火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系研究

張林軍，徐露萍，杜姣姣，劉文亮，王芳芳，王宏霞

火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系研究

張林軍，徐露萍，杜姣姣，劉文亮，王芳芳，王宏霞

（西安近代化學研究所，西安 710065）

為解決我國火炸藥裝藥壽命評估標準工作滯后、體系缺失等問題，規范和指導火炸藥裝藥壽命評估工作，提升壽命評估結果的準確性和認可度，從火炸藥裝藥實驗室壽命評估技術體系出發，探討了火炸藥裝藥壽命評估的流程及技術要求。參照北約彈藥裝藥安全性及壽命評估的相關標準情報資料，構建了我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系框架，明確了標準體系建設內容。提出我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系按照系統科學、層次分明、綜合開放的思路進行構建，分為頂層規范類標準、設計類標準、操作類標準3個層次。

火炸藥裝藥；壽命評估；方法標準；評估流程；技術要求；標準體系

火炸藥是各類武器系統完成彈丸發射，實現火箭、導彈運載和各類驅動的動力能源，是戰斗部和各種爆炸裝置進行毀傷的威力能源[1]。高能火炸藥及其裝藥是高新武器彈藥技術發展的關鍵，組分復雜化、能量高能化、載荷多元化，使得高能火炸藥裝藥的貯存性能、安全性能面臨新的挑戰[2-3]。在貯存和使用過程中，各種環境應力作用下，彈藥中火炸藥裝藥自身、各組分之間、組分與接觸材料之間，都將會以某種形式發生緩慢的物理、化學變化[4-9]。這種變化一方面可能導致火炸藥儲存過程中穩定性變差，喪失作戰能力，壽命終止；另一方面，可能引起火炸藥在儲存過程中感度增高，發生燃燒或爆炸，增加了彈藥勤務處理的危險性。因此，研究火炸藥及裝藥長貯老化性能和安全性能，對于保證庫存彈藥的安全可靠貯存和使用至關重要。如果將未達到實際壽命的裝藥提前退役，將給國家造成極高的經濟損失；而超過實際壽命服役，增大了彈藥在貯存和使用中的危險性，甚至造成事故。

國內火炸藥裝藥壽命評估通常采用實驗室加速老化試驗和自然環境貯存監測2種方法[10-16]。實驗室加速老化試驗通常是指在不改變產品失效機理的前提下，加大模擬環境應力水平的方法，強化環境影響因子，加速產品失效過程，以期在較短的時間內達到長時間自然貯存的效果。自然環境貯存監測試驗是在典型或極端自然環境條件下將試驗樣品長期貯存，根據相關的評價標準、方法來評估和預測所研究樣品的貯存或使用壽命。由于實驗室加速壽命試驗具有時間短、成本低、提前預知壽命結果等優點，目前已成為人們預測研究火炸藥裝藥壽命的主要方向。我國已開展火炸藥裝藥加速老化壽命研究工作多年，形成了GJB 770B—2005 方法506.1、QJ 2328A—2005等壽命評估標準[17-19]，但是一直存在標準工作滯后、標準體系缺失、壽命評估結果準確性和認可度差等問題，無法規范和指導火炸藥裝藥壽命評估工作的開展。美國等北約國家非常重視彈藥老化性能及壽命評估，開展了大量安全性、老化壽命等評估技術研究工作，形成了比較完整的彈藥裝藥安全性及壽命評估方法標準體系[20]。本文從火炸藥裝藥實驗室壽命評估技術需求出發，參照北約彈藥裝藥安全性及壽命評估相關標準情報資料，探討了火炸藥裝藥實驗室壽命評估的流程和技術要求。同時，提出了我國火炸藥裝藥壽命評估標準體系的建設思路和層次，構建了我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系框架，明確了體系標準建設內容，對今后我國建立全面完善、與國際接軌的標準體系具有重要的指導意義。

1 實驗室壽命評估的流程和技術要求

實驗室開展壽命評估的火炸藥裝藥特指一定尺度的火炸藥藥柱和具有一定約束殼體（包覆層）的火炸藥結構件?；鹫ㄋ幯b藥壽命就是在規定的貯存使用環境中，使裝藥安全貯存、使用性能變化在設計閾值之內或可承受范圍內的期限。實驗室壽命評估方法是在高于正常應力水平下，對火炸藥裝藥試樣進行加速老化，定期分析測試裝藥老化失效特征參量值，獲取失效特征參量值隨應力、時間的變化規律及退化模型，選擇合適的臨界點和數學評估模型進行回歸外推處理，預測正常貯存使用應力水平下火炸藥裝藥試樣的壽命?；鹫ㄋ幯b藥實驗室壽命評估是一個系統工作，包括貯存使用環境條件、裝藥狀態、老化規律、失效模式、評估模型、失效判據、加速方法、檢測方法、評價方法、監測方法等多個環節。北約在AOP-46《彈藥壽命評估的科學基礎》[21]中給出了彈藥壽命評估的流程，該流程包括評估輸入、辨識失效模式、評估方法、試驗及狀態監測、壽命評估等5個階段，如圖1所示。

