CN102608160A

CN102608160A - 火炸药热爆炸临界压力试验系统

Info

Publication number: CN102608160A
Application number: CN2012100516622A
Authority: CN
Inventors: 丁黎; 刘文亮; 张皋; 张腊莹; 王琳; 潘�清; 杨惠梅
Original assignee: Xian Modern Chemistry Research Institute
Current assignee: Xian Modern Chemistry Research Institute
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: CN102608160B

Abstract

本发明公开了一种火炸药热爆炸临界压力试验系统，包括耐压加热单元、压力控制单元、载样器单元、分解产物检测单元和计算机；耐压加热单元包括单腔加热炉体，炉腔内装有与所述计算机相连的温度传感器，单腔加热炉体的温度、升温速率和压力受计算机控制；压力控制单元包括高压气瓶、充压气路管、充压电磁阀、导热层外展沿充压管、泄压气路管、泄压电磁阀、安全阀气路管、安全阀和压力传感器；载样器单元包括L型支架、步进电机、2个定滑轮，钢丝绳，炉盖、样品池支架和样品池，气体分解产物检测单元包括样品池内的红外传感器；计算机装有数据采集卡、图形显示控件和数据处理单元可以辨识热分解转燃烧或爆炸的临界状态，获得临界压力参数。

Description

火炸药热爆炸临界压力试验系统

技术领域

本发明属于火炸药性能测试领域，主要涉及一种火炸药热爆炸临界参数测试装置，特别是一种火炸药热爆炸临界压力试验系统，该系统采用隔离操作方式，将一定尺寸的火药或炸药试样置于专用防爆炉内，在等温、非等温条件下对试样加压，测定试样在压力环境下发生燃烧或爆炸时的临界压力、临界温度及临界尺寸等热爆炸参数。

背景技术

火炸药最终产品或中间物料，生产工艺、加工工艺过程及使用过程中会经受温度载荷、压力载荷的共同作用。对于药柱尺寸较小或堆积尺寸较小的情况，温度载荷、压力载荷作用产生的热量能及时散发出去，因而不会产生自加热和燃烧，对于尺寸较大的药柱、加工过程中的药浆或堆积存放过量的火炸药产品，分解放热不能及时传导使火炸药自加热而温度升高，导致燃烧甚至爆炸。准确获得火炸药热爆炸临界参数是评价火炸药在生产工艺过程或弹药使用过程中不发生意外的燃烧或爆炸事故的关键依据。

火炸药热爆炸临界参数是指火炸药在热刺激作用下处于爆炸临界状态时的参数，包括热爆炸临界温度、延滞期、临界尺寸及临界压力等。环境载荷温度和压力对热爆炸临界参数存在单独及耦和作用，即不同温度下火炸药的临界压力可能不同，不同压力环境下的临界温度、尺寸也会不同，因此，需要在温度和压力两种环境因素可变的条件下，研究热爆炸临界参数，以及温度和压力对临界参数的单独及耦和作用效应。

热爆炸理论根据热量生成和散失建立热平衡方程，通过求解偏微分方程获得热爆炸临界参数，但是由于热分解反应的复杂性，火炸药的热分解活化能、导热系数测定引入的误差使得计算获得的热爆炸临界参数不理想。实验研究一直落后于理论研究。现有的热分析手段试验获得的临界参数测试装置，仅适用于毫克级或克级样品，样品量小并且没有考虑尺度效应，因此与实际药柱或药浆偏差较大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种火炸药热爆炸临界压力试验系统，该系统采用隔离操作方式，将一定尺寸的火药或炸药试样置于专用防爆炉内，在等温、非等温条件下对试样加压，测定试样发生燃烧或爆炸时的热爆炸临界压力、临界尺寸及临界温度。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现：

一种火炸药热爆炸临界压力试验系统，其特征在于，包括耐压加热单元、压力控制单元、载样器单元、临界状态检测单元和计算机；

所述耐压加热单元包括带有导热层、陶瓷隔热层、3组加热层、炉体保温层的单腔加热炉体，炉腔底部、中部、上部分别装有与所述计算机相连的温度传感器，加热炉体的外层为耐压壳体，壳体底部带有底座，壳体上部有炉盖；单腔加热炉体的温度、升温速率和压力受计算机控制；

