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摘要

我们提出了一个装置基于 hot-wire 点火在一个加压外壳和相关的方法, 以测量最低压力所需的诱导持续燃烧水基乳化炸药。这种方法改进了产品特性, 使人们能够在泵送和混合操作中更安全地使用它们。

摘要

本手稿描述了一种测量水基乳化炸药持续燃烧所需的最低压力的协议。抽水水基乳化炸药的爆破应用可能是非常危险的, 在过去的几十年中, 在全球范围内的一些泵事故表明, 包括一些导致死亡。在加拿大, 对这一危险的认识已导致制定了由炸药工业和加拿大政府爆炸管制司核可的抽水准则。在这些指南中, 人们注意到, 在实验室测量的最低燃烧压力将提供一个很好的指南来描述这些产品在抽水系统中的行为。同样的指导原则也要求设计水泵系统, 以防可能的压力超过泵浦的产品的碱性蛋白。在本指南公布之时, 已有一种方法用于测量此类碱性蛋白的值, 但它从未被证实用于测定硝酸铵水基乳液 (AWEs) 的碱性蛋白。在 on-site 散装装载作业中, AWEs 比任何其他水基炸药和前驱物使用得更广泛。

加拿大爆炸物研究实验室 (CanmetCERL) 在过去十年中一直在进行研究, 以制定一项验证的测试协议来测量和解释 AWEs 的典型的碱性蛋白值。今天的测试将会被描述出来, 而关键的组件将通过参考最近公布的数据来进行论证。为一系列的敬畏产品, 将提出的结果的碱性髓鞘测量。此外, 还将讨论在加拿大高爆炸物授权测试标准中加入碱性髓鞘试验。

引言

硝酸铵水基乳液 (AWE) 炸药是在1961年发明的。它由一个连续的油相包围的液体氧化剂溶液的微观小滴组成。布鲁在美国 (1969) 1,2中开发了第一个稳定实用的乳化炸药。然而, 这类炸药的成功商业化在二十世纪八十年代初之前并没有真正发生。

随着现代采矿业务规模的扩大和快速散装炸药装载方法的出现, 大量的 AWE 炸药必须制造和运输。一个油轮装载通常运输20吨敬畏和许多这样卡车装载通常是必要的装载一次爆炸。意外启动如此大量的炸药将是特别灾难性的, 因此, 要设计相应的安全装卸系统, 就必须对其危险特性有很好的了解。虽然众所周知, 乳液是相对不敏感的机械事件 (即冲击和摩擦事件), 意外爆炸仍然报告了3 , 同时处理这种类型的炸药, 特别是在抽水应用程序.

自1970的4以来, 人们就已经知道, 在水基炸药中进行自我维持燃烧需要最低的环境压力。后一种值通常被称为 "最小燃烧压力"。从安全角度来看, 对这一门槛的了解可以使制造商更好地估计各种搬运设备的安全操作压力。

加拿大政府自然资源部出版了 "抽取水基炸药的指南" 5, 该准则指出, 在乳液或 watergels 的碱性蛋白的基础下使用泵压是一种很好的安全做法。应该注意的是, 这些指南是在大多数商业制造商的合作下设计的, 而在美国, 炸药制造者协会 (IME) 也发布了非常类似的准则6。然而, 在这些文件中, 没有关于如何测定该蛋白的描述或处方。

在过去的几十年中, 仅有几项与碱性髓鞘测定相关的研究报告。Chan et al.4报告了 watergel 炸药的碱性蛋白的测定结果, 这也是硝酸铵和水性的。他们得出的结论是, 碱性髓鞘能对多种配方因子有很强的依赖性, 如含水量、化学剂或金属粉末的存在。在另一项研究中, Wang 7描述了一个 2.5 L 压力容器加压与 N2 , 并使用升降 up-and-down 方法来确定碱性 AWEs。在这个系统中, 测定了15兆帕的碱性乳液, 其含水量为16质量%。

使用类似的压力容器测试, 弘et al.8报告了一些用于 AWE 炸药的检测结果。他们注意到用于提高炸药敏感度的微球体的性质 (即玻璃或树脂) 也对结果产生了强烈的影响。最近, 特科特et al.9开发了一个类似于王和弘等 al. 的系统, 并试图用它来测量一些 AWEs 的碱性蛋白。然而, 他们发现了许多可能的问题, 可能导致错误的髓鞘测定。特别是, 有人指出, 点火源几何 (镍线线圈) 从来没有得到正确的验证 AWEs。在 2008年, 特科特et al.10和 Chan et al.11, 已经开发了一个基于校准的点火线系统的装置和相关的方法来测量 AWEs 的碱性蛋白。他们还利用该设施研究了典型 AWEs 的点火特性, 测量了能量要求以获得可靠的燃烧12 , 并研究了物理特性和成分对各种不同敬畏炸药13,14。目前, 在联合国危险货物运输 (UN 危险) 测试和 AWEs 的运输分类标准 ( 15中, 提出了一种标准测试技术。

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研究方案

注意: 此处使用的材料和设备列在材料表中.

