推进剂粉尘点火特性及预防措施

摘要： 高压水射流清理固体火箭发动机中的推进剂时存在危险性，从粉尘点火诱发推进剂爆炸的角度出发，探讨了推进剂粉尘点火的特性和影响因素。通过对作业环境的分析，提出了静电防护和粉尘浓度监测两种主要措施，由此提高了水射流清理推进剂的安全性。

关键词： 高压水射流；推进剂粉尘；点火；静电；浓度监测

中图分类号：O389 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）22-0321-020 引言

高压水射流技术在1982年首次被美国密苏里大学罗拉分校与美国海军武器补给中心合作利用于拆除废旧弹药的研究工作以后[1]，基于其安全性与高效性的优点，已成为一种广泛应用于处理废旧弹药的技术。用高压水射流切割固体火箭发动机推进剂时无明显机械火花及切削热，大大降低了危险性；而且在切割效率上，这种新型的“水刀”也比传统的“金属刀”快几十倍。利用水射流技术清理后的发动机内壁光洁如初、毫无损伤，保证了昂贵的金属壳体的回收使用[2]。但是，由于固体推进剂具有较高的冲击感度和摩擦感度，易燃易爆，高压水射流的操作本身也有潜在的危险性。

目前认为高压水射流拆除固体推进剂造成点火的模式有热点增长点火、局部反应点火、粉尘点火三种模式[3]。本文从粉尘点火模式出发，探讨了固体推进剂粉尘的点火特性，提出了预防发生粉尘爆炸发生的若干措施。

1 推进剂粉尘点火特性

通过大量的粉尘爆炸实验研究发现[4]，推进剂粉尘混合系最小点火能和爆炸下限浓度受温度的影响趋势同大多数粉尘爆炸类似，即温度越高，粉尘越容易被点燃，且对含有二茂铁成分的混合系影响较为明显；对于没有添加二茂铁的混合体系，湿度对复合推进剂粉尘最小点火能和爆炸下限浓度的影响同大多数粉尘爆炸结果一致，即湿度越高，粉尘越不容易被点燃；但对于添加了二茂铁的混合体系而言，相对湿度增加到一定程度以后对粉尘最小点火能和爆炸下限浓度影响不明显，有时反而会增加混合体系的点火敏感性。

主要原因有以下几个方面：

1.1 典型复合推进剂的主要成分氧化剂AP，通常所占质量百分比高达70%以上，其以固体颗粒形式填充于基体材料粘结剂中，受高压水射流冲击作用下，一部分AP会溶于水被冲蚀掉，而另一部分AP颗粒则会被扬起，混合于作业面附近空中的水雾体系里。

1.2 复合推进剂中添加的燃速催化剂二茂铁易挥发，它在促进AP热分解、提高推进剂燃烧速度的同时也增加了推进剂的摩擦感度和冲击感度。当高压水射流冲击推进剂作用10分钟左右，环境体系的温度已能达到70℃左右，这个温度高于二茂铁的挥发温度，当粉尘水雾体系中混入二茂铁成分，无疑增加了混合体系的点火危险性，在外界偶然的机械摩擦、静电火花放电条件下容易被点燃、甚至发生粉尘爆炸。

1.3 高能燃烧剂Al粉会与空气中的水分起反应生成三氧化二铝，并释放大量的热量。此外，受水射流冲击作用下的固态复合推进剂已经发生破裂、内部损伤，局部形成高温高压区，当粉尘爆炸释放大量热能及产生的冲击波作用，会导致整个固体推进剂的燃烧，甚至爆轰。

2 推进剂粉尘点火预防措施

基于高压水射流冲击固体推进剂时，由粉尘点火模式而引发伤亡安全事故的可能性，对水射流切割作业的进行过程有必要采取一定的推进剂粉尘点火预防措施。

2.1 静电防护 在水射流切割过程中，点火源可能来源于机械摩擦和静电火花放电。除装置及加工因素外，推进剂粉尘不仅参与静电的生成，而且还是静电电荷点燃的目标材料。由于静电的产生几乎难以避免，且静电在潜伏状态，并没有可显示其存在的迹象，但在其活动状态，却能突然产生毁坏效应。

不同粉尘发生点火、爆炸的浓度范围有所不同，但一般范围都较宽，对于高压水射流冲击推进剂作业过程而言，是存在出现这种浓度范围可能性的。对其静电危险性进行评估的方法是：用推进剂粉尘的最小静电点火能Emin和水射流切割时可能出现的最大静电放电能Emax相比较，若Emin≤0.4Emax，则清除推进剂过程对静电是危险的。

由于目前国内外对静电危险等级的划分仍然没有一个统一的规则，英国按其对静电防止的通用规范，依据火炸药的最小静电点火能，将火炸药划分为三个等级：即当Emin<1.0mJ时，该材料划分为高敏感炸药；当1.0mJ≤ Emin≤450mJ时，划分为敏感炸药；当Emin>450mJ时，规定其为比较不敏感炸药。而我国学者，根据我国的具体情况，并参照其他标准的分类原则，将火炸药的静电危险划分为两个等级：即最小点火能小于或等于1.0mJ的为I级静电危险；最小点火能大于1.0mJ的为II级静电危险。

高压水射流发生装置以及待处理的火箭导弹发动机壳体的带电，估算清除作业中最大静电放电火花能Emax可以先在模拟装置上测定，以求找出其静电的起电规律，然后再在真实处理的作业过程中实测，测定方法可采用在装置管线上安装对地绝缘的金属探极，将放电的火花电量引出，并输入到数字存储示波器里，确定其电压波形峰值，静电放电的电量由式Q=U0C计算。该式中，U0为示波器上显示的电压波形峰值，而C为探极以及导线的对地电容，测得放电火花电量以后，再由式E=0.5Q2/C计算静电放电火花能。

