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工业雷管技术的现状和发展

2019-06-29 10:34:13 责任编辑:崔玮娜

汪旭光l 沈立晋1,2

(1.北京矿冶研究总院,北京100044; 2.北京科技大学,北京100083)

摘要    综述了国内外工业雷管的技术现状和发展,介绍了无起爆药雷管、冲击片雷管、磁电雷管和电子雷管的结构、特点、优缺点以及应用领域,详述了 数码电子雷管起爆系统的构成、各元件功能、起爆网路以及国外的主要生产厂商。同时,对工业雷管的发展提出了见解。

关键词    工业雷管;品种;现状与发展;数码电子雷管

19世纪60年代,瑞典化学家艾尔弗雷德·诺贝尔发明的雷管和王业硝甘炸药,代表着工业炸药的一个发展新纪元---达纳迈特纪元[1]。一百多年来,爆破规模的不断扩大、 爆炸工艺的不断更新,大大刺激了爆破器材的迅速发展;而爆破器材的迅速发展又推动了爆破和爆破工艺的巨大进步。

工程爆破中常用的工业雷管有火雷管、电雷管和非电雷管等。电雷管又有瞬发电雷管、秒延期电雷管、毫秒延期电雷管等品种。20世纪80年代以来,工业雷管发展迅速,产品开发异常活跃,新品种、新技术不断涌现。其中典型代表应是无起爆药雷管、磁电雷管、冲击片雷管、数码电子雷管等一系列新品种,标志着工业雷管的发展已达到一个新水平。本文对这些新品种雷管进行了综述。

1无起爆药雷管

工业雷管普遍装有猛炸药、起爆药和延期烟火剂。猛炸药作为基本装药位于雷管的底部,延期烟火剂位于上部,二者之间装起爆药,依靠起爆药将延期烟火剂的燃烧转成爆轰传给猛炸药以引起猛炸药爆轰。然而在实际使用中,起爆药即使药量只有几毫克和不受约束,只要有火焰或其他外界作用引起发热,就能完全爆轰。猛炸药只有在药量相当大或受严密约束的情况下才可能被加热或火焰引燃并燃烧转爆轰。用作起爆药的化学物常常是具有高感度、爆轰成长迅速的物质,如DDNP(二硝基重氮酚)、斯蒂酚酸铅)和Pb(N32 (叠氮化铅)等。具有代表性的猛炸药有泰安、黑索今、梯恩梯、奥克托金、特屈尔、662炸药等。采用上述起爆药制造雷管的方法具有结构简单、加工容易、成本低廉优点,但在雷管的加工、使用过程中并不十分安全,而且还有废水污染等问题。开发研制出无起爆药雷管,可提高雷管在生产、运输、使用中的安全性,消除起爆药制造时产生的废水。无起爆药工业雷管的研制主要从雷管结构和起爆药替代品两个方面入手来解决雷管从燃烧转爆轰的问题。

20世纪50年代后期,随着导弹技术的发展,为了抗射频和防止静电的需要,开始研究不装起爆药而用爆炸线直接起爆猛炸药。终于在60年代初,在研究爆炸线直接起爆猛炸药的基础上研制出爆炸线电雷管[2],但是采用爆炸线雷管时要求配以昂贵笨重的起爆器。1960年出现红宝石激光器和其他激光器,1966年美国开始用激光直接起爆猛炸药。60年代后期出现了激光雷管[3],它提供了一种用低能激光装置直接起爆猛炸药的安全可靠的方法。激光器输出的激光,通过光导纤维后在聚焦玻璃球聚焦,首先引起密度较小的猛炸药六硝基二苯胺钾(KHND)低速爆轰,进而起爆密度较大的猛炸药泰安(PETN),使之高速爆轰。这种雷管可以抗射频、抗静电,防止意外低电压引起的早爆,但是激光雷管需要昂贵的激光装置[4]。高压火花间隙雷管[5]可以克服电雷管易被低电压引爆和延时精度不够等难题,但这种雷管至少需要0. 06μF的电容器充电到 1000V的电压才能引爆,且作用时间短(微秒级),难以用于工程爆破中[4]

1978年美国专利4070970公布了电爆点火器雷管。它实际上是一种施加高压起爆的无起爆药雷管,但是这种雷管需要高能才被起爆,且制造成本昂贵,又只能是瞬发, 因而它的应用受到了限制。于是美国学者又相继研制出低压无起爆药雷管,如美国专利 3158098、3062143、3726217、4316412公布的低压无起爆药雷管,但它的结构复杂,生产成本高。