1. 点火导线组件的准备

注意: 建议使用带丁腈橡胶的手套.

  1. 测量预先确定的镍 (铬) 线长度, 并使用线切割器进行切割。切割85毫米长度为76.2 毫米 (3 和 #34;) 长的测试细胞.
  2. 使用针鼻钳, 弯曲铬线, 使每一端小循环。用适当的卷曲工具, 拼接每一个50厘米长的14美国线规 (AWG) 实心核心裸铜线使用绝缘对接接头连接器.
  3. 重复步骤 1.1-1.2 以根据需要制作尽可能多的程序集.
    注意: 建议预先准备好几个组件, 因为每种方法都需要10到15程序集)。已完成的线组件显示在 图 1 中。如果所有导线都正确拼接并卷曲到连接器上, 则通过导线组件测量的电阻 (在铬导线两侧的铜导体上测量) 必须小于0.5 和 #937;.

2。示例和测试单元准备

注意: 建议使用腈手套进行此操作.

  1. 准备测试单元, 每一个都由一个长度为7.6 厘米的小圆柱形钢管和一个至少1.6 厘米的内径组成. 确保每个测试单元在轴上都有一个3毫米宽的狭缝, 以允许燃烧气体在测试过程中逃逸。r/>> 注意: AWEs 是导电的.
  2. 确保所有点火电流都通过点火导线, 将每个电池的内部漆成两层高温不导电漆。预先准备好几个测试单元.
  3. 准备几个 No. 0 氯丁橡胶塞子通过扩孔内面, 以适应接合连接器和铜导线的点火线组件.
  4. 使用测试单元中的水平狭缝将点火线插入到单元格的中间。小心地在每根铜线上滑动准备好的氯丁橡胶塞子, 并将它们插入每个电池的一端, 确保点火线不会被压缩或扭曲.
  5. 将点火线拉紧并垂直弯曲铜腿线以确保其安全 ( 图 2 , 图 3 )。
  6. 通过3毫米宽的狭缝向单元格引入样本, 以避免导致样品结晶, 并在样品中引入气孔。使用刮刀夯实乳液, 以消除空气空洞, 如果必要的。在台面上反复地敲击电池, 以确保乳液沉淀到空隙中。重复填充、捣固和攻丝, 直到乳液不再沉淀.

3。在压力容器中加载样品

  1. 准备具有以下特征的压力容器以加载采样单元格: 操作压力电阻为20.7 兆帕 (或 3000 psig) (参见材料表), 用不锈钢制成, 以避免气体反应产物的长期腐蚀性损伤, 装有两个绝缘的刚性馈电极, 能够将电流高达 20 a, 并密封有相当于该容器本身的压力额定值.
    1. 出于安全原因, 在装有破裂阀瓣组件的受保护测试室中安装该容器 (参见 材料表 ), 其设计方法是将容器的排气压力略微低于其最大工作压力.
    2. 为了在测试后对容器进行排气, 请使用可远程操作的高压阀将气体出口装置.
      注意: 这可以通过多种方式实现。例如, 它可以实现使用电磁阀/气动阀门组合。该容器的入口必须连接到由附近的受保护房间操作的气体歧管系统, 它可以使用加压的氩气钢瓶将压力容器远程加压至所选择的初始压力 (氮气可能是一种替代品, 但不能为惰性)。这种流形通常是由高压不锈钢管和高压压缩管件和阀门制成的。建议该船也配备0-20.7 兆帕 (0-3, 000 psig) 压力传感器.
  2. 在压力容器中引入带有样本 (在2节中准备) 的测试单元。将其长轴水平放置在顶部的狭缝上 ( 图 2 )。将裸铜线连接到容器内的电极。确保前者不触及船只的身体。关闭并密封压力容器.
  3. 使用万用表确保每个电极和压力容器的主体之间没有电接触.
    注意: 如果在电极和容器的主体之间检测到任何接触, 则必须确定其原因, 并在测试可以继续之前采取行动消除它.

