点火方式对高温后叠氮化铅起爆能力的影响.pdf

火工品2023年0 8 月INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：10 0 3-148 0（2 0 2 3）0 4-0 0 38-0 52023年第4期点火方式对高温后叠氮化铅起爆能力的影响彭加斌，刘正彦，肖勇，冯晋珑，徐放，徐良，陈联党（物华能源科技有限公司，陕西西安，7 10 0 6 1）摘要：为探究点火方式对高温后叠氮化铅（LA）起爆能力的影响，以羧甲基纤维叠氮化铅（CMC-LA）作为始发装药装填于某耐高温雷管中，采用电点火头、破片和撞击火帽3种点火方式，对未经历高温和经历2 30/10 0 h后装填CMC-LA雷管的起爆能力进行了试验。结果表明：未经历高温的CMC-LA在3种点火方式下起爆HNS-I的成功率均为10 0%；经历2 30/10 0 h后的CMC-LA在电点火头、破片和撞击火帽点火方式下起爆HNS-I的成功率分别为6 0%8 7.5%和10 0%。关键词：叠氮化铅；点火方式；起爆能力；高温中图分类号：TJ55；T Q 56 3文献标识码：AD0I:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.008Effect of Different Ignition Modes on Initiation Ability of Lead Azide after Exposed in High TemperaturePENG Jia-bin,LIU Zheng-yan,XIAO Yong,FENG Jin-long,XU Fang,XU Liang,CHEN Lian-dang(Wuhua Energy Technology Co.Ltd.,Xian,710061)Abstract:In order to explore the influence of ignition mode on the initiation ability of Lead azide(LA)after exposed inhigh temperature,carboxymethyl fiber Lead azide(CMC-LA)was used as the initial explosive to fll in some high-temperatureresistant detonator,experimental studies were conducted on the initiation ability of detonators containing CMC-LA unexposed inhigh temperature and exposed in 230C/100h under three ignition modes of electric matchhead,fragments,and percussion cap.The results show that the success rates of CMC-LA initiating HNS-II unexposed in high temperature under three ignition modesare all 100%;The success rates of CMC-LA initiating HNS-II exposed in high temperature under the ignition modes of electricmatchhead,fragments,and percussion cap are 60%,87.5%,and 100%,respectively.Key words:Lead azide;Ignition mode;Initiation ability;High temperature在油气井射孔领域经常使用耐高温火工品，随着油气井越来越深，井温越来越高，对耐高温火工品的耐温要求也越来越高。目前能满足2 30 C/100h耐温指标的传统起爆药只有叠氮化铅（LA）。然而，在经历长时间的高温后，LA会发生不可忽视的热分解!,导致其感度和起爆能力下降，进而影响含LA火工品的作用可靠性。为此，工程应用中往往通过增加起爆药量的方式来提高火工品在长时间高温环境下的作用可靠性，因此，超高温环境下使用的火工品的起爆药量远大于一般用途火工品。此外，一些学者研究了不同点火和起爆方式对火工品能量输出特性的影响。收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 6作者简介：彭加斌（196 8-），男，正高级工程师，从事油气井用火工品技术研究。王俊杰等2 研究了不同点火方式对无起爆药雷管爆轰性能的影响。张彦等3 研究了不同点火方式对延期雷管延期时间的影响。