張林軍，徐露萍，杜姣姣，劉文亮，王芳芳，王宏霞

火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系研究

張林軍，徐露萍，杜姣姣，劉文亮，王芳芳，王宏霞

（西安近代化學(xué)研究所，西安 710065）

為解決我國火炸藥裝藥壽命評估標(biāo)準(zhǔn)工作滯后、體系缺失等問題，規(guī)范和指導(dǎo)火炸藥裝藥壽命評估工作，提升壽命評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和認(rèn)可度，從火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估技術(shù)體系出發(fā)，探討了火炸藥裝藥壽命評估的流程及技術(shù)要求。參照北約彈藥裝藥安全性及壽命評估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情報資料，構(gòu)建了我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系框架，明確了標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)內(nèi)容。提出我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系按照系統(tǒng)科學(xué)、層次分明、綜合開放的思路進(jìn)行構(gòu)建，分為頂層規(guī)范類標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)類標(biāo)準(zhǔn)、操作類標(biāo)準(zhǔn)3個層次。

火炸藥裝藥；壽命評估；方法標(biāo)準(zhǔn)；評估流程；技術(shù)要求；標(biāo)準(zhǔn)體系

火炸藥是各類武器系統(tǒng)完成彈丸發(fā)射，實(shí)現(xiàn)火箭、導(dǎo)彈運(yùn)載和各類驅(qū)動的動力能源，是戰(zhàn)斗部和各種爆炸裝置進(jìn)行毀傷的威力能源[1]。高能火炸藥及其裝藥是高新武器彈藥技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，組分復(fù)雜化、能量高能化、載荷多元化，使得高能火炸藥裝藥的貯存性能、安全性能面臨新的挑戰(zhàn)[2-3]。在貯存和使用過程中，各種環(huán)境應(yīng)力作用下，彈藥中火炸藥裝藥自身、各組分之間、組分與接觸材料之間，都將會以某種形式發(fā)生緩慢的物理、化學(xué)變化[4-9]。這種變化一方面可能導(dǎo)致火炸藥儲存過程中穩(wěn)定性變差，喪失作戰(zhàn)能力，壽命終止；另一方面，可能引起火炸藥在儲存過程中感度增高，發(fā)生燃燒或爆炸，增加了彈藥勤務(wù)處理的危險性。因此，研究火炸藥及裝藥長貯老化性能和安全性能，對于保證庫存彈藥的安全可靠貯存和使用至關(guān)重要。如果將未達(dá)到實(shí)際壽命的裝藥提前退役，將給國家造成極高的經(jīng)濟(jì)損失；而超過實(shí)際壽命服役，增大了彈藥在貯存和使用中的危險性，甚至造成事故。

國內(nèi)火炸藥裝藥壽命評估通常采用實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)和自然環(huán)境貯存監(jiān)測2種方法[10-16]。實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)通常是指在不改變產(chǎn)品失效機(jī)理的前提下，加大模擬環(huán)境應(yīng)力水平的方法，強(qiáng)化環(huán)境影響因子，加速產(chǎn)品失效過程，以期在較短的時間內(nèi)達(dá)到長時間自然貯存的效果。自然環(huán)境貯存監(jiān)測試驗(yàn)是在典型或極端自然環(huán)境條件下將試驗(yàn)樣品長期貯存，根據(jù)相關(guān)的評價標(biāo)準(zhǔn)、方法來評估和預(yù)測所研究樣品的貯存或使用壽命。由于實(shí)驗(yàn)室加速壽命試驗(yàn)具有時間短、成本低、提前預(yù)知壽命結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為人們預(yù)測研究火炸藥裝藥壽命的主要方向。我國已開展火炸藥裝藥加速老化壽命研究工作多年，形成了GJB 770B—2005 方法506.1、QJ 2328A—2005等壽命評估標(biāo)準(zhǔn)[17-19]，但是一直存在標(biāo)準(zhǔn)工作滯后、標(biāo)準(zhǔn)體系缺失、壽命評估結(jié)果準(zhǔn)確性和認(rèn)可度差等問題，無法規(guī)范和指導(dǎo)火炸藥裝藥壽命評估工作的開展。美國等北約國家非常重視彈藥老化性能及壽命評估，開展了大量安全性、老化壽命等評估技術(shù)研究工作，形成了比較完整的彈藥裝藥安全性及壽命評估方法標(biāo)準(zhǔn)體系[20]。本文從火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估技術(shù)需求出發(fā)，參照北約彈藥裝藥安全性及壽命評估相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情報資料，探討了火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估的流程和技術(shù)要求。同時，提出了我國火炸藥裝藥壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)思路和層次，構(gòu)建了我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系框架，明確了體系標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)內(nèi)容，對今后我國建立全面完善、與國際接軌的標(biāo)準(zhǔn)體系具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)室壽命評估的流程和技術(shù)要求