所述压力控制单元包括高压气瓶、充压气路管、充压电磁阀、导热层外展沿充压管、泄压气路管、泄压电磁阀、安全阀气路管、安全阀和压力传感器；其中：高压气瓶通过充压气路管与充压电磁阀连接，充压电磁阀与导热层外展沿充压管连接，泄压气路管与泄压电磁阀连接，安全阀气路管与安全阀连接，泄压气路管、安全阀气路管分别与炉盖泄压孔、炉盖安全阀气路孔焊接连接；压力传感器通过导热层外展沿压力传感器安装孔安装在的炉腔内，用于测量炉腔的压力，压力传感器输通过压力变送器和数据采集卡与计算机相连；

所述载样器单元包括L型支架、步进电机、2个定滑轮，钢丝绳，炉盖、样品池支架和样品池，其中，L型支架3安装在底座上，L型支架同侧端面安装步进电机，2个定滑轮位于L型支架上，步进电机通过钢丝绳和定滑轮带动炉盖开启和闭合；样品池支架通过炉盖隔热垫与炉盖相连接，样品池连接在样品池支架上；

所述临界状态检测单元包括温度传感器和红外传感器，其中，所述的温度传感器为耐压加热单元中位于炉腔中部的温度传感器，红外传感器安装于样品池内，通过数据采集卡与红外主机连接，红外主机与计算机相连；

所述计算机装有数据采集卡、图形显示控件和数据处理单元，数据处理单元包含数据采集模块、数据存储模块、图形化模块、数据分析模块和系统管理模块；

其中，数据采集模块通过数据采集卡实时获得红外传感器输出的产物特征峰强度-时间变化曲线、温度传感器输出的温度-时间数组和压力传感器输出的压力-时间数组并存入到数据存储模块中；图形化模块调用数据存储模块中的数据和图形显示控件，将产物特征峰强度-时间数组、温度-时间数组和压力-时间数组转化成试验条件下各参量随时间变化的关系曲线；数据分析模块负责分析温度-时间数据和压力-时间数据、产物特征峰强度-时间数据，并进行各项处理工作，对实验样品的各项性质给出分析结果，报表输出工作；系统管理模块根据人工输入的试验参数控制所述加热体的温度、压力和升温速率，同时完成用户管理和打印输出。

本发明的火炸药热爆炸界压力试验系统，采用耐压加热炉体，炉体内有3组电加热丝组成的加热层，其底部、中部、上部设置温度传感器，实现了多点控温，提高了温场均匀性和稳定性；炉体上端设充气通路，炉盖有泄气通路，炉体内部安装压力传感器用以系统压力控制；通过炉体内部安装的温度传感器，检测药柱受热承压过程中温度特征信号的突跃，辨识热分解转燃烧或爆炸的临界状态，获得临界参数。当试样放热量小时，采用气体产物生成速率作为临界状态的特征信号参量，通过炉体内部样品池中安装的红外传感器，检测药柱受热承压过程中特征信号参量的突跃，辨识热分解转燃烧或爆炸的临界状态，获得临界参数。

