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工業雷管技術的現狀和發展

2019-06-29 責任編輯:崔瑋娜

汪旭光l 沈立晉1,2

(1.北京礦冶研究總院,北京100044; 2.北京科技大學,北京100083)

摘要    綜述了國內外工業雷管的技術現狀和發展,介紹了無起爆藥雷管、沖擊片雷管、磁電雷管和電子雷管的結構、特點、優缺點以及應用領域,詳述了 數碼電子雷管起爆系統的構成、各元件功能、起爆網路以及國外的主要生產廠商。同時,對工業雷管的發展提出了見解。

關鍵詞    工業雷管;品種;現狀與發展;數碼電子雷管

19世紀60年代,瑞典化學家艾爾弗雷德·諾貝爾發明的雷管和王業硝甘炸藥,代表著工業炸藥的一個發展新紀元---達納邁特紀元[1]。一百多年來,爆破規模的不斷擴大、 爆炸工藝的不斷更新,大大刺激了爆破器材的迅速發展;而爆破器材的迅速發展又推動了爆破和爆破工藝的巨大進步。

工程爆破中常用的工業雷管有火雷管、電雷管和非電雷管等。電雷管又有瞬發電雷管、秒延期電雷管、毫秒延期電雷管等品種。20世紀80年代以來,工業雷管發展迅速,產品開發異常活躍,新品種、新技術不斷涌現。其中典型代表應是無起爆藥雷管、磁電雷管、沖擊片雷管、數碼電子雷管等一系列新品種,標志著工業雷管的發展已達到一個新水平。本文對這些新品種雷管進行了綜述。

1無起爆藥雷管

工業雷管普遍裝有猛炸藥、起爆藥和延期煙火劑。猛炸藥作為基本裝藥位于雷管的底部,延期煙火劑位于上部,二者之間裝起爆藥,依靠起爆藥將延期煙火劑的燃燒轉成爆轟傳給猛炸藥以引起猛炸藥爆轟。然而在實際使用中,起爆藥即使藥量只有幾毫克和不受約束,只要有火焰或其他外界作用引起發熱,就能完全爆轟。猛炸藥只有在藥量相當大或受嚴密約束的情況下才可能被加熱或火焰引燃并燃燒轉爆轟。用作起爆藥的化學物常常是具有高感度、爆轟成長迅速的物質,如DDNP(二硝基重氮酚)、斯蒂酚酸鉛)和Pb(N32 (疊氮化鉛)等。具有代表性的猛炸藥有泰安、黑索今、梯恩梯、奧克托金、特屈爾、662炸藥等。采用上述起爆藥制造雷管的方法具有結構簡單、加工容易、成本低廉優點,但在雷管的加工、使用過程中并不十分安全,而且還有廢水污染等問題。開發研制出無起爆藥雷管,可提高雷管在生產、運輸、使用中的安全性,消除起爆藥制造時產生的廢水。無起爆藥工業雷管的研制主要從雷管結構和起爆藥替代品兩個方面入手來解決雷管從燃燒轉爆轟的問題。

20世紀50年代后期,隨著導彈技術的發展,為了抗射頻和防止靜電的需要,開始研究不裝起爆藥而用爆炸線直接起爆猛炸藥。終于在60年代初,在研究爆炸線直接起爆猛炸藥的基礎上研制出爆炸線電雷管[2],但是采用爆炸線雷管時要求配以昂貴笨重的起爆器。1960年出現紅寶石激光器和其他激光器,1966年美國開始用激光直接起爆猛炸藥。60年代后期出現了激光雷管[3],它提供了一種用低能激光裝置直接起爆猛炸藥的安全可靠的方法。激光器輸出的激光,通過光導纖維后在聚焦玻璃球聚焦,首先引起密度較小的猛炸藥六硝基二苯胺鉀(KHND)低速爆轟,進而起爆密度較大的猛炸藥泰安(PETN),使之高速爆轟。這種雷管可以抗射頻、抗靜電,防止意外低電壓引起的早爆,但是激光雷管需要昂貴的激光裝置[4]。高壓火花間隙雷管[5]可以克服電雷管易被低電壓引爆和延時精度不夠等難題,但這種雷管至少需要0. 06μF的電容器充電到 1000V的電壓才能引爆,且作用時間短(微秒級),難以用于工程爆破中[4]

