CN111380909B

CN111380909B - 爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器

Info

Publication number: CN111380909B
Application number: CN202010378146.5A
Authority: CN
Inventors: 曹雄; 薛仲卿; 曹小青; 解朝变; 谭迎新; 曹卫国; 冯永安
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: CN111380909A

Abstract

本发明属爆炸品安全技术领域，提供一种爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器，在加热系统内设爆炸容器，爆炸容器连接压力传感器，爆炸容器通过电磁阀接超高压泄压装置，超高压泄压装置接减压阀，减压阀接微负压储气室，微负压储气室接气相色谱仪，爆炸容器内设测容器内温度传感器和加热系统控温传感器，加热系统控温传感器、测容器内温度传感器接温控器，加热系统控温传感器、测容器内温度传感器和压力传感器连计算机。解决了现有测试含水液体混合物的爆炸极限水分对结果影响大的问题，和测试时蒸汽的成分和液体混合物在生产、储存、运输及使用中的自然挥发气相成分存在明显差别，测试结果无意义的问题。测试结果准确，对实际有指导意义。

Description

爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器

技术领域

本发明属于爆炸品安全技术领域，具体涉及一种爆炸性物质热安全性测试装置，特别是涉及含有一种或多种杂质的爆炸性混合物质处于高温高压状态下在不同浓度不同溶剂中的临界爆炸温度测试容器，具体地说是一种模拟实际生产工艺中爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器。

背景技术

目前，对爆炸性物质的研究主要集中在基于固相和气相中的热分解行为及其机理方面的合成、细化、生产等工艺上，而在实际的生产过程中，多数爆炸性物质的合成、制备、提纯等工艺均在溶液中进行，而且，爆炸性物质在不同溶剂中有着不同的热安全性能，在外界因素的刺激和影响下，不同的温度及压力下溶液的热稳定会发生变化，其危险程度也不相同。

以硝酸铵为例，作为常见的化肥及工业原料，也是工业含能材料（如炸药、固体推进剂等）的主要成分。硝铵类化学物质具有热不稳定性，在不同温度环境以及受猛烈撞击、摩擦、震动等条件下，硝铵类物质会发生热分解并生成有毒氮氧化物烟雾，尤其是遇到酸性环境或氯化物、有机油类等物质协同作用时，形成强氧化性混合物，使得硝铵类物质引发火灾及进而诱发爆炸危险性增高。硝酸铵作为硝铵类危险化学品的代表物质，与其他危险化学品相比，纯硝酸铵的性能相对安全和稳定。

目前，国内外的安全标准大多仅对固体硝酸铵的危险性做了规定，却忽视了硝酸铵溶液的不稳定性和危险性。近些年有关硝酸铵及硝酸铵炸药的爆炸事故表明，硝酸铵是一种典型的理论上事故发生概率低，但实际事故频繁发生的危险物质。

常温下，硝酸铵是稳定的，但随着温度的升高以及某些杂质的作用，会严重影响或改变其物理和化学性能，甚至导致体系的不稳定或爆炸。长期堆量存放的硝酸铵是一个散热不良体系，其缓慢自分解反应产生的热量如得不到散失，会造成缓慢自加热分解。一旦某种杂质混入其中，局部反应极有可能使体系温度进一步升高，同时促进已有的不被察觉的自分解反应加速进行，并可能引发硝酸铵的热爆炸。随着硝酸铵被用于制造工业炸药后，逐步产生了硝铵炸药、“法维埃”炸药、含铝硝铵炸药、铵油炸药等多个品种。许多情况下，工业生产中硝酸铵是处于高温高浓度的水溶液状态，硝酸铵爆炸事故一定程度上是由于硝酸铵水溶液引发的。

