基于高速摄像的断药导爆管传爆过程研究.pdf

2 0 1 3 年6 月基于高速摄像的断药导爆管传爆过程研究胡升海等 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 1 0 基于高速摄像的断药导爆管传爆过程研究拳 胡升海房泽法巫雨田 武汉理工大学资源与环境工程学院 湖北武汉，4 3 0 0 7 0 [ 摘要]结合高速摄像技术对不同断药长度导爆管的传爆过程进行了试验研究，得到本试验所用1 7 4 5 m ／s 爆速 导爆管的可靠传爆的最大断药长度为2 0 c m ，超过2 5 c m 必然断爆的结论。通过对高速摄像图像的分析，发现成功 传爆的长间距断药管内及其前后的波速呈现出由正常到最小再到正常的规律，且其拐点并不出现在无药和有药的 交界，而是在进入正常有药管一段距离之后。同时得到了维持导爆管可靠传爆的管内冲击波l 临界速度为4 0 0 m ／s 的结论。 [ 关键词] 高速摄像导爆管断药长度传爆过程 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 2 引言 导爆管在加工时管壁药粉不足及在装配运输过 程中经受颠簸、震动，可能导致管壁药粉出现断药。 断药导爆管在传爆时，管内爆轰波的能量在断药区 内将会不断衰减，断药长度较短时可能会引起爆速 波动；断药长度过长时可能使导爆管出现断爆，导致 与其连接的起爆系统发生拒爆。陈士海j 、郝建 春心J 、廖小翠∞4 1 对导爆管可靠传爆的最大断药长 度进行过研究，在各自试验条件下，分别得到最大断 药长度为1 5 c m 、1 7 e m 及1 9 c m 的结论。 试验旨在通过对不同断药长度的导爆管传爆过 程进行高速摄像观测，一方面对导爆管可靠传爆的 最大断药长度的有关结论进行验证；另一方面观察 导爆管出现断药时，在断药前后及在断药管内爆轰 波或冲击波的变化情况，分析其断药传爆机理。 1 试验材料与高速摄像系统 试验所用器材主要为高速摄像机、导爆管、电 脑、起爆针、起爆器、导线、游标卡尺、卷尺、普通刀 片、透明胶布、半框形木架等。其中导爆管为普通塑 料导爆管，外径为 3 ．2 0 ．1 m m ，内径为 1 ．5 0 ．1 a i m 。试验采用日本P h o t r o n 公司的F a s t c a m S A l ．1 型高速摄像机。该相机在全画幅1 0 2 4 1 0 2 4 像素的分辨率下能够达到5 4 0 0 帧／秒的拍摄 速率，在降低至6 4x6 4 像素的最小分辨率时可达到 最高为6 7 ．5 1 0 4 帧／秒的拍摄速率。最快的电子 快门为3 7 0 n s ；可选择A V I 、T I F F 、J P G 、B M P 等图像 存储格式。 高速摄像试验系统 图1 由高速摄像机、装有 专业数据采集软件的笔记本电脑、被测导爆管、起爆 器、同步控制仪等组成，由于导爆管在传爆过程中会 发出亮光，所以无需外加光源。 图1高速摄像试验系统示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g hs p e e d p h o t o g r a p h ye x p e r i m e n t a ls y s t e m 2 试验方法 准备4 0 c m 长的导爆管试样若干，在已传爆过 的导爆管上截取一定长度作为试验中的断药管，用 强力透明胶布将断药管两端与两段正常的导爆管对 接起来，以此组合成完整的试验用不同断药长度的 导爆管试样。 制作一内宽为4 0 ．0 c m 的半框形木架，并在木 架两木条的同一高度处，各刻深度为1 c m ，宽度比导 爆管内径略小的凹槽，以此卡住试验用的导爆管，使 其保持平直状态，便于高速摄像机观测。装好断药 { I } 收稿日期2 0 1 3 - 0 3 - 1 4 作者简介胡升海 1 9 8 9 一 ，男，硕士，主要研究方向爆炸作用及效应。E m a i l h u s h 2 0 1 4 s i n a ．c o r n 通信作者房泽法 1 9 5 4 一 ，男，教授，主要从事工程爆破方面的研究。E m a i l f a n g z e f a 2 6 3 n e t 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 导爆管并插入起爆针的木架如图2 所示。 分别始于视场左起7 ．7 c m 、6 ．6 c m 及2 ．5 c m 。 图2 断药导爆管试验装置图 F i g ．2 D e v i c es e t - u po fe x p l o s i v e f a u l t sn o n e lt u b ee x p e r i m e n t 试验时以1 9 c m 断药长度起始值，1c m 为步长进 行试验。为使试验结果可靠，每组试验至少进行1 0 次。每次试验都辅以高速摄像机记录其传爆过程。 在正式拍摄前，以正常导爆管为对象进行预拍摄来 调试相机，确定合适的拍摄参数。 