塑料导爆管激发后爆轰成长的试验研究

李洪伟，邓 军，徐飞扬，王树忠，张 彦



塑料导爆管激发后爆轰成长的试验研究

李洪伟1，邓 军1，徐飞扬1，王树忠2，张 彦3

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南，232000；2.福建荣安爆破工程有限公司，福建福安，355000；3.中国人民解放军77228部队，云南大理，671000）

为进一步研究普通塑料导爆管爆轰成长规律，使用高速摄像机对导爆管爆轰成长过程进行拍摄，对所得图像利用计算机处理和分析，获取传爆距离——速度关系，并对两者关系进行曲线拟合，得到导爆管爆轰成长规律数学关系式；同时，结合纹影仪对其端口信号进行观测和分析。结果表明：本研究所用普通导爆管爆轰成长区间长度为40~50cm，成长期前段增速极快，而中后段却相对缓和；纹影试验验证了上述爆轰成长区间长度的结论。研究结果对导爆管传爆机理的进一步明确有一定的促进作用，为导爆管爆轰理论基础提供依据和参考数据。

塑料导爆管；爆轰成长；曲线拟合；纹影；传爆机理

20世纪70年代末，我国开始研制塑料导爆管生产工艺，现已大范围应用于土岩爆破、拆除爆破以及井巷隧道掘进爆破等各类爆破工程中。随着行业技术进一步的发展，导爆管的使用量和范围会进一步扩大，与此同时，人们对导爆管及其起爆系统的基础理论研究和爆轰成长规律认识需求也会越来越高，因此开展对导爆管激发后爆轰成长变化规律的研究非常有必要。

一直以来，许多学者对导爆管激发后爆轰成长规律进行了研究，但得到的结论并不一致。如高耀林、魏伴云、陈士海、阳世清、刘大斌、胡升海先后得到导爆管爆轰成长长度分别为30~40cm、约30cm、16.7cm、20~22cm、30~50cm、18.5cm[1-6]。此外，文献中尚未见对激发后塑料导爆管爆速随传爆距离变化数学关系的正式报道[7]。

本文使用较为先进的仪器和设备，结合纹影系统，对激发后导爆管爆轰成长规律进行较为深入的探讨。

1 高速摄像试验

1.1 试验器材和方法

试验器材：高速摄像机（日本NAC MEMRECAM HX-3）、普通塑料导爆管（淮南舜泰化工有限公司生产）、起爆装置等工具。相机搭载镜头为NIKON AF Micro 200mm f/4D IF-ED镜头。

试验方法：将塑料导爆管水平固定，并使之处于紧张状态，以保证爆轰传播为直线距离。随后，连接起爆针，进入待拍摄状态。试验导爆管在室温下（约25℃）采取电火花方式激发，高速相机设定拍摄频率为30×104fps。综合考虑高速相机性能和测试目的，经初探试验，导爆管爆轰成长长度约40~50cm，而高速相机1次拍摄最佳幅长为35cm，因此，需进行2次拍摄拼接。初探试验表明，拼合处前后速度突跃幅度仅约0.6%~1.1%，并不会对试验结果造成决定性的影响。

1.2 结果与分析

1.2.1 数据记录与处理

测试所得图像先经过Photoshop CS5处理，在灰度模式下进行锐化和曲线调节，以获得更加清晰、易测的图像，而后通过GetData 2.25软件处理，获取导爆管爆轰成长过程中各时段的传播距离。根据以上数据，可计算出各个时段的管内爆轰速度。经测试，得到导爆管的稳定爆轰速度在1 713~1 789m/s之间，平均值为1 751m/s。因30次试验，其拍摄图像和数据呈现较好的重复性，故列出其中较为典型一组，如图1所示。考虑篇幅有限，拍摄处理图相应的爆速计算值仅列出其中奇数幅，如表1所示。

结合同批次导爆管稳定爆轰均值1 751m/s和表1数据可知，大约在40cm以后，爆轰速度达到稳定值。该试验结论与文献[1~6]不完全一致，但与刘大斌研究结果较为接近[5]。

图1 导爆管激发后爆破成长处理图

表1 爆轰成长各阶段距离——速度表

Tab.1 Calculated values of detonation velocity at different stages

1.2.2 爆轰成长曲线与方程

根据表1所得数据，利用Origin软件进行多项式拟合，获得爆轰成长规律，如图2所示。

图2 D——X关系图

因前段约3.5~6.5cm处，处于断崖式骤降，而止降回升成长期有较为明显的曲线形态，故匿去此区间数据点，仅对回升成长期进行曲线拟合，如图3所示。成长期爆轰规律方程见式（1）：