实际上爆炸性物质溶液热安全性的研究工作开展较少，且其发生爆炸的条件和机理认识不足，一个重要因素就是在较高温度下溶剂的蒸汽压很大，导致没有合适的测试装置及研究手段，进而制约了爆炸性物质生产及相关技术领域的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器，更为具体地说，是提供一种或多种杂质的爆炸性混合物质在不同浓度不同溶剂中的临界爆炸温度测试容器。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器，包括加热系统，在加热系统内设有爆炸容器，爆炸容器上连接压力传感器，爆炸容器通过电磁阀连接超高压泄压装置，超高压泄压装置连接减压阀，在爆炸容器内设有测容器内温度传感器和加热系统控温传感器。

所述的爆炸容器包括筒体和筒盖，筒体上表面设有环形槽，筒盖下表面设有与环形槽尺寸一致的圆台，筒体和筒盖通过螺栓连接，圆台和环形槽插接形成密闭的空间；

所述的爆炸容器的筒体中设有控温传感器测温孔；在筒盖上设有测温孔一、测温孔二以及排气孔，在测温孔二下部设有保护套；筒体和筒盖连接后，控温传感器和测温孔一贯通，用于容纳加热系统控温传感器，测温孔二内插有测容器内温度传感器；在排气孔下端设有排气阀一，在排气孔上端安装有排气阀二；

所述的排气阀一包括中心柱体和台体两部分，所述的排气阀一的中心柱体内设有通孔一，在台体内设有通孔二，通孔一和通孔二连通；所述的中心柱体设有外螺纹，所述的排气孔下端设有卡孔，卡孔设内螺纹，中心柱体插入卡孔内；

所述的排气阀二包括阀座和下部的连接台，阀座和连接台中部为排气通道，连接台设有外螺纹，在排气孔上端设有卡孔，卡孔设内螺纹，连接台插入卡孔内，在阀座上端连接有泄压管，泄压管上设有压力传感器和电磁阀，泄压管连接超高压泄压装置。

所述爆炸容器的筒体壁厚不小于30mm，外壁直径不大于100mm，内壁直径不大于40mm，内筒深度不小于70mm；所述的筒盖厚度不小于30mm；所述的测温孔一直径不大于5mm，测温孔二直径不大于5mm；所述保护套壁厚不小于3mm，保护套长度为60mm；排气孔直径为1mm。

所述的超高压泄压装置包括泄压筒和泄压筒盖，泄压筒底中心为进气通道，进气通道上端设有内阀门，内阀门上端设有活动阀盖，内阀门和活动阀盖之间设复位弹簧，活动阀盖上端为锥状，锥顶部为球状，在泄压筒盖上设有排气孔，排气孔下端设有内管，内管的下管口与锥顶球状体接触，在泄压筒内部设有活动阀板，且活动阀板套设于内管外侧，在活动阀板和泄压筒盖之间设有弹簧，在泄压筒内壁设有定位卡，在泄压筒的筒壁设有上泄压阀（1.2MPA）和下泄压阀（4Mpa）。

所述测试装置还包括防护装置，所述的加热系统、爆炸容器以及超高压泄压装置、减压阀均位于防护装置内。所述防护装置为钢外壳。所述的爆炸容器采用钛合金材料，形状为圆柱型壳体，容积20ml，承压能力20MPa。

爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试方法，采用上述爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器对爆炸性物质溶液临界爆炸温度进行测试，所述测试装置主要包括爆炸容器，加热及温控装置，测温传感器，安全防护箱，数据采集系统；所述爆炸容器包括爆炸罐体和密封盖,爆炸罐体和密封盖之间通过接口处螺栓连接，在爆炸罐体的侧壁内设有测温传感器孔；在密封盖上设有泄压孔、测温传感器孔、压力传感器，测温传感器孔下侧设有保护壳；减压阀连接微负压储气室，微负压储气室连接气相色谱仪，在爆炸容器内设有测容器内温度传感器和加热系统控温传感器，加热系统控温传感器、测容器内温度传感器连接温控器，加热系统控温传感器、测容器内温度传感器以及压力传感器连接计算机。所述加热及控温装置包括加热炉和温控仪，通过电脑程序调整温控仪实现加热炉不同升温速率。

