柱形爆炸容器的特殊結(jié)構(gòu)

王定賢，劉振興，胡 昊，曹 鈞，李文杰

( 西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

爆炸容器是一種能將爆炸能量和爆炸有害產(chǎn)物封閉在一定區(qū)域內(nèi)的特殊壓力容器。該種容器在爆轟研究、爆炸效應(yīng)、爆炸加工及安全排爆等方面應(yīng)用廣泛。世界上第1 臺(tái)爆炸容器于1945 年誕生于美國(guó)的LANA 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，該容器內(nèi)徑3 m，長(zhǎng)6 m，壁厚0.355 6 m，總重214 t。俄羅斯曾設(shè)計(jì)加工了一個(gè)內(nèi)徑12 m、壁厚0.1 m、重達(dá)350 t 的球形爆炸容器［1-2］。目前，許多國(guó)家的爆炸和爆轟實(shí)驗(yàn)室都裝備了不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸、不同用途、不同材料的爆炸容器。我國(guó)西北核技術(shù)研究所、中國(guó)工程物理研究院、國(guó)防科技大學(xué)、北京理工大學(xué)等多家單位也已設(shè)計(jì)建造了多種規(guī)格的爆炸容器。對(duì)于爆炸容器的設(shè)計(jì)，盡管W E Baker 和A F demchuk 等進(jìn)行了大量的、具有開(kāi)創(chuàng)性的理論研究工作［3-4］，但至今仍沒(méi)有形成1 個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)建造規(guī)范。

由于柱形爆炸容器具有良好的力學(xué)性能，可獲得較好的通道開(kāi)口尺寸，而且加工性能優(yōu)良，造價(jià)相對(duì)低廉，因此，該類(lèi)容器已經(jīng)成為爆炸實(shí)驗(yàn)和爆轟研究等方面的常用設(shè)備。當(dāng)前，為適應(yīng)科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)需求，這類(lèi)容器的用途日益廣泛，應(yīng)用功能差別也較大。如果依靠普通結(jié)構(gòu)的爆炸容器，即由法蘭+筒體+封頭組成的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)容器，將難以完成新的、較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。例如，對(duì)于大當(dāng)量爆炸容器，如果僅用單層鋼結(jié)構(gòu)承受爆炸載荷，容器用鋼量將達(dá)上百?lài)?，這使得容器加工難度增加，制造費(fèi)用提高。所以，在設(shè)計(jì)建造柱形爆炸容器時(shí)，有必要采用特殊結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)多樣化的科研需求。鑒于以上考慮，根據(jù)筆者多年來(lái)在這方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，做一歸納總結(jié)，以期為相關(guān)領(lǐng)域爆炸容器的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 雙層結(jié)構(gòu)

對(duì)力學(xué)安全和密封防泄漏要求較高的柱形爆炸容器，或者實(shí)驗(yàn)當(dāng)量較大的爆炸容器，可設(shè)計(jì)采用雙層鋼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 雙層結(jié)構(gòu)爆炸容器

分析認(rèn)為，該結(jié)構(gòu)的內(nèi)層鋼承受主要的爆炸荷載和碎片侵徹，且允許材料發(fā)生塑性變形甚至破裂。通過(guò)材料變形，可較好地吸收爆炸能量; 而外層鋼結(jié)構(gòu)的受力處于彈性范圍，具有對(duì)有毒有害氣體長(zhǎng)期密封之功能。爆炸容器采用這種雙層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，既可減少容器用鋼量，方便建造，又能實(shí)現(xiàn)力學(xué)安全和長(zhǎng)久密封。資料表明，對(duì)由直徑和爆炸當(dāng)量確定的容器，按塑性應(yīng)變10%設(shè)計(jì)，其用鋼量約只有按材料彈性極限設(shè)計(jì)時(shí)的1/10［5］。隨著技術(shù)的發(fā)展，在雙層爆炸容器的基礎(chǔ)上，現(xiàn)已出現(xiàn)了離散多層爆炸容器結(jié)構(gòu)［6］。

2 變徑結(jié)構(gòu)

