刘贵清1，谭胜禹1，李 伟1，崔 翰2，郝志坚2
（1. 沈阳消应爆破工程有限公司，辽宁 沈阳 110136；2. 沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122）
摘 要：以销毁12474枚航弹为工程为例，介绍了针对大体积弹体通过采用聚能击穿诱爆法、聚能切割诱爆法，可大大减少诱爆药量，提高对体积大、弹壳较厚弹体诱爆成功率及可靠性。通过实践得到良好的效果，为今后类似工程提供借鉴。
关键词：大体积弹体；聚能；切割；诱爆
METHOD FOR DESTROYING USED AMMUNITION BY MEANS OF CUMULATIVE BLASTING
Liu Guiqing1, Tan Shengyu1, Li Wai1, Cui Han2, Hao Zhijian2
(1. Shenyang XiaoYing Blasting Engineering Co., Ltd., Shenyang 110136, China;
2. Shenyang Institute of Technology, Fushun 113122, China)
Abstract: Taking the destruction of 12,474 airborne projectiles as an example, this paper introduces the use of the energy-collecting and detonating method and the energy-cutting detonation method for large-volume bombs, which can greatly reduce the amount of detonation and increase the volume. The bombing shell has a thicker body to induce the success rate and reliability. Through practice, good results areobtained, which will provide reference for similar projects in the future.
Keywords: large volume bomb;energy;accumulationcutting;igniting.
0 引 言
近年来，随着军队和国防工业现代化建设的步伐越来越快，军事新型武器弹药研发日益更新，尤其是在航空弹药方面，使用的弹药种类越来越多，技术越来越先进，结构越来越复杂，飞机装备更新换代之余，退役下来的报废炮弹、航弹的销毁工作，成为销毁爆破工程面临的新课题。
此外，在全国城乡建设大开发的背景下，也时常会挖掘出战争期间遗留下来的炮弹、航弹、手榴弹等各类废旧弹药。历经数十年时间后，这些废旧弹药依然具有较大杀伤力，在受到外界较大刺激，如碰撞、摩擦后极易引起燃烧甚至爆炸，对周围人员、建筑设施造成巨大威胁，因此须对这些废旧弹药及时妥善处理。在这些销爆需求下，民用技术和军用技术相结合，走军民技术融合开发的道路，成为销爆技术发展新方向[1]。
2017年11月，消应公司为沈阳飞机工业集团有限公司一次性集中销毁了12474枚报废的航空弹药，销毁工程中，首次运用聚能击穿诱爆法、聚能切割诱爆法、分层布药法、伞状起爆法等创新销爆技术[2]，确保了万余枚废旧弹药一次性彻底销毁。
图1 现场吊运500公斤重大型航弹现场
1 分类与辨识
在进行处理前认真对弹种进行辨识分类，弹药具有明显外观特征，一般可以按其外形尺寸和弹体形状进行区分，特殊的通过弹体构造、性能分类。
（1）有名称的按其用途和性能分类（如航弹、填砂弹、抛放弹）