實(shí)驗(yàn)室開展壽命評估的火炸藥裝藥特指一定尺度的火炸藥藥柱和具有一定約束殼體（包覆層）的火炸藥結(jié)構(gòu)件?；鹫ㄋ幯b藥壽命就是在規(guī)定的貯存使用環(huán)境中，使裝藥安全貯存、使用性能變化在設(shè)計(jì)閾值之內(nèi)或可承受范圍內(nèi)的期限。實(shí)驗(yàn)室壽命評估方法是在高于正常應(yīng)力水平下，對火炸藥裝藥試樣進(jìn)行加速老化，定期分析測試裝藥老化失效特征參量值，獲取失效特征參量值隨應(yīng)力、時間的變化規(guī)律及退化模型，選擇合適的臨界點(diǎn)和數(shù)學(xué)評估模型進(jìn)行回歸外推處理，預(yù)測正常貯存使用應(yīng)力水平下火炸藥裝藥試樣的壽命?；鹫ㄋ幯b藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估是一個系統(tǒng)工作，包括貯存使用環(huán)境條件、裝藥狀態(tài)、老化規(guī)律、失效模式、評估模型、失效判據(jù)、加速方法、檢測方法、評價方法、監(jiān)測方法等多個環(huán)節(jié)。北約在AOP-46《彈藥壽命評估的科學(xué)基礎(chǔ)》[21]中給出了彈藥壽命評估的流程，該流程包括評估輸入、辨識失效模式、評估方法、試驗(yàn)及狀態(tài)監(jiān)測、壽命評估等5個階段，如圖1所示。

在借鑒北約彈藥壽命評估程序的基礎(chǔ)上，分析火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估的環(huán)節(jié)和要素。壽命評估流程可分為評估設(shè)計(jì)輸入、潛在失效模式確定、加速試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、加速試驗(yàn)及狀態(tài)評估、確定關(guān)鍵參量及退化模型、壽命評估等6個階段。各階段技術(shù)要求如下：

1）壽命評估設(shè)計(jì)輸入。包括全壽命周期環(huán)境剖面分析、確定貯存及使用環(huán)境、火炸藥裝藥狀態(tài)分析、確定所有可能的失效機(jī)理等環(huán)節(jié)。主要獲取特定應(yīng)用背景下開展壽命評估工作所需的設(shè)計(jì)輸入詳細(xì)信息。

2）確定潛在失效模式。通過貯存使用環(huán)境下火炸藥裝藥可能失效機(jī)理分析，確定裝藥潛在的失效模式。通常情況下，火炸藥裝藥的失效模式主要表現(xiàn)為熱化學(xué)失效、力學(xué)失效、結(jié)構(gòu)失效（熱應(yīng)力）、功能失效等四大類。

3）確定加速老化試驗(yàn)方案。加速老化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)主要包括加速老化環(huán)境應(yīng)力模擬加載、老化性能參數(shù)、試驗(yàn)樣品狀態(tài)和數(shù)量、老化試驗(yàn)時間、取樣計(jì)劃等方面的內(nèi)容。

