李　瑞，葛瑞荣，黄寅生，郑军强，李锦涛，曹始发，郭芬芬

（1.南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094；2.安徽红星机电科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

内管约束强度对无起爆药导爆管雷管燃烧转爆轰的影响

李瑞1，葛瑞荣2，黄寅生1，郑军强1，李锦涛1，曹始发1，郭芬芬1

（1.南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094；2.安徽红星机电科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

为了研究约束强度对无起爆药导爆管雷管燃烧转爆轰（DDT）的影响，采用外径6mm、厚度1mm的钢、铜、铝材料及壁厚分别为0.3mm、0.5mm、1.25mm的钢作为内管，装填结晶PETN（太安）作为起爆元件。试验表明内管约束程度对PETN的DDT有重要影响，约束越强、管壳壁厚越大，越有利于装药DDT的形成。

无起爆药雷管；燃烧转爆轰（DDT）；约束强度；内管

导爆管雷管具有抗水、抗静电、抗杂散电流、爆破网络连接多样等优点，广泛应用于工程爆破中［1］。目前国内工业导爆管雷管都装填起爆药，起爆药较敏感，在生产、运输、使用过程中易受到撞击、跌落而意外发火，且起爆药生产过程中产生大量污水，难以处理［2］。因此，研究无起爆药导爆管雷管是有必要的。沈兆武等人［3］发明了一种简易飞片式无起爆药雷管；成一［4］等人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［5］等人发明了在一端开口一端闭口钢内管内装填猛炸药实现燃烧转爆轰型的无起爆药雷管；苏俊［6］等人采用自制钢管装填超细PETN作为起爆元件，研究了内管装药密度对燃烧转爆轰的影响。为了研究内管约束强度对无起爆药导爆管雷管燃烧转爆轰的影响，笔者利用外径6mm，壁厚1mm，材料分别为钢、铜、铝的圆筒金属管，以及外径6mm，厚度分别为0.3mm、0.5mm和1.25mm的钢管装填平均粒径55μm结晶PETN，进行试验研究。

1　导爆管式无起爆药雷管的制备

1.1仪器设备和试验药品

仪器设备：电子分析天平、游标卡尺、压药设备、卡扣机、压药模具、烘箱，外径6mm、厚度1mm的钢、铜、铝圆管，以及外径6mm，厚度分别为0.3mm、0.5mm和1.25mm的45号钢管。试验药品：钝化RDX（黑索今）、RDX、平均粒径为55μm结晶PETN以及wB∶w硝酸钾∶w酚醛树脂=26∶70∶4的硼系点火药［7］。

1.2制备过程

在8号雷管管壳中压入第1装药（钝化RDX，400mg，压药压力39.1MPa）和第2装药（钝化RDX，200mg，压药压力22.8MPa），第2装药上端放入装有平均粒径55μm结晶PETN的金属内管，金属内管上端放入装填硼系点火药的加强帽，加强帽长度6mm，传火孔直径2mm。加强帽上端装入中间插有导爆管的塑料塞，在卡口机上进行卡口，完成导爆管式无起爆药雷管的制作，其装置如图1所示。

图1　导爆管式无起爆药雷管Fig.1　Nonel non-primary explosive detonator

这种无起爆药导爆管雷管只要点火药能够点燃内管结晶PETN，就能实现燃烧转爆轰。因此，与双帽式无起爆药雷管［8］相比，点火药选择范围更广。其次，使用加强帽装填点火药、内管装填结晶PETN，分别装药再装配，相比马志钢［5］的无起爆药雷管装配更安全。

2　试验结果与讨论

2.1内管材料对DDT形成的影响

采用厚度1mm、外径6mm的钢、铜、铝管，截取不同长度作为内管，装填平均粒径55μm的结晶PETN。加强帽中硼系点火药采用松装装药。试验过程使用厚度5mm铅板对雷管是否完全爆轰进行验证，结果见表1～3。

表1　钢内管在不同压药压力下的铅板穿孔试验Tab.1　Lead plate test of steel inner tubes with different charge pressure

表2　铜内管在不同压药压力下的铅板穿孔试验Tab.2　Lead plate test of copper inner tubes with different charge pressure

表3　铝内管在不同压药压力下的铅板穿孔试验Tab.3　Lead plate test of aluminium inner tubes with different charge pressure

从表1～3可以看出，长度约30mm、壁厚1mm钢内管的压药压力为0～5.47MPa，装填密度为0.90～1.34 g/cm3时，内管中结晶PETN可以实现燃烧转爆轰，雷管发生爆轰，铅板穿孔直径在10mm以上。铜内管在压药压力为0.78～3.91MPa、装填密度为1.07 ～1.27 g/cm3时，雷管能够发生爆轰，铅板穿孔直径在9mm以上。铝内管在压药压力为0～8.59MPa、装填密度为0.89～1.38 g/cm3时，内管中PETN都不能实现燃烧转爆轰，雷管发生半爆。对比3种不同材料内管的试验结果，可知内管约束强度越强，内管中结晶PETN发生燃烧转爆轰的压药压力范围越广，即装填密度范围越大。约束强度越弱，越不利于内管结晶PETN实现DDT转变。同时，金属内管中的PETN在一定装药密度范围内易形成燃烧转爆轰，密度过高或过低都不利于PETN的 DDT形成。

