水基乳化炸药的最低燃烧压力

摘要

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。

摘要

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。

引言

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&....

方案

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。

1. 量取预定长度的镍铬（NiCr）合金丝，并使用剪线钳进行切割。对于76.2 mm（3英寸）长的测试电池，应切割为85 mm的长度。
2. 使用尖嘴钳将镍铬合金丝两端弯成小环。使用合适的压接工具，通过无绝缘套管型对接连接器，将每个环压接至一段50 cm长的14号美国线规（AWG）实心裸铜导线上。
3. 重复步骤1.1–1.2，制备所需数量的组件。
   注意：建议预先准备多个组件，因为每次MBP测量需要消耗10至15个组件。完整的导线组件如图1所示。若所有导线均正确连接并压接至接头，则在导线组件两端（即镍铬丝两侧的铜导体之间）测得的电阻必须小于0.5 Ω。

2. 样品与测试池的制备

注意：建议在操作时佩戴丁腈手套。

1. 准备测试单元，每个单元由一根长度为 7.6 cm、内径至少为 1.6 cm 的小型圆柱形钢管构成。确保每个测试单元沿轴向加工出一条宽 3 mm 的狭缝，以便在测试过程中使燃烧气体逸出。
   注意：AWEs 具有导电性。
2. 为确保所....

结果

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 t_b 是 I_hw = 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 t_p0 = 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 t_p0）是 P_i = 4.924 MPa（700 psig）。从 t_p0，压力迅速上升至最大值P_最大 = 6.095 MPa（870 psig）在 t 时_s = 33.7.......

讨论

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 %，

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
腈纶手套（100只/包）	Fisher Scientific	19149863B	https://www.fishersci.ca/shop/products/purple-nitrile-exam-gloves-6/19149863b?searchHijack=true&&searchTerm=19149863B&&searchType=RAPID&&matchedCatNo=19149863B
NiCr60 24 AWG 电线（每卷200英尺）	欧米茄工程公司	NIC60-020-200	http://www.omega.ca/pptst_eng/NI60.html
剪线钳：迷你斜口钳，5 英寸	加拿大轮胎	产品编号 #058-4736-0	http://www.canadiantire.ca/en/pdp/mastercraft-mini-diagonal-cutting-pliers-0584736p.html#srp
迷你尖嘴钳，5 英寸	加拿大轮胎	产品编号 #058-4731-0	http://www.canadiantire.ca/en/pdp/mastercraft-mini-needle-nose-pliers-0584731p.html#srp
压接工具，8.5 英寸	加拿大轮胎	产品编号 #058-4617-4	http://www.canadiantire.ca/en/pdp/mastercraft-8-in-crimping-tool-0584617p.html#srp
裸铜线（14AWG）	电子设备增强版	2000BC-14-5/5 磅卷	裸铜线（未绝缘）
非绝缘对接接线端子（100个）	电声的	Panduit BS14-C	http://www.alliedelec.com/panduit-bs14-c/70044299/?mkwid=si03ezhXY&pcrid=64596948257&pkw=panduit%20bs14-c&pmt=b&pdv=c&gclid=CM_1jO-DsdMCFZKIswodMugASw
不锈钢管接头（10 - 20 个）	Wolseley Inc.	SSNKX3	样品细胞：76.2 mm 长 × 12.7 mm 外径（3" 长 × 0.5" od）的细胞沿长度方向加工出3 mm狭缝，并在内外表面涂覆两层非导电漆（例如高温烧烤涂料Armor Coat或Krylon品牌）。
高温非导电涂料	加拿大轮胎	产品编号 #048-0648-8	该链接为加拿大轮胎公司（Canadian Tire）的产品页面，不属于 JoVE 教育与科学内容范畴，且无科学实验或研究相关文本可供翻译。请提供符合 JoVE 专业领域（如生物、医学、化学、工程等学科的实验方法、研究视频描述或科学教学内容）的源文本以便进行专业翻译。
实心绿色氯丁橡胶塞（0号；每包68个）	科尔-帕尔默	OF-62991-04	https://www.coleparmer.ca/i/cole-parmer-实心绿色氯丁橡胶塞标准尺寸-0-68-件装/6299104?searchterm=OF-62991-04
不锈钢刮勺	Fisher Scientific	14-375-10	https://www.fishersci.ca/shop/products/fisherbrand-spoonula-lab-spoon/1437510?searchHijack=true&&searchTerm=1437510&&searchType=RAPID&&matchedCatNo=1437510
7.5 L 压力容器	Autoclave Engineers	40A-9104, 9122, 40C-1365, 2376	最小内径127 mm；配备20.7 MPa（3000 psi）爆破片组件；电磁阀&以及出口处的气动阀；http://www.autoclaveengineers.com/products/pressure_vessels/PV_Bolted_Closure/index.html
电极（2个装）	电表	Conax EG-375-A-SS-T，25.4 cm（10英寸）"导体	带聚四氟乙烯密封垫圈；https://www.conaxtechnologies.com/wp-content/uploads/2016/03/5001D-80-105-Flanges-and-Accessories.pdf
爆破片	Oseco	39859-3-1	http://www.oseco.com/imgUL/files/STD_0515.pdf
通用安全头（爆破片组件）	Autoclave Engineers	SS-4600-1/2F	http://www.autoclave.com/products/accessories/universal_safety_heads/index.html
高压阀（气动，故障开启型）	Autoclave Engineers	1/2" SW8XXX-CM	http://www.autoclave.com/aefc_pdfs/OM_P1_Manual_Air_Valve.pdf?zoom_highlightsub=air+operated+valve#search="气动阀"
压力传感器	欧米茄工程公司	PX176-3KS5V	绝对压力放大电压输出传感器；0–20.7 MPa（0–3000 psi）密封式，91 cm（36英寸）"电缆 http://www.omega.ca/pptst_eng/PX176.html
数字万用表	亚马逊公司	福禄克 110 Plus 型号	https://www.amazon.com/Fluke-110-Plus-essential-multimeter/dp/B01JX912I2
数据采集接口	IOTECH	Model Daqlab 2000 配备 DBK15 采集板	http://www.mccdaq.com/products/daqlab2000s
配备显示器并安装 National Instruments DASYLab 软件（V13，基础版）的个人计算机	DELL	CORETMi7 vProTM	计算机必须满足 Dasylab 13 的运行要求：1 GHz 及以上，x86 兼容架构；Windows 7 或 8 操作系统，32 位或 64 位版本；2 GB 及以上内存
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。
精密分流电阻器	加拿大分流器工业公司	LA-20-100	（20 A，100 mV）置于定制外壳内 http://www.cshunt.com/pdf/la.pdf
恒流电源	安捷伦	N6700B 低剖面 MPS 主机，400W；N6754A 直流电源，带高速测试扩展选项	http://www.keysight.com/en/pd-1125217-pn-N6754A/high-performance-autoranging-dc-power-module-60v-20a-300w?cc=CA&lc=eng
进样阀	渥太华阀门与管件	Swagelok SS-43GS4-PT	https://www.swagelok.com/en/catalog/Product/Detail?part=SS-43GS4
全面罩	库珀安全	3M 7800 系列	http://www.coopersafety.com/product/3m-7800-series-full-face-respirator-1124.aspx
通用型滤芯	库珀安全	3M 60923	http://www.coopersafety.com/product/3m-60923-organic-vapor-acid-gas-p100-cartridge-1533.aspx?sid=101950