高壓水射流沖擊HTPB推進劑的安全性分析*

朱左明,高 鑫,王煊軍,蔣大勇

(1.第二炮兵 工程大學,陜西 西安 710025; 2.第二炮兵裝備研究院,北京100085; 3.武警工程大學,陜西 西安710086)

高壓水射流沖擊HTPB推進劑的安全性分析*

朱左明1,2,高 鑫1,王煊軍1,蔣大勇3

(1.第二炮兵 工程大學,陜西 西安 710025; 2.第二炮兵裝備研究院,北京100085; 3.武警工程大學,陜西 西安710086)

以高壓水射流沖擊 HTPB推進劑的動態加載過程和準靜態加載過程在作用壓力和持續時間上的巨大差異為基礎,在水錘壓力和滯止壓力計算的基礎上分別進行了點火模式預判,然后以模型類比和實驗方法分析了動態和準靜態加載過程的安全性。結果表明,使用出口壓力在300 MPa以內的高壓水射流沖擊HTPB推進劑裝藥在動態加載過程中不會有點火起爆危險性,但使用100M Pa以上的高壓水射流沖擊 HTPB推進劑裝藥在準靜態加載過程中其內部可能會發生溫度突躍情況,這可能會引起熱點火、甚至熱起爆。

流體力學;沖擊安全性;起爆模型;HTPB推進劑;高壓水射流

安全取出廢棄固體火箭發動機中的推進劑裝藥,是對其進行無害化處理和資源再利用的關鍵步驟。作為一種高效、經濟、環保的冷態切割方法,高壓水射流技術在這一領域得到了廣泛應用。但是,在推進劑裝藥的清理作業中,高壓水射流與固體推進劑之間近似于剛性的碰撞,在某些條件下仍有可能會引發推進劑點火甚至起爆,從 而造成 重大安 全事故 ,這 有 過 慘 痛 的 案 例[1-2]。 由 于 此 類 事 故 發 生 后 作 業 現 場被嚴重破壞,難以從中找到事故的直接誘因,而且水射流破碎固體推進劑技術的理論研究滯后于其工程應用,其中的點火起爆機理至今尚不明確,一般將事故原因歸結為清理作業使用的水射流壓力過高。鑒于此,清理作業中水射流壓力被嚴格限制在50 MPa以內,低壓力、大流量成為了當前水射流清理作業的準則,但這會導致清理效率低下、清理廢水過多等問題,尤其是大量廢水中高氯酸根離子的去除,會大大增加清理作業的周期和成本。若能在安全清理的前提下盡可能提高射流壓力,會提高清理效率、減少清理廢水,同時清理后得到的廢藥尺寸也會提升,便于后期回收再利用。因此,對高壓水射流沖擊 HTPB推進劑進行安全性分析十分必要。高壓水射流對固體推進劑的沖擊過程,可分為動態加載過程和準靜態加載過程兩個階段[3],當高壓水射流頭部剛剛接觸到固體推進劑表面時,界面的狀態參數會發生突變并形成水錘壓力,這個階段為動態加載過程;水錘壓力的持續時間僅微秒量級,之后會快速衰減并穩定為滯止壓力,這個階段為準靜態加載過程?？紤]到動態加載過程和準靜態加載過程在作用壓力和持續時間上差異巨大,本文中,將分階段對高壓水射流沖擊 HTPB推進劑的安全性進行研究。

1 動態加載過程的安全性分析

1.1 水錘壓力計算

假定高壓水射流為平頭液柱,半徑為rj,以速度vj垂直沖擊推進劑表面。忽略水射流參數在徑向上的變化,當液柱的平頭端面與推進劑表面接觸時,水射流速度急劇減小,界面壓力瞬間升高,這個壓力增量即為水錘壓力pH。不考慮重力作用,根據動量定理可以導出水錘公式如下:

式 中 :ρ為 水 射 流 的 質 量 密 度 ;c為 沖 擊 波 速 度 ;v為 水 射 流 速 度 變 化 量 。

在液柱的平頭端面與推進劑表面接觸的瞬間,液柱處于一種封閉的壓縮態。當液柱與空氣交界的自由面反射的釋壓波向內傳播到接觸區中心點時,液柱內部壓力釋放并開始出現徑向流動,由此液柱對推進劑表面的加載壓力迅速降為滯止壓力pS,液柱內部的受壓狀態消失。上述作用過程的維持時間極短,一般僅為微秒量級,主要取決于液柱半徑rj及釋壓波傳播速度cr:

考慮到靶體材料特性,水射流沖擊靶面的水錘壓力為[5]:

式 中 :ρt為 靶 材 密 度 ;ct為 靶 材 中 的 聲 音 傳 播 速 度 。

對比式(2)、(5),可知式(2)的計算結果比較 大,由于目前沒有可靠的推進劑 中 聲 速 數據可用,所 以本文中使用式(2)計算水錘壓力。表1所示為計算得到的6個不同出口壓力水平下的水錘壓力。

表1 不同出口壓力水平下的水錘壓力Table 1 Water hammer pressure under different outlet pressure levels

圖1為利用壓電傳感器測得的230 MPa水射流作用下 HTPB推進劑表面的壓力曲線,圖中水錘壓力約為0.90 GPa,這與公式(2)的計算結果0.976 GPa基本一致。計算結果略高于實測結果,主要原因在于 HTPB推進劑的可壓縮性以及水射流在流程中的速度損耗。

1.2 點火模式預判

水錘壓力可以看作是一個短時強脈沖,HTPB推進劑從化學組成、能量特性、反應熱等方面可以看作是一種非均質含能材料。顯然,在一定的壓力和脈寬條件下,對于一定化學組成和物理狀態的非均質含能材料,有可能發生沖擊起爆。尤其是當高壓水射流清理藥柱直徑達到爆轟臨界直徑的 HTPB推進劑裝藥時,發生沖擊起爆的危險性更高。此外,由于水錘壓力作用時間極短,一般僅為1μs左右,HTPB推進劑中不可能在這一瞬間積聚大量的熱量,因而不會發生熱起爆。

1.3 安全性分析

1.3.1 模型類比

(1)飛片沖擊起爆模型

平面飛片撞擊非均質炸藥時,相當于輸入一個壓力p、脈寬τ的近似于方波的壓力脈沖;入射沖擊波能否引起非均質炸藥起爆,取決于壓力p、脈寬τ、飛片面積a和炸藥厚度X。含有這幾項影響因素并適用于接近臨界起爆壓力的低壓范圍的沖擊起爆綜合判據可以表示為[6]:

圖1 230 MPa水射流沖擊 HTPB推進劑表面的壓力曲線Fig.1 Pressure curve of HTPB propellant surface under 230 MPa waterjet impacting

式 中 :pc為 臨 界 起 爆 壓 力 ,K、b、B、m、M、n、N 為 實 驗 常 數 。

當 X、a、τ等 變 量 增 大 到 對 起 爆 過 程 不 再 有 明 顯 影 響 時 ,上 述 沖 擊 起 爆 綜 合 判 據 可 以 化 為 :

即沖擊壓力必須大于臨界起爆壓力,非均質含能材料才有可能點火起爆。

由于水射流在高壓高速條件下所具有的剛性特征,可以將此沖擊起爆判據近似應用于高壓水射流沖擊 HTPB推進劑。對 HTPB推進劑進行拉氏分析實驗,可以確定其沖擊起爆臨界壓力在5~6 GPa之間。而工程實際中,高壓水射流清理 HTPB推進劑裝藥的工作壓力不會超過300 MPa,所產生的水錘壓力不會超過1.115 GPa,明顯低于臨界起爆壓力。同時,水錘壓力的脈沖寬度極小,對 HTPB推進劑發生沖擊起爆也有很大的制約作用。

(2)液體射流沖擊起爆高能炸藥模型

C.L.Mader等[7-8]通過大 量實驗 研究認 為,在液 體 射 流 沖 擊 下 高 能 炸 藥 能 否 起 爆 與 液 體 密 度ρ、射流速度v的平方和射流直徑d有關,即對于某一特定的高能炸藥,其在液體射流沖擊下起爆判據為:

式中:K為常數,K(PETN)=107kg·s-2,K(HMX)=4×107kg·s-2。

假定 HTPB推進劑和高能炸藥在液體射流沖擊下具有相同的起爆機理,那么便可將此起爆判據近似應用于高壓水射流沖擊 HTPB推進劑。對于 HTPB推進劑,其撞擊感度低于PETN 和 HMX,其K值高于PETN 和 HMX。由于 藥柱清 理作 業 中 射 流 速 度v小于 1 000 m·s-1,射 流 直 徑d小 于0.01 m,因而高壓水射流沖擊 HTPB 推進劑的ρv2d值小于107kg·s-2,即小于其 K值。

通過以上兩個模型的類比分析可知,清理 HTPB推進劑裝藥所使用的出口壓力在300 MPa以內的高壓水射流,在動態加載過程中不會造成 HTPB推進劑的沖擊起爆。

1.3.2 實驗驗證

為了驗證模型類比得到的結論,本文中開展了高壓水射流對HTPB 推 進 劑 的 沖 擊 實 驗。HTPB推進劑樣坯的特征配方為:w(AP)=40%,w(RDX)= 30%,w(Al)=18%,w(HTPB) =12%,尺 寸 為 ? 10 cm × 20 cm。沖擊實驗在自行設計的數控切割平臺(見圖2)上完成,采用單孔噴頭,入射角度為90°,分別設定 100、200、300 MPa的水射流出口壓力,對 HTPB推進劑方坯進行20次時長為2 s的沖擊實驗,均無點火起爆現象發生,這與前面模型類比得到的結論相符合。因此,高壓水射流沖擊 HTPB推進劑安全性分析的重點應主要集中于準靜態加載過程。

圖2 數控切割平臺的組成與結構Fig.2 Composition and structure of CNC cutting platform

2 準靜態加載過程的安全性分析

2.1 滯止壓力計算

釋壓波到達水射流液柱的軸心后,水射流液柱靠近推進劑界面的部分逐漸形成穩定的徑向流動,推進劑表面上的壓力也由水錘壓力降低為滯止壓力。連續射流垂直沖擊推進劑表面時存在一個圓形的作用區域。在這一圓形區域的中心處,打擊壓力即為射流的軸心動壓pm。隨著偏離中心的徑向距離r增加,推進劑表面所受的作用壓力逐漸減小,直至作用區域外的環境壓力。理想情況下,射流作用區域半徑R與射流半徑rj成正比。由文獻[9]有經驗公式:

式 中 :lf為 水 射 流 初 始 段 長 度 ;x為 水 射 流 出 口 與 推 進 劑 表 面 的 軸 向 距 離 ;a、b為 實 驗 常 數 。

綜上可知,理想情況下,滯止壓力等于水射流的出口壓力。但由于水射流在流程中的截面擴展、速度損耗以及 HTPB推進劑的可壓縮性,滯止壓力會低于水射流的出口壓力。圖1中的滯止壓力約為0.20 GPa左右,略低于其水射流出口壓力0.23 GPa,驗證了這一結論。

2.2 點火模式預判

由于滯止壓力大大低于水錘壓力,因而在準靜態加載過程中不可能發生沖擊起爆。但在 HTPB推進劑裝藥的清理作業中,滯止壓力通常會長時間地作用于 HTPB推進劑上的某一局部。這一過程中,水射流的動能會有相當一部分通過 HTPB推進劑的彈性變形和粘性流動轉化為熱能。在一定條件下,當熱量在 HTPB推進劑局部大量積聚時,HTPB推進劑在一定受熱程度下會發生分解反應并放出熱量,進入自加熱過程。若熱量不能及時擴散,開始時較為緩慢的放熱反應會在進行到一定程度時驟然加速,使推進劑能量瞬間釋放,發生熱點火甚至熱起爆。

2.3 安全性分析

目前,尚無法在射流沖擊與熱量累積之間建立明確的函數關系,并且連續水射流沖擊下固體推進劑內部會受到應力、熱、化學反應的耦合作用,因而很難實現推進劑裝藥內部溫度變化的理論計算。因此,本文中使用熱電偶監測 HTPB推進劑裝藥清理作業中其內部的溫度變化,對準靜態加載過程中 HTPB推進劑的熱點火(起爆)危險性加以衡量。