=606.410+50.475-0.5 6102（1）

式（1）中：为塑料导爆管内爆轰波传播速度，m/s；为塑料导爆管内爆轰波传播距离，cm。上述拟合度-sqr为99.623，拟合度非常好。

图3 爆轰成长期拟合曲线

从图2曲线形态来看，管内爆轰成长过程如下：OA段，导爆管在激发后，获得一个初速度，并发生骤降，且下降幅度非常大，时间非常短，所处长度区间约为0~1.2cm之间，时间区间约为0~16.67μs。AB段，爆速开始震荡上升，爆速呈现非常缓和的增长趋势，此区间长度约为1.2~2.9cm，时间区间约为16.67~ 40.00μs。BC段，爆速开始急剧加速，呈高速成长现象，此区间长度约为2.9~15.4cm，时间区间约为40.00~ 120.00μs。CD段，速度开始回到一个增速较为稳定的阶段，此区间长度约为15.4~30cm，时间区间约为120.00~186.67μs。DE段及以后，爆轰波增速稍低，以更为平稳的速度加速到稳定阶段。爆速从成长到稳定阶段，全程长度约40~50cm，耗时约235~250μs。

总体来看，在管内爆轰波止降成长期间，导爆管爆速变化呈现如下规律：初期以极快的速度增长一段距离，中期开始明显放缓，而后保持较为稳定的水平增长至稳定阶段。

试验中导爆管激发后的爆轰成长过程实质为：当外界起始弱冲击波进入管内，初期的激发反应先从小面积的表面化学反应开始，随着反应的加剧和扩大，反应中间产物不断迅速扩散，进而蔓延到全部表面和药粉粒子内层，这种剧烈的管内爆炸反应呈现出一种逐层燃烧的特点，且随着反应量和反应区域的不断加大，反应愈发剧烈，管内爆热、爆温和爆压逐渐增长，直到反应所释放的有效爆热既维持了管内压力和温度，又可以持续支持未反应的炸药继续反应，达到两者的平衡，最终稳定。正如上述图像和数学方程式所示，爆速先经历一个短暂的低缓加速过程，随后增速加剧，并逐步实现由低速爆轰转为高速爆轰，最后稳定。

从高速摄像处理图中也可清晰地看出，管内在弱激发后，很快出现一片凹槽弱光区，之后快速明亮起来，直至耀眼。其基本上也反映了上述所描述的管内混合药粉爆炸反应特点，炸药逐层燃烧，化学反应从小范围到大范围，爆速从低速爆轰到高速爆轰，最终稳定。根据塑料导爆管的生产工艺可知，导爆管的传爆性能实质上与管壁材料、内壁药粉种类、颗粒度以及其粘附物理状态等密切相关[7-10]，因各厂生产工艺的差异性，其生产出来的导爆管的起爆、传爆性能必然会有所差异，况且同厂同批次产品也不会完全相同，故试验所得结论仅针对测试所用材料，但仍然具有普遍参考意义。此外，有文献报道，起爆能量、激发方式等也可能影响导爆管爆轰成长过程[7,10]。

2 纹影摄像试验

2.1 试验思路与器材

试验思路：通过截取不同长度导爆管进行纹影拍摄，观察其出口处爆轰信号的图像状态，以此来验证高速摄像中关于导爆管激发后爆轰成长长度区间值的结论。

试验器材：高速摄像机、彩色纹影仪、不同长度塑料导爆管以及起爆装置等工具。其中纹影仪采用安徽理工大学爆破工程与器材研究所的彩色纹影仪，主要包括光源系统、纹影反射镜系统、成像系统等。

2.2 试验结果与分析

试验分别截取同厂同批次，长度分别为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm塑料导爆管各3段，依次进行纹影拍摄，由于每组所拍摄图像具有很大的相似性，故每个长度仅列出1组图片作为观察与分析对象，具体图像如图4所示。为保持良好的对比性，图中X（为a~e，为1~5）均为同一时间拍摄。通过纹影像片可知，随着导爆管长度的增加，管口爆轰信号总体呈逐渐强烈的趋势。具体表现如下：（1）对比图a1~e1，出口初始信号明亮度越来越亮，甚至耀眼；（2）对比图X3~X5，从黑色弧线的清晰度、厚度和可见弧长可以看出，出口处球形爆轰波越来越强烈，空气介质中密度梯度越来越明显，物理参数变化越来越急剧；（3）对比图X1~X5，从出口信号中心点的明亮度可看出，冲出管口的管内药粉在空气中的爆轰强度越来越强，时间越来越持久；（4）对比图X3~X5，从图中密布团状物的范围和不透明度可以看出，爆轰产物量呈增加趋势；（5）对比图X3~X5，可以看出出口处爆轰反射波反射速度越来越快，强度也越来越大。试验结果表明，导爆管长度达到40~50cm以后，其上述指标不再具有明显变化，说明管内爆轰在40~50cm区间范围内基本达到稳定爆轰，该结果支持了高速摄像试验结论。

