朱左明，王煊軍，韓啟龍

（第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安710025）

引 言

作為一種冷態(tài)沖蝕技術(shù)，高壓水射流在廢棄固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中推進(jìn)劑裝藥的安全清理上得到了廣泛應(yīng)用［1］。然而，清理作業(yè)中高壓水射流與固體推進(jìn)劑之間的近似剛性碰撞在一定條件下可能引起燃燒甚至爆炸，這類(lèi)事故在美國(guó)、德國(guó)、烏克蘭和中國(guó)都有發(fā)生，并且其中的點(diǎn)火起爆機(jī)理至今尚不明確［2－3］。鑒于高壓水射流清理推進(jìn)劑裝藥的潛在危險(xiǎn)性，工程實(shí)際中人們僅將高壓水射流用于清理危險(xiǎn)系數(shù)較低的HTPB推進(jìn)劑裝藥或CTPB推進(jìn)劑裝藥，并將射流壓力控制在50MPa以內(nèi)、單次清理時(shí)間控制在15min以內(nèi)。而對(duì)于危險(xiǎn)系數(shù)較高的NEPE推進(jìn)劑裝藥，目前尚未見(jiàn)到其安全清理方面的文獻(xiàn)報(bào)道。

本研究從可破碎性和安全性兩個(gè)方面對(duì)高壓水射流清理NEPE推進(jìn)劑裝藥的可行性進(jìn)行分析。由于高壓水射流清理技術(shù)的工作介質(zhì)為價(jià)格低廉的自來(lái)水且清理得到的廢藥廢水能夠?qū)崿F(xiàn)全部回收和分類(lèi)處理，因而具有很好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

1 可破碎性分析

將高壓水射流用于清理NEPE推進(jìn)劑裝藥的基本前提是確保高壓水射流對(duì)NEPE推進(jìn)劑裝藥的有效破碎。影響破碎的因素很多，其中射流壓力是影響水射流切割破碎能力的最重要因素。表1為某配方NEPE推進(jìn)劑的機(jī)械強(qiáng)度，以此為依據(jù)可以確定水射流清理NEPE推進(jìn)劑裝藥的出口壓力下限。根據(jù)水射流對(duì)其他物料的大量試驗(yàn)可知，出口壓力越高，切割破碎越容易。當(dāng)然，清理作業(yè)中出于安全性和能效的考慮，不可能對(duì)出口壓力無(wú)限取高。

以20℃時(shí)NEPE推進(jìn)劑裝藥的抗壓強(qiáng)度為其破壞依據(jù)，取30、40、50MPa三個(gè)出口壓力水平，當(dāng)噴嘴直徑、靶距、清理時(shí)間分別為0．2mm、20mm、10min時(shí)，水射流以三孔旋轉(zhuǎn)噴射方式對(duì)NEPE 推進(jìn)劑裝藥進(jìn)行清理，效果如圖1所示，各出口壓力下相應(yīng)的質(zhì)量損失（Δm）和切割深度（h）如表2所示。

圖1 水射流對(duì)NEPE推進(jìn)劑裝藥的清理效果Fig．1 Clearing effect of NEPE propellant under waterjet

表2 NEPE推進(jìn)劑裝藥不同壓力水射流下的質(zhì)量損失和切割深度Table 2 Mass loss and cutting depth of NEPE propellant charge under different pressure waterjet

從圖1和表2可以看出，30～50MPa的水射流均可實(shí)現(xiàn)NEPE推進(jìn)劑裝藥的有效破碎，并且射流壓力越高，清理效果越好。

2 安全性分析

安全性是高壓水射流清理NEPE 推進(jìn)劑裝藥的第一要求。清理作業(yè)中的危險(xiǎn)包括兩個(gè)方面：一是高壓水射流沖擊NEPE 推進(jìn)劑時(shí)可能直接發(fā)生點(diǎn)火起爆；二是NEPE推進(jìn)劑裝藥經(jīng)水射流破碎后的某些特殊形態(tài)可能會(huì)發(fā)生起爆。

2．1 沖擊安全性分析

根據(jù)應(yīng)力波理論，高壓水射流對(duì)NEPE 推進(jìn)劑裝藥的沖擊作用可分為動(dòng)態(tài)加載過(guò)程和準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程兩個(gè)階段［4］。如圖2所示，當(dāng)高壓水射流頭部剛剛接觸到推進(jìn)劑裝藥表面時(shí)，界面的狀態(tài)參數(shù)會(huì)發(fā)生突變并形成水錘壓力pH，此為動(dòng)態(tài)加載過(guò)程；水錘壓力作用于推進(jìn)劑裝藥表面的持續(xù)時(shí)間僅為微秒量級(jí)，然后會(huì)迅速衰減并基本穩(wěn)定為滯止壓力pS，隨著沖擊作用的持續(xù)，便形成了準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程。