因測(cè)試需要，要在容器內(nèi)部放置儀器設(shè)備。但容器的徑向空間有限，為此可通過(guò)增加筒體長(zhǎng)度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的放置。因離爆心較遠(yuǎn)的筒體部位所承受的爆炸載荷比爆心截面部位小，且沖擊載荷將隨比例半徑的增大而明顯減小，故對(duì)筒體的加長(zhǎng)部分可適當(dāng)減小其直徑，以便降低筒體加工難度，減小用鋼量，這就是柱形爆炸容器的變徑結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 變徑結(jié)構(gòu)

3 復(fù)合結(jié)構(gòu)

復(fù)合結(jié)構(gòu)爆炸容器具有良好的抗爆性能。該結(jié)構(gòu)一般由3 層組成，由內(nèi)到外依次為鋼容器、混凝土和原巖，如圖3所示。

圖3 復(fù)合結(jié)構(gòu)容器

由文獻(xiàn)［7］可知，要提高單層容器的承載能力，只有增加容器壁厚。但增加壁厚不是提高承載能力的有效措施，因?yàn)?①?gòu)膽?yīng)力狀態(tài)分析，單層壓力容器在壁厚方向上彈性應(yīng)力分布不均勻，且壁厚越大，不均勻性越嚴(yán)重，因此，較厚的容器壁不利于材料抗力性能的充分發(fā)揮;②容器厚度增加也會(huì)給加工、吊裝、焊接、運(yùn)輸帶來(lái)諸多不變。設(shè)想，如果在容器和大地介質(zhì)( 或圍巖) 之間澆注一定厚度的混凝土，則能改變應(yīng)力分布的不均勻性。此時(shí)，容器僅承受小部分爆炸能量，而混凝土和圍巖因具有較高抗壓性能，可在三維動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下明顯提高容器的抗力作用?？梢?jiàn)，在復(fù)合結(jié)構(gòu)中鋼容器和混凝土將發(fā)揮各自材料優(yōu)勢(shì)，使得整體結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特抗爆性能。

鑒于普通混凝土存在脆性大、抗拉強(qiáng)度低和抗沖擊性能差等問(wèn)題，可嘗試使用鋼纖維混凝土或聚丙稀纖維混凝土［8］。因?yàn)閬y向分布的纖維可阻礙混凝土內(nèi)部的微裂紋擴(kuò)展和阻滯宏觀裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展，能顯著提高混凝土的抗拉、抗彎、抗剪切和抗扭強(qiáng)度。

4 組合結(jié)構(gòu)

所謂組合結(jié)構(gòu)，就是以容器的中間筒體為主體，在筒體1端或2 端設(shè)置平板法蘭或橢球封頭，而法蘭或封頭與筒體之間通過(guò)螺栓連接，方便拆卸，組配靈活。至于2 端選擇采用何種結(jié)構(gòu)，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求確定。如文獻(xiàn)［9］中所設(shè)計(jì)柱形爆炸容器所采用的就是1 種組合結(jié)構(gòu)。

5 加強(qiáng)或削波吸能結(jié)構(gòu)

在容器外側(cè)安裝加強(qiáng)層是為了進(jìn)一步增強(qiáng)容器筒體的抗爆性能，而在容器內(nèi)部設(shè)置削波裝置主要是為了阻滯爆炸產(chǎn)物對(duì)容器內(nèi)壁的侵徹破壞。一般來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)主要有3 種。

1) 外側(cè)設(shè)置鋼加強(qiáng)圈。為提高容器筒體的抗力性能，可在爆心截面部位的外側(cè)安裝一定寬度和厚度的加強(qiáng)圈，如圖4 所示。根據(jù)抗力設(shè)計(jì)需要，加強(qiáng)圈可設(shè)置2 ～3 層，每層之間預(yù)留一定間隙。加強(qiáng)圈材料可選合金鋼，也可選玻璃纖維等。

圖4 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

2) 內(nèi)部安裝吸能層。因鋼材料具有良好的塑性和韌性，可作為吸能層使用。如果允許材料發(fā)生較大塑性變形甚至撕裂，則吸能層就能消耗較多的爆炸能量，從而減小筒體的破壞危險(xiǎn)，這也有利于容器的整體密封防泄漏。吸能層可設(shè)置為單層，也可設(shè)置為多層，每層之間預(yù)留間隙，如圖5所示。