3 试验结果与图像 3 ．1 传爆试验结果 对不同断药长度的导爆管，进行了多次的试验， 每次试验后，通过观察分析试验后的导爆管及高速 摄像图像来辨别是否传爆，其试验结果见表1 。 表1不同长度断药导爆管传爆情况 T a b ．1C h a r to fd i f f e r e n te x p l o s i v ef a u l t sn o n e l t u b ed e t o n a t i o np r o p a g a t i n gs t a t e 由表1 可知，维持该导爆管可靠传爆的最大断 药长度为2 0 c m ，超过2 5 c m 必然导致传爆中断，断药 长度在2 0 c m 与2 5 c m 之间时则可能传爆，也可能不 会传爆。该试验结论只适合试验所选爆速为 1 7 4 5 m ／s 的导爆管，与文献[ 1 - 5 ] 的结论 1 5 1 9 c m 稍有不同。 实际上，不同厂家生产的导爆管，其管内涂药品 种、装药量、线密度及粒度不同，导爆管的起爆及传 爆性能也不同∞刁J ，因此维持导爆管可靠传爆的最大 断药长度也不同。 3 ．2 高速摄像图像 由于每组不同断药试验的高速摄像图像具有相 似性，这里只列出3 组作为分析，如图3 、图4 、图5 所示。其拍摄速率均为1 2 ．5 1 0 4J 彬秒，物距均 为4 ．2 5 m ，视场宽度均为4 1 ．0 c m 。2 0 、2 3 、2 4 c m 断药 图32 0 c m 断药导爆管成功传爆的高速摄像图像 F i g ．3H i g hs p e e dp h o t o g r a g h so f2 0 c me x p l o s i v ef a u l t s n o n e lt u b es h o w i n gs u c c e s s f u lp r o p a g a t i n gd e t o n a t i o n 图42 3 c m 断药导爆管成功传爆的高速摄像图像 F i g ．4H i s hs p e e dp h o t o g r a g h so f2 3 c me x p l o s i v ef a u l t s n o n e lt u b es h o w i n gs u c c e s s f u lp r o p a g a t i n gd e t o n a t i o n 图52 4 c m 断药导爆管未成功传爆的高速摄像图像 F i g ．5H i g hs p e e dp h o t o g r a g h so f2 4 c me x p l o s i v ef a u l t s n o n e lt u b es h o w i n gu n s u c c e s s f u lp r o p a g a t i n gd e t o n a t i o n 4 图像数据处理与分析 4 ．1 数据处理 为便于观察与测量，首先在计算机上对每幅图 像进行统一的适当的放大及去雾处理。然后用尺寸 测量软件测出经放大的每幅图像中光信号最前端离 左边缘的距离及放大后图像的宽度，得到二者的比 值；图像的实际视场宽度每次试验时可以测得，且在 相机参数一定的情况下，视宽与物距成正比。从而 可得每幅图像中光信号最前端离左边缘的实际距 离；计算相邻两图幅间光信号的位移，而相邻图幅的 时间间隔为拍摄速率的倒数，从而可得各相邻时刻 间导爆管传爆的平均速度。按此方法多次试验计 算，得到导爆管爆速在1 7 1 0 1 7 7 0 m ／s 之间，均值为 1 7 4 5 m ／s ，且对于任意两根用透明胶布对接的正常 导爆管，对接前后爆速几乎无变化。 为准确分析断药导爆管内爆轰波或冲击波的变 化情况，对2 0 c m 断药导爆管内爆轰波的爆速进行 了计算。 图3 中第5 6 幅图像开始其波阵面已传至拍摄 L I 譬一卜 ；I，_．ti 万方数据 2 0 1 3 年6 月基于高速摄像的断药导爆管传爆过程研究胡升海等 范围外，故仅对前5 5 幅图像进行爆速计算与分析。 为节省篇幅，这里只列出其中部分图幅对应的爆速， 如表2 所示。 表22 0 e m 断药导爆管爆速 T a b ．2C h a r to fd e t o n a t i o np r o p a g a t i n gs p e e d o fn o n e lt u b ew i t h2 0 c me x p l o s i v ef a u l t s 图距离S爆速∥图距离S爆速∥ 号 ／m m m s 。1 号 ／m m m s 。1 2 3 2 ．51 7 5 03 02 6 8 ．86 5 0 46 0 ．31 7 3 83 2 2 7 8 ．8 6 1 3 57 4 ．21 7 3 83 42 8 7 ．95 5 0 68 8 ．01 7 2 53 6 2 9 6 ．3 5 2 5 81 1 3 ．61 5 3 83 83 0 4 ．45 0 0 1 01 3 5 ．