4）加速試驗(yàn)及老化狀態(tài)評估。本階段為試驗(yàn)階段，包括加速老化試驗(yàn)、裝藥性能檢測、安全性試驗(yàn)、老化狀態(tài)評估等環(huán)節(jié)。由于火炸藥具有易燃易爆特點(diǎn)，安全性能變化必須重點(diǎn)關(guān)注。在老化結(jié)束時，必須測量火炸藥熱感度、熱安定性、撞擊感度、摩擦感度等安全性能，以判斷老化是否引起火炸藥的敏感化，是否存在安全風(fēng)險。

5）確定關(guān)鍵參量及退化模型。包括確定失效關(guān)鍵參量及變化規(guī)律和關(guān)鍵參量變化模型等環(huán)節(jié)。

6）壽命評估。包括確定失效判據(jù)、確定壽命評估模型、確定火炸藥裝藥貯存使用壽命等環(huán)節(jié)。根據(jù)關(guān)鍵參量變化模型，結(jié)合給定的失效判據(jù)值，獲得不同應(yīng)力水平下的偽失效壽命。利用選用的壽命評估模型[22-26]，結(jié)合偽失效壽命值，建立裝藥壽命評估模型試驗(yàn)方程，回歸計(jì)算預(yù)估正常環(huán)境條件下的火炸藥裝藥壽命值。

2 北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標(biāo)準(zhǔn)分析

美國及北約非常重視彈藥及裝藥安全性及長貯老化研究，制定了一系列彈藥貯存監(jiān)測計(jì)劃，開展了大量裝藥老化試驗(yàn)及機(jī)理研究，掌握了裝藥絕大多數(shù)失效機(jī)理和模式，形成了較為全面的標(biāo)準(zhǔn)體系。通過對北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標(biāo)準(zhǔn)化的初步分析發(fā)現(xiàn)，在彈藥服役全壽命周期中各個環(huán)節(jié)，針對不同環(huán)節(jié)可能遇到的環(huán)境刺激，及其引發(fā)的安全性或彈藥失效問題，北約有專門的試驗(yàn)和評價標(biāo)準(zhǔn)作為支撐。北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋了彈藥及裝藥設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、貯存和運(yùn)輸、銷毀處理全壽命周期階段，每個階段均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法配套[27-33]，如圖2所示。北約彈藥及裝藥安全性及壽命評估標(biāo)準(zhǔn)大致可以分為4個層次（見圖3）：指南類標(biāo)準(zhǔn)；科學(xué)基礎(chǔ)、評估程序、老化議定書等共性通用類標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)方法、評價方法和性能表征方法等試驗(yàn)操作類標(biāo)準(zhǔn)；典型彈藥安全性及壽命評估方法標(biāo)準(zhǔn)。

在火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估方面，AOP-46、AOP-7等標(biāo)準(zhǔn)更具有指導(dǎo)和借鑒意義。AOP-46《彈藥壽命評估的科學(xué)基礎(chǔ)》是北約非核彈藥壽命評估的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，給出了彈藥全壽命周期內(nèi)壽命的影響因素、評估的科學(xué)基礎(chǔ)以及壽命評估的一般方法。標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了環(huán)境對彈藥的影響、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定、產(chǎn)品包裝、性能退化機(jī)理、評估設(shè)計(jì)及風(fēng)險分析、壽命評估程序、加速試驗(yàn)、加速失效模式及數(shù)學(xué)模型、延壽、壽命終結(jié)等各個部分，對彈藥產(chǎn)品壽命評估全流程做了詳細(xì)的規(guī)定。AOP-7《軍用爆炸物鑒定用數(shù)據(jù)要求和試驗(yàn)手冊第8章老化議定書》[27]主要針對軍用爆炸物長貯壽命各階段的研究特點(diǎn)，分別規(guī)定了老化試驗(yàn)條件及性能檢測項(xiàng)目，并能夠結(jié)合武器裝備的需求變化進(jìn)行適時修訂。