對 HTPB推進劑試樣進行 DSC(示差掃描量熱)法分析實驗。實驗在靜態氦氣氣氛中進行,以15℃/min的恒定加熱速率升溫,測量放熱反應和吸熱反應數值的大小,結果如圖3所示。由圖可見, HTPB推進劑的吸熱峰和放熱峰分別在180和362℃附近。另外,通過5 s延滯期爆發點測試實驗得到,HTPB推進劑試樣發生熱起爆的臨界溫度在320 ℃左右。需要說明的是,5 s延滯期爆發點測試實驗測得的臨界溫度與推進劑試樣的尺寸、形狀有很大關系,因此其結果不能在各種情況下作為精確數值使用,僅起參考作用。綜合以上兩個測試實驗的結果,可以認為 HTPB推進劑試樣發生熱點火(起爆)的臨界溫度在320~362℃之間,減去推進劑生產部門給出的安全系數40 ℃,HTPB推進劑裝藥的清理作業工藝溫度不應超過280℃。

圖3 HTPB推進劑試樣的DSC測試結果Fig.3 DSC test result of HTPB propellant sample

圖4 熱電偶在 HTPB推進劑樣坯中的埋置點位示意圖Fig.4 Distribution diagram of thermocouples embedded in HTPB propellant

為了盡可能實時準確地監測水射流沖擊下推進劑內部的溫度變化,HTPB推進劑樣坯中的熱電偶通過以下方式埋置:首先通過沖擊實驗,對水射流清理推進劑樣坯時的切割路徑進行記錄;然后在水射流切割路徑上埋置一排熱電偶(直徑5 mm,精度0.1 ℃)。圖4為理想情況下熱電偶在 HTPB推進劑樣坯中的埋置點位示意圖。在進行沖擊溫升實驗之后,取熱電偶測溫部位與水射流切割面距離在1 mm以內的熱電偶的測試數據為可信溫升數據。

分析50~180 MPa射流壓力下的沖擊溫升實驗所得到的溫升曲線,可以將其分為兩種類型。(1)平穩情況:如圖5(a)所示,推進劑內部在高壓水射流作用下溫度逐漸上升直至穩定在40 ℃左右,這個溫度略微高于高壓水射流的水溫;(2)突躍情況:如圖5(b)所示,在水射流沖擊過程中推進劑內部溫升多次發生躍升,最高溫度可達120℃以上,由于實驗裝置暫不具備防爆功能,實驗過程中為避免溫度進一步突躍超出工藝溫度上限進而發生點火甚至起爆,當推進劑內部溫度達到100℃即停止射流沖擊。

圖5 高壓水射流作用下 HTPB推進劑內部的溫升曲線Fig.5 Temperature curve in HTPB propellant under the shock of high-pressure waterjet

表2為沖擊溫升系列實驗中不同出口壓力水射流作用下推進劑內部溫度發生突躍情況,表中,N為溫升實驗總次數,n為 溫 度 突 躍 情 況 發 生 次 數。50、80、100 MPa等 3個出口壓力水平的溫升實驗均無溫度突躍情況發生,而120、150、180 MPa等3個出口 壓 力 水 平 的 各 15 次 溫 升 實驗中均有溫度突躍情況發生,并且隨著水射流出口壓力提高,推進劑內部發生溫度突躍情況的幾率有增高的趨勢。

準靜態加載過程中發生溫度突躍現象可能是,由于HTPB推進劑與均質炸藥相比,內部存在有不同物質之間的界面,這些界面附近容易因物理振動、化學變化等原因產生缺陷。當受到水射流強力沖擊時,這些缺陷附近比理想結構的 HTPB推進劑更容易產生一些熱點,進而會促使推進劑局部發生熱分解、放出熱量。由于缺陷的形成具有隨機性,因而溫度突躍情況的發生也具有隨機性。當然,這種推斷還有待于進一步的介觀層面的研究驗證。工程實際中水射流清理的推進劑裝藥一般都是由于性能指標不合格才退役報廢的,其內部存在很多缺陷,因此在報廢 HTPB推進劑裝藥的清理過程中極有可能發生溫度突躍現象。若推進劑內部發生的溫度突躍超過其工藝溫度上限時,極有可能會引發熱點火甚至熱起爆。

表2 不同出口壓力下的溫升突躍次數統計Table 2 Temperature-jump frequency under different outlet pressure levels