李东伟等4 研究了不同起爆方式对炸药爆炸冲击波压力场空间分布及量值的影响。但目前尚未见到关于点火方式对高温后LA起爆能力影响的研究报道。本文采用电点火头、破片和撞击火帽3种点火方式对未经历高温和经历2 30 C/100h耐温试验后的羧甲基纤维叠氮化铅（CMC-LA）的起爆能力进行了试验研究，以期在不增加起爆药量的情况下，通过改变点火方式来提高高温后CMC-LA的起爆能力，为超2023年0 8 月高温火工品的作用序列设计提供参考。1火工品制作火工品mg HNS-II;主装药为 50 0 mg HNS-II。本体药剂39垫片火台1.1电点火头电点火头由脚线、电极塞、点火头和“聚能”胶套组成，如图1所示。点火药主要成分为超细钛粉和超细高氯酸钾粉末，配方为W铁粉：W高氟酸帅=41：59，外加3%的氟橡胶粘合剂。每发电点火头的点火药质量为40 45mg。参照文献5 中的制备工艺制作电点火头，并在点火头上套上“聚能”胶套，通过定向聚能措施提高其点火可靠性。脚线电极塞“聚能”胶套点火头图1某电点火头示意图Fig.1 Illustration of some electric matchhead1.2施主电雷管施主电雷管由电点火头、管壳、始发装药和主装药组成，电点火头与管壳进行卡腰，如图2 所示。施主电雷管始发装药为50 mgCMC-LA；主装药为500mgPETN，装药密度为0.7 18 gcm3；管壳为铝质材料，管壳底厚度为0.2 mm。电点火头管壳始发装药主装药图2 施主电雷管示意图Fig.2 Illustration of electric detonator as a donor1.3撞击火帽撞击火帽由本体、药剂、垫片、火台组成，如图3所示。火帽本体和火台均为不锈钢材料，采用过盈配合，火台中间设置有2 个2mm2.8mm的通孔；垫片为纯铝材料，厚度为0.2 mm；装药种类和装药量与电点火头相同。1.4基础雷管基础雷管由管壳、加强帽（含始发装药）和主装药组成，如图4所示，用于与电点火头配合进行点火。基础雷管管壳和加强帽均为铝质材料；加强帽孔处垫有防潮铝质盖片,始发装药为2 0 0 mgCMC-LA和17 0图3某撞击火帽示意图Fig.3 Ilustration of some percussion primer管壳图4某基础雷管示意图Fig.4 Ilustration of some basic detonator1.5起爆器起爆器由本体、加强帽（含始发装药）和主装药组成，如图5所示。起爆器本体为铝质材料，其装药种类及装药量与基础雷管相同。图5某起爆器示意图Fig.5Illustration of some initiator2试验将若干发基础雷管和若干发起爆器置于抗爆罐中，再放人到高温烘箱中，调温至2 30，保持10 0 h，然后自然冷却至室温。采用3种点火方式，分别对未经历高温和2 30 C/100h耐温试验后的基础雷管和起爆器的起爆能力进行试验。2.1电点火头点火方式电点火头点火试验装置示意图如图6 所示。图6 电点火头点火方式示意图Fig.6 Diagram of electric matchhead initiating the basicdetonator加强帽（含始发装药）主装药加强帽（含始发装药）一本体主装药组合体起爆器本体验证板支撑座40将电点火头与基础雷管进行卡腰形成“组合体”，放置于起爆器本体通孔中，起爆器本体垂直放置于45#钢验证板上。采用起爆仪起爆电点火头，电点火头发火产生火焰、炙热残渣和弱冲击波等7-8 冲击基础雷管加强帽中的CMC-LA，进而起爆主装药HNS-II。2.2破片点火方式破片点火试验装置示意图如图7 所示。施主电雷管的底端到起爆器的最短距离为2 8 mm。采用起爆仪起爆施主电雷管，雷管爆炸产生的破片撞击起爆器加强帽中的CMC-LA，进而起爆主装药HNS-II。图7 破片点火方式示意图Fig.7Diagram of fragments initiating the initiator2.3撞击火帽点火方式撞击火帽点火试验装置示意图如图8 所示。采用2kg落锤从0.5m高处自由下落撞击击柱，击针撞击火帽，火帽发火冲击起爆器加强帽中的CMC-LA，进而起爆主装药HNS-II。彭加斌等：点火方式对高温后叠氮化铅起爆能力的影响气井工程实际应用相符。表1不同点火方式的试验情况Tab.1Test results of the schemes未经历高温点火方式起爆成功数/试验数成功率%电点火头20/20低速破片20/20撞击火帽20/20施主电雷管一固定套起爆器验证板支撑座击柱击针撞击火帽起爆器验证板2023 年第 4 期对应的起爆成功率分别为6 0%、8 7.5%和10 0%，这是由于在2 30 C/100h下，CMC-LA发生了不可忽视的热分解，分解产生的铅污染了尚未分解的CMC-LA，从而导致其感度和起爆能力均有一定程度下降9。