CN113591282B - 一种火炸药装药寿命实验室评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火炸药装药寿命实验室评估方法，该方法基于实验室加速老化试验，该方法按照以下六个阶段进行：阶段一：寿命评估设计输入；阶段二：确定潜在失效模式；阶段三：确定加速老化试验方案；阶段四：加速试验及老化状态评估；阶段五：确定关键参量及退化模型；阶段六：寿命评估。本发明的方法分为六个阶段，共计15个模块。本发明的评估方法将火炸药装药寿命评估工作流程化、阶段化和模块化，并对每个阶段的评估模块提出应用原则和具体要求，寿命评估方法及评估参数选择更加科学，解决火炸药装药寿命评估方法统一性问题，提高了寿命评估的准确性。

Description

一种火炸药装药寿命实验室评估方法

技术领域

本发明属于火炸药技术领域，涉及火炸药性能评估，具体涉及一种火炸药装药寿命实验室评估方法。

背景技术

火炸药是各类武器系统完成弹丸发射，实现火箭、导弹运载和各类驱动的动力能源，是战斗部和各种爆炸装置进行毁伤的威力能源。在贮存和使用过程中，各种环境应力作用下，弹药中火炸药及装药自身、各组分之间、组分与接触材料之间，都将会以某种形式发生缓慢的物理、化学变化，这种变化一方面可能导致火炸药储存过程中热稳定性变差，自身发生燃烧或爆炸；另一方面可能引起火炸药在储存过程中感度增高，增加了弹药勤务处理的危险性。确定火炸药装药贮存安全性变化可接受的程度以及如何评价火炸药装药贮存使用寿命是一项非常重要的工作，如果将未达到实际贮存使用寿命的弹药提前退役，将给国家造成极高的经济损失；超过实际贮存使用寿命服役,增大了弹药在贮存和使用中的危险性，甚至造成事故。因此，开展火炸药装药长贮性能研究及寿命评估具有重要的意义。

火炸药装药寿命就是在规定的贮存使用环境中，使装药安全贮存使用性能变化在设计阈值之内或可承受范围内的期限。火炸药装药寿命可以分为贮存寿命和使用寿命。贮存寿命是在正常贮存条件下，火炸药装药能够安全贮存不发生危险，正常使用的期限。使用寿命是指在贮存条件下火炸药装药及其制品仍能完成规定使用功能的贮存期限。它们都是火炸药贮存和正常使用的重要指标。

火炸药装药寿命评估通常采用实验室加速老化试验和自然环境贮存监测两种试验方法开展。实验室加速老化试验通常是指在不改变产品的失效机理的前提下，加大模拟环境应力水平的方法，强化环境影响因子，加速产品失效过程，以期在较短的时间内达到长时间自然贮存的效果。自然环境贮存监测试验是在典型或极端自然环境条件下将试验样品长期贮存，对其环境适应性进行研究，再根据相关的评价标准和方法来评估和预测所研究样品的安全贮存或使用寿命。自然环境贮存监测试验获得的数据真实可靠，可以对加速老化试验预估结果进行验证，但其所需要的时间长，成本高，且评估结论滞后，不利于火炸药产品的使用和安全处理。

加速老化试验用时较短、样品量小，成本低，能够提前获取火炸药贮存使用的寿命值，可以预知火炸药贮存使用的临界值，已成为人们预测研究火炸药装药贮存使用寿命的主要方法。基于加速老化试验的火炸药装药寿命预估方法是在高于正常应力水平下，长贮老化火炸药试样，定期分析测试装药老化失效特征参量值，获取失效特征参量值随应力、时间变化规律及退化模型，选择合适的临界点和数学模拟方程进行回归外推处理，预测正常贮存应力水平下火炸药试样的贮存使用寿命。