（2）没有名称，其用途和性能不详的分类：
①大体积的弹体（弹体φ＞75 mm）；
②直径弹体(75 mm＜弹体φ＞10 mm)；
③爆炸后产生光热、火焰的弹体；
④按引爆装置分为：弹头、弹底（或弹尾）、弹身引信，以及弹头激发弹底引爆引信等。
2 炮弹（航弹）销毁难点
2.1 大体积弹体销毁的难点
面对大体积弹体，过去一直的做法是炸药诱爆[3]，即用一定药量的高爆速、高猛度的炸药包裹在炮（航）弹的环形面上，起爆后炸破弹壳，诱爆弹丸装药，从而达到销毁目的。但此种方法用药量大，对弹壳较厚的弹体诱爆成功率低，可靠性不高，对销爆周围环境影响范围较大。
2.2 对于小直径的弹种销毁的难点
在冲击波的作用下会向周边抛散，由于弹体小不易收集，易出现销爆不彻底的现象，弹药销毁后确认是否全部彻底被销毁困难。易造成未爆弹体流失。
2.3 对于能产生光热和火焰的弹种销毁难点
如信号弹、干扰弹等，在销毁时易造成周围杂草等燃烧，造成火灾隐患。
2.4 对于无法辨识废旧炮弹销毁难点
有些存放时间久远，其内部装药成分，激发装置、结构等均无法确定，销爆的方法对销爆的效果具有至关重要的作用。
3 销毁废旧炮弹的安全校核及场地选择
3.1 航空炸弹、炮弹装填炸药量计算
航空炸弹、炮弹装填炸药量大，由于有些炮弹（航弹）年代久远其标识因诱蚀而难以辨认，所以在销毁过程中难以掌握爆炸威力，极易诱发安全事故[4]。因此对弹药量进行评估，对安全距离校核是确保销毁安全的重要基础，也是选择销毁场地的关键参数。在无法辨识弹型时可根据公式进行估算弹种所含TNT当量。
（1）
式中，Q为等效TNT当量，g；d为弹径，cm；L为弹体长，cm；Lr为弹头长，cm；βγ为当量系数。
航弹中的普通爆破弹或低阻式爆破弹取1.35，半穿甲弹和穿甲弹取1.00，炮弹中的口径175 mm以下的榴弹取1.35，其他的取1.00； r为装药换算系数，航弹中的普通爆破弹或低阻式爆破弹取1.64，半穿甲弹和穿甲弹取0.99，炮弹中的榴弹取0.99，穿甲弹取0.26。（该公式中的有关系数是根据对各类弹种的统计回归得到的。）
计算得出本次销毁12474枚炮弹（按全部有装药计算），经计算本次使用爆炸法销毁的弹药炸药量TNT当量为：4495.87 kg；换算为民用工业炸药为：5915.6 kg
销毁使用药量：897 kg，合计总药量为：6812 kg。
分段起爆:采用毫秒导爆管雷等间隔微差起爆网路，间隔时差为25 ms，共计20个段位，最大一次齐爆药量约为：340.6 kg。
3.2 冲击波安全校核
废旧弹药进行爆破销毁时，可用公式计算爆炸冲击波安全距离：
（2）
式中，
P为空气冲击波超压值，105 Pa；Q为次爆破梯恩梯炸药当量，秒延时爆破为最大一段药量，毫秒延时爆破为总药量kg；R为爆源至保护对象的距离，m。
本次销毁12474枚炮弹 共分二十个坑销毁、二个坑为试爆区，根据设计销毁使用二号岩石粉状、二号岩石乳化炸药总药量为897 kg，每坑总药量约340.6 kg，（将此药量换算成梯恩梯当量代入公式计算）坑与坑之间采用毫秒导爆管雷等间隔微差起爆技术，等间隔微差时间为25 ms。
经计算：R是400 m时，空气冲击波超压值为：0.0198×105 pa。
根据与《爆破安全规程》建筑物的破坏程度与超压关系对比，销爆时产生的空气冲击波超不会对400 m以外的建（构）筑产生影响。
3.3 质点振动速度
根据《爆破安全规程》（GB6722-2014）规定地震波用萨氏公式:
（3）
式中，R为爆破振动安全允许距离，m；取400 m；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；V为保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；K，α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。