1978年美國專利4070970公布了電爆點火器雷管。它實際上是一種施加高壓起爆的無起爆藥雷管,但是這種雷管需要高能才被起爆,且制造成本昂貴,又只能是瞬發, 因而它的應用受到了限制。于是美國學者又相繼研制出低壓無起爆藥雷管,如美國專利 3158098、3062143、3726217、4316412公布的低壓無起爆藥雷管,但它的結構復雜,生產成本高。

1985年,我國成功研制出礦山工程用無起爆藥雷管[6],它是一種不用起爆藥的電或非電瞬發或延期安全工業雷管,由一個外殼和內殼組成(圖1),內殼中裝填了具有加速燃燒傾向的猛炸藥和一個聚能元件,二者構成了一個起爆元件(在其內部或外部裝填有延期煙火劑或延期元件),取代了一般雷管中的起爆藥。雷管外殼可以是金屬的或非金屬的,開口端可以插入各種不同的引火機構。起聚能作用的內管帽殼可以是金屬的或塑料的,可以有孔或無孔,孔的斷面可取不同形狀(如圓形或矩形),也允許在起爆元件中不裝配聚能帽殼。該類初級裝藥在較強的約束下,其起爆力雖能滿足無起爆藥雷管的要求,但火焰感度低,不易被導火索、延期藥等點火元件引爆,需用點火藥來彌補,并需先壓制一個內殼和聚能元件,這就增添了裝填次數,現行生產線需進行改造。專利文獻[7],[8]所述的無起爆藥雷管,是用點火藥代替起爆藥,一般由可燃劑硫氰酸鉛、亞鐵氰化鉛、硼、硅等加氧化劑組成,這類初級裝藥感度高,易于點火,但引爆沖能較小,在結構上需對初級裝藥和轉爆藥有較強的約束,裝配工藝也較復雜。

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2沖擊片雷管

沖擊片雷管是由美國勞倫斯利費莫爾實驗室Strond J R發明的,并于1971年申請了專利[9]。Strond指出,沖擊片雷管能起爆美國軍事標準MILSTD-1316中規定的直列式許用傳爆藥(HNS)并給出了直列式保險與解除保險系統的設計原理[10]。沖擊片雷管結構簡單,主要元件是橋箔基片、橋箔、飛片、加速膛及鈍感藥柱[11]。沖擊片雷管的設計參照了爆炸橋絲EBW雷管,它不會因高能射頻場、低頻電勢或靜電積累而引起早爆,它不需要錯位式(out-of-line)保險與解除保險系統。EBW電雷管比較鈍感且具有可靠性,但它也是一種生產費用昂貴的爆炸裝置,能起爆EBW的發火元件,比橋絲式起爆裝置所要求的電路復雜而且成本更高。為積累能量,高壓大電流脈沖必須快速傳遞給橋絲,并且要足以使其轉變成一股等離子體。EBW技術最初由美國能源國家實驗室為核武器起爆應用而研究的,核彈頭要求絕對安全和快速爆炸響應,這些特點使它們本身適合應用于戰略武器推進系統的保險一一解除保險和點火。EBW系統要求高電壓起爆,電子電路的尺寸主要決定于高壓發火電容器和升壓器。戰略導彈已成功地使用了EBW系統,并證實了其可靠性。沖擊片雷管在設計過程中對EBW雷管作了進一步改進。 沖擊片雷管不使用起爆藥和松裝猛炸藥,主炸藥的裝藥密度較高且為鈍感炸藥,炸藥與換能元件不直接接觸。沖擊片雷管只有在特定的高能電脈沖(電流2~4kA電壓2~5kV, 功率4~10MW)作用下才能引爆。它可以在靜電、射頓、高空電磁脈沖、閃電、瞬態電脈沖、雜散電流等惡劣環境下保證其安全。從結構上說,它是一種新的薄型起爆器。至今,在美國對沖擊片雷管的研究已經有30多年的歷史了,而且技術日趨成熟,并陸續地將其用到數種高新科技彈藥的起爆系統中,如“陶-2B”反坦克導彈、“愛國者”反導防空導彈、“AT-ACMS”陸軍戰術導彈等,而且還適用于直列式(inline爆炸序列,在鈍感彈藥中有著廣闊的應用前景[12]