01 2 6 3 4 0 3 1 2 ．14 7 5 1 21 5 3 ．41 0 8 84 23 1 8 ．94 1 2 1 41 6 9 ．39 8 84 33 2 2 ．14 0 0 1 61 8 4 ．49 2 54 43 2 6 ．04 8 7 1 8 1 9 8 ．48 6 34 63 3 5 ．26 1 2 2 02 1 1 ．48 0 04 83 4 6 ．07 1 2 2 22 2 3 ．87 6 35 03 5 8 ．68 0 0 2 42 3 5 ．77 3 75 23 7 2 ．89 1 3 2 62 4 1 ．57 1 25 43 9 0 ．51 2 2 5 2 8 2 5 8 ．36 8 85 54 0 3 ．3 1 6 0 0 根据每幅图像对应的爆速，可以作出2 0 c m 断 药导爆管的爆速与对应像幅的关系曲线，见图6 。 2 1 l 1 三1 曼1 ≥ 图62 0 c m 断药导爆管爆速变化曲线 F i g ．6C h a n gc u r v eo fd e t o n a t i o np r o p a g a t i n g s p e e do fn o n e lt u b ew i t h2 0 c me x p l o s i v ef a u l t s 4 ．2 图像结果分析 对比图3 和图4 可以看出，成功传爆的断药导 爆管内爆轰波的变化特征很明显，且类似。在开始 一段距离内，导爆管正常传爆，光区亮度较强；之后 光区亮度逐渐且明显变暗，说明爆轰波传爆到断药 部位；经过一个较暗的区域后，亮光又逐渐增强，说 明导爆管又传爆到正常段。图中的光信号回传现象 是由高温爆轰气体导致的。 两组图像又有着明显的不同，图4 中暗图更多。 其原因是由于图4 中冲击波经历的无药历程较图3 更长，波的衰减更严重，将导爆管重新激发的过程就 更艰难。 图5 管内冲击波由强变弱的特征与成功传爆时 相似，所不同的是，光区亮度没有出现由暗变亮，而 是越来越暗，直至完全湮灭。显然其原因是导爆管 断药长度太长，冲击波能量得不到及时的补充，在重 新进入涂药导爆管时，其强度已衰减得非常弱小，不 能激起足够多的药粉参与化学反应，产生能量，维持 冲击波传播，致使传爆终止。 图3 中，断药始于像幅视场自左起7 ．7 c m ，止于 2 7 ．7 c m ，从表2 可以看出，7 ．7 c m 对应于第5 像幅与 第6 像幅之间 将图像放大观察也可看出 ，爆轰波 在进入到无药区后，由于缺乏有效的能量补充，冲击 波强度及速度逐渐降低，光亮度逐渐减弱。2 7 ．7 c m 对应于第3 1 与第3 2 幅图像之间，冲击波以6 2 0 m ／s 左右的速度自无药区进入有药区，但图中并未显示 出第3 2 幅图像与其相邻图像有何明显不同，且之后 一段时间其爆速和亮度仍继续降低。至第4 3 幅图 像，冲击波已进入有药管内约4 ．5 c m ，波速降至最低 值4 0 0 m ／s ，之后速度逐渐提高。自第3 2 到第5 5 幅 图像，冲击波已进入有药管内约1 2 ．6 c m ，据图像信 号波亮度可知，至第5 8 幅时爆轰波波速完全达到正 常，此时离断药区距离约为1 6 ．8 c m 。这一距离同另 一高速摄像试验所测得的1 8 ．5 c m 以及文献[ 8 ] 的 1 6 ．7 e m 的导爆管在起爆针作用下的爆轰不稳定段 长度接近。 导爆管内的冲击波自断药段进入到正常段并成 功传爆的过程，实质是导爆管在轴向弱激发下的起 爆过程。导爆管能否被轴向起爆，取决于导爆管本 身性能和激发冲量的强度及作用过程。每种导爆管 起爆时都要求起爆冲击波的传播速度达到或超过某 一临界值，这是起爆导爆管的第一个必要条件。另 一个必要条件是起爆冲击波对导爆管持续作用的时 间必须足够长，以保证所引发的化学反应放出的能 量使起爆冲击波阵面维持必要的压力。 当弱冲击波刚传人涂药管内时，其传播速度仍 持续下降，图像亮度继续变暗，说明冲击波初进入涂 药管阶段仅有少量炸药颗粒被激发。其原因就是由 于未达到导爆管起爆的第二个必要条件，即起爆冲 击波对导爆管持续作用的时间必须足够长。初始激 发冲量越弱，炸药颗粒的爆发延滞期越长。在该弱 冲击波继续衰减前行的同时，药粉虽然未被立即激 发，但是一直在承受着该弱冲击波的持续作用，随着 作用时间的增长，炸药颗粒的温度逐渐升高，越来越 多的炸药颗粒逐渐达到活化状态并发生化学反应， 万方数据 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 为该弱冲击波补充能量，冲击波能量的增强也将激 发更多的炸药颗粒，最终促使弱冲击波转化为稳定 的爆轰波，断药导爆管成功传爆。 以上分析可知，冲击波经过一定长度断药导爆 管后仍能成功传爆的原因主要是导爆管内有效反应 区长度较长旧J ，且管道效应减轻了爆轰波能量的衰 减，衰减后的冲击波速度大于某一临界值时，便能重 新起爆涂药导爆管；若断药长度过长，爆轰波衰减至 小于该临界值时，则不能重新起爆涂药导爆管，传爆 终止。