3 我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系是制定、修訂和貫徹實(shí)施火炸藥裝藥壽命評估各類標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，對于研制和應(yīng)用“寬環(huán)境、長壽命、高安全”的新型高能火炸藥具有巨大的推動作用和保障作用。由于不同的火炸藥產(chǎn)品其配方組成、生產(chǎn)工藝、裝藥結(jié)構(gòu)、應(yīng)用背景等不同，其加速試驗(yàn)方法及老化性能評估方法可能不同，即使同一種火炸藥裝藥應(yīng)用在不同的彈種中，其失效模式與機(jī)理也是不盡相同的。因此，火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，壽命評估涉及樣品制備、老化試驗(yàn)、失效機(jī)理模式分析、性能檢測、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建等多個環(huán)節(jié)要素及相應(yīng)方法標(biāo)準(zhǔn)支撐。通過對比北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)合火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估流程和技術(shù)要求，我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估體系將按照系統(tǒng)科學(xué)、層次分明、綜合開放的思路進(jìn)行構(gòu)建。

圖2 北約彈藥及裝藥全壽命周期安全性與壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系

圖3 北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系層次框圖

1）系統(tǒng)科學(xué)。從火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估的技術(shù)體系和流程出發(fā)，對壽命評估過程中每個階段的各環(huán)節(jié)要素進(jìn)行系統(tǒng)分析，以提升壽命預(yù)估結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性為目標(biāo)，科學(xué)制定各環(huán)節(jié)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境應(yīng)力模擬等效加載、老化試樣與真實(shí)裝藥的等效問題、老化性能檢測取樣的等效問題等關(guān)鍵點(diǎn)。壽命評估各環(huán)節(jié)方法標(biāo)準(zhǔn)相互聯(lián)系、銜接、補(bǔ)充，應(yīng)用時按照實(shí)際需要選擇裁剪，構(gòu)成具有特定標(biāo)準(zhǔn)化功能的有機(jī)整體。

2）層次分明。根據(jù)國內(nèi)裝藥壽命評估環(huán)節(jié)要素和標(biāo)準(zhǔn)化需求，對標(biāo)北約武器彈藥安全性與壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系，我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)初步設(shè)計(jì)為3個層次：頂層規(guī)范類標(biāo)準(zhǔn)，主要包括火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估通用程序及評估指南；設(shè)計(jì)類標(biāo)準(zhǔn)，主要包括環(huán)境應(yīng)力模擬、火炸藥裝藥狀態(tài)與分類、失效模式與機(jī)理等共用基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)；操作類標(biāo)準(zhǔn)，包括試驗(yàn)方法、檢測方法及評估方法等。我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系層次如圖4所示。

3）綜合開放。標(biāo)準(zhǔn)體系的建立是一個長期、不斷更新完善的過程?；鹫ㄋ幯b藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)首先需要搭建一個較為完整的體系框架，框架中標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成應(yīng)當(dāng)是一個綜合、開放、不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)群，所有與火炸藥壽命相關(guān)的方法標(biāo)準(zhǔn)都可以按照其特點(diǎn)和功能劃分到體系框架不同層次中，并隨著新產(chǎn)品和新技術(shù)的發(fā)展不斷豐富和完善。