1985年,我国成功研制出矿山工程用无起爆药雷管[6],它是一种不用起爆药的电或非电瞬发或延期安全工业雷管,由一个外壳和内壳组成(图1),内壳中装填了具有加速燃烧倾向的猛炸药和一个聚能元件,二者构成了一个起爆元件(在其内部或外部装填有延期烟火剂或延期元件),取代了一般雷管中的起爆药。雷管外壳可以是金属的或非金属的,开口端可以插入各种不同的引火机构。起聚能作用的内管帽壳可以是金属的或塑料的,可以有孔或无孔,孔的断面可取不同形状(如圆形或矩形),也允许在起爆元件中不装配聚能帽壳。该类初级装药在较强的约束下,其起爆力虽能满足无起爆药雷管的要求,但火焰感度低,不易被导火索、延期药等点火元件引爆,需用点火药来弥补,并需先压制一个内壳和聚能元件,这就增添了装填次数,现行生产线需进行改造。专利文献[7],[8]所述的无起爆药雷管,是用点火药代替起爆药,一般由可燃剂硫氰酸铅、亚铁氰化铅、硼、硅等加氧化剂组成,这类初级装药感度高,易于点火,但引爆冲能较小,在结构上需对初级装药和转爆药有较强的约束,装配工艺也较复杂。

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2冲击片雷管

冲击片雷管是由美国劳伦斯利费莫尔实验室Strond J R发明的,并于1971年申请了专利[9]。Strond指出,冲击片雷管能起爆美国军事标准MILSTD-1316中规定的直列式许用传爆药(HNS)并给出了直列式保险与解除保险系统的设计原理[10]。冲击片雷管结构简单,主要元件是桥箔基片、桥箔、飞片、加速膛及钝感药柱[11]。冲击片雷管的设计参照了爆炸桥丝EBW雷管,它不会因高能射频场、低频电势或静电积累而引起早爆,它不需要错位式(out-of-line)保险与解除保险系统。EBW电雷管比较钝感且具有可靠性,但它也是一种生产费用昂贵的爆炸装置,能起爆EBW的发火元件,比桥丝式起爆装置所要求的电路复杂而且成本更高。为积累能量,高压大电流脉冲必须快速传递给桥丝,并且要足以使其转变成一股等离子体。EBW技术最初由美国能源国家实验室为核武器起爆应用而研究的,核弹头要求绝对安全和快速爆炸响应,这些特点使它们本身适合应用于战略武器推进系统的保险一一解除保险和点火。EBW系统要求高电压起爆,电子电路的尺寸主要决定于高压发火电容器和升压器。战略导弹已成功地使用了EBW系统,并证实了其可靠性。冲击片雷管在设计过程中对EBW雷管作了进一步改进。 冲击片雷管不使用起爆药和松装猛炸药,主炸药的装药密度较高且为钝感炸药,炸药与换能元件不直接接触。冲击片雷管只有在特定的高能电脉冲(电流2~4kA电压2~5kV, 功率4~10MW)作用下才能引爆。它可以在静电、射顿、高空电磁脉冲、闪电、瞬态电脉冲、杂散电流等恶劣环境下保证其安全。从结构上说,它是一种新的薄型起爆器。至今,在美国对冲击片雷管的研究已经有30多年的历史了,而且技术日趋成熟,并陆续地将其用到数种高新科技弹药的起爆系统中,如“陶-2B”反坦克导弹、“爱国者”反导防空导弹、“AT-ACMS”陆军战术导弹等,而且还适用于直列式(inline爆炸序列,在钝感弹药中有着广阔的应用前景[12]

冲击片雷管有双向、反向等多种结构,但它们的原理基本相同。典型的双向 冲击片雷管分离元件如图2所示。它利用脉冲功率装置(起爆装置)产生的电脉冲能量使金属桥箔发生快速电爆炸,爆炸产生的等离子体将飞片“剪切”出来沿着加速膛增速,出口速度达到装药的起爆阈值时引起装药爆轰。目前,冲击片雷管装药朝着钝感方向发展。采用钝感装药后,冲击片起爆阈值大幅度增加,因此必须大幅度提高起爆能量。然而增加冲击片雷管起爆装置的能量受到多方面的限制,如需增加电容容量,降低回路电感,限制装置体积等。对于PETN、HNS等单质炸药装置来讲,当其炸药颗粒度减小后冲击片起爆阈值显著降低,即当炸药颗粒变细后对冲击片这样的短脉冲变得敏感,而对机械撞击类的长脉冲变得钝感。我国只永发等就炸药课粒度对冲击片起爆感度的影响进行了较为详细的研究[13,14],研究表明60~80目 HNS-Ⅱ炸药的撞击感度为60%~76%,其装药不能被冲击片起爆,但HNS的撞击感度仅为28%,而且很容易被冲击片起爆。

