氣密封高壓試驗爆炸模擬分析

周兆明，萬 夫

(川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川廣漢 618300)

高壓氣密封試驗系統(tǒng)可提高井口及井控裝置的可靠性，減少和避免井噴失控著火事故的發(fā)生。該系統(tǒng)能對采(油)氣井口、節(jié)流壓井管匯、防噴器、套管頭、平板閥等進行氣密封試驗，促進國產(chǎn)井口裝備質(zhì)量的提高［1］。氣密封試驗結(jié)果可為生產(chǎn)廠、用戶提供設(shè)計、生產(chǎn)、裝備及使用方面的質(zhì)量改進信息。本文對閥門氣密封試驗時意外發(fā)生爆炸的情況進行模擬分析。閥門容腔破裂時會以極高速度釋放內(nèi)在能量(即爆炸能量)，一小部分使容器所裂物以較高速度向四周拋出，撞擊周圍的設(shè)備或建筑物，造成人身傷亡;更大部分能量則產(chǎn)生沖擊波，造成大面積的強烈振動與破壞［2］。本文分析了爆炸沖擊波對氣密封試驗防護結(jié)構(gòu)的影響，對密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的沖擊波撞擊四周防護結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬，并基于有限元程序ANSYS/LS-DYNA對爆炸進行模擬試驗，在確定合適的模型及參數(shù)后對其進行爆炸作用下的應(yīng)力狀態(tài)分析。研究結(jié)果不僅可為高壓試驗爆炸危害的安全評估提供計算方法，而且可為試驗倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇提供理論依據(jù)。

1 物理過程分析

氣密封高壓試驗中試件爆炸是個復(fù)雜的物理過程，爆破能量在向外釋放時以沖擊能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來。大部分能量產(chǎn)生空氣沖擊波。沖擊波除能直接傷人外，還可以摧毀廠房等建筑物，產(chǎn)生更大的破壞作用。沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的。爆炸時氣體體積急劇膨脹，產(chǎn)生巨大的二次壓力，超壓與二次壓力形成合力沖擊本體，造成碎片亂飛的狀況。高壓氣密封試驗導(dǎo)致的爆炸屬于物理爆炸。物理爆炸就是物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)(溫度、壓力、體積)迅速發(fā)生變化，在瞬間放出大量的能量并對外做功的現(xiàn)象［3］。物理爆炸的特點:在爆炸現(xiàn)象發(fā)生過程中，造成爆炸發(fā)生的介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不變，發(fā)生變化的僅是介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。物理爆炸如高壓容器破裂時，氣體膨脹所釋放的能量不僅與氣體壓力和容器的容積有關(guān)，而且與介質(zhì)在容器內(nèi)的物性相態(tài)有關(guān)。對這個復(fù)雜物理過程進行模擬時只能對其中幾個物理過程進行相似化處理。

氣體膨脹可換算為等量的炸藥爆炸，用等效的TNT炸藥代替氣體爆炸。下面根據(jù)氣密封試驗的尺寸做如下假定:氣密封高壓試壓試件的容積為0.027 m3，最高試壓壓力為140 MPa。高壓容器試件做氣密封試驗所用的氣體介質(zhì)為空氣，以氣態(tài)存在容器中。因此，當其發(fā)生爆炸時，釋放的爆破能量為［4－5］

式中:Eg為氣體的爆破能量(kJ);P為容器內(nèi)氣體的絕對壓力(MPa);V為容器的容積(m3);k為氣體的絕熱指數(shù)，空氣的k值為1.4。

根據(jù) V=0.027 m3，p=140 MPa計算得出氣體爆破能量為

爆破能量換算成當量ETNT。1 kg TNT爆炸所釋放的能量為4 500 kJ/kg，Q=Eg/ETNT=1.834 kg。

2 氣體爆炸模型建立

氣密封試驗爆炸時空氣沖擊波產(chǎn)生的能量擴散物理模型如圖1所示。氣體爆破能量等效為TNT炸藥爆炸的能量釋放。根據(jù)氣密封試驗計算模型的對稱性，取1/4結(jié)構(gòu)建立三維模型進行計算。計算模型見圖1。藍色為覆蓋試件的水，淹沒試件1.5 m深，水的上表面假設(shè)覆蓋為鋼板，作為預(yù)防爆炸的安全防護，紅色立方體為簡化的氣密封高壓試件的等效體積，為0.027 m3。