4。在受保护的房间中执行测试

  1. , 将信号从压力传感器连接到数据获取 (参见材料表) 或可用示波器。同时, 将高精度并联电阻器的电压与数据采集 (或示波器) 连接起来。确保这种分流电阻也与恒定电流源串联在一起。将该系列与压力容器上的电极连接, 通过铬线提供恒定电流.
    注意: 知道它的电阻, 横跨这个分流电阻的电压提供了点火电流的测量.
  2. 启动基于 pc 的数据采集系统 (或可用的示波器)
  3. 远程关闭容器和 #39 的出口阀门 (请参阅3.1 章)。在仪器室和气体歧管中使用加压氩气瓶 (3 节所述), 开始将容器加压至所需的试验初始压力.
    注意: 根据敬畏的表述, 这种压力可以在0.3 到19.3 兆帕斯卡 (50 到 2500 psig) 的任何地方发生变化。如果这是一个给定的敬畏产品的第一个测试, 根据样品的配方, 做出一个受过教育的对碱性髓鞘的推测, 来决定必须在什么压力下进行第一次测试。
    1. 一旦达到加压, 关闭容器和 #39 的入口阀门, 并将容器加压5至10分钟, 以检查系统是否没有严重泄漏。一旦建立, 重新打开进口阀门, 调整压力, 以选择的初始值, 并重合进口阀门。如果检测到明显的泄漏率, 请推迟测试, 直到执行了所需的维护.
  4. 打开恒流源并允许10.5 电流流经点火导线。保持电流, 直到样品点燃并熔化点火导线, 停止电流的流动;这预计将采取一些 s. 在点火发生后关闭电源, 压力开始增加.
    注: 压力可能会经过一两个极小值和最大值, 并且应该开始持续减少。当这种情况发生时, 在做任何事情之前等待额外的10分钟.
  5. 一旦测试完成, 远程打开出口阀门, 并将所有燃烧气体排出到适当的排气系统中。在打开容器前, 用氩慢慢清除, 以清除所有有毒气体。确保船回到环境压力在重新进入测试室之前确定.
  6. 锁定恒流电源 (使用锁出键或从交流电源中拔出), 然后走到压力容器室。戴上合适的 general-purpose 盒面罩, 打开容器。通过从电极上解开铜导线来恢复测试单元, 并记下所有的视觉观察.
    1. 通过卸下氯丁橡胶塞子, 尝试观察样品燃烧了多少。通过拍照进一步记录这些观察。完成后, 彻底清洁容器 (见第6节).
      注: 从这些观察, 如果样品完全地烧了 (燃烧前面到达了测试细胞的墙壁; 少量样品可以被留下在氯丁橡胶塞子), 结果被认为是 a 和 #39; 去 #39;降低下一次测试的压力。否则, 结果被认为是 a 和 #39; 不方便和 #39; 必须为下一次测试增加压力 (参见 图 4A 中的典型观察)。传感器的压力记录也可以用作持续燃烧的证据 ( 图 4B ).
  7. 使用下面5节中概述的步骤来分析已获得的电流和压力数据。重复步骤4.1 到 4.6, 同时逐渐降低压力增量 (或递减), 直到确定了所需的精度程度 (参见 图 5 中的典型示例).
    1. 使用此 #39 执行至少10到12测试; up-and-down 和 #39; 方法.
      注: 所引用的蛋白碱性必须是最高和 #39 的初始压力之间的平均值; 不方便和 #39; 事件 (p n, max ) 和最低和 #39; go #39; 事件 (p g, min ) ( 图 5 )。已测量的蛋白的上的误差线必须指定为:
      figure-protocol-3742

5。数据分析

注意: 请参见 图 6 , 以查看显示分析的碱性实验的图形的示例.

  1. 首先确定时间, t 0 , 当点火线打开 (电流突然增加到 10.5)。确定点火导线烧坏的时间 (电流突然返回到 0), t b 。将差异 和 #916; t w = t b 和 #8211; t 0 作为和 #34; 电线持续和 #34; 时间.
  2. 确定平均点火线电流, I 爱德 ; 这是当前记录在 t 0 和 t b 之间的所有数据点的平均值。确定压力跟踪首先偏离初始基线的时间, t p0 。将差异 和 #916; t p = t p0 和 #8211; t 0 作为和 #34; 压力上升和 #34 的时间;...
  3. 确定平均初始压力, P i ; 这是在 t 0 和 p0 之间的压力记录的所有数据点的平均值. 确定最大压力, P 最大 ;这是压力记录的最大值.
    注: 压力迹可能包含几个极小值和极大值.
  4. 定位最后一个最大值 (在燃烧完成时压力开始持续减少); 这是刻录停止时间 ( t s )。计算差异 和 #916; t b = t s 和 #8211 p0 , 并将其输入为和 #34; 刻录时间和 #34;.

