塑料导爆管吸水过程的热力学分析.doc

塑料导爆管吸水过程的热力学分析 1 引言塑料导爆管的吸水行为是由其管壁材料的吸水性决定的，以高压聚乙烯为管壁材料的塑料导爆管的吸水行为及其对传爆可靠性的影响已有报道1，本研究在此基础上进一步探索水浸导爆管的吸水过程及其物理本质。研究发现，导爆管的吸水量是由热力学控制的；除温度、压力等基本的热力学参数以外，浸水方式是十分主要的影响因素。不同的浸水方式构成了不同的热力学过程，由此造成导爆管的吸水行为完全不同，传爆可靠性也有巨大差别。工程施工中导爆管雷管用于水下爆破时，恰恰处于容易引起其内腔进水的浸水方式(雷管在水下，网络连接在水上)。本文分析了不同浸水方式下导爆管吸水过程的热力学特征，找出了常温下浸水导爆管内腔进水并引起拒爆的原因，可供导爆管雷管在有水环境下实施爆破时参考。2试验原理当塑料导爆管浸在水中时，其管壁便开始吸水进而水汽进入管内腔，当进入内腔的水汽足够多且形成水珠时，便会引起导爆管的拒爆。导爆管的吸水情况可用吸水率来表示，传爆可靠性用导爆管传爆率来表示，有关导爆管的吸水率和传爆可靠性的测试方法已由文献1给出。本研究所采用的测试方法及器材均和文献1相同。3试验过程及结果31浸水方式对吸水率的影响一定的时间后观察管内腔进水情况，并测定其传爆可靠性，结果见表1。将12m长的导爆管两端热封，以每4根为一组分别浸在不同温度的水中。浸水方式分两种：一种是每根导爆管的两端各伸出水面10cm（称部分浸水），另一种为导爆管完全浸没在水中(称全浸)。用分析天平测定其吸水率随浸泡时间的变化。试验分别在25、35的恒温水槽内和在空气中自然存放的水中进行，结果分别见图1、图2和图3。32不同浸水方式下导爆管的传爆可靠性长20m的塑料导爆管两端热封口，在不同的温度和不同的浸水方式条件下浸水，图1环境温度615，水温25导爆管吸湿曲线图2环境温度1022，水温35导爆管吸湿曲线图3环境温度1025，空气中自然存放的工业水中导爆管的吸湿曲线从试验结果可以观察到如下现象：（1）从图1和表1中可以看到，同在25的恒温水溶液中浸泡，部分浸水导爆管之吸水率明显高于全浸的导爆管。全浸时导爆管吸水很快达到饱和，吸水率低于003，浸水22d传爆可靠性未受影响；而部分浸水的导爆管吸水率直线上升，22d未见饱和迹象，导爆管露出水面的部分明显可见水珠，导爆管拒爆。从35时的试验结果可得出相似的结论(见图2、表1)。表1水浸导爆管的传爆可靠性试验浸水温度环境温度平均温差浸水时间d部分浸水进水情况及传爆可靠性100全浸进水情况及传爆可靠性1002561513522明显可见水珠0未见水珠1003510221934明显可见水珠0未见水珠10010251025042未见水珠100未见水珠100注：本组试验是在室温下空气中自然存放的水中浸泡。 （2）图3所示结果是将导爆管浸入空气中自然存放的水中所得。在试验温度下（1025），两种浸水形式导爆管同时达到饱和，吸水率低于001，且浸泡42d未见传爆异常。进一步的分析可以看到，几种不同浸水方式的区别本质上是温度沿导爆管的分布不同。（1）当导爆管浸于恒温水槽中，且采用全浸方式，无论水的温度多高，导爆管各部分始终处于相同的温度下，即温度沿导爆管的分布相同；（2）导爆管浸于恒温水槽，浸水方式为部分浸水，则水下部分的温度和水上部分有差异，此时温度沿导爆管的分布不同。试验观察到，当水下温度高于水上温度(环境温度)时，导爆管的吸水量便大大增加，产生拒爆；（3）当导爆管浸在自然存放于空气中的一定量的水中时，由于水和空气的温度基本保持平衡，水上水下温度大致相同，故此时无论全浸还是部分浸水，温度沿导爆管的分布都相同。试验观察到，吸水很快达到饱和，吸水量小，长时间浸泡亦不影响传爆。以上现象的本质是热力学平衡问题2，下面就几种浸水情况分别予以分析。41全部浸水设导爆管浸水时管内外水的化学势分别为内、外，水的活度分别为a内、a外，则有：内（T，P）RTlna内（1）外（T，P）RTlna外（2）则外内RTln（3）对全浸方式，当导爆管刚浸入水中时，a外a内，ln0，故外内0，外内，水汽便由导爆管外部向内腔迁移。一定的时间以后水汽进入内腔，a内，当a外a内时，RTln0，则外内。这时内外达到平衡，进入内腔的水量一定且不再增加(分别见图1、图2中的全浸曲线)。试验测得25、35温度下饱和吸水量均在003左右，且这样的吸水量不对导爆管的传爆可靠性造成影响。这就是采用全浸方式导爆管吸水行为的热力学本质。42部分浸水若将导爆管的一部分伸出水面(部分浸水)，且水下温度高于环境温度，则温度沿导爆管的分布便发生变化，用克拉贝龙克劳修斯方程可以描述这种变化。对于本文所研究的体系，所涉及的温度范围较低，可以认为水的蒸发焓不随温度而变，气相为理想气体，惰性气体对饱和蒸汽压的影响忽略不计，这时克拉贝龙克劳修斯方程可以写成：（4）式中P温度T时水的饱和蒸汽压；蒸发水的摩尔蒸发焓。用下标“上”、“下”分别表示导爆管内腔水下部分和水上部分所处热力学状态，对不同的温度T上和T下做定积分可得：（5）上式清楚给出了不同温度下水的饱和蒸汽压的变化规律。当水浸导爆管水上部分温度较低，水下部分温度较高时，即T下T上，观察式(5)右边：因蒸发时体系吸热，故蒸发0，而R为大于0的常数，故0，所以ln0，1，P上P下，即水上部分的饱和蒸汽压低于水下部分。由于导爆管上下部分内腔连通，水下部分气体(其中水的分压较高)必然不断向上扩散，进而不断冷凝，于是便形成了水汽源源不断自下而上迁移的过程，直至最后产生大量水珠，引起导爆管拒爆。室温下，当导爆管自然浸于水中时，由于自然存放于空气中的少量水总是在温度上和空气保持平衡，此时即使采取部分浸水方式，温度沿导爆管的分布也是不变的，即T下T上，故由式（5）知P下P上。在浸水部分管壁吸水达到平衡的过程中，水上部分的管壁的吸水平衡和水的蒸发平衡也告完成，整个导爆管的吸水达到饱和，吸水便停止了。试验表明，此时的饱和吸水量不对导爆管的传爆可靠性造成影响。导爆管浸水时，温度沿导爆管的分布是影响进水量的决定性因素，当浸水温度高于其它部分温度时，导爆管内腔会发生水汽的迁移和局部凝结，引起其吸水量大幅上升，且产生拒爆。应该指出，该试验的结果是在低温范围内(导爆管通常的工作温度)取得的，长时间的高温浸水，导爆管管壁材料和