CN110108744B - 一种基于热加速老化试验的炸药分类方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热加速老化试验的炸药分类方法，按照炸药组成中是否含有影响老化试验的关键组分，将开展加速老化试验的待测炸药分为四类：第一类含硝酸酯的炸药；第二类含有低熔点物质的炸药；第三类含易挥发性物质的炸药；第四类不含硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质等关键组分的炸药。基于上述炸药分类，含硝酸酯炸药老化温度不超过50℃；含低熔点物质炸药老化温度不超过65℃；不含关键组分的炸药老化温度不超过85℃、含易挥发性物质的炸药采用密闭试验系统，且老化温度不高于50℃。本发明的突出优点是便于老化试验温度的选择、减少了探索试验工作，节约了试验成本、降低了试验人员的工作强度，提高了炸药寿命预估结果的准确性。

Description

一种基于热加速老化试验的炸药分类方法

技术领域

本发明属于火炸药性能评估领域，主要涉及一种基于热加速老化试验的炸药分类方法，尤其涉及一种适用于快速确定加速老化试验温度，开展热加速老化试验，进行寿命评估的待测炸药分类方法。

背景技术

炸药的寿命可以分为贮存寿命和使用寿命。炸药在贮存过程中某些性能参数随时间发生了变化，这些变化超过一定范围后，炸药就不能正常贮存和使用了。炸药寿命就是能够保证火药安全贮存、可靠使用的时间，可以分为安全贮存寿命和安全使用寿命。炸药的安全贮存寿命就是在正常贮存条件下，炸药能够安全贮存不发生危险的时间。安全使用寿命是指在贮存条件下炸药及其制品仍能完成规定使用功能的贮存时间。它们都是炸药安全贮存和正常使用的重要指标。

炸药寿命通常采用自然贮存和加速老化两种方式获得。通过自然贮存和炸药性能测试能和评估能够确定其寿命，准确性较高，但需要很长的时间，且评估结论滞后，不利于炸药产品的安全使用和处理。因此，通常采用加速老化试验的方式进行炸药寿命评估。加速老化试验的方法是通过在高于正常贮存应力水平下，贮存炸药试样，定期对反映性能变化的特征量进行分析测试，研究炸药性能变化随应力、时间变化规律，选择合适的临界点和数学模拟方程进行回归处理，外推至正常贮存应力，来预测炸药试样的贮存及使用寿命。加速老化试验用时较短、样品量小，成本低，能够提前获取炸药安全贮存使用的寿命值，可以预知炸药安全贮存使用的临界值，提前做好安全使用处理防护措施。但是加速老化试验预估寿命受样品状态、老化条件等的影响，其准确率较低。加速老化试验评估炸药寿命评估过程中有三个关键技术点：一是热老化实验条件的选择确定，能够较为真实的模拟炸药自然贮存状态；二是火药长贮老化性能检测及规律分析；三是评估模型及其寿命数值计算。

在热老化实验条件的选择确定中，合理的试验温度是寿命评估的关键和核心。选择试验温度必须符合以下原则，一是老化试验温度必须保持样品的状态和失效机理不发生改变，二是老化温度不能太低，必须具有一定的加速性。通常对于待测炸药，开展加速老化时必须进行摸底试验，通过某一较高温度下加速老化试验，获取炸药多项性能及状态变化的规律，从而确定正式老化试验温度。该过程需消耗一定的时间和样品，成本较高。

本发明在大量研究工作的基础上，对涉及寿命评估开展热加速老化试验的炸药进行了分类，合理确定了热加速老化试验最高温度条件。按照炸药组成中是否含有影响老化试验的关键组分(硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质)，将开展热加速老化试验进行寿命评估的待测炸药分为四类：第一类含硝酸酯的炸药；第二类含有低熔点物质的炸药；第三类含易挥发性物质的炸药；第四类不含硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质等关键组分的炸药。根据上述炸药分类可以快速确定老化试验最高温度，如含硝酸酯炸药老化温度不超过50℃；含低熔点物质炸药老化温度不超过65℃；不含关键组分的炸药老化温度不超过85℃、含易挥发性物质的炸药采用密闭系统试验，且老化温度不高于50℃。本发明的突出优点是便于热加速老化试验温度的选择、减少了大量探索试验工作，解决炸药加速老化试验方法设计问题。

