2.JiangsuNUSTChunleiBlastingEngineeringCo.,Ltd.,Yixing214200,Jiangsu,China；3.GuizhouJiulianIndustrialExplosiveMaterialsDevelopmentCo.,Ltd.,Guiyang550000,China)

ABSTRACT：Steel tubes with outer diameter of 6.0 mm, inter diameter of 3.5 mm and lengths of 30,25,20，15 mm filled with crystal PETN(pentaerythritol tetranitrate) as detonation device to replace the primary explosives were ignited by electrical fuse head, nonel tube and semiconductor bridge(SCB). The testing results showed the crystal PETN within the inner tube could reliably trigger deflagration and later transition to detonation(DDT) at a packed density of 0.90 ～1.47 g/cm3 for 30 mm tube and a packed density of 1.21 ～1.40 g/cm3 for 25 mm tube by electrical fuse head and a packed density of 0.87 ～1.42 g/cm3 for 20 mm tube by nonel tube with HGL high-energy ignition composition. By using RDX and PETN as ignition composition under SCB ignition condition, the detonator could be detonated.

KEY WORDS:Ignition condition； Deflagration to detonation transition (DDT)； Non-primary explosive detonator； Ignition