圖4 我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系層次

按照火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系層次劃分，我國壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)包括以下標(biāo)準(zhǔn)，頂層規(guī)范類標(biāo)準(zhǔn)主要為火炸藥裝藥壽命評估指南、程序、通用要求、術(shù)語定義等；設(shè)計(jì)類標(biāo)準(zhǔn)主要為壽命評估方法設(shè)計(jì)、機(jī)理機(jī)制研究等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，分為環(huán)境應(yīng)力模擬加載方法、老化試樣設(shè)計(jì)及要求、失效模式及模型選用等三大類，包括老化環(huán)境譜及載荷譜、熱加速老化試驗(yàn)方法、多應(yīng)力耦合加速試驗(yàn)方法、老化試樣設(shè)計(jì)方法、裝藥分類方法、試樣尺寸等效性評價方法、壽命評估模型、數(shù)據(jù)處理方法等標(biāo)準(zhǔn)；操作類標(biāo)準(zhǔn)則主要為與產(chǎn)品結(jié)合較為密切，需要開展相關(guān)試驗(yàn)研究，獲取樣品老化性能，進(jìn)行老化狀態(tài)評價等試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，分為加速老化試驗(yàn)方法、老化性能檢測方法、老化狀態(tài)評價方法等3類，包括不同狀態(tài)（粉末、藥柱、公斤級裝藥、彈體裝藥）火炸藥加速老化方法、安全性試驗(yàn)、老化性能監(jiān)測、現(xiàn)場快速檢測、老化性能評價等方法標(biāo)準(zhǔn)。上述方法標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系，開展壽命評估工作時，按照評估流程中階段技術(shù)要求，選擇相應(yīng)的方法標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4 結(jié)語

火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估涉及多個技術(shù)領(lǐng)域和專業(yè)，評估過程所需試驗(yàn)和評價方法較多，需要建立制定各階段、各環(huán)節(jié)的方法標(biāo)準(zhǔn)，來規(guī)范和指導(dǎo)火炸藥裝藥壽命評估工作。本文從火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估技術(shù)體系和流程出發(fā)，探討了壽命評估各階段的技術(shù)要求，同時參照北約彈藥裝藥安全性及壽命評估相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情報資料，構(gòu)建了我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系框架，明確了標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)內(nèi)容。提出我國火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系按照系統(tǒng)科學(xué)、層次分明、綜合開放的思路進(jìn)行構(gòu)建，可分為頂層規(guī)范類標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)類標(biāo)準(zhǔn)、操作類標(biāo)準(zhǔn)3個層次。同時，標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)是一個循序漸進(jìn)的過程，不能一蹴而就，應(yīng)加強(qiáng)火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估關(guān)鍵技術(shù)研究，研制新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不斷地對體系中標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行增添、修訂，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)。

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Standard System for Laboratory Life Assessment of Explosives and Propellants Charges

ZHANG Lin-jun, XU Lu-ping, DU Jiao-jiao, LIU Wen-liang, WANG Fang-fang, WANG Hong-xia

(Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Shaanxi Xi'an 710065, China)

The work aims to solve the lagging and system lack of life assessment standards for explosivesand propellants charges in China, standardize and guide the life assessment work and improve the accuracy and recognition of life assessment results. The process and technical requirements were discussed from the technical system in laboratory life assessment. Meanwhile, referring to the relevant standard information of NATO about ammunition charges safety and life assessment, the framework of China's standard system for life assessment of explosives and propellants charges was constructed, and the contents of the standard system were clarified. It is put forward that the standard system for life assessment ofexplosives and propellants charges should be constructed according to the idea of systematic and scientific, clear hierarchy and comprehensive openness, and it should be divided into three levels including top-level specification standard, design standard and operation standard.KEY WORDS: explosives and propellants charges; life assessment; method standards; assessment process; technical requirement; standard system

2023-07-31；

2023-10-12

TJ55；O643

A

1672-9242(2023)10-0084-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.10.010

2023-07-31；

2023-10-12

張林軍, 徐露萍, 杜姣姣, 等. 火炸藥裝藥實(shí)驗(yàn)室壽命評估標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(10): 84-89.

ZHANG Lin-jun, XU Lu-ping, DU Jiao-jiao, et al. Standard System for Laboratory Life Assessment of Explosives and Propellants Charges[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(10): 84-89.

責(zé)任編輯：劉世忠