附图说明

图1为本发明的临界压力试验系统结构示意图；

图2为图1所示的反应器单元；

图3为图1所示的炉体沿温度传感器安装孔所在平面的剖视图；

图4为图2所示样品池支架与样品池连接方式示意图

图中的标记分别表示：1、前端定滑轮，2、L型支架钢丝绳，3、L型支架，4、定滑轮，5、四脚吊架，6、炉盖，7、密封圈，8、螺母，9、炉盖边缘通孔，10、保温层，11、壳体外展沿下层温度传感器安装孔，12、压力传感器，13、上加热层，14、上层温度传感器，15、中加热层，16、中层温度传感器，17、下层温度传感器，18、步进电机，19、底座，20、紧固柱，21、紧固螺纹通孔，22、壳体，23、下加热层，24、隔热垫，25、导热层，26、炉体保温层，27、陶瓷隔热层，28、炉盖密封圈安装槽，29、导热层密封圈安装槽，30、炉盖红外传感器安装孔，31、炉盖泄压孔，32、炉盖安全阀气路孔，33、炉盖螺钉孔，34、炉盖隔热垫，35、炉盖隔热垫螺钉孔，36、样品池支架，37、样品池支架固定螺钉，38、L型豁槽，39、挂钉，40、样品池，41、样品，42、红外传感器，43、样品池支架安全阀气路孔，44、样品池支架泄压孔，45、样品池支架红外传感器安装孔，46、样品池支架螺钉安装孔，47、炉盖隔热垫红外传感器安装管，48、炉盖隔热垫泄压气路管，49、炉盖隔热垫安全阀气路管，50、泄压气路管，51、安全阀气路管，52、壳体外展沿紧固柱通孔，53、壳体外展沿中层温度传感器安装孔，54、导热层外展沿中层温度传感器安装管，55、导热层外展沿中层温度传感器安装孔，56、导热层外展沿中层温度传感器安装管，57、导热层外展沿中层温度传感器安装孔，58、壳体外展沿压力传感器安装孔，59、导热层外展沿压力传感器安装管，60、导热层外展沿压力传感器安装孔，61、导热层外展沿充压孔，62、导热层外展沿充压管，63、壳体充压管路豁口，64、导热层外展沿上层温度传感器安装孔，65、导热层外展沿上层温度传感器安装管，66、壳体外展沿上层温度传感器安装孔，67、泄压电磁阀，68、充压电磁阀，69、充压气路管，70、高压气瓶，71、安全阀，72、U型豁口。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详述。

具体实施方式

参见图1～图4，本实施例给出一种火炸药热爆炸临界压力试验系统，包括加热单元、载样器单元、压力控制单元、临界状态检测单元和计算机。

所述加热单元包括带有导热层25、三组加热层(上加热层13、中加热层15、下加热层23)、炉体保温层26、陶瓷隔热层27和壳体22的单腔加热炉体，各加热层中有独立加热丝；炉腔底部、中部、上部分别装有与所述计算机相连的上层温度传感器14，中层温度传感器16，下层温度传感器17，加热炉体外部有固态继电器和温度控制器。加热炉体的温度和升温速率受计算机控制。其中：

导热层25采用铝合金加工而成，为圆柱形腔体，外径Φ200mm、内径Φ160mm。导热层上端面有Φ300mm外展沿，厚20mm，其上排布4个Φ3mm传感器安装孔和一个导热层外展沿充压孔61，均为水平通孔，孔心距外展沿上端面10mm，传感器安装孔分别为导热层外展沿上层温度传感器安装孔64，导热层外展沿中层温度传感器安装孔55，导热层外展沿下层温度传感器安装孔57，导热层外展沿压力传感器安装孔60，各安装孔末端分别焊接安装管，依次为上层温度传感器安装管65，中层温度传感器安装管54，下层温度传感器安装管56，压力传感器安装管59，安装管周围包裹保温棉10，以导热层外展沿上端面中心为圆心Φ200mm的圆周上开有Φ3mm半圆形凹槽，为导热层密封圈安装槽29，用于放置Φ4mm橡胶密封圈7，导热层25与炉盖6之间用密封圈7进行密封。

导热层25外围为加热层。加热层为三组圆柱型加热套，从上到依次排布为上加热层13、中加热层15、下加热层23，各加热层中有加热丝，加热丝材料为镍镉合金，采用绕组方式，均匀缠绕后，用2mm厚的不锈钢板进行封装，每层加热丝的最大功率为1500W，可以独立控制。加热丝的两端加入氧化镁进行绝缘处理，加热层紧箍在导热层25柱面上。加热层中的加热丝采用耐高温导线与3组固态继电器连接，固态继电器与温度控制器连接，温度控制器与计算机系统连接。

上层温度传感器14依次通过壳体外展沿温度传感器安装孔66、导热层外展沿上层温度传感器安装管65、导热层外展沿上层温度传感器安装孔64，焊接于炉腔下部的炉壁处，中层温度传感器16依次通过壳体外展沿温度传感器安装孔53、导热层外展沿中层温度传感器安装管54、导热层外展沿中层温度传感器安装孔55，焊接于炉腔下部的炉壁处，下层温度传感器17依次通过壳体外展沿温度传感器安装孔11、导热层外展沿下层温度传感器安装管56、导热层外展沿下层温度传感器安装孔57，焊接于炉腔下部的炉壁处，3个温度传感器(14、16、17)采用信号屏蔽线与温度控制器连接。各个温度传感器均采用铂电阻，型号为Pt100，四线制。