发明内容

针对评估炸药寿命，开展热加速老化试验老化温度难以选择的问题，本发明提供了一种基于热加速老化试验的炸药分类方法，按照炸药组成中是否含有影响老化试验的关键组分(硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质)，将开展热加速老化试验进行寿命评估的待测炸药分为四类，并给出了判断炸药类别的方法步骤，同时给出了每一类炸药老化时的最高试验温度。炸药进行热加速老化试验开展寿命评估时应确保受试炸药自身物理状态不发生改变，且老化试验过程炸药失效机理与自然贮存保持一致。具体分类方法如下：

第一类：含硝酸酯类的炸药。

含硝酸类炸药主要由硝酸酯和单质炸药等组成。硝酸酯在室温条件下都进行着缓慢的分解，温度升高，硝酸酯分解加快，安全性变差。另外硝酸酯的分解反应是自催化反应，随着温度升高和分解产物的增加，硝酸酯的分解更加剧烈，这与硝酸酯炸药自然贮存过程的缓慢热分解不同，所以老化温度不能太高。硝酸酯的分解程度可以用加入到炸药中的稳定剂的消耗量表征。图1为某硝酸酯炸药中的稳定剂的含量随温度和老化时间的变化。可以看出该硝酸酯炸药在高温70℃下热分解曲线规律与低温50℃下热分解曲线规律明显不同。

第二类：含有低熔点物质的炸药。

炸药配方中的低熔点主要包括TNT和石蜡等，该类炸药主要有TNT基熔铸炸药、含石蜡的压装炸药等。TNT熔点较低，大约80℃左右，TNT与炸药中某些组分会形成低共熔物，熔点甚至可以降低到60℃左右。如果高温老化时温度过高，超过炸药中TNT低共熔物熔点，炸药中TNT就会回熔化，渗出到炸药的表面，炸药的状态发生了变化。这与自然贮存较低温度试验状态不符，机理不同。

含石蜡的炸药与含TNT炸药类似。石蜡具有较低的熔点，且也容易与炸药中的某些成分形成低共熔物，高温老化时，石蜡会融化，产生流动，并且渗出到炸药表面，在炸药药柱中形成缺陷。采用显微热台对某炸药中的石蜡熔融过程进行观测时，发现在程序升温到50℃时石蜡开始软化，表面毛刺棱角收缩，边缘变得平滑；在57℃时开始出现液态线；60℃石蜡边缘部分已经熔化；此后石蜡熔化加快，在65℃时全部变成了液态。可见在高温60℃时，含石蜡的炸药的状态发生了改变，与自然贮存时炸药状态不符。因此含TNT和石蜡等低熔点物质的炸药老化温度不能高于其所形成的低共熔物的熔点，一般为60℃左右。

第三类：含易挥发性物质的炸药。

该类炸药主要为燃料空气炸药等特殊类型的炸药。该类炸药通常为液固混合态或凝胶态。由于炸药混合体系中含有硝酸异丙酯等易挥发性物质，其加速老化试验必须在密闭专用试验系统中开展，且老化温度不能太高，否则会使该类炸药成分挥发，凝胶结构等发生破坏，状态改变，与自然长贮下炸药老化的机理不能保持一致，影响寿命评估的准确性。

第四类：不含硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质等关键组分的炸药。

该类炸药主要为高分子粘结炸药(PBX)，包括压装PBX炸药、浇注PBX炸药。PBX炸药主要由单质炸药和高分子粘结剂组成。在自然贮存过程中该类炸药主要发生高分子粘结剂的固化交联和老化降解等化学反应，从而导致力学性能下降。热加速老化试验过程中，该类型炸药的老化过程也是固化交联和老化降解等化学反应，与自然长贮老化机理能够保持一致，且温度升高能够加速老化速率，但同时也要考虑高温热刺激下炸药的安全风险。所以该类型炸药可以适当提高老化温度，建议老化温度不超过85℃。