现有技术中火炸药装药寿命评估工作已开展多年，形成了一系列相关的加速老化试验方法、性能检测及监测方法、评估模型等，但是火炸药装药寿命评估工作中一直存在整个行业缺乏统一的指导性原则及流程、寿命评估方法及评估参数选择依据及科学基础不足、寿命评估设计输入分析不全面的问题，使得最终得到的寿命评估结果差别较大，准确性不高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种火炸药装药寿命实验室评估方法，以解决现有技术中的评估方法准确性不足的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种火炸药装药寿命实验室评估方法，该方法基于实验室加速老化试验，该方法按照以下六个阶段进行：

阶段一：寿命评估设计输入；

阶段二：确定潜在失效模式；

阶段三：确定加速老化试验方案；

阶段四：加速试验及老化状态评估；

阶段五：确定关键参量及退化模型；

阶段六：寿命评估。

本发明还具有如下技术特征：

具体的，所述的阶段一包括四个模块，分别为全寿命周期环境剖面分析、确定贮存及使用环境、火炸药装药状态分析以及确定所有可能的失效机理；

通过火炸药装药全寿命周期环境剖面分析，确定贮存和使用环境条件，通过火炸药装药状态分析，确定所有可能的失效机理。

具体的，所述的阶段二包括一个模块，为分析确定潜在的失效模式；

通过贮存使用环境下火炸药装药可能失效机理分析，确定装药潜在的失效模式。

具体的，所述的阶段三包括一个模块，为试验室加速老化试验方案设计；

通过火炸药装药贮存和使用环境条件、潜在的失效模式，确定试验室加速老化试验方案内容。

具体的，所的阶段四包括四个模块，分别为加速老化试验、装药性能检测、安全性试验以及老化状态评估。

具体的，所述的阶段五包括两个模块，分别为确定失效关键参量及变化规律以及关键参量变化模型；

通过加速老化试验、装药性能检测、安全性试验、老化性能评估等试验，确定失效关键参量，并获得关键参量随老化时间变化规律，在此基础上数学回归建立关键参量退化规律数学模型。

具体的，所述的阶段六包括三个模块，分别为确定失效判据、确定寿命评估模型以及确定火炸药装药贮存使用寿命；

通过火炸药关键参量退化规律及退化数学模型，结合失效判据值，利用相关模型，计算获得火炸药装药寿命值。

优选的，阶段六中所述的相关模型为Arrhenius模型或Bethelot模型。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的评估方法将火炸药装药寿命评估工作流程化、阶段化和模块化，并对每个阶段的评估模块提出应用原则和具体要求，寿命评估方法及评估参数选择更加科学，解决火炸药装药寿命评估方法统一性问题，提高了寿命评估的准确性。

(Ⅱ)本发明形成的火炸药装药寿命评估方法是在大量研究工作的基础上总结形成的，具有通用性的特点，适合任一特定的火炸药装药寿命评估研究工作的开展。

附图说明

图1是火炸药装药寿命实验室评估方法流程示意图。

图2为A炸药装药质量损失率、体积变化率退化规律曲线。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

针对火炸药装药寿命评估缺乏统一的指导性原则及流程，寿命评估方法及评估参数选择依据及科学基础不足，寿命评估设计输入分析不全面，寿命评估结果差别较大，准确性不高等问题，本发明在大量研究工作的基础上，提出了一种基于加速老化试验开展火炸药装药寿命评估的通用方法，该方法适合任一特定的火炸药装药寿命评估工作的开展，分为寿命评估设计输入、确定潜在失效模式、确定加速老化试验方案、加速试验及老化状态评估、确定关键参量及退化模型、寿命评估等六个阶段，其中评估设计输入是前提条件，加速试验及状态评估试验是核心，各阶段按次依序执行，且前阶段是后阶段执行的基础和依据。

如图1所示，本发明的方法分为六个阶段，共计15个模块，各阶段按次依序执行，且前阶段是后阶段执行的基础和依据。

需要说明的是，本发明中的15个模块中的具体操作过程均按照本领域常用的操作程序或者相关标准进行。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种火炸药装药寿命实验室评估方法，该方法基于实验室加速老化试验。