多孔药床DDT机理［9］认为，冲击波对炸药不均匀加热，形成热点，逐步发展成爆轰。热点温度和质量燃耗率影响炸药DDT敏感性。根据弹塑性空穴闭合模型［10］推导出冲击波压缩多孔药床温度增量为：

式（1）中：cv为炸药比热容；ρ0为炸药装填密度；p/p0为弹性极限压力；α0为初始孔隙度；α为药床受压缩后孔隙度。从式（1）可以看出，炸药装填密度越大，孔隙度越小，在相同的冲击波压力作用下，相应药床温升越小，不利于炸药起爆。DDT机理［11］认为炸药点燃后，燃烧产物向未燃药床渗透，产生一系列压缩波，压缩波加速炸药燃烧，加速燃烧使压力累积，使压缩波发展成为冲击波，冲击波达到临界强度后诱发爆轰。当内管PETN装填密度过大时，炸药孔隙度过小，已燃气体产物不易向未燃药床渗透，不利于对流燃烧形成，从而不利于压力积累及冲击波形成，使内管PETN不能实现DDT转变。

影响多孔药床DDT过程的另一个因素是质量燃耗率［11］，其表示为：

式（2）中：np为单位体积内药粒个数；为线燃烧速率；sp为单个药粒燃烧表面积。

从式（2）中可以看出，内管结晶PETN装填密度越低，单位体积内药粒个数越少，质量燃耗率越小，单位体积内产生能量和压力越小，不利于冲击波形成，不利于内管中PETN的DDT转变。由上述理论分析知，内管PETN存在一个合适的装填密度，使得内管PETN可靠实现燃烧转爆轰。

试验同时对雷管起爆后的内管变形进行收集，为了研究内管破裂位置，在装配前对内管底部外壁进行刻痕标记，如图2所示。从图2中收集的部分内管变形结果可以看出，强约束的钢管在PETN发生DDT过程以后，下端发生破裂，上端没有发生破裂。根据DDT机理［11］，炸药点燃后，在点火具附近能量缓慢释放，压力线性增长，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。当钢内管中的气体压力大于内管的剪切屈服极限时，内管发生破裂。铜内管与钢内管变形相同，当铜内管压药压力为0MPa时。雷管发生半爆，内管只是发生变形，并没有破裂。这可能是单位体积内药量太少，在较弱约束条件下，较低的PETN燃烧气体产物释放量使内管发生膨胀变形，发生药剂吹散，内管中的PETN燃烧不能自持，压力不能累积，导致DDT过程不能形成。当内管材料为铝时，可以看到不同压药压力下铝内管上端发生破裂，燃烧气体产物释放，导致压力不能累积，不利于冲击波形成，从而不能实现内管PETN的DDT转变。因此，约束强度对内管中结晶PETN的DDT转变有着重要影响，约束较弱的铝内管不易使PETN发生DDT转变，内管材料为铜，在一定的压药压力范围内可以使PETN发生燃烧转爆轰。内管材料为约束较强的钢，使内管PETN发生燃烧转爆轰的压药压力范围更广，更有利于DDT的形成。

图2　不同材料内管在DDT过程后的变形结果图Fig.2　Deformation figures of different materials inner tube after DDT

2.2不同长度钢、铜内管PETN装药的DDT试验

对长度分别为25mm和20mm的钢、铜内管（厚度1mm、外径6mm）中结晶PETN的DDT过程进行试验研究。点火药为松装的硼系点火药，采用厚度5mm铅板对雷管是否爆轰进行验证，试验结果见表4～7。

表4　25mm钢内管在不同压药压力下的铅板穿孔试验Tab.4　Lead plate test of 25mm steel inner tubes with different charge pressure

表5　20mm钢内管在不同压药压力下的铅板穿孔试验Tab.5　Lead plate test of 20mm steel inner tubes with different charge pressure

表6　25mm铜内管在不同压药压力下的铅板穿孔试验Tab.6　Lead plate test of 25mm copper inner tubes with different charge pressure

表7　20mm铜内管在不同压药压力下的铅板穿孔试验Tab.7　Lead plate test of 20mm copper inner tubes with different charge pressure

雷管起爆后，金属内管部分变形结果如图3所示。

图3　25mm和20mm的钢、铜内管在DDT过程后的变形结果Fig.3　 Deformation figures of steel and copper inner tubes with 25mm, 20mm length after DDT