如图2所示，可按照如下步骤确定待测炸药的类别：

第一步：确定待测炸药的组成。通常炸药组成由配方研制者提供或通过化学分析确定；

第二步：确定炸药组成中是否含有影响寿命老化试验的硝酸酯、低熔点物质、易挥发性物质等关键组分；

炸药配方组成中的关键组分可归属为硝酸酯、低熔点物质、易挥发性物质三类。硝酸酯类物质主要包括硝化甘油、硝化棉、丁三醇三硝酸酯等；混合炸药中低熔点物质主要为熔点低于70℃的物质，包括梯恩梯、石蜡及其低共熔物等、炸药中的易挥发性物质为常温下饱和蒸汽压大于水的饱和蒸汽压的物质，如硝酸异丙酯等；

第三步：炸药配方组成中含有一种关键组分且含量大于2％时，可按照关键组分的归属分类(硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质)直接判断待测炸药类别；

第四步：含多种关键组分或其含量小于2％时，先分析待测炸药的老化规律和特征，再分析各种关键组分对炸药寿命老化试验的影响程度，确定主要关键组分，最后按照关键组分的归属分类直接判断待测炸药类别；

第五步：不含硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质等关键组分的炸药，直接归为第四类不含硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质等关键组分的炸药；

第六步：按照炸药类别，确定开展寿命评估进行热老化试验的最高温度条件。

根据本发明，所述的基于热加速老化试验的炸药分类方法，其特征在于：按照炸药组成中是否含有硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质等影响老化试验的关键组分，将进行热加速老化试验的待测炸药分为四类，含硝酸酯的炸药老化温度不超过50℃，含低熔点物质炸药老化温度不超过65℃，不含关键组分的炸药老化温度不超过85℃，含易挥发性物质的炸药采用密闭试验系统，且老化温度不高于50℃。

本发明的有益效果体现在：

(一)本发明设计的分类方法是在大量炸药老化试验基础上研究总结而成，便于炸药热加速老化试验温度的选择、减少了大量探索试验工作，节约了试验成本、降低了试验人员的工作强度。

(二)本发明设计的分类方法和给定老化试验温度上限范围，最大程度上保证了受试炸药在加速老化试验过程中的状态和失效机理与自然贮存时的一致性,提高了炸药寿命预估结果的准确性。

附图说明

图1是硝酸酯炸药热老化过程所消耗的稳定剂的变化曲线。

图2是基于热加速老化试验的炸药分类方法流程

具体实施方式

下面结合图2及两种炸药老化评估试验对本发明作进一步的详述。

炸药样品：1号某熔铸炸药、2号某压装炸药

按照以前的通常做法，先选择某个特定温度(如70℃)，在该温度下开展热老化试验，同时观测样品的性能变化。然后根据性能变化反馈，调整老化试验温度，再进行老化试验，才能获得正常的老化数据。这样，整个试验耗时耗力，且试验的准确率不高。

按照本发明设计的分类方法和要求，对老化试验进行实施。

第一步，确定待测炸药的组成；

1号炸药基本组成为黑索金(60％)、梯恩梯(40％)；

2号炸药基本组成黑索金(75％)、石蜡(1.5％)、铝粉(20％)。

第二步，确定炸药组成中是否含有影响寿命老化试验的硝酸酯、低熔点物质、易挥发性物质等关键组分；

1号炸药中含有TNT，TNT易与炸药中的某些组分形成低共熔物，熔点甚至可以降低到60℃左右，较高温度老化影响炸药状态变化。

2号炸药含有石蜡，石蜡也可以与炸药中某些成分形成低共熔物，易迁移渗出到炸药表面或外部环境。

第三步，1号炸药配方组成中含有RDX和TNT，TNT为关键组成且含量大于 2％。TNT熔点81℃，但工业品中因含有杂质，熔点略低于此值，TNT易与炸药中的某些组分形成低共熔物，熔点甚至可以降低到60℃左右。研究发现，含 TNT的炸药高于熔点老化时，炸药中TNT易熔化渗出，形成“渗油”影响炸药的结构完整性和安全性。按照本专利中关键组分的归属分类，可直接判定1号炸药为含低熔点物质的炸药

