爆炸沖擊波防護(hù)產(chǎn)品評價方法研究

■文/公安部檢測中心 張志江北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室 黃廣炎北京匯福萬佳門窗有限公司 王海濤

爆炸沖擊波防護(hù)產(chǎn)品評價方法研究

■文/公安部檢測中心 張志江
北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室 黃廣炎
北京匯福萬佳門窗有限公司 王海濤

前言

21世紀(jì)以來，世界各國的恐怖活動日趨猖獗，帶有玻璃幕墻的城市高層公共建筑往往成為恐怖分子襲擊的對象，美國的911事件就是典型的代表，作為紐約標(biāo)志性建筑的世界貿(mào)易大廈在遭到爆炸襲擊后瞬間坍塌，給美國造成了不可估量的損失；犯罪分子攜炸藥威脅搶劫銀行營業(yè)場所的案件不斷增多；高級轎車對防彈防爆需求的增多；高檔住宅對防爆炸的需求也在日益增加。因此，用于特殊場所的防爆炸產(chǎn)品是時代的需要。目前應(yīng)用在社會安全領(lǐng)域的防爆產(chǎn)品主要有：防爆炸復(fù)合玻璃、防爆毯、防爆罐（球）、防爆送餐車、排爆機(jī)器人和搜（排）爆服等。近年來，隨著爆炸防護(hù)理論和技術(shù)發(fā)展，各種新型防爆產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，防爆能力不斷地提高。防爆技術(shù)是防爆產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)，其中爆炸沖擊波防護(hù)能力評價方法研究是規(guī)范防爆產(chǎn)品質(zhì)量的核心之一。

一、爆炸沖擊波防護(hù)理論研究

（一）認(rèn)識爆炸毀傷源

爆炸是物質(zhì)發(fā)生急劇的物理化學(xué)變化，瞬間進(jìn)行能量釋放的過程。爆炸時物系壓力急劇增高。一般將爆炸現(xiàn)象分兩個階段：一是某種形式的能量以一定的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)的壓縮能；二是物質(zhì)由壓縮狀態(tài)膨脹做機(jī)械功，進(jìn)而引起附近介質(zhì)的變形破壞和移動。爆炸常伴隨發(fā)熱、發(fā)光、壓力上升、真空和電離等現(xiàn)象，具有很大的破壞作用。破壞效應(yīng)與爆炸物的數(shù)量和性質(zhì)、爆炸時的條件，以及爆炸位置等因素有關(guān)。爆炸對建筑物的破壞是各種破壞力的綜合作用。

1、爆炸壓力

爆炸壓力是爆炸產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)，是爆炸事故造成殺傷、破壞的主要因素。

2、沖擊波

爆炸瞬間爆轟產(chǎn)物壓縮空氣產(chǎn)生空氣沖擊波，沖擊波從爆炸點以超音速的球面波形式擴(kuò)散，隨著強(qiáng)度的降低，傳播速度也逐漸下降。當(dāng)沖擊波作用到人或物體上時，會產(chǎn)生巨大的殺傷力和破壞力，超壓值愈大，其殺傷力和破壞力愈大。

3、高溫

爆炸溫度約在2000℃-3000℃，高溫會把從破壞設(shè)備內(nèi)部不斷流出的可燃?xì)怏w或易燃、可燃蒸氣點燃，使周圍的可燃物全部起火，加重爆炸的破壞作用。

4、爆炸碎片的沖擊

建筑構(gòu)件和機(jī)械設(shè)備等破壞以后，變成碎片飛出，會在相當(dāng)大的范圍內(nèi)造成危害。碎片飛散的距離通常在100m-500m之間，碎片愈薄，飛散速度愈大，危害也愈嚴(yán)重。

（二）爆炸沖擊波破壞理論

爆炸裝置相當(dāng)于內(nèi)壓等于爆轟壓力的容器，當(dāng)內(nèi)壓超過殼體的屈服強(qiáng)度，殼體產(chǎn)生拉伸或剪切破壞， 便發(fā)生爆炸破壞。炸藥內(nèi)的絕大部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高溫氣體，急劇膨脹并壓縮周圍的氣體產(chǎn)生沖擊波。炸藥爆轟波到達(dá)炸藥和空氣界面瞬時在空氣中形成強(qiáng)沖擊波，稱為初始沖擊波。初始沖擊波陣面和爆炸產(chǎn)物—空氣界面相重合，其參數(shù)由炸藥和介質(zhì)性質(zhì)決定。初始沖擊波為強(qiáng)間斷，其運動速度大于爆炸產(chǎn)物—空氣界面的運動速度，造成壓力波陣面與爆炸產(chǎn)物—空氣界面的分離。不考慮衰減情況下，初始沖擊波構(gòu)成整個壓力波的波頭，其壓力最高，壓力波尾部壓強(qiáng)最低，與爆炸產(chǎn)物—空氣界面的壓力相連續(xù)。爆炸產(chǎn)物第一次過度膨脹后，由于爆炸產(chǎn)物的壓力低于周圍空氣的壓力，立即在壓力波的尾部形成稀疏波，并開始第1次反向壓縮。此時，壓力波和稀疏波與爆炸產(chǎn)物分離，獨立地向前傳播?？諝鉀_擊波是以球面波的形式向前傳播，在傳播過程中其壓力變化情況如圖1所示，其中：P0為大氣壓強(qiáng)，t+為正壓持時，t-為負(fù)壓持時，P+為正壓區(qū)，P-為負(fù)壓區(qū)。隨著傳播距離的增大，單位面積的能量減小，沖擊波的壓力和傳播速度也迅速下降，其正壓區(qū)也因為波的頭部與尾部的速度差而被拉寬，由于存在稀疏波導(dǎo)致沖擊波的壓強(qiáng)在一定時間內(nèi)會下降到比大氣壓強(qiáng)還低，因此經(jīng)過時間t+后沖擊波將進(jìn)入負(fù)壓區(qū)，隨后慢慢衰減成音波，壓力也恢復(fù)到正常的大氣壓力。