在所述测试装置爆炸容器的爆炸罐体内加入爆炸性物质溶液样品，密封盖与爆炸罐体用螺栓、垫片密封连接后放入加热炉内，将爆炸容器和加热炉放置在安全防护箱内平台上并关闭防爆门，安装好加热系统控温传感器、测容器内温度传感器，通过电脑程序调整温控仪实现加热炉不同升温速率；

使用数据采集系统通过电脑显示器可实时观察爆炸罐体内的温度，当温度上升至一定临界值，爆炸性物质溶液发生剧烈反应，数据采集系统温度曲线出现奇异点，即可测得该爆炸性物质溶液的临界爆炸温度。

本发明很好的解决了现有测试仪器测试含水液体混合物的爆炸极限水分对测试结果影响非常大的问题和测试时蒸汽的成分和液体混合物在生产、储存、运输及使用过程中的自然挥发的气相成分存在明显的差别，测试结果无意义的问题。测试结果准确，对实际的生产生活更具有指导意义。

附图说明

图1为本发明爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器示意图；图2为爆炸容器的筒体结构图；图3为爆炸容器的筒盖结构示意图；图4为图3的A局部图；图5为图3的B局部图；图6为超高压泄压装置结构示意图；图7为图6的A局部图；图8为温度采集图像；图9为压力采集图像。

图中：1-加热系统；2-爆炸容器；3-测容器内温度传感器；4-加热系统控温传感器；5-压力传感器；6-电磁阀；7-超高压泄压装置；8-减压阀；9-控温传感器测温孔；10-环形槽；11-上螺栓孔；12-测温孔一；13-排气孔；14-测温孔二；15-下螺栓孔；16-保护套；17-圆台；18-卡孔；19-中心柱体；20-通孔二；21-台体；22-通孔一；23-泄压管；24-阀座；25-连接台；26-内管；27-定位卡；28-泄压筒盖；29-泄压筒；30-上泄压阀；31-压缩弹簧；32-活动阀板；33-下泄压阀；34-内阀门；35-活动阀盖；36-进气通道；37-复位弹簧；38-微负压储气室；39-气相色谱仪；40-温控器；41-计算机；42-防护装置。

具体实施方式

如图1所示意，一种爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器,包括加热系统1，在加热系统1内设有爆炸容器2，爆炸容器2上连接压力传感器5，爆炸容器2通过电磁阀6连接超高压泄压装置7，超高压泄压装置7连接减压阀8，在爆炸容器2内设有测容器内温度传感器3和加热系统控温传感器4。

减压阀8连接微负压储气室38，微负压储气室38连接气相色谱仪39，加热系统控温传感器4、测容器内温度传感器3连接温控器40，加热系统控温传感器4、测容器内温度传感器3以及压力传感器5连接计算机41。

如图2、3所示意，所述的爆炸容器2包括筒体和筒盖，筒体上表面设有环形槽10，筒盖下表面设有与环形槽10尺寸一致的圆台17，筒体和筒盖通过螺栓连接，圆台17和环形槽10插接形成密闭的空间；螺栓规格，直径不小于7mm。

所述的爆炸容器2的筒体中设有控温传感器测温孔9；在筒盖上设有测温孔一12、测温孔二14以及排气孔13，在测温孔二14下部设有保护套16。

所述爆炸容器2的筒体壁厚不小于30mm，外壁直径不大于100mm，内壁直径不大于40mm，内筒深度不小于70mm；所述的筒盖厚度不小于30mm；所述的测温孔一12直径不大于5mm，测温孔二14直径不大于5mm；所述保护套16壁厚不小于3mm，保护套16长度为60mm；排气孔13直径为1mm。所述的爆炸容器2采用钛合金材料，形状为圆柱型壳体，容积20ml，承压能力20MPa。