炸药样品：某A炸药，其基本组成为黑索金、梯恩梯、石蜡，装药成型工艺为熔铸。按照下述火炸药装药寿命实验室评估方法对A炸药装药进行寿命评估。

具体的，该方法按照以下六个阶段进行：

阶段一：寿命评估设计输入；

所述的阶段一包括四个模块，分别为全寿命周期环境剖面分析、确定贮存及使用环境、火炸药装药状态分析以及确定所有可能的失效机理；

通过火炸药装药全寿命周期环境剖面分析，确定贮存和使用环境条件，通过火炸药装药状态分析，确定所有可能的失效机理。

具体而言，本阶段中：

A炸药装药主要用于装填炮弹，炸药通过熔铸工艺密封装填在弹壳中，在长贮过程中，炸药装药主要面临的环境因素包括温度和湿度。考虑到密封效应，湿度对炸药装药的影响有限。因此，长贮老化过程中，老化环境应力主要以温度热应力为主。A炸药中含有TNT，TNT熔点81℃，但工业品中因含有杂质，熔点略低于此值，TNT易与炸药中的石蜡等组分形成低共熔物，熔点甚至可以降低到60℃左右。老化试验的最高应力水平确定以炸药装药失效机理保持不变为原则，老化试验过程不能改变装药的状态，因此该类炸药装药热加速老化试验温度最高选择不超过60℃。

研究发现，含TNT的炸药老化时，炸药中杂质等低熔点物质易熔化渗出，形成“渗油”，影响炸药的结构完整性和安全性。另外，根据研究，高温老化过程中，炸药中的TNT易发生升华并在装药表面重结晶，且随着老化时间增长，结晶体会不断长大增粗，而且愈来愈多。大量粗大TNT结晶体的形成，使装药密度下降，体积增大，这种体积的增大不是热胀冷缩引起的，当温度下降时，药柱体积不能恢复，因此称之“不可逆长大”。由于TNT的升华结晶体是随老化时间的增加而增多和长大，所以不可逆长大的幅度也随老化时间的增加而增大。炸药不可逆长大造成装药药柱局部密度降低、结构变得疏松，易出现空隙或裂纹，影响炸药装药的使用安全性。根据上述炸药装药状态分析，A炸药装药可能的失效机理为热老化过程中炸药中低熔点组分的迁移“渗油”、炸药中的TNT升华及重结晶定向生长易造成炸药质量产生损失、药柱体积增大、密度下降、装药产生裂纹，影响使用安全性。

阶段二：确定潜在失效模式；

所述的阶段二包括一个模块，为分析确定潜在的失效模式；

通过贮存使用环境下火炸药装药可能失效机理分析，确定装药潜在的失效模式。

具体而言，本阶段中：

通过炸药装药贮存使用环境下装药可能失效机理分析，A炸药装药潜在的失效模式主要有以下几种：

(1)低熔点组分的迁移“渗油”、TNT升华导致炸药质量损失；

(2)炸药中TNT升华并重结晶，形成大量粗大结晶体，发生“不可逆长大”，使炸药药柱体积增大；

(3)热老化使A炸药装药产生质量损失、体积增大，造成装药局部密度降低、结构变得疏松，出现空隙或裂纹。

阶段三：确定加速老化试验方案；

所述的阶段三包括一个模块，为试验室加速老化试验方案设计；

通过火炸药装药贮存和使用环境条件、潜在的失效模式，确定试验室加速老化试验方案内容。

具体而言，本阶段中：

根据阶段一和阶段二的分析，A炸药装药长贮老化过程中，老化环境应力主要以温度热应力为主，且热加速老化试验温度最高选择不超过60℃；炸药装药潜在失效模式包括质量损失、体积增大、出现空隙或裂纹三个方面，老化性能跟踪测试基于上述失效模式对应试验参量开展，试验样品尺寸可确定为Ф20mm×20mm(质量、尺寸)、Ф40mm×40mm(渗油、裂纹)、考虑到炸药装药在战斗部中处于强密封状态，因此老化试验时，样品密封在铝塑袋中。加速老化试验方法可采用单温度截尾试验法或多温度恒定应力水平加速方法，本实施例中采用单温度截尾试验法(温度系数2.7)。老化试验装置为高温恒温箱。老化取样计划结合性能测试需要及试验成本综合制定，取样间隔根据样品的失效关键参量变化速率和总取样次数确定。具体加速老化试验方案如表1。