6。清除

  1. 尽可能多地清理和重用测试单元。当发现固体残留物很难清除时, 释放一个测试单元。用清水、乙醇和纸巾清洁细胞。如果不导电油漆损坏, 在重新用它之前重新绘制单元格.
    注: 不推荐使用肥皂或洗涤剂清洗细胞, 因为洗涤剂残留物会使表面活性剂在某些乳液配方中不稳定.
  2. 每次运行后清洗容器.
    注: 为清洗容器的人推荐佩戴带有适当 general-purpose 墨盒的口罩。某些配方, 特别是含有化学剂的制剂, 可能会产生比其他的更恼人的残留物.
  3. 从压力容器中去除污垢和湿气, 使用纸巾, 根据需要应用水或乙醇。确保用类似的方式清洗电极, 包括垫圈和螺母.
  4. 在当天结束时, 将所有未使用的样品材料和废料退回到适当的存储位置 (通常是炸药杂志).
  5. 关闭数据采集系统和计算机 (或存储示波器).
  6. 关闭氩 (或氮气) 钢瓶上的主阀, 并排出氩 (或氮气) 线.

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结果

从测试中产生的典型原始信号 (即"go") 在图 6中显示为完全传播的事件。点火电流 (蓝色曲线) 被认为是在 t0 = 0, 并留在直到铬电线烧伤 tb = 19.1 s。计算的平均点火电流 (即在 t0和 tb之间的所有数据点的平均值是 i硬件= 10.59 A。在压力记录 (红色曲线) 上, 观察到在 tp0 = 17.3 s 处发生的第一个?...

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讨论

我们的工作证明, 线性 hot-wire 几何与0.5 毫米直径铬平直的导线和10到16点火电流是充足的点燃 AWEs 与水内容由25质量%。对于高粘度配方 (如包装乳化产品), 水平和垂直配置提供了几乎相同的结果17。然而, 对于低粘度公式 (如散装乳液产品), 垂直构型的重力效应会引起乳化液流动, 扰乱点火过程。在这些情况下, 找到了水平配置以提供有效且可重现的结果17。值得注...

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披露声明

作者声明他们没有竞争的金融利益。

致谢

本出版物所报告的测试协议的开发是由加拿大自然资源 (CanmetCERL、爆炸物研究和 #38;D 科) 和凯采矿服务联合进行的一个项目产生的。凯矿业服务公司允许发布关于这个问题的非专有信息, 这一点得到了充分的承认。还感谢 CanmetCERL 的分析部分参与了在目前工作中编写的各种 AWEs 的物理特性。