筒体和筒盖连接后，控温传感器测温孔9和测温孔一12贯通，用于容纳加热系统控温传感器4，测温孔二14内插有测容器内温度传感器3；在排气孔13下端设有排气阀一，在排气孔13上端安装有排气阀二。

如图4所示意，排气阀一包括中心柱体19和台体21两部分，所述的排气阀一的中心柱体19内设有通孔一22，在台体21内设有通孔二20，通孔一22和通孔二20连通；所述的中心柱体19设有外螺纹，所述的排气孔13下端设有卡孔18，卡孔18设内螺纹，中心柱体19插入卡孔18内。

如图5所示意，排气阀二包括阀座24和下部的连接台25，阀座24和连接台25中部为排气通道，连接台25设有外螺纹，在排气孔13上端设有卡孔，卡孔设内螺纹，连接台25插入卡孔内，在阀座24上端连接有泄压管23，泄压管23上设有压力传感器5和电磁阀6，泄压管23连接超高压泄压装置7。

如图6、7所示意，所述的超高压泄压装置7包括泄压筒29和泄压筒盖28，泄压筒29底中心为进气通道36，进气通道36上端设有内阀门34，内阀门34上端设有活动阀盖35，内阀门34和活动阀盖35之间设复位弹簧37，活动阀盖35上端为锥状，锥顶部为球状，在泄压筒盖28上设有排气孔，排气孔下端设有内管26，内管26的下管口与锥顶球状体接触，在泄压筒29内部设有活动阀板32，且活动阀板32套设于内管26外侧，在活动阀板32和泄压筒盖28之间设有压缩弹簧31，在泄压筒29内壁设有定位卡27，在泄压筒29的筒壁设有上泄压阀30（1.2MPA）和下泄压阀33（4Mpa）。

本测试装置还包括防护装置42，所述的加热系统1、爆炸容器2以及超高压泄压装置7、减压阀8均位于防护装置内。如果其中一个组件发生爆炸，防护装置可以很好地保护试验人员。防护装置可为钢外壳。

工作过程：爆炸容器内部的被测试物质发生爆炸后，高压的气体需要进入泄压筒29内，打开泄压管23上的电磁阀，气体首先进入内阀门34，将活动阀盖35顶起，活动阀盖35上端将内管26口堵塞，高压气体从内阀门34和活动阀盖35之间的空隙进入泄压筒29内，然后气体膨胀推动活动阀板32上升，气体膨胀后，压力减小，活动阀盖35下落，内管26导通，气体通过内管26排出。此时气体仍然一定压力，再通过减压阀8进一步减压，再导入微负压储气室，最后导入气相色谱仪。

本发明使用的装置是按照10g TNT当量设计密封爆炸容器：

1.容器筒体厚度计算：计算容器内部爆炸产生瞬态载荷的方法很多，本发明以容器的最大装药量为10g TNT当量，最大外形尺寸为φ100×100mm为例，

（1）入射超压的确定：按TNT当量0.01 kg计算，取R=0.05m，那么：

；当/>

在0.05～0.3时，采用Fesef-Henge公式计算入射超压：/>

（2）反射超压：

（3）等效静载荷：

A、动力系数的确定：要求出动力系数C _d，必须先算出反射超压的作用时间t ₁和容器的自振周期T：

；

将R=0.02代入可得：t ₁=4.536×10^-6s；式中：R为容器壳体半径（m）；Q ₀为单位质量的爆热（J/Kg）；η为经验系数，柱对称时η=0.5；对TNT来说Q ₀=4860874.8 J/Kg。

；当将R=0.02m代入可得：T=2.445×10^-5；式中，E为杨氏模量；ρ为壳体材料密度（Kg/ m³）；R容器壳体半径（m）；容器材料为16MnR时，E=206GPa，ρ=7.8×10³Kg/ m³。t ₁/ T=0.186＜3/8=0.375，将ω=2π/T=2.57×10⁵，ωt ₁=1.165代入下式：