表1加速老化试验方案

试验类型	单温度截尾试验法(温度系数2.7)
		试验样品	A炸药装药
产品特点	长期贮存、一次使用
		试验应力	温度
应力水平	60℃
		应力加载装置	高温老化试验箱
样品尺寸及数量	20mm×20mm药柱3发、Ф40mm×40mm药柱3发
		老化样品状态	铝塑袋密封
老化性能参数	药柱质量、尺寸(直径、高)、渗油性、结构完整性
		取样间隔	每15天测量一次(0、15d，30d，45d，60d，75d，90d，105d，…)
失效判据	药柱质量损失率超过1％、体积变化率超过1％、出现裂纹或孔隙
		试验终止	加速老化试验达到预设寿命时间或装药达到失效判据

阶段四：加速试验及老化状态评估；

所的阶段四包括四个模块，分别为加速老化试验、装药性能检测、安全性试验以及老化状态评估。

具体而言，本阶段中：

加速老化试验按照表1预设试验方案开展。

装药性能检测包括质量、尺寸、结构完整性等。在老化结束时，同时测量炸药撞击、摩擦等机械感度，以判断老化是否是炸药敏感化。

A炸药装药老化过程性能检测数据如下表2所示。

表2 A炸药装药老化过程性能检测数据

老化时间t/d	0	15	30	45	60	75	90	105	120
										质量损失率△m/％	0	0.07	0.18	0.25	0.36	0.45	0.64	0.71	0.77
体积变化率△V/％	0	0.38	0.52	0.76	0.81	0.87	0.95	1.04	1.09
										结构完整性	完好	完好	完好	完好	完好	完好	完好	完好	完好

老化前后安全性试验考核数据：

表3 A炸药装药老化过程中机械感度的变化

老化天数(d)	摩擦感度(爆炸概率法)	撞击感度(H50)/cm
			0d	0％	56.2cm
56d	4％	52.5cm

由老化前后机械感度数据可以看出，A炸药装药撞击、摩擦感度变化不大，炸药在外来机械应力刺激下，能够保持原有安全性，热老化未使炸药敏感化。

由表2老化性能数据可以看出，A炸药装药老化过程中质量损失率和体积变化逐渐增大，且体积变化率在90天-105天期间超过了1％，未出现裂纹、空隙等结构损伤现象。因此，A炸药装药老化过程中失效模式为质量损失和体积增大。

阶段五：确定关键参量及退化模型；

所述的阶段五包括两个模块，分别为确定失效关键参量及变化规律以及关键参量变化模型；

通过加速老化试验、装药性能检测、安全性试验、老化性能评估等试验，确定失效关键参量，并获得关键参量随老化时间变化规律，在此基础上数学回归建立关键参量退化规律数学模型。

具体而言，本阶段中：

根据获得的A炸药装药老化过程中质量损失率、体积变化率数据，进行数据拟合回归，获得质量损失率、体积变化率等性能退化规律曲线，如图2所示。

拟合回归时，以方程相关性最优为原则，A炸药装药质量损失率、体积变化率退化规律均符合y＝y₀+Ae^-x/B模型，拟合回归获得退化模型试验方程如下：

质量损失率：y(△m)＝1.1840-1.1907e^-t/140.8326 R²＝0.9991

体积变化率：y(△V)＝1.1692-1.1441e^-t/49.3629 R²＝0.9918

由图2性能退化曲线可以看出，A炸药装药质量损失率、体积变化率均随老化时间延长而增加，体积变化率要比质量损失率变化的快，且在试验过程中超过了1％的允许界限。因此，A炸药装药寿命评估以体积变化率为老化失效关键参量。通过获得的体积变化率退化模型，可以计算得到装药体积变化率达到1％时，炸药在60℃下老化了约为94天，即装药60℃下伪失效寿命值为94天。