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3 磁电雷管

为了减少和杜绝外来电的危害,1979年英国化学工业公司(NEC)利用电磁感应原理发明了电磁起爆系统,继而该公司和诺贝尔公司生产销售了磁电雷管[15]。 80年代中期开始,我国煤炭科学研究总院、北京矿冶研究总院和213研究所相继成功地研制了不同型号的磁电雷管和专用起爆器,并已应用于我国各油田和某些特定的爆破作业。

3. 1 磁电雷管的基本原理

磁电雷管系指由特定的交流信号起爆的电雷管。将一个普通电雷管的两根脚线分别与环状磁芯(磁环)上的一个线圈的两端相联,便构成了一个磁电雷管。图3是磁电雷管的基本结构示意图[15]

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适用于油、气井射孔用的CL-CW-180-1型耐温、耐压磁电雷管的结构如图4所示[16]。该雷管由一个磁芯、接收器和点火回路组成,是利用法拉第电磁感应原理设计而成的,即将电磁感应变压器安放在电雷管的电极塞内部, 该线圈是一个小型环状锰锌软磁铁氧体,电雷管的脚线构成变压器的次级线圈,初级线圈则由起爆回路中任一段起爆线在铁氧体环上绕数圈而成。因变压器次级引出线和电雷管脚线相接,使电雷管发火桥丝与脚线形成闭合回路,使工频电、漏电、杂散电等不能进入发火桥丝而提高了产品对电的安全性。在变压器初级设置了静电泄放通道的措施,提高了防静电的能力。该产品选用了耐温起爆药、耐温炸药及满足180℃高温的环形锰锌软磁铁氧体材料,解决了产品的耐温要求。

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3.2 磁电雷管的特点[15,16]

(1)变传统的直流电起爆为交流电起爆。

(2)雷管脚线处于常闭状态、,不会受到工频电流的危害,对泄漏电流、杂散电流和静电刺激反应迟钝。

(3)需用专用起爆器起爆,成本相对较高。

3.3油、气井常用磁电雷管型号[16]

(1)CL-CW -180耐温磁电雷管,该产品可耐温180℃,可作为89枪、102枪、127枪等枪身射孔弹的起爆雷管。

(2)CY系列耐温耐压磁电雷管,该系列产品有CY- 50(耐压80MPa)和CY -100 (耐压100MPa)等型号,可作为无枪身射孔弹的起爆雷管以及爆炸松扣等的起爆雷管。

4数码电子雷管起爆系统

数码电子雷管是一种可以随意设定并准确实现延期发火时间的新型电雷管,它是起爆器材领域里最为引人注目的进展。其本质在于一个微型电子芯片控制, 取代了普通电雷管中的延期药与电点火元件,不仅大大地 提高了延时精度,而且控制了通往引火头的电源,从而最大限度地减少了因引火头能量需求所引起的

误差。每只雷管的延时可在0~100ms范围内按毫秒量级编程设定,其延时精度可控制在0.2ms以内。

澳大利亚Orica、南非AEL和Sasol、瑞典Nobel和日本旭化成等公司都相继推出了数码电子雷管产品。Nobel公司和Orica 公司联合开发了PBS电子雷管(如图5),此种雷管的延时时间是在爆破现场根据矿工或爆破员的愿望设定,并对整个爆破系统进行编程。其延时时间是以lms为单位,可在0~8000ms范围内为每发雷管任意设定延期时间[17]。PBS电子雷管起爆系统基本上是由雷管、编码器和起爆器三部分组成,如图6所示。

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编码器可对每发雷管的延期时间进行设定。首先将雷管脚线连接到编码器上,编码器会立即读出该发雷管的ID码,然后操作人员按设计要求,通过编码器对该雷管发送并设定所需的延期时间。目前,PBS电子系统的一只编码器最多可以管理200发雷管。

起爆器可以控制整个爆破网路编程与触发起爆,起爆器能够触发编码器,但编码器却不能触发起爆器,起爆网路编程与触发起爆所必须的程序命令设置在起爆器内。目前,PBS电子起爆系统最多组成1600发雷管的起爆网路(图7),每个编码器回路的最大长度为2000m,起爆器与编码器之间的起爆线长l000m。只有当编码器与起爆器组成的系统没有任何错误,并且由爆破员按下相应按钮对其确认后,起爆器才能触发整个起爆网路[17]