圖2 高壓水射流作用下固體推進(jìn)劑界面的壓力變化Fig．2 Pressure change of propellant interface under high pressure waterjet

當(dāng)水射流沖擊馬赫數(shù)M＝vj／Cw相對(duì)較小時(shí)，水錘壓力pH的計(jì)算公式如下［5］：

式中：ρw為水射流的質(zhì)量密度，1 000kg／m3；Cw為水中的聲速，1440m／s；vj為水射流速度，m／s；pj為水射流的出口壓力，MPa。

水錘壓力的持續(xù)時(shí)間極短，一般僅為微秒量級(jí)，計(jì)算公式如下：

式中：rj為射流半徑；Cr為釋壓波傳播速度。

由式（1）、（2）計(jì)算得到出口壓力為50MPa的水射流所產(chǎn)生的水錘壓力約為0．455GPa。由于NEPE推進(jìn)劑裝藥的可壓縮性以及水射流在流程中的速度損耗，實(shí)際水錘壓力會(huì)低于計(jì)算結(jié)果。

文獻(xiàn)［6］給出了滯止壓力pS的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：lf為水射流初始段長(zhǎng)度；x 為水射流出口與推進(jìn)劑表面的軸向距離；a、b為試驗(yàn)常數(shù)。

由式（4）、（5）可見(jiàn)，理想情況下，滯止壓力等于水射流的出口壓力，但由于水射流在流程中的截面擴(kuò)展、速度損耗以及NEPE 推進(jìn)劑裝藥的可壓縮性，實(shí)際的滯止壓力會(huì)低于水射流的出口壓力。

從化學(xué)組成、能量特性、反應(yīng)熱等方面可將NEPE推進(jìn)劑看作是一種非均質(zhì)炸藥，因而在水射流的沖擊壓力作用下，其本身既有可能在強(qiáng)力沖擊下發(fā)生沖擊起爆，也有可能由于水射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化成的熱能大量聚集或沖擊作用引發(fā)的局部化學(xué)反應(yīng)大量放熱而發(fā)生熱點(diǎn)火甚至熱起爆。

2．1．1 沖擊起爆的可能性

在高壓水射流對(duì)NEPE 推進(jìn)劑的沖擊過(guò)程中，水錘壓力pH大大高于滯止壓力pS，因而本研究首先考察水錘壓力作用下發(fā)生沖擊起爆的可能性，若在水錘壓力下存在沖擊起爆的可能，再進(jìn)一步研究滯止壓力下發(fā)生沖擊起爆的可能性。由于在大尺寸推進(jìn)劑藥柱上開(kāi)展水射流沖擊起爆試驗(yàn)既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)，因此將通過(guò)相似的沖擊起爆模型來(lái)分析水射流清理NEPE 推進(jìn)劑裝藥過(guò)程中的沖擊起爆的可能性。

（1）飛片沖擊起爆模型

平面飛片撞擊非均質(zhì)炸藥時(shí)，相當(dāng)于輸入一個(gè)壓力為p、脈寬為τ的近似于方波的壓力脈沖；入射沖擊波能否引起非均質(zhì)炸藥起爆，取決于壓力p、脈寬τ、飛片面積a 和炸藥厚度X。含有這幾項(xiàng)影響因素并適用于接近臨界起爆壓力的低壓范圍的沖擊起爆綜合判據(jù)可以表示為如下形式［7］：

式中：pc為臨界起爆壓力；K、b、B、m、M、n、N 為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

當(dāng)X、a、τ等變量增大到對(duì)起爆過(guò)程不再有明顯影響時(shí)，上述沖擊起爆綜合判據(jù)可以化為：

即沖擊壓力必須大于臨界起爆壓力，非均質(zhì)炸藥才有可能點(diǎn)火起爆。

由于水射流在高壓高速條件下所具有的剛性特征，可以將此沖擊起爆判據(jù)近似應(yīng)用于高壓水射流沖擊NEPE 推進(jìn)劑。對(duì)NEPE 推進(jìn)劑裝藥進(jìn)行拉氏分析實(shí)驗(yàn)，得到?jīng)_擊起爆的臨界壓力為2～3GPa［7］。而工程實(shí)際中高壓水射流清理NEPE 推進(jìn)劑裝藥的最高工作壓力50MPa所產(chǎn)生的水錘壓力僅為0．455GPa，明顯低于臨界起爆壓力。同時(shí)，水錘壓力的脈沖寬度極小，大大限制了NEPE 推進(jìn)劑裝藥發(fā)生沖擊起爆的可能性。

（2）液體射流沖擊起爆高能炸藥模型

Mader通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，在液體射流沖擊下高能炸藥能否起爆與液體密度ρ、射流速度v 的平方和射流直徑d 有關(guān)［9］，即對(duì)于某一特定的高能炸藥，在液體射流沖擊下的起爆判據(jù)為：