阶段六：寿命评估：

所述的阶段六包括三个模块，分别为确定失效判据、确定寿命评估模型以及确定火炸药装药贮存使用寿命；

通过火炸药关键参量退化规律及退化数学模型，结合失效判据值，利用相关模型，计算获得火炸药装药寿命值。优选的，阶段六中所述的相关模型为Arrhenius模型或Bethelot模型。

具体而言，本阶段中：

(1)失效判据确定：

失效判据一般有四种来源：

a)装备研制合同安全性指标规定值；

b)符合产品的一般安全要求；

c)研制方和使用方协商给定值；

d)安全性试验确定的失效点。

参照北约标准MIL-STD-1751，当在环境试验中，炸药质量损失或体积变化超过1％，使用方是可以拒绝使用。因此，本实施例中A炸药装药失效判据确定为药柱质量损失率超过1％或体积变化率超过1％。

(2)安全寿命评估模型：

本实施例中采用的加速老化方法为单温度截尾试验法，单温度截尾试验本身是基于已知温度系数进行寿命评估的，根据阿累尼乌斯(Arrhenius)方程，由高温老化试验时间，推算出常温下的贮存时间。本实施例中选取老化反应温度系数r₁₀＝2.7。单温度截尾试验寿命评估模型为：式中：

τ₀为常温下贮存的时间，单位为d；

τ₁为高温下贮存的时间，单位为d；

r₁₀为每间隔10℃的反应温度系数，选取2.7；

T₁为高温贮存温度，单位为℃；

T₀为常温，20℃。

将A炸药装药以在60℃下高温老化94天带入上述寿命评估模型中，计算获得A炸药装药常温20℃的贮存寿命约为13.7年。

Claims (2)

1.一种火炸药装药寿命实验室评估方法，该方法基于实验室加速老化试验，其特征在于，该方法按照以下六个阶段进行：

阶段一：寿命评估设计输入；

所述的阶段一包括四个模块，分别为全寿命周期环境剖面分析、确定贮存及使用环境、火炸药装药状态分析以及确定所有可能的失效机理；

通过火炸药装药全寿命周期环境剖面分析，确定贮存和使用环境条件，通过火炸药装药状态分析，确定所有可能的失效机理；

阶段二：确定潜在失效模式；

所述的阶段二包括一个模块，为分析确定潜在的失效模式；

通过贮存使用环境下火炸药装药可能失效机理分析，确定装药潜在的失效模式；

阶段三：确定加速老化试验方案；

所述的阶段三包括一个模块，为试验室加速老化试验方案设计；

通过火炸药装药贮存和使用环境条件、潜在的失效模式，确定试验室加速老化试验方案内容；

阶段四：加速试验及老化状态评估；

所的阶段四包括四个模块，分别为加速老化试验、装药性能检测、安全性试验以及老化状态评估；

阶段五：确定关键参量及退化模型；

所述的阶段五包括两个模块，分别为确定失效关键参量及变化规律以及关键参量变化模型；

通过加速老化试验、装药性能检测、安全性试验和老化性能评估试验，确定失效关键参量，并获得关键参量随老化时间变化规律，在此基础上数学回归建立关键参量退化规律数学模型；

阶段六：寿命评估：

所述的阶段六包括三个模块，分别为确定失效判据、确定寿命评估模型以及确定火炸药装药贮存使用寿命；

通过火炸药关键参量退化规律及退化数学模型，结合失效判据值，利用相关模型，计算获得火炸药装药寿命值。

2.如权利要求1所述的火炸药装药寿命实验室评估方法，其特征在于，阶段六中所述的相关模型为Arrhenius模型或Bethelot模型。