在目前工程化清理作業中,尚無條件實現水射流清理作業面附近推進劑溫升的實時監測。因此,要保證高壓水射流沖擊下 HTPB推進劑不發生熱起爆,可行的安全措施有:(1)在清理作業前,通過推進劑探傷確定其內部有無明顯異?；蛘卟捎靡欢ǖ慕蹈屑夹g對推進劑進行預處理;(2)將水射流出口壓力和對某一局部的持續作業時間控制在適當范圍以內。

3 結 論

(1)使用出口壓力在300MPa以內的高壓水射流清理 HTPB推進劑裝藥在動態加載過程中,不會有點火起爆的危險性。高壓水射流沖擊 HTPB推進劑的危險性主要在準靜態加載過程中。

(2)使用出口壓力在100MPa以上的高壓水射流沖擊 HTPB推進劑,推進劑內部溫度可能會發生突躍,并且隨出口壓力提高,推進劑內部發生溫度突躍情況的幾率有增高的趨勢。

(3)對于高壓水射流清理 HTPB推進劑裝藥,目前可行的安全措施主要是清理作業前進行推進劑探傷和降感預處理,清理作業中恰當控制水射流出口壓力和持續作業時間。

[1]Boggs T L,Atwood A I,Mulder E J.Hazards associated with solid propellants[C]∥Proceedings of Solid Propellant Chemistry,Combustion and Motor Interior Ballistics.Virginia:American Institute of Aeronautics and Astronautics,2000:221-262.

[2]Hashish M,Miller P.Cutting and washout of chemical weapons with high-pressure ammonia jets[C]∥BHR Group Conference Series Publication.Bury St Edmund:Professional Engineering Publishing,1998:81-92.

[3]王 禮 立.應 力 波 基 礎[M].北 京:國 防 工 業 出 版 社 ,2010.

[4]薛 勝 雄.高 壓 水 射 流 技 術 工 程[M].合 肥:合 肥 工 業 大 學 出 版 社,2006.

[5]王 瑞 和.高 壓 水 射 流 破 巖 機 理 研 究[M].東 營 :中 國 石 油 大 學 出 版 社 ,2010.

[6]衛 玉 章.非 均 勻 炸 藥 的 沖 擊 引 爆 綜 合 判 據[J].爆 炸 與 沖 擊 ,1982,2(1):117-121. Wei Yu-zhang.A complete criterion for shock initiation of detonation in heterogeneous explosives[J].Explosion and Shock Waves,1982,2(1):117-121.

[7]Mader C L,Pimbley G H.Jet initiation of explosives[R].LA-8647,1981.

[8]Mader C L,Pimbley G H,Bowman A L.Jet penetration of inerts and explosives[R].LA-9527,1982.

[9]Summers D A.Waterjetting Technology[M].London:E&FN SPON,1995.

Safety analysis of high-pressure waterjet impacting HTPB propellant

Zhu Zuo-ming1,2,Gao Xin1,Wang Xuan-jun1,Jiang Da-yong3
(1.The Second Artillery Engineering University,Xi’an 710025,Shaanxi,China; 2.The Second Artillery Equipment Academy,Beijing 100085,China; 3.Engineering University of CAPF,Xi’an 710086,Shaanxi,China)

Due to the huge differences in pressure and duration of dynamic loading process and quasistatic loading process in high-pressure water jet impacting HTPB propellant,possible ignition modes were prejudged on the basis of the calculation of water hammer pressure and stagnation pressure,and the safety of dynamic loading process and quasi-static loading process were analyzed through model analogy and experimental study respectively.The results show that there is no detonation risk in the dynamic loading process of high pressure water jet with the outlet pressure less than 300 MPa,but in the quasi-static loading process of high pressure water jet the outlet pressure of which is above 100 MPa.It is possible that internal temperature has a sudden rise,which may cause thermal ignition or even thermal explosion.

fluid mechanics;impact safety;initiation model;HTPB propellant;waterjet

O358國標學科代碼:1302514

:A

10.11883/1001-1455(2015)03-0366-07

(責任編輯 丁 峰)

2013-08-29;

2013-12-19

第二炮兵工程大學探索基金項目(XY2011JJB26)

朱左 明(1986— ),男,博士;通訊作者 :王煊軍 ,wxuanjun@sina.cn。