沖擊片雷管有雙向、反向等多種結構,但它們的原理基本相同。典型的雙向 沖擊片雷管分離元件如圖2所示。它利用脈沖功率裝置(起爆裝置)產生的電脈沖能量使金屬橋箔發生快速電爆炸,爆炸產生的等離子體將飛片“剪切”出來沿著加速膛增速,出口速度達到裝藥的起爆閾值時引起裝藥爆轟。目前,沖擊片雷管裝藥朝著鈍感方向發展。采用鈍感裝藥后,沖擊片起爆閾值大幅度增加,因此必須大幅度提高起爆能量。然而增加沖擊片雷管起爆裝置的能量受到多方面的限制,如需增加電容容量,降低回路電感,限制裝置體積等。對于PETN、HNS等單質炸藥裝置來講,當其炸藥顆粒度減小后沖擊片起爆閾值顯著降低,即當炸藥顆粒變細后對沖擊片這樣的短脈沖變得敏感,而對機械撞擊類的長脈沖變得鈍感。我國只永發等就炸藥課粒度對沖擊片起爆感度的影響進行了較為詳細的研究[13,14],研究表明60~80目 HNS-Ⅱ炸藥的撞擊感度為60%~76%,其裝藥不能被沖擊片起爆,但HNS的撞擊感度僅為28%,而且很容易被沖擊片起爆。

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3 磁電雷管

為了減少和杜絕外來電的危害,1979年英國化學工業公司(NEC)利用電磁感應原理發明了電磁起爆系統,繼而該公司和諾貝爾公司生產銷售了磁電雷管[15]。 80年代中期開始,我國煤炭科學研究總院、北京礦冶研究總院和213研究所相繼成功地研制了不同型號的磁電雷管和專用起爆器,并已應用于我國各油田和某些特定的爆破作業。

3. 1 磁電雷管的基本原理

磁電雷管系指由特定的交流信號起爆的電雷管。將一個普通電雷管的兩根腳線分別與環狀磁芯(磁環)上的一個線圈的兩端相聯,便構成了一個磁電雷管。圖3是磁電雷管的基本結構示意圖[15]

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適用于油、氣井射孔用的CL-CW-180-1型耐溫、耐壓磁電雷管的結構如圖4所示[16]。該雷管由一個磁芯、接收器和點火回路組成,是利用法拉第電磁感應原理設計而成的,即將電磁感應變壓器安放在電雷管的電極塞內部, 該線圈是一個小型環狀錳鋅軟磁鐵氧體,電雷管的腳線構成變壓器的次級線圈,初級線圈則由起爆回路中任一段起爆線在鐵氧體環上繞數圈而成。因變壓器次級引出線和電雷管腳線相接,使電雷管發火橋絲與腳線形成閉合回路,使工頻電、漏電、雜散電等不能進入發火橋絲而提高了產品對電的安全性。在變壓器初級設置了靜電泄放通道的措施,提高了防靜電的能力。該產品選用了耐溫起爆藥、耐溫炸藥及滿足180℃高溫的環形錳鋅軟磁鐵氧體材料,解決了產品的耐溫要求。

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3.2 磁電雷管的特點[15,16]