从表4～7看出随着内管长度的减小，内管结晶PETN能够发生燃烧转爆轰的装药密度范围缩小。25mm钢内管中结晶PETN发生燃烧转爆轰压药压力为1.56～4.69MPa，装药密度为1.11～1.27g/cm3。25mm弱约束铜内管中结晶PETN发生DDT转变的压药压力为3.91 ～4.69MPa，装药密度为1.26～1.27g/cm3。内管长度20mm，材料为钢和铜时，内管中的结晶PETN在任何压药压力条件下都不易形成燃烧转爆轰，雷管发生半爆。DDT机理［12］认为：炸药点燃后，进入对流燃烧，燃烧过程加速，引起压力迅速上升，产生压力扰动，进而产生一系列压缩波，压缩波与对流燃烧波相汇聚形成冲击波，冲击波发展达到临界强度诱发炸药爆轰。冲击波形成是炸药DDT过程的关键条件。随着内管长度减小，内管中结晶PETN减少，燃烧气体产物减少。当内管燃烧气体产物不足以使压缩波形成冲击波，就导致炸药不能形成爆轰。气体平衡的破坏［13］是炸药燃烧转爆轰的重要原因，图3（a）和图3（c）为强约束的钢内管，低密度炸药燃烧产物使内管发生膨胀，气体产物减量（离开燃烧阵面）增加。图3（d）和图3（f）为弱约束的铜内管，长度25mm内管中部发生破裂导致燃烧产物释放，长度20mm内管端部发生膨胀，气体产物减量增加。图3（b）和图3（e）内管中的PETN在合适的压药压力下，炸药装填密度合适，炸药燃烧气体产物可以使压力累积形成冲击波，使内管的PETN发生燃烧转爆轰，与能够发生燃烧转爆轰的30mm钢、铜内管变形相同。

2.3不同厚度钢内管PETN装药的DDT试验

对外径6mm，长度30mm，壁厚分别为0.3mm、0.5mm、1.25mm钢内管装填结晶PETN，进行DDT试验研究，采用松装硼系点火药点火，试验使用5mm铅板对雷管是否爆轰进行验证。试验结果见表8～10。

表8　厚度0.3mm钢内管在不同压药压力下铅板穿孔试验Tab.8　Lead plate test of 0.3mm thickness steel inner tubes with different charge pressure

表9　厚度0.5mm钢内管在不同压药压力下铅板穿孔试验Tab.9　Lead plate test of 0.5mm thickness steel inner tubes with different charge pressure

表10　厚度1.25mm钢内管在不同压药压力下铅板穿孔试验Tab.10　Lead plate test of the 1.25mm thickness steel inner tubes with different charge pressure

对起爆后的钢内管收集，内管部分变形结果如图4所示。

图4　不同厚度钢内管在DDT过程后的变形结果Fig.4　Deformation figure of steel inner tube with different thickness after DDT

从表8～10可以看出壁厚为0.3mm的钢内管在任何压药压力下雷管都发生半爆。钢内管壁厚0.5mm，内管中太安的压药压力2.00～7.00MPa，装药密度为1.18 ～1.34 g/cm3时，雷管发生完全爆轰，铅板穿孔直径在12mm以上。钢内管壁厚1.25mm，内管压药压力0～12.24MPa，内管装填密度0.88～1.45g/cm3时，雷管起爆后铅板穿孔直径在10mm以上，内管中结晶太安发生了燃烧转爆轰。从图4可见，壁厚0.3mm钢内管发生完全破裂，导致燃烧气体泄漏。壁厚0.5mm和1.25mm钢内管发生DDT过程后内管变形相似，一端没有发生破裂，一端破裂。与长度30mm、壁厚1mm钢内管DDT试验结果相比，随着内管壁厚增加，约束强度增加，内管PETN发生燃烧转爆轰的装填密度范围越大。因此，强约束有利于炸药燃烧转爆轰形成。

3　结论

（1）内管约束强度对PETN的燃烧转爆轰有着重要影响，约束越强，内管装药能够发生DDT的装药密度范围越大，越有利于装药DDT形成。选择材料韧性较高的材料及壁厚较厚的壳体对装药DDT形成是有利的；

（2）使用平均粒径55μm结晶PETN进行DDT试验，从结果中看出结晶PETN能够可靠进行DDT转变，雷管发生完全爆轰，不必对PETN进行细化处理，且细化的PETN易产生静电，不利于安全。

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Influence of Constraint Strength of Inner Tuber on Transition of Deflagration to Detonation in Nonel Non-primary Explosive Detonator

LI Rui1，GE Rui-rong2，HUANG Yin-sheng1，ZHENG Jun-qiang1，LI Jin-tao1，CAO Shi-fa1，GUO Fen-fen1
（1. School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094；2. Anhui Hongxing Mechanical and Electrical Technology Company，Hefei，231135）

In order to study the influence of constraint strength of inner tube on transition of deflagration to detonation（DDT）in nonel non-primary explosive detonator， the material of steel， copper， aluminium cylindrical inner tuber with outer diameter of 6mm and thickness of 1mm， and steel inner tuber with thickness of 0.3mm，0.5mm，1.25mm were adopted， which were filled with crystal PETN （pentaerythritol tetranitrate）， and used as detonating component instead of primary explosives. The results show that the constraint strength has important effect on DDT of PETN， the stronger constraint and the bigger thickness of shell， the easier formation of DDT for explosive.

Non-primary explosive detonator；Deflagration to detonation transition；Constraint strength；Inner tube

TJ45+7

A

1003-1480（2015）01-0001-05

2014-09-29

李瑞（1987-），男，在读硕士研究生，主要从事猛炸药燃烧转爆轰研究。