2 0 e r a 间距断药导爆管试验中，冲击波速度最 低值为4 0 0 m ／s 时，仍成功传爆，而2 0 c m 为可靠传 爆的最大断药长度，因此可以认为该临界值为 4 0 0 m ／s 。 总结爆轰波或冲击波在断药导爆管内的变化情 况得出从冲击波进入断药区直至进入涂药区区间 内，其波速一直衰减，衰减至最低后，再逐渐上升至 正常速度。波速由下降到上升的拐点，是出现在进 入正常有药区一段不长的距离处。 5 结论 利用高速摄像机对不同长度断药的导爆管进行 了试验研究，得到如下主要结论 1 随着导爆管断药长度的增加，导爆管成功传 爆的可能性逐渐减小。不同厂家生产的导爆管可靠 传爆的最大断药长度值不同，本试验所用爆速值为 1 7 4 5 m ／s 的普通塑料导爆管可靠传爆的最大断药长 度为2 0 c m ，超过2 5 c m 必然断爆，这一结果与其他研 究者所得结果相近。这一结论对导爆管的生产及应 用有一定的参考作用。 2 爆轰波或冲击波在小于最大断药长度的长 断药导爆管内的传播过程中，其传播速度呈现先逐 渐下降至最小，后又逐渐上升至正常的规律。且其 波速由正常到最小再到正常的拐点并不出现在无药 和有药的交界处，而是在进入正常有药导爆管一段 距离之后。 3 维持断药导爆管可靠传爆的管内冲击波速 度的临界值约为4 0 0 m ／s ，低于该值将可能导致导爆 管断爆。 参考文献 [ 1 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i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y H u b e iW u h a n ，4 3 0 0 7 0 [ A B S T R A C T ]B yh i g hs p e e dp h o t o g r a p h y ，d e t o n a t i o np r o p a g a t i n go fd i f f e r e n te x p l o s i v ef a u l t sn o n e lt u b e sw a ss t u d i e d ． I nf a u l t sn o n e lt u b e so f1 7 4 5 m ／s ，t h em a x i m u me x p l o s i v ef a u l t sl e n g t hf o rt h er e l i a b l ed e t o n a t i o np r o p a g a t i o ni s2 0 c m ， w h i l ea b o v e2 5a mi td e f i n i t e l yr e s u l t si nb l a s t i n gi n t e r r u p t i o n ．T h r o u g ht h ea n a l y s i so fh i g hs p e e dp h o t o g r a p h s ，w a v es p e e d s f o rs u c c e s s f u ld e t o n a t i o ni nt h et u b ew h i c hc o n s i s to fl o n gd i s t a n c ee x p l o s i v ef a u l t st e n d st o c h a n g ef r o mn o r m a lt oam i n i m u ma n dt h e nr e t u r n st on o r m a l ，w h e r et h ek n e ep o i n td o e sn o ta p p e a ra tt h ej u n c t i o np o i n to fn o r m a ln o n e la n de x p l o s i v e f a u l t sn o n e l ．b u tw i t h i nas h o r td i s t a n c ei nt h en o r m a lt u b e ．T h ec o n c l u s i o nt h a tc r i t i c a ls p e e do fs h o c kw a v et h a tk e e pe x - p l o s i v ef a u l t sn o n e lt u b er e l i a b l ei s4 0 0 m ／sh a sa l s ob e e no b t a i n e d ． [ K E YW O R D S ] h i g hs p e e dp h o t o g r a p h y ，n o n e lt u b e ，e x p l o s i v ef a u l t sl e n g t h ，d e t o n a t i o np r o p a g a t i n gp r o c e s s 万方数据