第四步，2号炸药中含有黑索金(75％)、石蜡(1.5％)、铝粉(20％)且石蜡的含量小于2％。根据本专利中的分类方法，石蜡虽为低熔点物质类的关键组分，但由于含量小于2％，需对其先分析2号炸药的老化规律和特征，以及石蜡对炸药老化试验的影响程度。

2号炸药含有RDX、石蜡、铝粉。RDX较为稳定，对混合炸药的寿命影响较小。石蜡是烷烃混合物，呈蜡状白色固体，石蜡熔点较低，最高不超70℃，石蜡也可以与炸药中某些成分形成低共熔物，熔点可达到60℃以下。研究发现，高温老化时(如70℃)，混合炸药中石蜡易迁移渗出到炸药表面或外部环境，且对炸药的结构和安全性产生了影响。2号炸药在老化研究过程中由于老化温度偏高炸药出现了大量渗油，且结构产生了损伤。

通过上述分析，发现2号炸药中较低含量的石蜡对老化试验中炸药样品的状态影响较大，可以判定石蜡是2号炸药中影响寿命老化试验的关键组分。按照本专利中关键组分的归属分类，可直接判定2号炸药为含低熔点物质的炸药。

第五步，根据本专利分类方法，含低熔点物质炸药老化温度不超过65℃。

1号炸药选择55℃进行热老化试验，跟踪测量质量损失验证通过本专利分类方法确定的试验温度条件的合理性。1号炸药55℃老化时产生了轻微质量损失，如下表。该质量损失是由于炸药中TNT的熔化渗出造成的，且变化很小，说明炸药状态未发生明显变化，验证了老化温度的选择是基本合理。

表1 1号炸药55℃柱质量变化数据

老化天数/d	1	1	3	4	5	6	7
								质量减小率△m％	0.014	0.021	0.023	0.028	0.035	0.040	0.047

2号炸药选择55℃、60℃进行热老化试验，观测炸药药柱表面状态及质量损失验证通过本专利分类方法确定的试验温度条件的合理性。2号炸药在老化过程中，55℃炸药无任何渗出物和损伤，60℃时无损伤，有轻微渗出汗点，且变化很小，如下表。说明炸药状态未发生明显变化，验证了老化温度的选择是基本合理。

表1 2号炸药55℃、60℃老化时性能变化

老化温度	现象	质量减小率△m％
			55℃	无任何渗出和裂纹	0
60℃	无裂纹有渗出汗点	0.20％

Claims (2)

1.一种基于热加速老化试验的炸药分类方法，按照炸药组成中是否含有硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质的影响老化试验的关键组分，将开展热加速老化试验进行寿命评估的待测炸药分为四类，并快速确定热加速老化试验最高温度条件，其特征在于：

将开展热加速老化试验的待测炸药分为四类

第一类：含硝酸酯的炸药；

第二类：含有低熔点物质的炸药；

第三类：含易挥发性物质的炸药；

第四类：不含硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质的关键组分的炸药；

按照如下步骤确定待测炸药类别：

第一步：确定待测炸药的组成；

第二步：确定炸药组成中是否含有影响寿命老化试验的硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质的关键组分；

第三步：含有一种关键组分且含量大于2％时，可按照关键组分的归属分类直接判断待测炸药类别；

第四步：含多种关键组分或其含量小于2％时，先分析待测炸药的老化规律和特征，分析各种关键组分对炸药寿命老化试验的影响程度，确定主要关键组分，最后按照关键组分的归属分类判断待测炸药类别；

第五步：不含硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质的关键组分的炸药，直接归为第四类不含关键组分的炸药；

第六步：按照炸药类别上，确定开展寿命评估进行热老化试验的最高温度条件。

2.根据权利要求1所述的基于热加速老化试验的炸药分类方法，其特征在于：按照炸药组成中是否含有硝酸酯、低熔点物质、易挥发物质的影响老化试验的关键组分，将进行热加速老化试验的待测炸药分为四类，含硝酸酯的炸药老化温度不超过50℃，含低熔点物质炸药老化温度不超过65℃，不含关键组分的炸药老化温度不超过85℃，含易挥发性物质的炸药采用密闭试验系统，且老化温度不高于50℃。

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