圖5 吸能層結(jié)構(gòu)

多胞材料能利用其內(nèi)部阻尼吸收爆炸能量，可做吸能層使用。常見(jiàn)的多胞材料主要有蜂窩材料、泡沫材料、金屬泡沫材料、木材等。實(shí)驗(yàn)證明，與填充大氣情形比較，加入泡沫材料可使材料變形減小到原來(lái)的1/5 ～1/7。硬質(zhì)聚氨酯泡沫是1 種比重小、造價(jià)低、成型容易的多孔介質(zhì)，具有良好的吸收動(dòng)能特性，是吸能的理想工程材料。此外，將多胞材料和鋼材料組合起來(lái)形成復(fù)合吸能層( 如圖6 所示) ，其抗爆性能和抗侵徹破壞水平會(huì)顯著提高。

圖6 鋼木復(fù)合結(jié)構(gòu)防護(hù)層

3) 設(shè)置沙擋墻、鋼絲網(wǎng)或防護(hù)罩。為保護(hù)容器法蘭或內(nèi)部測(cè)試裝置不受破壞，需在容器爆心兩側(cè)設(shè)置沙包擋墻、安裝鋼絲網(wǎng)或鋼保護(hù)罩。

6 法蘭密封結(jié)構(gòu)

為延緩或阻滯有害氣體泄漏，密封材料可選用彈塑性好的橡膠圈以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)密封。密封方式可設(shè)計(jì)為端面密封和柱面密封( 一般用2 道密封圈) ，端面密封槽設(shè)計(jì)為雙面對(duì)稱(chēng)V 型或II 型鋸齒結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。

圖7 2 種密封結(jié)構(gòu)

7 結(jié)束語(yǔ)

柱形爆炸容器特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用，對(duì)改善或增強(qiáng)容器整體受力狀況，提高其密封防泄漏水平具有特殊意義。同時(shí)，也能滿(mǎn)足減小制造成本、降低加工難度、方便運(yùn)輸?shù)纫?。這些結(jié)構(gòu)( 或方式) 的選擇要根據(jù)容器用途、實(shí)驗(yàn)當(dāng)量、力學(xué)要求、空間大小、工程造價(jià)等因素給予綜合考慮，然后通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，方可在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中投入使用并取得良好效果?？傊ㄈ萜鞯奶厥饨Y(jié)構(gòu)將在爆炸作業(yè)或爆轟研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

［1］朱文輝.圓柱形爆炸容器動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度的理論和實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，1994.

［2］朱文輝，薛鴻陸.爆炸容器動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展評(píng)書(shū)［J］.力學(xué)進(jìn)展評(píng)述，1996(2):68-92.

［3］Baker W E，Allen F J. The response of elastic spherical shells to symmetric internal blast loading［J］.Proceedings of the Third U. S. National Congress of Applied Mechanics，1958:79-87.

［4］Baker W E. The elastic-plastic response of thin spherical shells to internal blast loading［J］. ASME Journal of Applied Mechanics，1960，27(1):139-144.

［5］梁志剛，馬艷軍，秦學(xué)軍，等.小當(dāng)量雙層爆炸容器的研制［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010(4):525-528.

［6］鄭津洋.離散多層厚壁爆炸容器抗爆性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.爆炸與沖擊，2005(6):704-709.

［7］徐芝綸.彈性力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1996.

［8］胡金生，陳向欣.聚丙稀纖維增強(qiáng)混凝土動(dòng)態(tài)本構(gòu)試驗(yàn)研究［C］//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)防護(hù)工程分會(huì)第八次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2003.

［9］龍建華，胡八一.100g( TNT) 當(dāng)量真空密封爆炸容器的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械，2006(2):27-31.

［10］王定賢，胡昊，王萬(wàn)鵬，等.動(dòng)力系數(shù)法在爆炸容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2011(4):24-26.

［11］王定賢，王萬(wàn)鵬，胡昊，等.一種用于內(nèi)部沖擊波載荷測(cè)試的爆炸容器設(shè)計(jì)［J］. 四川兵工學(xué)報(bào)，2011(8): 56-58.