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材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Nitrile gloves (100/pk)Fisher Scientific19149863Bhttps://www.fishersci.ca/shop/products/purple-nitrile-exam-gloves-6/19149863b?searchHijack=true&searchTerm=19149863B&searchType=RAPID&matchedCatNo=19149863B
NiCr60 wire 24 AWG (200 feet per roll)Omega EngineeringNIC60-020-200http://www.omega.ca/pptst_eng/NI60.html
Wire cutters: Mini Diagonal Cutting Pliers, 5 in.Canadian TireProduct #058-4736-0http://www.canadiantire.ca/en/pdp/mastercraft-mini-diagonal-cutting-pliers-0584736p.html#srp
Mini needle nose pliers, 5 in.Canadian TireProduct #058-4731-0http://www.canadiantire.ca/en/pdp/mastercraft-mini-needle-nose-pliers-0584731p.html#srp
Crimping tool, 8.5 in.Canadian TireProduct #058-4617-4http://www.canadiantire.ca/en/pdp/mastercraft-8-in-crimping-tool-0584617p.html#srp
Bare copper wire (14AWG)Electronics Plus2000BC-14-5/5 lb rollBare (uninsulated) copper wire
Non-insulated butt-splice connectors (100 units)ElectrosonicPanduit BS14-Chttp://www.alliedelec.com/panduit-bs14-c/70044299/?mkwid=si03ezhXY&pcrid=64596948257&pkw=panduit%20bs14-c&pmt=b&pdv=c&gclid=CM_1jO-DsdMCFZKIswodMugASw
Stainless Steel pipe nipples (10 - 20 units)Wolseley Inc.SSNKX3sample cells: 76.2 mm long x 12.7 mm od (3" long x 0.5" od) with 3 mm slit machined along the length of the cell, painted inside and out with two coats of non-conductive paint (e.g., high-heat barbeque Armor Coat or Krylon brands).
High-temperature non-conductive paintCanadian TireProduct #048-0648-8http://www.canadiantire.ca/en/pdp/armor-coat-bbq-paint-0480648p.html#srp
Solid green neoprene stoppers (size 0; 1 package of 68)Cole-PalmerOF-62991-04https://www.coleparmer.ca/i/cole-parmer-solid-green-neoprene-stoppers-standard-size-0-68-pk/6299104?searchterm=OF-62991-04
Spatula, stainless steelFisher Scientific14-375-10https://www.fishersci.ca/shop/products/fisherbrand-spoonula-lab-spoon/1437510?searchHijack=true&searchTerm=1437510&searchType=RAPID&matchedCatNo=1437510
7.5 L Pressure VesselAutoclave Engineers40A-9104, 9122, 40C-1365, 2376minimum internal diameter of 127 mm; equipped with 20.7 MPa (3000 psi) rupture disc assembly; Solenoid& air operated valve on the outlet; http://www.autoclaveengineers.com/products/pressure_vessels/PV_Bolted_Closure/index.html
Electrodes (set of 2)Electo-metersConax EG-375-A-SS-T, 25.4 cm (10") conductorwith Teflon sealing glands; https://www.conaxtechnologies.com/wp-content/uploads/2016/03/5001D-80-105-Flanges-and-Accessories.pdf
Rupture discOseco39859-3-1http://www.oseco.com/imgUL/files/STD_0515.pdf
Universal safety head (rupture disc assembly)Autoclave EngineersSS-4600-1/2Fhttp://www.autoclave.com/products/accessories/universal_safety_heads/index.html
High-pressure valve (air-operated, fail-open)Autoclave Engineers1/2" SW8XXX-CMhttp://www.autoclave.com/aefc_pdfs/OM_P1_Manual_Air_Valve.pdf?zoom_highlightsub=air+operated+valve#search="air operated valve"
Pressure transducerOmega EngineeringPX176-3KS5VAmplified Voltage Output Transducer for Absolute; 0-20.7 Mpa (0-3000 psi) sealed gauge, 91 cm (36") cable http://www.omega.ca/pptst_eng/PX176.html
Digital multimeterAmazon.comFluke Model 110 Plushttps://www.amazon.com/Fluke-110-Plus-essential-multimeter/dp/B01JX912I2
Data acquisition InterfaceIOTECHModel Daqlab 2000 with DBK15 acquisition boardhttp://www.mccdaq.com/products/daqlab2000s
Personal Computer with monitor and National Instruments DASYLab Software (V13, basic) installedDELLCORETMi7 vProTMComputer must meet requirements for Dasylab 13: 1GHz + x86 compatible; Windows 7 or 8, 32-bit or 64-bit; 2 GB+ RAM
oscilloscopeAny storage oscilloscope with 2 input channels (0-10 V), 12k samples per channel and acquisition frequency of 10 ms/sample.
Precision Shunt ResisterCanadian Shunt IndustriesLA-20-100(20 A, 100 mV) Enclosed in custom box http://www.cshunt.com/pdf/la.pdf
Constant Current Power SupplyAgilentN6700B Low-Profile MPS Mainframe, 400W; N6754A DC Power Supply with High Speed Test Extensions optionhttp://www.keysight.com/en/pd-1125217-pn-N6754A/high-performance-autoranging-dc-power-module-60v-20a-300w?cc=CA&lc=eng
Inlet valveOttawa Valves and FittingsSwagelok SS-43GS4-PThttps://www.swagelok.com/en/catalog/Product/Detail?part=SS-43GS4
Full face maskCooper Safety3M 7800 serieshttp://www.coopersafety.com/product/3m-7800-series-full-face-respirator-1124.aspx
General purpose cartridgesCooper Safety3M 60923http://www.coopersafety.com/product/3m-60923-organic-vapor-acid-gas-p100-cartridge-1533.aspx?sid=101950

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