采用ANSYS/LS_DYNA動力有限元軟件對等效TNT炸藥在空氣中爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波對四周鋼板的沖擊作用進行數(shù)值模擬計算。對炸藥及其他流體材料采用Euler算法，對其他的結(jié)構(gòu)采用Lagrange算法，然后通過流固耦合的方式來處理相互作用。JWL狀態(tài)方程能精確描述凝聚炸藥的圓桶試驗過程，且具有明確的物理意義，因而在彈藥設(shè)計和爆炸數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用。本文對爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程，而對于空氣則近似采用理想氣體狀態(tài)方程。采用*MAT_HIGH EXPLOSIVE BURN來定義炸藥材料，用JWL狀態(tài)方程來描述壓力與體積應(yīng)變之間的關(guān)系［6］，其關(guān)系為

其中:A、B、R1、R2、ω 為狀態(tài)方程參數(shù);p 為壓力;V為相對體積;E0為初始比內(nèi)能。研究TNT的爆炸場時［7］，A=3.737 7，B=0.037 47，C=0.007 36，R1=4.15，R2=0.9，ω =0.9。

空氣與水采用*MAT_NULL材料模型［8］。在對流體材料處理的過程中，需要同時使用兩種方式來描述材料，用本構(gòu)模型和狀態(tài)方程來同時描述一種材料的特性。用本構(gòu)模型描述 Δσij'和Δεij'的關(guān)系;用狀態(tài)方程EOS描述ΔP和Δν/v的關(guān)系，即體積變形和壓力之間的關(guān)系。

鋼板的材料模型采用* MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型和EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程。

圖1 爆炸沖擊有限元模型

3 爆炸沖擊結(jié)果分析

采用顯式動力學(xué)方法進行計算。對K文件的關(guān)鍵字進行修改，加入炸藥TNT的計算方程，采用歐拉多物質(zhì)耦合算法進行計算。圖2與圖3為爆炸后沖擊波的分布情況，計算單位為cm-g-μs。圖2、3中采用的壓強單位為1.0×105MPa。隨著爆炸的進行爆壓在液體中逐漸衰減，爆炸持續(xù)到138 μs時最大壓力為773 MPa，到179 μs時壓力達到573 MPa。爆炸產(chǎn)生的瞬間沖擊波在水中瞬間擴散，沖擊到覆蓋上面的鋼板。從圖中也可以看出沖擊波在水中四周擴散的形態(tài)，最大能量集中在沖擊波的前端。

圖2 爆炸138 μs時壓力分布

圖3 爆炸179 μs時壓力分布

圖4～6給出了鋼板受爆炸沖擊后的等效應(yīng)力分布情況，計算單位為cm-g-μs，采用的壓強單位為1.0×105MPa。從圖4～6可以看出爆炸產(chǎn)生的沖擊波使鋼板的應(yīng)力波隨時間擴散的形態(tài)，以及逐漸擴散到整個鋼板時的受力。爆炸持續(xù)到118 μs時鋼板的最大等效應(yīng)力為317 MPa，爆炸持續(xù)到138 μs時鋼板的最大等效應(yīng)力為290 MPa，到179μs時最大等效應(yīng)力為265 MPa。根據(jù)鋼板最大屈服強度，在受爆炸沖擊后鋼板未發(fā)生屈服變形。

圖4 爆炸118 μs時鋼板的等效應(yīng)力

圖5 爆炸138 μs時時鋼板的等效應(yīng)力

圖6 爆炸179 μs時時鋼板的等效應(yīng)力

在覆蓋鋼板中心點取一個單元，圖7是該單元在沖擊波影響下等效應(yīng)力隨時間變化的曲線。該單元受到的最大等效應(yīng)力為480 MPa，隨著爆炸的衰減等效應(yīng)力逐漸減小。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，鋼板中心的等效應(yīng)力強度最大，鋼板其他部位的等效應(yīng)力強度相對較小。在沖擊波載荷的作用下，材料的屈服強度將比靜態(tài)時提高約1倍，鋼材的動態(tài)屈服強度 σs≥490 MPa。由圖7可見:鋼板底端的等效應(yīng)力強度小于鋼材的動態(tài)屈服強度，氣密封試驗的防護鋼板在空氣沖擊波的沖擊作用下未產(chǎn)生屈服。

圖7 鋼板129500單元的等效應(yīng)力隨時間的變化曲線

4 結(jié)論

1)采用流固耦合算法模擬爆炸能很好地模擬爆破、沖擊的物理過程，再現(xiàn)高速沖擊的全過程。

2)采用等效TNT藥量爆炸替代高壓容器氣體爆炸，可對高壓容器爆進行數(shù)值模擬計算。高壓爆破通過物理過程高壓沖擊波的擴散進行數(shù)值模擬，此過程對鋼板產(chǎn)生的最大沖擊等效應(yīng)力為480 MPa。

3)可按照鋼板承受沖擊產(chǎn)生480 MPa等效應(yīng)力來計算防護鋼板的厚度。高壓試驗時建議加深水池中水的深度以減緩爆炸及碎片的破壞力。

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