在借鑒北約彈藥壽命評估程序的基礎上，分析火炸藥裝藥實驗室壽命評估的環節和要素。壽命評估流程可分為評估設計輸入、潛在失效模式確定、加速試驗方案設計、加速試驗及狀態評估、確定關鍵參量及退化模型、壽命評估等6個階段。各階段技術要求如下：

1）壽命評估設計輸入。包括全壽命周期環境剖面分析、確定貯存及使用環境、火炸藥裝藥狀態分析、確定所有可能的失效機理等環節。主要獲取特定應用背景下開展壽命評估工作所需的設計輸入詳細信息。

2）確定潛在失效模式。通過貯存使用環境下火炸藥裝藥可能失效機理分析，確定裝藥潛在的失效模式。通常情況下，火炸藥裝藥的失效模式主要表現為熱化學失效、力學失效、結構失效（熱應力）、功能失效等四大類。

3）確定加速老化試驗方案。加速老化試驗方案設計主要包括加速老化環境應力模擬加載、老化性能參數、試驗樣品狀態和數量、老化試驗時間、取樣計劃等方面的內容。

4）加速試驗及老化狀態評估。本階段為試驗階段，包括加速老化試驗、裝藥性能檢測、安全性試驗、老化狀態評估等環節。由于火炸藥具有易燃易爆特點，安全性能變化必須重點關注。在老化結束時，必須測量火炸藥熱感度、熱安定性、撞擊感度、摩擦感度等安全性能，以判斷老化是否引起火炸藥的敏感化，是否存在安全風險。

5）確定關鍵參量及退化模型。包括確定失效關鍵參量及變化規律和關鍵參量變化模型等環節。

6）壽命評估。包括確定失效判據、確定壽命評估模型、確定火炸藥裝藥貯存使用壽命等環節。根據關鍵參量變化模型，結合給定的失效判據值，獲得不同應力水平下的偽失效壽命。利用選用的壽命評估模型[22-26]，結合偽失效壽命值，建立裝藥壽命評估模型試驗方程，回歸計算預估正常環境條件下的火炸藥裝藥壽命值。

2 北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標準分析

美國及北約非常重視彈藥及裝藥安全性及長貯老化研究，制定了一系列彈藥貯存監測計劃，開展了大量裝藥老化試驗及機理研究，掌握了裝藥絕大多數失效機理和模式，形成了較為全面的標準體系。通過對北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標準化的初步分析發現，在彈藥服役全壽命周期中各個環節，針對不同環節可能遇到的環境刺激，及其引發的安全性或彈藥失效問題，北約有專門的試驗和評價標準作為支撐。北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標準體系涵蓋了彈藥及裝藥設計、生產制造、貯存和運輸、銷毀處理全壽命周期階段，每個階段均有相應的標準方法配套[27-33]，如圖2所示。北約彈藥及裝藥安全性及壽命評估標準大致可以分為4個層次（見圖3）：指南類標準；科學基礎、評估程序、老化議定書等共性通用類標準；試驗方法、評價方法和性能表征方法等試驗操作類標準；典型彈藥安全性及壽命評估方法標準。

在火炸藥裝藥實驗室壽命評估方面，AOP-46、AOP-7等標準更具有指導和借鑒意義。AOP-46《彈藥壽命評估的科學基礎》是北約非核彈藥壽命評估的基礎性標準，給出了彈藥全壽命周期內壽命的影響因素、評估的科學基礎以及壽命評估的一般方法。標準涵蓋了環境對彈藥的影響、設計標準確定、產品包裝、性能退化機理、評估設計及風險分析、壽命評估程序、加速試驗、加速失效模式及數學模型、延壽、壽命終結等各個部分，對彈藥產品壽命評估全流程做了詳細的規定。AOP-7《軍用爆炸物鑒定用數據要求和試驗手冊第8章老化議定書》[27]主要針對軍用爆炸物長貯壽命各階段的研究特點，分別規定了老化試驗條件及性能檢測項目，并能夠結合武器裝備的需求變化進行適時修訂。

3 我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系構建

火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系是制定、修訂和貫徹實施火炸藥裝藥壽命評估各類標準的依據，對于研制和應用“寬環境、長壽命、高安全”的新型高能火炸藥具有巨大的推動作用和保障作用。由于不同的火炸藥產品其配方組成、生產工藝、裝藥結構、應用背景等不同，其加速試驗方法及老化性能評估方法可能不同，即使同一種火炸藥裝藥應用在不同的彈種中，其失效模式與機理也是不盡相同的。因此，火炸藥裝藥實驗室壽命評估是一個復雜的系統問題，壽命評估涉及樣品制備、老化試驗、失效機理模式分析、性能檢測、數學模型構建等多個環節要素及相應方法標準支撐。通過對比北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標準體系，結合火炸藥裝藥實驗室壽命評估流程和技術要求，我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估體系將按照系統科學、層次分明、綜合開放的思路進行構建。