通过现场试验确定；经计算V=1.94 cm/s，销爆时产生的爆破振动不会对400 m以外的建（构）筑物产生影响。
3.4 销毁场地确定及警戒安全距离
考虑弹药销毁时破片的分散，根据销毁弹药的品种和数量，确定销毁场地及警戒安全距离[5]。为了更有效的保证安全，警戒半径设计为500 m。销毁场地根据《民用爆破器材工程设计安全规范》（GB50089）规定。选择在辽宁省最大的一个销毁场，724军工弹药销毁场地实施。销毁厂地示意图如图2所示：
图2 销毁场地示意图
3.5 销毁废旧弹药坑的挖设
根据本次废旧弹药的销毁数量，销毁坑直径设计为3 m，深2-3 m，坑间距为3-5 m，坑体排距为3-5 m，共布置2排，每排10个坑，共计20个爆炸销毁坑。具体如图3和图4所示：
图3 销毁坑总体布置图
图4 销爆坑航拍图
4 废旧弹药销毁方法
本次销毁弹药主要利用现有的民爆器材和研制的环形聚能切割具完成，采用了以下几种方法实施了销毁。
4.1 针对大体积弹体销毁方法
针对大体积航弹、填砂弹、火箭弹采用射孔弹及聚能罩对炮弹销毁。针对不明的大型弹体，利用射孔弹聚能击穿诱爆法销毁，内部有炸药的将其引爆销毁，如没有引爆，再采用聚能罩聚能切割诱爆法[6]。如500 kg、250 kg填砂弹或航空炸弹, 由于现存弹种年代久远，仅从外观上无法确定内部成分是砂料还是炸药。采用射孔弹击穿后确定内部结构和成分，如不爆炸，对炮弹内部物质进行分析确定物质属性，并对弹壳进行相关处理，防止流入社会引起恐慌或治安隐患。
4.1.1 采用射孔弹销毁方法
针对炮弹（航弹）等大体积弹种怎样能减少诱爆药量，并保证诱爆效果达到彻底销毁的目的，宜采用射孔弹及聚能装置对大直径弹种实施诱爆，效果最佳。
炮弹（航弹）一般弹体钢板厚度为5 mm—20 mm不等，诱爆弹体内的装药必须保证弹体的钢板被击穿，应根据炮弹种类不同判明弹体钢板厚度，对应使用起爆能量足够的射孔弹，保证诱爆成功。
此次销毁的大直径弹种的弹体外壳较厚，约10 mm以上，为选择合适的射孔弹及聚能罩，分别采用二维仿真流固耦合算法、Euler算法、Largrange算法和三维SPH/Largrange耦合算法，进行了模拟试验。模拟实验过程如图5和图6所示：
图5 三维仿真模拟效果图
图6 三维仿真模拟效果图
根据仿真模拟实验结果，筛选出了与实际相匹配的射孔弹规格，具体参数如下表所示：
表1 射孔弹参数表
4.1.2 利用环形聚能切割具销毁
利用聚能环形切割装置对炮弹（航弹）实施销毁的方法，即利用聚能原理制作环形聚能切割装置，将炮弹在中间切开，如弹体内部有装药可直接引爆销毁；如内部无装药，切开后对内部填充物进行分析确认，无爆炸危险后进行正常处置。
聚能切割是利用药包一端的空穴（也叫聚能穴）使得炸药爆轰的能量在空穴方向集中起来以提高炸药局部破坏作用的效应。炸药爆炸爆轰后，爆轰产物依次作用在药型罩的各段微元上，迫使微元作轴对称运动，药型罩的不断闭合、不断碰撞、不断形成射流最终将待切割体切开。
根据聚能装药原理和切割石油管道的实践经验，设计了专用环形聚能切割罩，由于弹药销毁过程中的药型罩对弹药的侵彻毁伤过程属于静破甲过程，选用静破甲深度的估算公式估算所设计的药型罩的侵彻深度。由于经验公式的侵彻目标为装甲钢，而弹药壳体的抗侵彻能力低于装甲钢，因此计算结果应高于实际值。
（4）
式中，Lm为静破甲穿深；为药型罩口部直径；α为药型罩半顶角；γ为取决于锥顶角的系数，此处计算按70°的取值2.2计算；D 为炸药的爆速；黑索金的爆速为6530 m/s；为临界速度，此处计算取2100 m/s。将已知设计参数带入得： Lm=0.12513m=125.13 mm
