礼花弹跌落起爆原因分析及防爆对策研究

江资成，刘劲彪，肖家勇，张光辉，孔庆军



礼花弹跌落起爆原因分析及防爆对策研究

江资成，刘劲彪，肖家勇，张光辉，孔庆军

（国家级烟花爆竹检测重点实验室（湖南）, 湖南浏阳，410300）

通过分析礼花弹跌落时的受力情况，研究了礼花弹跌落起爆的原因。发现了礼花弹弹体是跌落试验中的起爆点，礼花弹的包装结构、烟火药机械感度、弹体规格等因素对礼花弹的跌落起爆都有影响；并提出通过优化设计礼花弹的包装结构来防止礼花弹的跌落爆炸。

礼花弹；跌落试验；爆炸；影响因素；对策

跌落试验是烟花爆竹顺利出口所必要的安全保证，笔者所在的烟花爆竹检测中心进行了大量的烟花爆竹产品的跌落试验。经综合分析结果，发现除礼花弹产品试验时发生了燃烧爆炸外，其他类别的产品极少有燃爆发生。礼花弹是花炮产业中的重要产品，也是各种庆典燃放的必备品。礼花弹的特殊性在于单个产品含药量大，且单位体积中烟火药量大，发生事故造成的危险性大[1]，因此其安全性能应更加受到重视。为此，本文对近年来跌落试验中发生燃爆现象的16次典型测试进行了研究，以探究礼花弹跌落爆炸的起爆原因和影响爆炸发生的主要因素，寻找防止礼花弹跌落爆炸的对策，为礼花弹的储运安全提供参考。

1 实验部分

1.1 实验依据与试验条件

跌落试验按照联合国小桔皮书中试验4（b）进行：将待运输状态下的包装件从一定高度下自由落体撞向刚性平面，观察是否发生燃烧或爆炸。落高为12m，撞击面为凝铸在600mm厚的混凝土上的75mm厚、布氏硬度不小于200的钢板。

1.2 实验过程

试验时每个样品数量为3箱，每次跌落试验1箱。3次试验时保持样品不同的姿态:分别使箱体底面、正面和侧面向钢板撞击，同时用摄像机记录跌落过程。

1.3 实验结果

表1中统计了16次试验发生燃爆的样品参数，本表只收集了发生爆炸的产品参数，实际中参加跌落试验的有各种规格的礼花弹产品，据统计，3寸：4寸：5寸：6寸：7寸：8寸比例约为1：1：1:4:0.2:0.3。因此，发生跌落爆炸的礼花弹产品主要集中在6寸、7寸、8寸，其烟火药的机械感度较高。

表1 16种发生爆炸的礼花弹产品的有关参数

Tab.1 Related parameters of exploded sixteen display shells

2 礼花弹跌落起爆的原因分析

2.1 第1爆发点的确定

礼花弹产品一般由弹体、发射药包和提绳组成[2]，见图1，弹体外壳由多层牛皮纸粘结而成，或为高强度纤维结构的球壳，质地坚硬，效果药、开爆药、传火管填充在球壳内。

图1 礼花弹结构示意图

发射药包为薄塑料袋盛装军工硝，粘贴在球壳的传火管处，外层包裹一层牛皮纸，质地较软。通过研究试验录像发现，16次爆炸都是在受试礼花弹包件接触撞击面的瞬间（1s内）发生的，而且均为整体爆炸[3]。假设发射药包先发生燃爆，由于礼花弹的发射药发生爆轰的可能较小[4]，加上球壳的保护（礼花弹在正常燃放时，弹体能承受发射药在炮筒中燃烧时产生的高温高压而不被引燃，就是由于球壳的隔热隔爆），弹内的烟火药不会被同时引燃，而只有传火管被引燃，传火管内的延期药再引燃弹体内的开爆药和效果药。如果这样，弹体的爆炸将在撞击后的3~5s后发生。而所有的爆炸都在包件撞击钢板的瞬间发生爆炸，因此判定弹体是礼花弹跌落试验爆炸时的第1爆发点为大概率事件。

2.2 礼花弹包件与撞击面碰撞时的受力分析

在跌落过程中，礼花弹包件在自身的重力作用下加速下落，当接触到钢板时速度达到最大。在与钢板碰撞后，速度降为零，所有能量得到释放。通过分析未发生燃爆的礼花弹跌落试验时的录像，发现包件在第1次碰撞后的反弹高度和距离很小。因此，该碰撞过程为完全非弹性碰撞，碰撞时，所有能量被试验包件在第1次碰撞中吸收。目前，礼花弹的外包装均为双瓦愣纸箱，内包装为双瓦愣纸隔板或黄板纸盒，强度低，质量小，其吸收的能量较少，绝大部分能量被弹体吸收，导致其球壳发生严重的变形（见图2b）。考虑到碰撞过程中受力的不均匀，弹体受到的极限冲击力很大。