(1)變傳統的直流電起爆為交流電起爆。

(2)雷管腳線處于常閉狀態、,不會受到工頻電流的危害,對泄漏電流、雜散電流和靜電刺激反應遲鈍。

(3)需用專用起爆器起爆,成本相對較高。

3.3油、氣井常用磁電雷管型號[16]

(1)CL-CW -180耐溫磁電雷管,該產品可耐溫180℃,可作為89槍、102槍、127槍等槍身射孔彈的起爆雷管。

(2)CY系列耐溫耐壓磁電雷管,該系列產品有CY- 50(耐壓80MPa)和CY -100 (耐壓100MPa)等型號,可作為無槍身射孔彈的起爆雷管以及爆炸松扣等的起爆雷管。

4數碼電子雷管起爆系統

數碼電子雷管是一種可以隨意設定并準確實現延期發火時間的新型電雷管,它是起爆器材領域里最為引人注目的進展。其本質在于一個微型電子芯片控制, 取代了普通電雷管中的延期藥與電點火元件,不僅大大地 提高了延時精度,而且控制了通往引火頭的電源,從而最大限度地減少了因引火頭能量需求所引起的

誤差。每只雷管的延時可在0~100ms范圍內按毫秒量級編程設定,其延時精度可控制在0.2ms以內。

澳大利亞Orica、南非AEL和Sasol、瑞典Nobel和日本旭化成等公司都相繼推出了數碼電子雷管產品。Nobel公司和Orica 公司聯合開發了PBS電子雷管(如圖5),此種雷管的延時時間是在爆破現場根據礦工或爆破員的愿望設定,并對整個爆破系統進行編程。其延時時間是以lms為單位,可在0~8000ms范圍內為每發雷管任意設定延期時間[17]。PBS電子雷管起爆系統基本上是由雷管、編碼器和起爆器三部分組成,如圖6所示。

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編碼器可對每發雷管的延期時間進行設定。首先將雷管腳線連接到編碼器上,編碼器會立即讀出該發雷管的ID碼,然后操作人員按設計要求,通過編碼器對該雷管發送并設定所需的延期時間。目前,PBS電子系統的一只編碼器最多可以管理200發雷管。

起爆器可以控制整個爆破網路編程與觸發起爆,起爆器能夠觸發編碼器,但編碼器卻不能觸發起爆器,起爆網路編程與觸發起爆所必須的程序命令設置在起爆器內。目前,PBS電子起爆系統最多組成1600發雷管的起爆網路(圖7),每個編碼器回路的最大長度為2000m,起爆器與編碼器之間的起爆線長l000m。只有當編碼器與起爆器組成的系統沒有任何錯誤,并且由爆破員按下相應按鈕對其確認后,起爆器才能觸發整個起爆網路[17]

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在工程爆破作業中使用,日本已將該產品編入“爆破手冊”中,日本國內銷售的電子雷管的種類和特點列于表1。數碼電子雷管起爆系統的高精度與高可靠性,每只電子雷管裝入炮孔后其發火時刻設定的靈活性,對靜電、射頻電和雜散電流的固有安全性,對起爆系統之前可測控性等等,都是普通電雷管起爆系統所無法比擬的。爆破時要用專用的起爆器來引爆。世界幾家主要生產商的電子雷管牌號[16]如下: Orica公司(澳大利亞、美國)的I- Kon; AEI(南非)的Electrodet; Sasol (南非)的EZ-TronicTM:旭化成(日本)的EDD。圖8是日本旭化成銷售的數碼電子雷管的外形圖[16],典型的數碼電子雷管結構圖示于圖9[16]