加热层25外围为采用硅酸铝纤维板毡制作的炉体保温层26；

炉体保温层26外围为陶瓷隔热层27(采用99陶瓷)；

陶瓷隔热层27外围为圆柱形壳体22，为耐压防爆层，采用304不锈钢制作，内径Φ360mm、外径Φ420mm、壁厚30mm，底厚50mm。壳体上下端面均带有外径为Φ600mm、厚40mm的外展沿，上端面外展沿距壳体中心Φ510mm的圆周上均匀分布6个Φ32mm壳体外展沿紧固柱通孔52，相邻两个紧固柱通孔间设有U型豁口或通槽，其中5个为U型豁口72，依次为1个为水平通槽63，U型豁口开有内径Φ10mm的水平通孔，与导热层外展沿各传感器安装孔为同轴圆孔，分别为壳体外展沿上层温度传感器安装孔66，壳体外展沿中层温度传感器安装孔53，壳体外展沿下层温度传感器安装孔11，壳体外展沿压力传感器安装孔58，用于通过传感器，水平通槽63用于通过导热层外展沿充压管62；壳体下端面外展沿距壳体中心Φ510mm的圆周上均匀分布6个Φ30mm紧固柱螺纹通孔21；单腔加热炉体的温度、升温速率受计算机控制；

所述压力控制单元包括高压气瓶70、充压气路管69、充压电磁阀68、导热层外展沿充压管62、泄压气路管50、泄压电磁阀67、安全阀气路管51、安全阀71和压力传感器12；其中：高压气瓶70通过Φ4mm的铜质充压气路管69与充压电磁阀68连接，充压电磁阀68与Φ4mm铜质导热层外展沿充压管62连接，Φ4mm铜质泄压气路管50与泄压电磁阀67连接，Φ4mm铜质安全阀气路管51与安全阀71连接，泄压气路管50、安全阀气路管51分别与炉盖泄压气路孔31、炉盖安全阀气路孔32焊接连接；压力传感器12通过、壳体外展沿压力传感器安装孔58，导热层外展沿压力传感器安装管59、导热层外展沿压力传感器安装孔60安装在的炉腔内，用于测量炉腔的压力，压力传感器12为硅压阻型(深圳华天测控有限公司HTP-6)，通过压力变送器和数据采集卡与计算机相连；

所述载样器单元包括炉体支架3、步进电机18、滑轮1、4，钢丝绳2，炉盖6、样品池支架36和样品池40。其中，L型支架3安装在底座19上，L型支架3同侧端面安装步进电机18，步进电机18通过安装在L型支架3上的前端定滑轮1和定滑轮4带动焊接有四脚吊架5的炉盖6。

炉盖6下端面中心Φ200mm的圆周上开有半圆形凹槽，为安装炉盖密封圈槽28，该炉盖密封圈槽28与导热层密封圈安装槽29之间用密封圈7进行密封；炉盖6下端面中心Φ260mm的圆周上均匀开设4个Φ6mm的炉盖螺钉孔33。

炉盖6为Φ600mm、厚30mm的圆形盖，采用的不锈钢制成，炉盖6中心Φ510mm的圆周上均匀分布6个直径为Φ32mm的炉盖边缘通孔9。6个紧固柱20为Φ30mm的不锈钢圆柱，上下端均为Φ30、长50mm的外螺纹。紧固柱20下端通过紧固柱螺纹通孔21与壳体22紧固连接，上端穿过紧固柱通孔52、炉盖边缘通孔9用螺母8(M30)与炉盖6紧固连接。