但此时CMC-LA仍具有较强的起爆能力，与国内外油起爆成功数/试验数成功率%10012/2010035/4010040/40图9验证板上的炸坑照片Fig.9 Photo of explosion pit on 45 steel witness plate3.2电点火头点火方式讨论采用电点火头点火时，CMC-LA对HNS-II的起爆成功率在耐温试验后从10 0%降为6 0%。这是由于电点火头发火产生的火焰、炙热残渣和弱冲击波等主要冲击CMC-LA装药表面，而经历2 30 C/100h后CMC-LA的纯度变低、感度下降，从而导致其DDT的起爆深度增加10 。当其起爆深度大于CMC-LA的装药高度时，DDT就很难实现，此时雷管仅发生爆燃，如图10 所示。230/10 0 h 试验后6087.5100图8 撞击火帽点火方式示意图Fig.8Diagram of percussion primer initiating the initiator图10 基础雷管爆燃后残留物照片3结果与讨论3.1试验结果试验后验证板表面上的典型炸坑照片如图9所示。以炸坑深度不低于0.3mm作为CMC-LA起爆成功的判据，试验结果如表1所示。由表1可知，3种点火方式均能使未经历高温的CMC-LA可靠起爆HNS-II（起爆成功率均为10 0%）；但2 30 C/100h试验后，电点火头点火、破片点火和撞击火帽点火方式Fig.10 Photo of residue from the basic detonator deflagration这是目前油气井用电雷管在高温井射孔作业中出现断爆或爆燃的主要原因之一。采用这种点火方式时，为提高CMC-LA在高温下的起爆能力，可以增加CMC-LA的装药高度，使其大于高温后CMC-LA的起爆深度，从而实现DDT过程。3.3低速破片撞击点火方式讨论采用低速破片点火时，CMC-LA对HNS-II的起爆成功率在耐温试验后从10 0%降为8 7.5%，起爆失2023 年0 8 月败形式为起爆器发生爆燃，如图11所示。(a)图11起爆器爆燃残留物Fig.11 Photo of residue from the initiator deflagration为了探究起爆失败原因，将施主电雷管的主装药密度（0.7 18 gcm*3）增大至正常雷管装药密度（1.55gcm3），其它参数不变，进行对比试验。试验结果为：主装药密度增大后，40 发施主电雷管全部使耐温试验后的CMC-LA可靠起爆HNS-II（起爆成功率为100%）。分析认为，起爆成功率增大，与主装药密度增大后施主电雷管产生的破片速率有关。施主电雷管输出端面到起爆器中CMC-LA装药端面之间的距离为2 8 mm。对于如此长的空气隙，施主电雷管起爆CMC-LA以破片作用为主，即雷管爆炸后底部壳体产生的破片撞击CMC-LA起爆。因此，破片速率是CMC-LA能否可靠实现DDT的关键。施主电雷管爆炸产生破片的最大理论速率（vo）可以通过OpeningSandwichGurney模型和相关公式-12 进行估算:Vso=V2E2E-D)11r=p/(0.14+0.26p)式（1）（3）中：E为格尼能；tmflme=0.4（mf为雷管底部破片质量，me为有效装药质量）；D为理论爆速，447 8 ms-19;r为炸药爆轰产物的多方指数;p为施主电雷管主装药PETN的密度，0.7 18 gcm3。计算可得vo为1941 ms-l。破片经过空气隙（l=28mm）后撞击起爆器中的CMC-LA，撞击前的破片理论速率（vr）为：V,=Vfo11-1+式（4）中：为施主电雷管中PETN装药厚度，28mm；为材料常数，在1.3 3范围内取值。计算火工品可得v在47 1 1115ms-l之间，远远小于正常装药密度雷管产生的破片速率（2 0 0 0 40 0 0 ms-）。CMC-LA被破片撞击后的起爆深度取决于破片速率和作用时间，而作用时间取决于破片厚度，由于对比试验中2 种施主电雷管底部的管壳厚度相等，因(b)此，破片速率是CMC-LA起爆深度的决定因素。破片速率越大，撞击起爆深度就越低13，因此，提高施主电雷管主装药密度，可以提高破片撞击速率，从而降低CMC-LA起爆深度，实现高温后CMC-LA起爆HNS-I的可靠性。而对于低速破片点火方式，未经高温的CMC-LA对HNS-II的起爆成功率为10 0%,说明未经历高温的CMC-LA的起爆深度小于其装药高度；而2 30 C/100h后起爆成功率降低为8 7.5%，说明此时CMC-LA的起爆深度接近其装药高度,这与CMC-LA在长时间高温环境下的热分解有关。这也解释了油气井射孔中采用CMC-LA火工品实现远距离枪间传爆（两射孔枪之间的火工品破片起爆殉爆）仍有失败的原因：上一级枪传爆管爆炸输出的破片速率不够，导致下一级枪含起爆药传爆管起爆失败。3.4撞击火帽点火方式讨论采用撞击火帽点火时，CMC-LA对HNS-I的起爆成功率在耐温试验后仍为10 0%。