我们介绍一种基于加压容器内热丝点火的装置及相关方法,用于测量水基乳化炸药发生持续燃烧所需的最低压力。该方法可改进产品的特性表征,从而在泵送和混合操作中更安全地使用此类炸药。
我们介绍一种基于加压容器内热丝点火的装置及相关方法,用于测量水基乳化炸药发生持续燃烧所需的最低压力。该方法可改进产品的特性表征,从而在泵送和混合操作中更安全地使用此类炸药。
本文描述了一种用于测量水基乳化炸药持续燃烧所需最低压力的实验方案。在爆破作业中泵送水基乳化炸药可能具有极高危险性,过去几十年中全球已发生多起与泵送相关的事故,其中一些事故造成了人员死亡。在加拿大,人们已认识到此类危害,并由此制定了泵送操作指南,该指南获得了加拿大炸药行业以及加拿大政府爆炸物监管司的共同认可。指南中指出,在实验室中测得的最低燃烧压力(MBP)可有效表征此类炸药在泵送系统中的行为特性。该指南还建议,在设计泵送系统时应尽可能避免系统压力超过所泵送炸药的MBP值。在该指南发布时,虽已有测量MBP的方法,但尚未经过验证可用于测定硝酸铵水基乳化炸药(AWEs)的MBP。目前,AWEs在現場散装装药作业中的应用已远超其他任何类型的水基炸药及其前体物质。
加拿大炸药研究实验室(CanmetCERL)在过去十年中一直致力于开展研究,以开发一种经过验证的测试方案,用于测量和解读军用炸药(AWE)具有代表性的爆轰压力(MBP)值。本文将描述目前所执行的测试方法,并通过引用近期已发表的数据,论证该测试中的关键组成部分。同时将展示一系列军用炸药产品的MBP测量结果。此外,还将讨论将MBP测试纳入加拿大高能炸药使用许可测试标准的可行性。
硝酸铵水基乳化(AWE)炸药于1961年发明。它由液态氧化剂溶液的微小液滴组成,这些液滴被连续的油相包围。第一种稳定且具有实际应用价值的乳化炸药由美国的Harold F. Bluhm于1969年研制成功1,2。然而,此类炸药的成功商业化直到20世纪80年代初才真正实现。
随着现代采矿作业规模的扩大以及快速散装炸药装填技术的出现,需要制造和运输大量水胶炸药(AWE)。一辆罐车通常可运输20吨AWE,而仅一次爆破作业通常就需要多辆卡车运输。如此大量炸药若发生意外引爆,后果将尤为严重,因此必须充分了解其危险特性,以便设计相应的安全操作体系。尽管众所周知乳化炸药对机械刺激(即冲击和摩擦)相对不敏感,但在处理此类炸药时仍曾有意外爆炸事故的报道3,尤其是在泵送应用过程中。
自20世纪70年代以来已知4,水基炸药要实现自持燃烧,环境压力必须达到某一最低值。该值通常被称为"最低燃烧压力"(MBP)。从安全角度来看,了解这一阈值有助于制造商更准确地评估各类操作设备的安全工作压力。
加拿大政府自然资源部已发布 "水基炸药泵送操作指南" 5,指出使用远低于乳液或水凝胶爆速压力(MBP)的泵送压力是一种良好的安全操作规范。应注意的是,这些指南是在大多数商业制造商协作下制定的,且在美国,炸药制造商协会(IME)也发布了非常类似的指南 6然而,在这些文件中,并未对如何测量MBP进行描述或规定。
近几十年来,关于机械起爆压力(MBP)测量的研究报道较少。Chan et al. 4 报道了水凝胶炸药的MBP测量结果,这类炸药同样以硝酸铵和水为基础。他们得出结论:MBP可能强烈依赖于多种配方因素,例如含水量、化学敏化剂或金属粉末的存在。在另一项研究中,Wang 7 描述了一个2.5 L的加压容器,使用氮气(N2)加压,并采用Bruceton升降法测定基础水包油型炸药(AWEs)的MBP。利用该系统,测得含水量为16质量%的基础乳化炸药的MBP值约为15 MPa。
在采用类似的加压容器测试时,Hirosaki et al. 8 报道了部分含水炸药(AWE)的爆轰传播压力(MBP)测量结果。他们指出,用于敏化炸药的微球材料(即 玻璃或树脂)的性质对测试结果也有显著影响。最近,Turcotte et al. 9 开发了一种与 Wang 及 Hirosaki 等人相似的系统,并尝试用其测量某些 AWE 的 MBP。然而,他们发现许多可能导致 MBP 测定错误的问题。特别是,点火源结构(镍铬丝线圈)从未针对 AWE 进行过充分验证。2008 年,Turcotte et al. 10 和 Chan et al. 11 开发了一种基于校准点火丝系统的装置及相关测试方法,用于测量 AWE 的 MBP。他们还利用该装置研究了典型 AWE 的点火特性,测定了实现可靠点火所需的能量需求12,并探讨了多种 AWE 炸药的物理特性和组分对 MBP 的影响13,14。目前,该 MBP 测量技术正被提议作为联合国《危险货物运输》(UN TDG)测试与标准中用于 AWE 运输分类的标准测试方法15。