图4 不同长度导爆管管口信号纹影摄像图

3 结论

（1）通过对试验所用导爆管的爆轰成长进行全面拍摄，获得了其成长规律和速度回升增长期的数学关系式，得到了爆轰成长区间长度约为40~50cm的结论。（2）通过对试验所用导爆管的爆轰成长曲线进行分析，发现成长期间，其实质上为前段增速极快，而中后段却相对缓和，并非单边高速上升，亦非前期慢，中后段高速增长。（3）纹影摄像结果显示，试验所用导爆管长度达到40~50cm以后，出口爆轰信号不再具有明显变化，说明管内爆轰在40~50cm区间范围内基本达到稳定爆轰，与高速摄像所得结论一致。

[1] 高耀林,范钦文,陈嘉琨.塑料导爆管起爆过程[J].爆破器材,1984(4):1-5.

[2] 魏伴云,赵建勤,朱建平.模拟导爆管传爆过程的高速纹影摄影与分析[J].爆破器材,1985(3):3-4.

[3] 陈士海,胡峰.导爆管的起爆特性[J].爆破,1990(2):9-12.

[4] 阳世清.低装填密度粉状炸药爆轰机理研究--塑料导爆管起爆与传爆过程[D].南京:南京理工大学,1990.

[5] 刘大斌.塑料导爆管的起爆、传爆及输出性能研究[D].南京:南京理工大学,2002.

[6] 胡升海.导爆管及其雷管传爆性能的试验研究[D].武汉:武汉理工大学,2013.

[7] 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.

[8] 杨耀华.浅析影响导爆管传爆及点火性能的因素[J]. 火工品,2003(2):44-46.

[9] 荆术祥,钱华,刘大斌,朱长江,鲍国钢,侯建华. 装药量对塑料导爆管传爆性能的影响[J].爆破器材,2010(5):5-6.

[10] 胡升海,房泽法,巫雨田.基于高速摄像的断药导爆管传爆过程研究[J]. 爆破器材,2013(3):43-44.

[11] 廖小翠.导爆管传爆可靠性的试验研究[D].绵阳:西南科技大学,2009.

[12] 阳世清,王荪源,杨权中,等.塑料导爆管在燃烧转爆轰过程中的火焰结构及爆轰波生成机理[J].爆炸与冲击,1990(1):17- 20.

[13] 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):57-58.

[14] 胡升海,房泽法,熊鹏等.导爆管起爆与传爆过程的高速摄像研究[J].爆破器材,2013(4):46-47.

Experimental Study on Detonation Growth of Plastic Nonel Tube

LI Hong-wei1，DENG Jun1，XU Fei-yang1，WANG Shu-zhong2，ZHANG Yan3

（1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology,Huainan,232000；2.Fujian Rong an Blasting Engineering Co. Ltd.,Fu’an,355000；3. Troops 77228 of People’s Liberation Army, Dali, 671000)

In order to study the detonation growth law of ordinary plastic nonel tube, further experimental research was conducted. With the help of high speed camera, the related high speed images of growth process of detonation wave, and the relationship between detonation propagating distance and shoot speed were obtained by calculating and analyzing, and the detonation growth rule of nonel tube was established through nonlinear curve fitting. The result shows that the length of detonation growth interval is 40~50 centimeters, and the rate of initial growth period is very fast, while the rate of mid and late period is relatively subdued, schlieren test validates the conclusion above. The result of the study makes further efforts to comprehend the detonating mechanism of nonel tube, and several basis and reference data of detonation theory foundation of nonel tube were also provided.

Plastic nonel tube；Detonation growth；Curve fitting；Schlieren；Detonation propagation mechanism

1003-1480（2017）04-0019-04

TJ45+7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.04.006

2017-05-10

李洪伟（1979 -），男，副教授，主要从事爆炸技术及应用方向研究。

安徽省教育厅科学研究重大项目（KJ2015ZD18）