由于所销毁弹药壳体壁厚为10 mm，因此在销毁过程中相当于至少侵彻双侧壁厚20 mm，所以所设计的环形聚能切割罩结构完全能够满足销毁要求。环形聚能切割装置可根据销毁弹种直径和壁厚确定装药量。聚能罩设计和使用示意图如图7、8、9、10所示：
图7 聚能罩结构示意图
图8 聚能罩立体横截面示意图
图9 聚能罩立体断面示意图
图10 聚能罩按装示意图
4.2 针对直径小直径的弹种销毁方法
针对直径75 mm＞φ＞10 mm的弹种采用爆炸法销毁，既分层布药销毁或伞状布药销毁。针对直径φ＜10 mm的弹种采用铁笼焚烧法销毁。
4.2.1 分层布药销毁法
能产生光热和火焰的弹种，如信号弹、干扰弹等采用上面敷设炸药销毁方法。其方法是在销毁场地，挖一个深3 m宽2 m的深坑。在坑底铺一层弹上面一层药，再一层弹，再一层药，宜采用二层药二层弹的方式布置，炸药采用二号岩石乳化炸药，厚度为32 mm。采用毫秒微差起爆技术，分两段起爆，宜采用间隔25 ms雷管段位，由下至上起爆，即上面一层炸药后响[7]。底层炸药爆炸后爆轰波所到之处，波后的高压爆轰气体急剧膨胀将废旧炮弹诱爆，最上一层炸药在间隔25 ms后爆炸，能有效压制向上飞溅的信号弹、干扰弹等，可有效控制上述弹种的飞散距离。布置图如图12所示：
图11 分层布药销毁示意图
图12 分层布药销毁现场图
4.3 对于有底火、引信的弹体采用伞状装药诱爆法销毁方法
针对炮弹底火、引信装配弹体实施爆炸法销毁，采用伞状装药诱爆法，即将二号岩石乳化炸药捆绑成柱状放置在挖好的销毁坑内，一般以3管（每管4公斤）乳化炸药捆绑为一个起爆体，将炮弹弹头引信部位朝向起爆体摆放成伞状布置，用8号雷管引爆，起爆体爆炸产生的爆轰波诱爆炮弹引信装置将炮弹弹头销毁。销毁布置图如图13所示：
图13 伞状装药示意图
5 爆破销毁效果
距爆破销毁点最近的保护物为东南方向650 m看守房，看守房为砖砌混凝土结构，在此处架设测振仪器NUBOX-6016对该处进行振动监测[8]。对数据进行处理得出波形图和表2：
表2 爆破振动监测数据
图14 爆破振动波形图
东南方向650 m看守房所在位置的爆破振动强度为V=1.872 cm/s。看守房为砖砌混凝土结构，本次爆破销毁没有对该房屋造成任何破坏，爆破销毁达到了预期目的。
6 结论
（1）针对种类多达数百种、性能和大小不一的炮弹销毁工作，通过理论分析，合理运用每种销爆方法的特点，克服了技术上的难题，最终实现一次集中爆破销毁。
（2）通过三维仿真模拟试验，计算并分析出了引爆炮弹所需的能量，进一步确定销毁
技术方法，并取得了良好的销毁效果。为以后炮弹销毁的实例提供了新思路。
（3）利用聚能击穿诱爆法、聚能切割诱爆法等新型销爆技术克服了销毁废旧炮弹的成功率低、可靠性不高、对销爆周围环境影响范围大等难点，合理控制住了爆破振动并取得了良好的销爆效果，通过工程实例在佐证了一系列新销爆方法在技术上的可行性，为今后类似弹种销毁工程提供了宝贵经验。
参考文献：
[1] 汪旭光.中国爆破新进展[M].北京冶金工业出版社,2014.
[2] 王萍.爆破物品及废旧炮弹的销毁实践[J].江西建材,2017(03):245+249.
[3] 杨军,苏平,李萍丰,等.诱爆销毁废旧炮(航)弹的爆破设计及组织实施[J].工程爆破,2005(04):83-87+92.
[4] 汪旭光.爆破设计与施工[M].北京冶金工业出版社,2015.
[5] 王泳.废旧弹药销毁的组织与实施[J].采矿技术,2015,15(03):93-95.
[6] 刘 鹏,张怀智,等.废旧弹药爆破销毁技术综述[J].工程爆破,2011.
[7] 杨志红.微差起爆技术及其对爆破效应影响研究[D].武汉大学,2005.
[8] 郭涛,齐世福,王树民,等.大批量废旧弹药爆破销毁技术的应用[J].工程爆破,2011,17(02):89-91.