。

B、等效静载荷：

；在结构设计过程中取等效静载荷60 MPa进行主题结构计算。

（4）容器主体壁厚计算：依据JB4732-1995《钢制压力容器应力分析法设计标准》，当

时：/>

；式中， />

为容器内径； />

为等效静载荷；/>

设计应力强度；ｋ为载荷组合系数，取1.0。

对于16MnR钢满足钢度所需的最小厚度是 7.5～25mm，取其δ _min为25mm。取负偏差C ₁=1.0mm，腐蚀裕量C ₂=2.0mm，则壁厚附加量C： C = C ₁+ C ₂=3 mm。

设计厚度δ _d：δ _d=δ+ C ₂=11.2+2= 13.2mm。

确定该筒体壁厚δ _e：δ _e=δ _min+C=25+3=28mm>δ _d =13.2mm；最终取筒体壁厚为30mm。

（5）最大允许工作压力及壁厚校验：

a、设计温度下圆筒的应力计算：

；

b、最大允许工作压力：

；式中， D _i为容器内径；[σ]^t为设计温度下圆筒材料的许用应力；φ为焊接接头系数，取1.0；δ _e为加工筒体壁厚。

2、封头（筒盖）的设计：采用平板封头，其计算方法如下：

；式中：p _e为设计压力，MPa；φ为焊接系数，取值1；D _e为封头的有效直径，100mm；[σ]^t为16Mn R钢在300℃时的屈服极限，135MPa；K为平盖系数，取值为0.25；δ _p为封头厚度，mm。根据以上的计算结果，本文设计的圆形平板封头取厚度为35mm。

3、压力管道：

；式中，D ₀为管道外径；δ为管道壁厚；σ _s为屈服极限，16MnR取350MPa；σ _b为抗拉强度，16MnR取520MPa；其中，/>

上述技术方案中，优选地，所述爆炸容器整体使用钛合金材料或内壁镶嵌耐高温防腐蚀材料。

上述技术方案中,优选地,点火前取适量的测试混合气以分析混合气的浓度。

爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试方法，将被测物质和溶液放置于爆炸容器的筒体内，并通过筒盖完全密闭后放入加热炉内，安装好加热系统控温传感器、测容器内温度传感器，通过电脑程序调整温控仪实现加热炉不同升温速率。将爆炸容器和加热炉放置在安全防护箱内平台上并关闭防爆门，利用温控仪可调整加热炉的升温速率，使用数据采集系统通过电脑显示器可实时观察爆炸罐体内的温度及压力，当温度上升至一定临界值，爆炸性物质溶液发生剧烈反应，数据采集系统温度曲线出现奇异点，即可测得该爆炸性物质溶液的临界爆炸温度，然后启动电磁阀，使高压气体通过超高压泄压装置降低压力，再通过减压阀使气体压力进一步降低，最后导入到微负压储气室，再进入气相色谱仪进行成分分析。进一步地本发明所述的爆炸容器采用钛合金材料，形状为圆柱型壳体，容积20ml，承压能力20MPa。

实验例：初始参数：所选用待测样品为5%HNS（六硝基菧）-丙酮溶液，其中含0.5gHNS，9.5g丙酮。设计要求：所设计爆炸容器，在被测物逐渐加热至发生爆炸后，密封盖和承压罐无变形无裂缝，传感器无损坏。

测试步骤：常压下在爆炸容器内加入样品；将装置各部分连接好,设置初始温度及升温速率,采集系统实时记录不同时刻的内部温度；开始加热；采集系统实时记录不同时刻的内部温度；观察是否有火焰传播。

测量过程：将HNS和丙酮装入密闭压力器中，在密封盖和筒体之间放入2mm石棉垫片，用螺栓二者连接固定，使其密闭性良好；将压力传感器接入密封盖顶的压力传感器螺纹接口，螺纹之间缠入生胶带，保持密闭性良好；然后将密闭压力器放入加热炉中，将两根温度传感器插入到密封盖顶的传感器孔内，准备工作结束。打开电源，将加热速率调为3℃/min，初始温度设定为20℃，最高加热温度设定为400℃。然后打开温度记录软件记录温度数据。实验得到HNS-丙酮溶液的临界爆温度为299.7℃，临界爆炸压力为8MPa，实验数据采集如图8温度采集图像和图9压力采集图像所示。