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注意:此处使用的材料和设备列于材料表中。
1. 点火丝组件的制备
注意:建议在操作时佩戴丁腈手套。
2. 样品与测试池的制备
注意:建议在操作时佩戴丁腈手套。
3. 在压力容器中装载样品
4. 执行测试
![figure-protocol-1 ΔMBP方程:abs[Pg,min - Pn,max]/2,用于血流动力学分析。](/files/ftp_upload/56167/56167eq1.jpg)
5. 数据分析
注意:分析后的 MBP 实验结果图示例参见图6。
6. 清理工作
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典型的原始信号来自一次产生完全传播事件的测试(即 “go”显示在 图6. 点火电流(蓝色曲线)在 t 时开始出现0 = 0 时开始加热,并持续加热至 NiCr 丝烧断b = 19.1 s。计算得到的平均点火电流(即 t 之间所有数据点的平均值0 和 tb 是 Ihw = 10.59 A。在压力记录(红色曲线)上,首次观察到明显偏离初始基线的时间为 tp0 = 17.3 s。计算得到的平均初始压力(即 t 之间所有数据点的平均值0 和 tp0)是 Pi = 4.924 MPa(700 psig)。从 tp0,压力迅速上升至最大值P最大 = 6.095 MPa(870 psig)在 t 时s = 33.7...
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我们的研究结果表明,采用直径为0.5 mm的NiCr直丝和10至16 A的点火电流的线性热丝几何结构,足以点燃含水量高达25质量%的乳化炸药(AWEs)。对于高黏度配方(如包装乳化产品),水平和垂直构型几乎产生相同的结果17。然而,对于低黏度配方(如散装乳化产品),垂直构型中的重力效应会引起乳化剂流动,从而干扰点火过程。在这些情况下,水平构型被证明可提供有效且可重复的结果17。应注意的是,本研究中获得的高含水量乳化炸药的MBP值远低于Wang7对类似产品报道的数值。这种差异可能是由于Wang所使用的点火源为线圈几何结构,与本研究中采用的直圆柱几何结构相比,其向乳化炸药传递能量的效率较低。此外,如果线圈由直径过小的导线制成,或线圈匝间距过近,则点火线圈可能在乳化炸药被点燃前过早烧毁。在这种情况下,点火失败很可能被误认为是爆轰传播失败。
例如,对于典型的体相乳化炸药表面(如 EM6,含水量为 17.4 %,
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本出版物中报告的测试规程的开发源于加拿大自然资源部(CanmetCERL,爆炸物研究实验室)与美国国土安全部科学技术局之间的联合研究项目。&D 部门)和奥瑞卡矿业服务公司(Orica Mining Services)。谨此致谢奥瑞卡矿业服务公司允许发表本课题的非专有性信息。同时,谨感谢加拿大矿业能源研究中心分析部门(CanmetCERL's Analytical Section)参与对本研究中制备的各种 AWEs 进行物理表征。
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| 示波器 | 具有2个输入通道(0-10 V)、每通道12k采样点、采样频率为10 ms/采样的任意存储示波器。 | ||
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