式中：K 為常數(shù)；對(duì)于PETN 和HMX，K 值分別為107kg／s2和4×107kg／s2。

假定NEPE 推進(jìn)劑和高能炸藥在液體射流沖擊下具有相同的起爆機(jī)理，那么便可將此起爆判據(jù)近似應(yīng)用于高壓水射流沖擊NEPE 推進(jìn)劑裝藥。對(duì)于NEPE 推進(jìn)劑，其撞擊感度低于PETN 和HMX，其K 值高于PETN 和HMX。由于藥柱清理作業(yè)中射流速度v 小于350m／s，射流直徑d 小于0．01m，因而高壓水射流沖擊NEPE 推進(jìn)劑裝藥的ρv2d 值要小于107kg／s2，即小于其K 值。

通過(guò)比較以上兩個(gè)模型可知，工程中的出口壓力在50MPa以內(nèi)的高壓水射流所產(chǎn)生的水錘壓力不會(huì)造成NEPE推進(jìn)劑裝藥的沖擊起爆，這樣遠(yuǎn)低于水錘壓力的滯止壓力更不可能引發(fā)沖擊起爆，因而可將清理過(guò)程中沖擊安全性分析的重點(diǎn)集中于熱點(diǎn)火、熱起爆可能性。

2．1．2 熱點(diǎn)火（起爆）的可能性

由于水錘壓力作用時(shí)間極短，在這一瞬間NEPE推進(jìn)劑裝藥中不可能積聚大量的熱量，因而水錘的壓力作用不會(huì)直接導(dǎo)致NEPE 推進(jìn)劑裝藥發(fā)生熱點(diǎn)火或熱起爆。而在清理中，滯止壓力通常會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地作用于NEPE 推進(jìn)劑裝藥上的某一局部。這一過(guò)程中，水射流的動(dòng)能會(huì)有相當(dāng)一部分通過(guò)NEPE推進(jìn)劑裝藥的彈性變形和黏性流動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能。在一定條件下，當(dāng)熱量在NEPE 推進(jìn)劑裝藥局部大量積聚時(shí)，在一定受熱程度下NEPE 推進(jìn)劑會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)并放出熱量，進(jìn)入自加熱過(guò)程。若熱量不能及時(shí)擴(kuò)散，開(kāi)始時(shí)較為緩慢的放熱反應(yīng)會(huì)在進(jìn)行到一定程度時(shí)驟然加速，使推進(jìn)劑的能量瞬間釋放，發(fā)生熱點(diǎn)火甚至起爆。

由于目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)水射流沖擊下NEPE推進(jìn)劑裝藥溫度變化的理論計(jì)算和在受熱情況下發(fā)生熱分解反應(yīng)的定量分析，本研究通過(guò)裝藥清理作業(yè)中其內(nèi)部的溫度變化來(lái)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程中NEPE推進(jìn)劑裝藥的熱點(diǎn)火（起爆）危險(xiǎn)性加以衡量監(jiān)測(cè)。

NEPE推進(jìn)劑的放熱分解溫度約為180℃［10］，減去推進(jìn)劑生產(chǎn)部門(mén)給出的安全系數(shù)40℃，NEPE推進(jìn)劑裝藥在清理作業(yè)的工藝溫度不應(yīng)超過(guò)140℃。

由于目前尚無(wú)法在射流沖擊與熱量累積之間建立明確的函數(shù)關(guān)系，因此通過(guò)埋置在NEPE 推進(jìn)劑樣坯內(nèi)部的溫度傳感器多次測(cè)定50MPa水射流清理作業(yè)中其內(nèi)部的溫度變化，典型的溫升曲線如圖2所示。

圖2 50MPa水射流作用下NEPE推進(jìn)劑裝藥內(nèi)部的溫升曲線Fig．2 Internal temperature rise curve of NEPE propellant under the 50MPa waterjet action

由圖2 可見(jiàn)，推進(jìn)劑裝藥內(nèi)部在50MPa水射流作用下作業(yè)面附近的溫度逐漸上升并在40℃左右穩(wěn)定，這一溫度約為高壓水射流的水溫，與前面得到的清理作業(yè)工藝溫度上限相差約100℃，不會(huì)引發(fā)NEPE推進(jìn)劑裝藥熱點(diǎn)火（起爆）。

2．2 次生危險(xiǎn)性分析

經(jīng)水射流沖擊破碎后，NEPE 推進(jìn)劑裝藥的物理形態(tài)發(fā)生了很大改變，化學(xué)形態(tài)也發(fā)生一定程度的改變。物理化學(xué)形態(tài)的改變會(huì)使NEPE 推進(jìn)劑裝藥的清理作業(yè)過(guò)程衍生出一些新的危險(xiǎn)性。