炉盖6通过样品池支架固定螺钉37将炉盖隔热垫34、样品池支架36连接为一体。炉盖隔热垫34为Φ310mm、厚20mm的圆片状，为石棉材质。样品池支架36为不锈钢材质，是由样品池支架36底盘和样品池支架环状芯体组成的一体式结构，样品池支架36底盘中心260mm的圆周上均匀开设4个Φ6.2mm的圆形通孔，为样品池支架螺钉安装孔46，样品池支架环状芯体柱面圆周上螺纹连接有4个挂钉39。样品池40为不锈钢材质，为圆柱形腔体3mm，侧面对称开设矩形孔，样品池40上端均匀开设4个对应的L型豁槽38，L型豁槽38穿过挂钉39后旋转，即可将样品池40与样品池支架36连接。炉盖6直径方向依次开有炉盖安全阀气路孔52、炉盖泄压气路孔39、炉盖红外传感器安装孔30，样品池支架上分别设有样品池支架安全阀气路孔43、样品池支架泄压气路孔44、样品池支架红外传感器安装孔45，炉盖隔热垫安全阀气路管49两端分别与炉盖安全阀气路孔32下端和样品池支架安全阀气路孔43焊接连接，炉盖隔热垫泄压气路管48两端分别与炉盖泄压气路孔31下端和样品池支架泄压气路孔44焊接连接，炉盖隔热垫红外传感器安装管47两端分别与炉盖红外传感器安装孔30下端和样品池支架红外传感器安装孔45焊接连接，各功能孔垂直贯通，内径为Φ4mm；样品池支架固定螺钉37(M6)穿过样品池支架螺钉安装孔46、炉盖隔热垫螺钉安装孔35与炉盖螺钉孔33紧固配合，将样品池支架36与炉盖隔热垫34、炉盖6固定连接。

所述临界状态检测单元包括温度传感器和红外传感器42，其中，所述的温度传感器为耐压加热单元中位于炉腔中部的温度传感器16，红外传感器42为中红外光纤探头(Nicolet045-4020)，红外传感器42穿过炉盖红外传感器安装孔30、炉盖隔热垫红外传感器安装管47、样品池支架红外传感器安装孔45，安装于样品41附近，红外传感器42通过数据采集卡与红外主机连接，红外主机与计算机相连。

所述计算机装有数据采集卡、图形显示控件和数据处理单元，数据处理单元包含数据采集模块、数据存储模块、图形化模块、数据分析模块和系统管理模块。

计算机装有数据采集设备(XSLE系列)实时采集温度传感器、压力传感器、红外传感器输出的温度-时间、压力-时间、产物特征峰强度-时间数据等。温度控制器(WEST 4100)对加热炉的温度和加热过程进行控制，压力传感器为硅压阻型(深圳华天测控有限公司HTP-6)，炉腔的加压过程进行控制。计算机软件部分包括：数据实时采集模块，负责实时采集各项数据；数据存储模块，负责实时采集数据的存储和管理；数据图形化展示模块，实时展示采集到的温度-时间、压力-时间、产物特征峰强度-时间变化曲线等；数据分析和处理模块，负责分析温度-时间数据和压力-时间数据、产物特征峰强度-时间数据，并进行各项处理工作，对实验样品的各项性质给出分析结果，报表输出工作；温度控制模块，根据实验要求，对加热炉的温度进行控制，保证对温度的恒温、升温要求；压力控制模块，根据实验要求，对加热炉的压力进行控制，保证对压力的要求；系统管理模块，完成用户管理和系统各项参数的设置和管理工作。

本发明的火炸药热爆炸临界压力试验系统带来的技术效果是：

1、实现临界压力的测量，因而可以模拟多种环境的测量：恒定温度时的临界压力的测量、常压环境下的临界温度的等温测量和非等温测量、恒定压力环境下的临界温度的等温测量和非等温测量；

2、试验在温度、压力环境下进行，试验设置的温度、压力成为温度传感器和压力传感器的噪声，试样放热量小时，难以获得准确的特征信号，为避免干扰，采用以气体产物红外特征峰随时间的变化率即气体产物生成速率，作为燃烧或热爆炸时的特征信号参量，通过炉体内部样品池中安装的红外传感器，检测药柱承压过程中特征信号参量的突跃，辨识热分解转燃烧或爆炸的临界状态。