为降低静电火花引起推进剂粉尘点燃发生的几率，必须通过各种行之有效的措施加以防护，使静电上限降低到可以接受的水平。进行静电防护主要从以下方面着手：

2.1.1 尽量减少静电荷的产生 为提高切割效率，用于切割的高压水射流多为吸入了诸如天然金刚砂、人造白刚玉等微粒的磨料水射流。为减少冲击作用过程静电的产生，在磨料选择时应尽可能采用与推进剂成分摩擦时起电相对温和的材料。另外，高压水射流在切割发动机壳体时，由于壳体材料表面电阻率随空气相对湿度的提高会逐渐减小，增大壳体外部的环境湿度，亦可有效地降低静电起电程度。

2.1.2 对于冲击作业过程中已经产生的静电荷应尽快予以消除，例如使其泄漏、中和以及降低强度 常用措施有水射流设备和待冲击发动机壳体接地、或者使用静电消除剂、静电消除器等。其中，接地是最简单有效的措施，其作用在于将设备及工件所带静电荷尽快导向大地；静电消除器是利用将高压电能转换为具有一定极性和数量的离子，并在正压保护下将其分布到带电推进剂粉体周围，以消除静电；静电消除剂的使用则是增强推进剂粉尘及颗粒的吸湿性和离子性，从而降低其表面电阻率。

2.2 推进剂粉尘浓度监测 由粉尘云点火实验可得知，当粉尘云浓度小于其爆炸下限值时，不管电火花的能量有多大，都不能发生点燃。对于低浓度粉尘云的点燃，需要相对较高的能量，但当粉尘云的浓度增大，并达到其爆炸下限值的5～10倍时，点燃所需的能量将达到最小。因此，为降低推进剂受高压水射流冲击时的粉尘点火危险性，必须对作业过程中的推进剂水雾混合系浓度进行监测，以便及时清理冲击产生的推进剂碎片以降低粉尘云的浓度，使其控制在安全范围以内。

目前，国内用于测量粉尘浓度的方法大致有两种，一种是使用采样器采样，通过称重和计算得出粉尘的浓度值；另一种是使用快速测尘仪，通过校正，直读粉尘浓度，快速测尘仪的测量原理大致有光电转换法、R射线衰减法及压电晶体频率变化法这三大类。世界各国使用的测尘仪表主要有粉尘采样器、测尘仪及粉尘浓度传感器。英国的粉尘浓度计算机监测系统，可实现粉尘浓度的连续自动监测；日本对粉尘监测采用的是光散射法，并已研制出了一种可手持式的激光粒子记数检测仪器；而德国生产过多种用于粉尘监测的仪器，并在世界范围内被广泛应用。因粉尘测试对仪器所涉及到的信息技术、制作工艺要求较高，我国在粉尘监测仪精度方面与国外还存在着一定的差距。

在固体推进剂的生产、加工过程中，对高氯酸铵粉尘浓度的测定常采用重量法和滤膜溶解涂片法，但这两种方法测尘需要称重、烘干、采样、再烘干、再称重及计算等一系列繁琐的过程，所需采样时间很长（在十几分钟到几个小时之间），且不能得到瞬时粉尘浓度的变化，不适合水射流切割过程中粉尘浓度危险性的评判。因此，为满足性能稳定、灵敏度高，测量方便等要求，可考虑采用类似于快速测尘仪设备，对发动机壳体内部及周围环境的推进剂粉尘云浓度进行实时监测。

但由于粉尘浓度测试装置的测试精度对待测粉尘云的粒径、浓度都有所限制，一些测尘仪的测试精度还受限于粉尘的颜色等因素，目前国内外所生产的很多测尘仪器所针对的粉尘云浓度及粒径范围，多是基于世界卫生组织为防止工业场合粉尘对作业人员呼吸道的危害、以及预防矽肺的发生而制订的安全生产标准，此外，一些粉尘浓度传感器则是专门为矿井中对煤粉等的标准研制的，而对于高压水射流冲击固体推进剂所产生的粉尘云还鲜有关注，建议应利用现有的信息技术及测尘方法的研究基础，改进或定制专门的针对发动机装药受水射流冲击作用生成的推进剂粉末水雾混合系的浓度测试装置。

3 结论

为保证高压水射流清理固体推进剂的安全性，从粉尘爆炸角度分析了推进剂点火的特性和原因，并提出了静电防护和粉尘浓度监测两方面的措施。然而，在实际的应用领域，应继续针对待清除弹药，依据其种类、配方等异同而采取的预处理新技术，进行更加深入、广泛、细致的开发工作。

参考文献：

[1]Fossey R D, et al.The new generation waterjet explosives cutting system. The 12th international symposium on jet cutting technology[C].1994:691-698.

[2]承文,柳玉杰.水射流技术在火箭发动机研制生产中的应用[J].化学清洗，1999,15(5).

[3]何远航,郁红陶,张庆明.固体推进剂在高压水射流作用下的点火模式[J].北京理工大学学报,2008,28（2）：97-99.

[4]赵素丽,李宪昌,白玉龙,兰前惠.固体推进剂生产中高氯酸铵粉尘测定方法研究[J].推进技术,1997,18(2):107-110.

推荐访问:预防措施 粉尘 点火 性及 推进