2．2．1 粉塵爆炸可能性

文獻(xiàn)［11］提出了一種可能的固體推進(jìn)劑在高壓水射流作用下的點(diǎn)火模式——粉塵體系點(diǎn)火模式，即固體推進(jìn)劑在清理作業(yè)中可能形成的由粉塵顆粒、氣體、水霧等組成的可燃性粉塵云在一定混合濃度下能夠被機(jī)械火花或靜電火花引爆。

針對(duì)文獻(xiàn)［11］提出的這一點(diǎn)火模式，本研究認(rèn)為：（1）水射流沖擊推進(jìn)劑裝藥表面反射形成的水霧非常濃密，對(duì)應(yīng)的空氣濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100%，且推進(jìn)劑裝藥經(jīng)水射流沖擊破碎后的廢藥粒度尺寸較大（多在1mm 以上），因而很難形成可燃性粉塵云，即使有可能形成這種可燃性粉塵云，也可以使用抽濾吸附設(shè)備和噴淋設(shè)備及時(shí)去除；（2）清理作業(yè)中機(jī)械火花和靜電火花的來(lái)源主要集中在水射流設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的碰撞，這完全可以通過(guò)一定的技術(shù)手段和安全措施加以避免。

2．2．2 硝酸酯類(lèi)增塑劑

NEPE推進(jìn)劑采用硝酸酯類(lèi)增塑劑，主要為硝化甘油（NG）、1，2，4－丁三醇三硝酸酯（BTTN）、三羥甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）、二縮三乙二醇二硝酸酯（TEGDN）、一縮二乙二醇二硝酸酯（DEGDN）以及它們的混合物。這類(lèi)有機(jī)含氮化合物既能提高推進(jìn)劑的能量又能改善推進(jìn)劑的力學(xué)性能，但同時(shí)具有很強(qiáng)的爆炸性，蔣大勇［12］提出在水射流沖刷下NEPE 推進(jìn)劑中的硝酸酯類(lèi)增塑劑可能會(huì)脫離原有的固化體系裸露出來(lái)并造成燃燒或爆炸危險(xiǎn)性。

事實(shí)上，NEPE推進(jìn)劑采用的硝酸酯類(lèi)增塑劑均不溶或難溶于水，其他組分也僅有AP易溶于水，因而經(jīng)過(guò)水射流清理后，射流用水僅能從NEPE 推進(jìn)劑裝藥中萃取出少部分AP，并不能萃取出其他組分，故清理廢水不存在燃燒或爆炸的危險(xiǎn)性。另外，清理得到的廢藥的粒徑尺寸并不微小，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)仍與原來(lái)的NEPE 推進(jìn)劑裝藥基本相同，且其中硝酸酯類(lèi)增塑劑并未脫離原來(lái)的固化體系，因而廢藥的燃燒或爆炸危險(xiǎn)性與原來(lái)的NEPE 推進(jìn)劑裝藥相比沒(méi)有顯著變化。

3 結(jié) 論

（1）以20℃時(shí)NEPE推進(jìn)劑裝藥的抗壓強(qiáng)度為其破壞依據(jù)，通過(guò)清理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證30～50MPa的水射流均可實(shí)現(xiàn)NEPE推進(jìn)劑裝藥的有效破碎，并且射流壓力越高，清理效果越好。

（2）在小于50MPa以內(nèi)的水射流作用下NEPE推進(jìn)劑裝藥不會(huì)發(fā)生沖擊起爆和熱點(diǎn)火（起爆）；清理過(guò)程中不可能發(fā)生粉塵爆炸，硝酸酯類(lèi)增塑劑在清理后不會(huì)脫離原有的固化體系而使廢藥呈現(xiàn)出更高的危險(xiǎn)性。

（3）現(xiàn)有的嚴(yán)格控制射流壓力和清理時(shí)間的高壓水射流清理技術(shù)可以用于NEPE 推進(jìn)劑裝藥的清理。與HTPB推進(jìn)劑相比NEPE 推進(jìn)劑的危險(xiǎn)性更高，因此在清理過(guò)程中須嚴(yán)格防止水射流清理之外的其他因素對(duì)清理過(guò)程構(gòu)成潛在危險(xiǎn)。

［1］ 承文，柳玉杰．水射流技術(shù)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．化學(xué)清洗，1999，15（5）：39－43，50．CHENG Wen，LIU Yu－jie．Application of waterjet technology in the development and production of rocket engine［J］．Chemical Cleaning，1999，15（5）：39－43，50．

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［12］蔣大勇．廢棄HTPB推進(jìn)劑預(yù)處理與再利用中關(guān)鍵問(wèn)題研究［D］．西安：第二炮兵工程學(xué)院，2011．