圖2 北約彈藥及裝藥全壽命周期安全性與壽命評估標準體系

圖3 北約彈藥及裝藥安全性與壽命評估標準體系層次框圖

1）系統科學。從火炸藥裝藥實驗室壽命評估的技術體系和流程出發，對壽命評估過程中每個階段的各環節要素進行系統分析，以提升壽命預估結果的可靠性和準確性為目標，科學制定各環節試驗方法標準。重點關注環境應力模擬等效加載、老化試樣與真實裝藥的等效問題、老化性能檢測取樣的等效問題等關鍵點。壽命評估各環節方法標準相互聯系、銜接、補充，應用時按照實際需要選擇裁剪，構成具有特定標準化功能的有機整體。

2）層次分明。根據國內裝藥壽命評估環節要素和標準化需求，對標北約武器彈藥安全性與壽命評估標準體系，我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系建設初步設計為3個層次：頂層規范類標準，主要包括火炸藥裝藥實驗室壽命評估通用程序及評估指南；設計類標準，主要包括環境應力模擬、火炸藥裝藥狀態與分類、失效模式與機理等共用基礎類標準；操作類標準，包括試驗方法、檢測方法及評估方法等。我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系層次如圖4所示。

3）綜合開放。標準體系的建立是一個長期、不斷更新完善的過程?；鹫ㄋ幯b藥實驗室壽命評估標準體系建設首先需要搭建一個較為完整的體系框架，框架中標準構成應當是一個綜合、開放、不斷發展的標準群，所有與火炸藥壽命相關的方法標準都可以按照其特點和功能劃分到體系框架不同層次中，并隨著新產品和新技術的發展不斷豐富和完善。

圖4 我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系層次

按照火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系層次劃分，我國壽命評估標準體系應包括以下標準，頂層規范類標準主要為火炸藥裝藥壽命評估指南、程序、通用要求、術語定義等；設計類標準主要為壽命評估方法設計、機理機制研究等基礎標準，分為環境應力模擬加載方法、老化試樣設計及要求、失效模式及模型選用等三大類，包括老化環境譜及載荷譜、熱加速老化試驗方法、多應力耦合加速試驗方法、老化試樣設計方法、裝藥分類方法、試樣尺寸等效性評價方法、壽命評估模型、數據處理方法等標準；操作類標準則主要為與產品結合較為密切，需要開展相關試驗研究，獲取樣品老化性能，進行老化狀態評價等試驗方法標準，分為加速老化試驗方法、老化性能檢測方法、老化狀態評價方法等3類，包括不同狀態（粉末、藥柱、公斤級裝藥、彈體裝藥）火炸藥加速老化方法、安全性試驗、老化性能監測、現場快速檢測、老化性能評價等方法標準。上述方法標準構成了我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系，開展壽命評估工作時，按照評估流程中階段技術要求，選擇相應的方法標準執行。

4 結語

火炸藥裝藥實驗室壽命評估涉及多個技術領域和專業，評估過程所需試驗和評價方法較多，需要建立制定各階段、各環節的方法標準，來規范和指導火炸藥裝藥壽命評估工作。本文從火炸藥裝藥實驗室壽命評估技術體系和流程出發，探討了壽命評估各階段的技術要求，同時參照北約彈藥裝藥安全性及壽命評估相關標準情報資料，構建了我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系框架，明確了標準建設內容。提出我國火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系按照系統科學、層次分明、綜合開放的思路進行構建，可分為頂層規范類標準、設計類標準、操作類標準3個層次。同時，標準體系的建設是一個循序漸進的過程，不能一蹴而就，應加強火炸藥裝藥實驗室壽命評估關鍵技術研究，研制新的技術標準，不斷地對體系中標準進行增添、修訂，推進標準體系的建設。

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Standard System for Laboratory Life Assessment of Explosives and Propellants Charges

ZHANG Lin-jun, XU Lu-ping, DU Jiao-jiao, LIU Wen-liang, WANG Fang-fang, WANG Hong-xia

(Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Shaanxi Xi'an 710065, China)

The work aims to solve the lagging and system lack of life assessment standards for explosivesand propellants charges in China, standardize and guide the life assessment work and improve the accuracy and recognition of life assessment results. The process and technical requirements were discussed from the technical system in laboratory life assessment. Meanwhile, referring to the relevant standard information of NATO about ammunition charges safety and life assessment, the framework of China's standard system for life assessment of explosives and propellants charges was constructed, and the contents of the standard system were clarified. It is put forward that the standard system for life assessment ofexplosives and propellants charges should be constructed according to the idea of systematic and scientific, clear hierarchy and comprehensive openness, and it should be divided into three levels including top-level specification standard, design standard and operation standard.KEY WORDS: explosives and propellants charges; life assessment; method standards; assessment process; technical requirement; standard system

2023-07-31；

2023-10-12

TJ55；O643

A

1672-9242(2023)10-0084-06

10.7643/ issn.1672-9242.2023.10.010

2023-07-31；

2023-10-12

張林軍, 徐露萍, 杜姣姣, 等. 火炸藥裝藥實驗室壽命評估標準體系研究[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(10): 84-89.

ZHANG Lin-jun, XU Lu-ping, DU Jiao-jiao, et al. Standard System for Laboratory Life Assessment of Explosives and Propellants Charges[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(10): 84-89.

責任編輯：劉世忠