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數碼電子雷管技術的不斷發展與完善,得到了全球爆破界的廣泛認識,該技術在世界一些國家的礦山或采石場進行了一系列生產應用實驗。如:加拿大諾蘭達公司利用數碼電子雷管進行地下礦山的大型卸壓爆破,采用了Orica公司的I-Kon電子雷管。根據Orica在地下礦山進行的高精度電子雷管的檢驗性實驗和測振試驗,在大爆破之前分別 進行了4次實驗,從10發到50發,再到200發及300發,逐步對電子雷管的使用、孔內檢測、發爆方式等進行了全面的了解。爆破之后的振動分析表明,電子雷管的起爆時間十分準確,在延期較長的6s以上,誤差僅為5ms左右。與常規的非電導爆管的長延期雷管相比,精度由百分之五左右躍升為千分之一。這次地下礦山大型卸壓爆破的成功,為解決開采深度較大的礦山地壓問題開創了一個先例。從技術上講,大爆破的成功主要得益于電子雷管的使用。否則,如此大規模的起爆,是常規雷管的精度所無法達到的[18]

綜上所述,數碼電子雷管與傳統電和非電雷管比較有幾個方面的技術優越性[19~22]: ①巖石爆破塊度尺寸更均勻,塊度尺寸范圍易于預測;②爆破振動大幅度降低,可以控制爆破地震頻率;③有助于減少邊坡破壞,減少露天礦爆破根底;④在保證良好爆破效果的同時,可以減少炸藥用量;⑤能詳細記錄爆破布孔參數與炸藥、雷管消耗量;⑥能提高生產率。

但是數碼電子雷管要全面取代電和非電起爆系統,還需一段時間,因為數碼電子雷管的電子延期起爆系統的組網能力還較小,不能滿足大規模爆破作業的起爆網路要求;另外,電子雷管的成本太高。

尚應指出,由于數碼電子雷管是一種新產品,第一次使用該雷管時,要接受制造廠商技術人員的培訓。在使用中,當出現不引爆的情況時,由于電容器中可能有殘存電荷,需要等待lOmin以上才能處理。

5結語

爆破發展的需求是爆破器材發展的動力,科學技術研究成果則是爆破器材進步的根本保證。固體火焰理論促進了微氣體產物的毫秒延時藥劑的誕生;管道效應導致非電導爆管的發明;爆燃轉為爆轟的研究成果引發了無起爆藥雷管的構思。電和非電延時起爆系統的先后發明,使大規模群藥包依序爆破成為現實,同時又能減輕爆破地震、沖擊波等有害效應;無起爆藥雷管的問世,則根本改善了雷管生產、儲存、運輸、使用的安全性,并從根本上解決了起爆藥的生產污水問題。在石油勘探射孔作業中,以往采用普通電雷管,但是此種電雷管在具體使用中有著極大的危險性。如:測井儀器漏電、汽車車體帶電、井場漏電、人體靜電等情況都有可能造成地面爆炸事故的發生。CL-CW-180 型磁電雷管的誕生則大大提高了射孔作業的安全性。沖擊片雷管是目前最安全可靠的雷管,它對靜電、射頻、高空電磁脈沖、閃電、瞬態電脈沖及雜散電流等惡劣環境有較強的抵抗能力、因此,能夠適應未來戰爭中復雜的電磁環境。但由于其成本很高,目前只是用于軍事方面。數碼電子雷管采用電子延時集成芯片,因而發火延時精度高,同時大大提高了雷管造、存、運、用的技術安全性。但是它有兩大問題尚需解決:一是電子延期起爆系統的組網能力較小;二是成本太高。綜上所述,目前技術較為成熟而且價格與普通電雷管競爭的磁電雷管和無起爆藥雷管會在生產實踐中使用越來越廣泛。可以預見,在21世紀,隨著科學技術的不斷進步,數碼電子雷管、磁電雷管將會更加普及,同時無雷管起爆也可能實現。另外[23],隨著地層深部采礦和海底采礦的發展,耐熱耐深水起爆器材將會發展。雙層管真殼的水壓自補償式雷管和非雷管起爆應當有著廣闊的應用前景。

參考文獻

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摘自2009年《汪旭光院士論文選集》