Claims

1.一种爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器，其特征在于：包括加热系统（1），在加热系统（1）内设有爆炸容器（2），爆炸容器（2）上连接压力传感器（5），爆炸容器（2）通过电磁阀（6）连接超高压泄压装置（7），超高压泄压装置（7）连接减压阀（8）；在爆炸容器（2）内设有测容器内温度传感器（3）和加热系统控温传感器（4）；

所述的爆炸容器（2）包括筒体和筒盖，筒体上表面设有环形槽（10），筒盖下表面设有与环形槽（10）尺寸一致的圆台（17），筒体和筒盖通过螺栓连接，圆台（17）和环形槽（10）插接形成密闭的空间；

所述的爆炸容器（2）的筒体中设有控温传感器测温孔（9）；

在筒盖上设有测温孔一（12）、测温孔二（14）以及排气孔（13），在测温孔二（14）下部设有保护套（16）；

筒体和筒盖连接后，控温传感器测温孔（9）和测温孔一（12）贯通，用于容纳加热系统控温传感器（4），测温孔二（14）内插有测容器内温度传感器（3）；

在排气孔（13）下端设有排气阀一，在排气孔（13）上端安装有排气阀二；

所述的排气阀一包括中心柱体（19）和台体（21）两部分，所述的排气阀一的中心柱体（19）内设有通孔一（22），在台体（21）内设有通孔二（20），通孔一（22）和通孔二（20）连通；

所述的中心柱体（19）设有外螺纹，所述的排气孔（13）下端设有卡孔（18），卡孔（18）设内螺纹，中心柱体（19）插入卡孔（18）内；

所述的排气阀二包括阀座（24）和下部的连接台（25），阀座（24）和连接台（25）中部为排气通道，连接台（25）设有外螺纹，在排气孔（13）上端设有卡孔，卡孔设内螺纹，连接台（25）插入卡孔内，在阀座（24）上端连接有泄压管（23），泄压管（23）上设有压力传感器（5）和电磁阀（6），泄压管（23）连接超高压泄压装置（7）。

2.根据权利要求1所述的一种爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器，其特征在于：所述的超高压泄压装置（7）包括泄压筒（29）和泄压筒盖（28），泄压筒（29）底中心为进气通道（36），进气通道（36）上端设有内阀门（34），内阀门（34）上端设有活动阀盖（35），内阀门（34）和活动阀盖（35）之间设复位弹簧（37），活动阀盖（35）上端为锥状，锥顶部为球状，在泄压筒盖（28）上设有排气孔，排气孔下端设有内管（26），内管（26）的下管口与锥顶球状体接触，在泄压筒（29）内部设有活动阀板（32），且活动阀板（32）套设于内管（26）外侧，在活动阀板（32）和泄压筒盖（28）之间设有压缩弹簧（31），在泄压筒（29）内壁设有定位卡（27），在泄压筒（29）的筒壁设有上泄压阀（30）和下泄压阀（33）。

3.根据权利要求1所述的一种爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器，其特征在于：所述爆炸容器（2）的筒体壁厚不小于30mm，外壁直径不大于100mm，内壁直径不大于40mm，内筒深度不小于70mm；所述的筒盖厚度不小于30mm；所述的测温孔一（12）直径不大于5mm，测温孔二（14）直径不大于5mm；所述保护套（16）壁厚不小于3mm，保护套（16）长度为60mm；排气孔（13）直径为1mm。

4.根据权利要求1所述的一种爆炸性物质溶液临界爆炸温度测试容器，其特征在于：所述的爆炸容器（2）采用钛合金材料，形状为圆柱型壳体，容积20ml，承压能力20MPa。