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在工程爆破作业中使用,日本已将该产品编入“爆破手册”中,日本国内销售的电子雷管的种类和特点列于表1。数码电子雷管起爆系统的高精度与高可靠性,每只电子雷管装入炮孔后其发火时刻设定的灵活性,对静电、射频电和杂散电流的固有安全性,对起爆系统之前可测控性等等,都是普通电雷管起爆系统所无法比拟的。爆破时要用专用的起爆器来引爆。世界几家主要生产商的电子雷管牌号[16]如下: Orica公司(澳大利亚、美国)的I- Kon; AEI(南非)的Electrodet; Sasol (南非)的EZ-TronicTM:旭化成(日本)的EDD。图8是日本旭化成销售的数码电子雷管的外形图[16],典型的数码电子雷管结构图示于图9[16]

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数码电子雷管技术的不断发展与完善,得到了全球爆破界的广泛认识,该技术在世界一些国家的矿山或采石场进行了一系列生产应用实验。如:加拿大诺兰达公司利用数码电子雷管进行地下矿山的大型卸压爆破,采用了Orica公司的I-Kon电子雷管。根据Orica在地下矿山进行的高精度电子雷管的检验性实验和测振试验,在大爆破之前分别 进行了4次实验,从10发到50发,再到200发及300发,逐步对电子雷管的使用、孔内检测、发爆方式等进行了全面的了解。爆破之后的振动分析表明,电子雷管的起爆时间十分准确,在延期较长的6s以上,误差仅为5ms左右。与常规的非电导爆管的长延期雷管相比,精度由百分之五左右跃升为千分之一。这次地下矿山大型卸压爆破的成功,为解决开采深度较大的矿山地压问题开创了一个先例。从技术上讲,大爆破的成功主要得益于电子雷管的使用。否则,如此大规模的起爆,是常规雷管的精度所无法达到的[18]

综上所述,数码电子雷管与传统电和非电雷管比较有几个方面的技术优越性[19~22]: ①岩石爆破块度尺寸更均匀,块度尺寸范围易于预测;②爆破振动大幅度降低,可以控制爆破地震频率;③有助于减少边坡破坏,减少露天矿爆破根底;④在保证良好爆破效果的同时,可以减少炸药用量;⑤能详细记录爆破布孔参数与炸药、雷管消耗量;⑥能提高生产率。

但是数码电子雷管要全面取代电和非电起爆系统,还需一段时间,因为数码电子雷管的电子延期起爆系统的组网能力还较小,不能满足大规模爆破作业的起爆网路要求;另外,电子雷管的成本太高。

尚应指出,由于数码电子雷管是一种新产品,第一次使用该雷管时,要接受制造厂商技术人员的培训。在使用中,当出现不引爆的情况时,由于电容器中可能有残存电荷,需要等待lOmin以上才能处理。

5结语

爆破发展的需求是爆破器材发展的动力,科学技术研究成果则是爆破器材进步的根本保证。固体火焰理论促进了微气体产物的毫秒延时药剂的诞生;管道效应导致非电导爆管的发明;爆燃转为爆轰的研究成果引发了无起爆药雷管的构思。电和非电延时起爆系统的先后发明,使大规模群药包依序爆破成为现实,同时又能减轻爆破地震、冲击波等有害效应;无起爆药雷管的问世,则根本改善了雷管生产、储存、运输、使用的安全性,并从根本上解决了起爆药的生产污水问题。在石油勘探射孔作业中,以往采用普通电雷管,但是此种电雷管在具体使用中有着极大的危险性。如:测井仪器漏电、汽车车体带电、井场漏电、人体静电等情况都有可能造成地面爆炸事故的发生。CL-CW-180 型磁电雷管的诞生则大大提高了射孔作业的安全性。冲击片雷管是目前最安全可靠的雷管,它对静电、射频、高空电磁脉冲、闪电、瞬态电脉冲及杂散电流等恶劣环境有较强的抵抗能力、因此,能够适应未来战争中复杂的电磁环境。但由于其成本很高,目前只是用于军事方面。数码电子雷管采用电子延时集成芯片,因而发火延时精度高,同时大大提高了雷管造、存、运、用的技术安全性。但是它有两大问题尚需解决:一是电子延期起爆系统的组网能力较小;二是成本太高。综上所述,目前技术较为成熟而且价格与普通电雷管竞争的磁电雷管和无起爆药雷管会在生产实践中使用越来越广泛。可以预见,在21世纪,随着科学技术的不断进步,数码电子雷管、磁电雷管将会更加普及,同时无雷管起爆也可能实现。另外[23],随着地层深部采矿和海底采矿的发展,耐热耐深水起爆器材将会发展。双层管真壳的水压自补偿式雷管和非雷管起爆应当有着广阔的应用前景。

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摘自2009年《汪旭光院士论文选集》