(a) 跌落前箱内单个礼花弹(b) 跌落后箱内变形的礼花弹

图2 7″礼花弹的跌落试验

2.3 包件内礼花弹的受力分析

当整箱礼花弹正面跌落时，箱内底层礼花弹主要在正对钢板面受到钢板的碰撞力，处于不同层次的礼花弹之间会发生相互挤压的作用。以3×3×1包装整箱礼花弹侧面跌落试验为例（见图2c），当整箱礼花弹侧面跌落碰撞时，第1层礼花弹除受到钢板的撞击力外，还受到来自第2层礼花弹的挤压力；第2层礼花弹则受到第1层礼花弹与第3层礼花弹的挤压作用，所以第2层礼花弹的两侧都会发生挤压变形。另外，由于礼花弹弹体一般为球体，箱内不同层面的礼花弹之间接触为点，钢板对包件的作用力全部由这些为数不多的“支点”来分担。礼花弹规格越大，单个包件内产品数量越少，受力的“支点”越少，单个产品受到的冲击力成倍增加，发生跌落爆炸的概率越大。

2.4 礼花弹跌落起爆的原因和防爆对策

综上所述，在礼花弹跌落试验过程中，礼花弹中的弹体主要受到来自钢板撞击面、样品外壳之间的相互挤压以及烟火药自身的撞击和摩擦等剧烈的机械能作用。由于这些作用的能量分布十分不均匀，如果在某一微观点处，烟火药受到的机械能达到了其产生燃烧爆炸的最低能量，该部位烟火药就可能会发生燃烧，即产生了爆炸学中所谓的“热点[5]”，当热点迅速向周围的烟火药扩散，则会引发整个样品箱的爆炸。

通过分析礼花弹跌落起爆的机理，发现礼花弹产品的包装结构没有减缓外界撞击对内置弹体的机械作用，导致礼花弹被引爆。因而，优化设计产品包装结构是防止礼花弹跌落爆炸最为有效的措施之一。包装结构的优化设计可以从外部包装和内包装入手：改善礼花弹的外部包装，以提高外部包装的强度，消减冲击力；在内包装中增加合适的缓冲材料，降低跌落撞击时外界机械作用力，延长弹体与撞击面作用的时间，消除礼花弹之间和礼花弹中烟火药部件间的挤压摩擦影响。通过内外包装的改善，从而消除礼花弹跌落时被引爆的可能。

3 结论

（1）礼花弹弹体是其跌落试验爆炸的第1爆发点。

（2）礼花弹在跌落过程中吸收了外界对礼花弹的撞击能量，弹体受挤压发生形变，引起弹体内烟火药局部的能量过高，引发爆炸。

（3）礼花弹的外径越大，跌落时弹体受到的冲击力越大，发生爆炸的概率越大。

（4）防止礼花弹跌落爆炸的首要措施是改善产品的包装结构，吸收缓解礼花弹在跌落碰撞时受到的外界冲击力，从而实现安全的运输与存储。

[1] 吴地球. 礼花弹爆炸的悲剧[J]. 花炮科技与市场, 2000 (1):30-31.

[2] 彭壮青, 刘亚利, 曾明,等. 植物纤维模压成型礼花弹球壳的新工艺[J]. 火工品, 2004(2):51-53.

[3] 张光辉, 谭爱喜, 江资成,等. 礼花弹运输危险性定级试验研究[J]. 火工品, 2004(3):53-56..

[4] 郝新红, 汪佩兰.烟火药燃烧转爆轰研究[J].火工品,1993 (3): 16-21.

[5] 兰彻斯特, 清水武夫. 烟火原理与实践[M].北京:北京工业学院出版社, 1984.

Study on Detonation Mechanism of Shell Dropping and Countermeasures

JIANG Zi-cheng，LIU Jin-biao，XIAO Jia-yong，ZHANG Guang-hui，KONG Qing-jun

(China Pyrotechnics Testing Laboratory(Hunan), Liuyang, 410300)

Based on the study of the forces for shells in drop test, the explosion reasons of shell dropping was found. It is found that the package structure of shell, the composition mechanical sensitivity, as well as the size of shell have effects on shell dropping explosion. Meanwhile, through optimizing the package structure, the measures to prevent shell dropping explosion were proposed.

Shells；Drop test；Detonation；Factors；Countermeasures

1003-1480（2016）05-0058-03

TQ567

A

2016-04-20

江资成（1971- ），男，高级工程师，从事烟花爆竹等危险化学品检验。

国家质检总局课题（2014IK080）。