3、设有多组电热丝的耐压加热炉体，并分别于炉体底部、中部、上部安装的温度传感器连接，实现多点控温，提高温场均匀性和稳定性，配合高精度红外传感器，控温精度可以达到±0.5℃，控温范围宽20～400℃。

控温方式采用先进的PID控温算法，并有自学习系统的神经网络，高效、准确。

4、炉体设有充气通路和泄气通路，炉体内部安装压力传感器用以系统压力控制；炉体耐压设计，压力范围0.1～15MPa；

5、采用加热炉与计算机设置防爆隔板，隔离设计自动充压、泄压，保证操作人员的人身安全。

以下是火炸药热爆炸临界压力试验系统的使用方法：

(1)将加热炉置于爆炸塔中，控制部分及高压气瓶70置于爆炸塔外部。

(2)打开仪器电源，开启计算机。打开桌面上的“热爆炸临界压力实验系统”应用程序；检查软件记录的温度、压力值，确定仪器连接正常。

(3)启动步进电机18闭合炉盖6，设置加热炉温度T₀、压强P₀等相应参数。通过软件控制加热炉开始加热。

(4)待加热炉恒定至设定温度T₀后，启动步进电机18将炉盖6升起，进入爆炸塔中，将待测样品41装入炉体的内，将样品池40安装在样品池支架36上，闭合炉盖，紧固柱20上端用螺母8与炉盖6紧固连接，离开爆炸塔，关闭防爆门。

(5)通过软件操作，打开泄压电磁阀，接通充气通路，向炉内充氮气，2min后关闭泄压电磁阀，到达设定压强P₀，关闭充气通路。

(6)通过软件控制开始采集数据。观察样品的温度或红外特征峰吸收强度随时间变化即获得该温度和压力下的温度或气体生成速率，同时观察温度随时间变化。

(7)若10h内未检测到热炉内温度或反应产物气体生成速率突跃，停止试验。关闭加热电源，打开泄压阀门，炉内压强降至常压。待温度自然降至室温。

(8)进入爆炸塔，松开螺母8，启动步进电机18将炉盖6升起，取出样品池40。

(9)启动步进电机18闭合炉盖6，设置加热炉温度T₀、压强P₀+ΔP等相应参数。通过软件控制加热炉开始加热。

(10)待加热炉恒定至设定温度T₀后，启动步进电机18将炉盖6升起，进入爆炸塔中，将新的待测样品41装入炉体的内，将样品池40安装在样品池支架36上，闭合炉盖，紧固柱20上端用螺母8与炉盖6紧固连接，离开爆炸塔，关闭防爆门。

(11)通过软件操作，打开泄压电磁阀，接通充气通路，向炉内充氮气，2min后关闭泄压电磁阀，到达设定压强P₀+ΔP，关闭充气通路。

(12)通过软件控制开始采集数据。观察样品的温度或红外特征峰吸收强度随时间变化即获得该温度和压力下的温度或气体生成速率。

(13)观察加热炉内该环境温度下的温度或气体生成速率。若10h内检测到温度或气体生成速率突跃，表明发生了燃烧或爆炸，于是得到指定环境温度下设定环境压力温度或气体生成速率突跃对应的时间，该时间为热爆炸临界时间。

(14)关闭加热电源，打开泄压阀门，炉内压强降至常压。待温度自然降至室温。

(15)进入爆炸塔，松开螺母8，启动步进电机18将炉盖6升起，取出样品池40。

(16)改变环境压力，重复步骤(9)～步骤(14)，获得药柱或药浆设定温度下发生热爆炸的最低环境压力与不发生热爆炸的最高环境压力，二者的平均值作为热爆炸临界压力。

Claims

1.一种火炸药热爆炸临界压力试验系统，其特征在于，包括耐压加热单元、压力控制单元、载样器单元、临界状态检测单元和计算机；

2.如权利要求1所述的火炸药热爆炸临界压力试验系统，其特征在于，所述的红外传感器选择中红外光纤探头。

3.如权利要求1所述的火炸药热爆炸临界压力试验系统，其特征在于，所述的压力传感器采用硅压阻型传感器。

4.如权利要求1所述的火炸药热爆炸临界压力试验系统，其特征在于，所述的温度传感器采用铂电阻。