这是火帽发火产(1+51+42)1/2生飞片撞击CMC-LA产生热点和火帽中的药剂爆燃(1)3(2)(3)71/2(-1)41定向释能7 双因素叠加耦合的结果。撞击火帽受到撞击发火后，其药剂发生爆燃，爆炸产物将垫片沿火台通孔剪切成飞片，飞片在通道（相当于加速膛）被爆炸产物持续推动加速，获得一定速度后撞击起爆器中的始发装药CMC-LA。飞片的最大速率（v）满足：V=V2aHF-PSPSa=mpVp.S.Sp.式（5）（6）中：a为飞片的加速度；H为火台通孔长度，2.8 mm；F为加载到飞片上的合力；m为飞片质量；P为作用到飞片上的气体压强；S为飞(4)片面积；p为铝垫片密度，2.7 gcm；8 为飞片厚度。由于药剂爆燃速率太快且火台通孔长度（2.8mm）短，为简化计算，将飞片在通孔中加速近似作(5)P(6)42匀加速处理。将式（6）带入式（5）可得：2HPV=V2aH=J2H.=JV由材料力学相关理论依次得出：P.Sm=T.S MP元r2=T元2r.5P=2t:/r式（8）（10）中：t为垫片纯铝的剪切强度，取36 MPa；r 为通孔半径，1mm；S为飞片的截面积；S侧为飞片的剪切面积。将式（10）带人式（7）可得：2HP2H.2t5V=Vp.sVp.sr计算可得撞击火帽产生飞片的最大理论速率为386msl，远小于电雷管破片的最小理论速率（47 1ms)。因此，与低速破片点火方式类似，撞击火帽产生的低速飞片撞击高温后的CMC-LA的起爆深度大于其装药高度，很难使 CMC-LA发生DDT。但由于火帽中的药剂爆燃定向释能7，药剂爆燃产生的炙热残渣紧随飞片之后，快速加载到飞片产生的热点上，使热点温度继续增大，加快了CMC-LA的DDT过程，使高温后的CMC-LA起爆深度小于其装药高度，因此撞击火帽点火方式能够使高温后的CMC-LA100%起爆HNS-II。这也解释了撞击火帽点火方式在油气井起爆中一直比较可靠的原因。4结论本文对电点火头点火、破片点火和撞击火帽点火3种油气井射孔中常见的点火方式对高温后CMC-LA起爆能力的影响进行了试验研究，结果表明：（1）电点火头点火方式对高温后CMC-LA起爆能力的影响最大，这是由于电点火头发火产生的火焰、炙热残渣和弱冲击波主要作用于CMC-LA的表面（热损失相对较大）。为提高其起爆能力，可以通过增加CMC-LA的装药高度，使其大于高温后CMC-LA的起爆深度，从而实现DDT过程。（2）破片点火方式对高温后CMC-LA起爆能力彭加斌等：点火方式对高温后叠氮化铅起爆能力的影响(7)(8)(9)(10)4Ht(11)VprV2023年第4期的影响取决于施主火工品的破片速率大小，施主火工品的破片速率越大，高温后的CMC-LA起爆能力越强。可以通过提高施主火工品装药密度，提高破片撞击速率，降低CMC-LA起爆深度，实现DDT过程。（3）撞击火帽点火是破片撞击点火和电点火头点火方式的结合，对高温后CMC-LA起爆能力的影响很小，起爆可靠性最高。参考文献：1劳允亮，盛涤伦火工药剂学M北京：北京理工大学出版社,2 0 11.2王俊杰，李瑞，黄寅生，等。不同点火条件下无起爆药雷管实验.工程爆破,2 0 16,2 2(3):34-39.3】张彦，刘锋，韩体飞，等。电点火头和导爆管两种点火方式对延期时间的影响.爆破器材,2 0 16,45(6):35-38.4】李东伟,亢慧，熊国松，等.起爆方式对炸药爆炸冲击波压力场影响研究.兵器装备工程学报,2 0 2 1,42(5)：7 9-8 3.5杜伟兰，彭文林，聂祥进，等。以硝酸肼镍为基药的电点火头的制备及性能J.爆破器材,2 0 16,45(5):35-38.6王俊杰，黄寅生，李锦涛，等飞片式无起爆药雷管结构研究.火工品,2 0 16(4):13-16.7彭加斌，魏领，王雪艳，等。一种无起爆药撞击火帽的输出特性.含能材料,2 0 19,2 7(9):7 7 9-7 8 5.8 韩韩体飞,邬敦杰，张哗，等.桥丝式电点火头发火能量的输出形式.火工品,2 0 16(5):2 1-2 4.9惠君明，陈天云.炸药爆炸理论M.南京：江苏科学技术出版社,1995.10 C.A.Handley B.D.Lambourn N.J.Whitworth,et al.Under-standing the shock and detonation response of the highexplosives at the continum and meso scales.AppliedPhysics Reviews,2018,5(1):1-65.11】高位，杨样，肖师云，等。格尼公式对含铝炸药驱动破片速度的估算分析 兵器装备工程学报,2 0 2 1,42(8):2 7 2-2 7 5.12陆守香,于春红.飞片雷管中飞片起爆冲能的分析.爆破器材,1998,2 7(2):4-7.13】王凯民，于宪峰，蔡瑞娇，等传爆序列飞片起爆理论研究及应用.探测与控制学报,2 0 0 7,2 9(4):57-6 0.