圖1 沖擊波壓力歷時

爆炸沖擊波在傳播過程中遇到建筑物時，一般會發(fā)生反射和繞流。當(dāng)沖擊波遇到建筑幕墻剛性壁面時，質(zhì)點速度立刻變?yōu)榱悖诿嫣庂|(zhì)點不斷聚集，使壓力和密度增加，反射的壓力和脈沖將會對建筑玻璃幕墻產(chǎn)生垂直力和水平力的作用，造成玻璃幕墻的位移、變形和破裂，嚴(yán)重時破碎的玻璃還會對建筑物內(nèi)的人員造成生命危險。繞流一般發(fā)生在建筑物高寬尺寸都不大的情況下，沖擊波將會繞過建筑物，在建筑物的背面匯聚，從而對建筑物的里面造成破壞。一般爆炸沖擊波對建筑幕墻的破壞取決于沖擊波的峰值超壓、超壓沖量及伴隨爆炸產(chǎn)生的動壓3個因素，其中峰值超壓是衡量沖擊波最重要的參數(shù)。

二、爆炸沖擊波防護(hù)的評價方法

（一）評價方法理論基礎(chǔ)

從防護(hù)角度講，“超壓一沖量”準(zhǔn)則認(rèn)為，在爆炸沖擊波作用下，要使給定被防護(hù)對象(或防護(hù)設(shè)施)不產(chǎn)生某種程度(某一等級)的損傷，超壓必須不高于某一臨界值，并且對被防護(hù)對象(或防護(hù)設(shè)施)持續(xù)作用的時間不大于某一臨界值，只有具有這種條件的沖擊波才不能夠?qū)Ρ环雷o(hù)對象(或防護(hù)設(shè)施)產(chǎn)生給定的毀傷效果；或者說，爆炸沖擊波不能夠在某一臨界時間內(nèi)達(dá)到或超出某一最大臨界比沖量，如果在臨界時間內(nèi)沒有超出這個臨界比沖量，被防護(hù)對象(或防護(hù)設(shè)施)就不會產(chǎn)生某種等級的破壞。這實際上包含著一個最大超壓值，只要不超出這個超壓值，沖擊波比沖量就不能在臨界時間內(nèi)達(dá)到或超出最大臨界比沖量。由此可知，爆炸沖擊波能否在一段時間內(nèi)對目標(biāo)保持一定的壓力作用決定著爆炸沖擊波是否對目標(biāo)具有一定的毀傷能力，相反也決定著在爆炸沖擊波作用下防護(hù)設(shè)施是否具有一定的防護(hù)能力。大多數(shù)常規(guī)炸藥產(chǎn)生的爆炸沖擊波是一種具有較高幅值且持續(xù)微秒級至毫秒級時間的強(qiáng)間斷壓力波。它既具有一定的幅值大小，又具有時間的意義。爆炸沖擊波中超壓和比沖量是相互影響，相互關(guān)聯(lián)的，如果在考慮問題時，忽略了任何一個，都不容易得到正確的結(jié)果。因此“超壓-沖量”準(zhǔn)則相比于超壓或沖量準(zhǔn)則更具有考慮全面、評價準(zhǔn)確和適用廣泛的優(yōu)點。

根據(jù)超壓-沖量準(zhǔn)則及其等毀傷/防護(hù)曲線，建立了一種基于靶板防護(hù)效應(yīng)的爆炸沖擊波防護(hù)效應(yīng)評價方法。將不同爆炸裝置的炸藥裝藥量與炸距R的關(guān)系曲線當(dāng)作疊合線和等毀傷/防護(hù)曲線結(jié)合到一張圖上來使用，如圖2所示。藥量-炸距曲線與最低毀傷狀態(tài)下的等毀傷曲線的交點，即為該爆炸裝置產(chǎn)生最低毀傷狀態(tài)時的臨界炸距RH。只要炸距大于這個臨界值，就對目標(biāo)產(chǎn)生相應(yīng)程度的毀傷，小于這個臨界值，就不會產(chǎn)生相應(yīng)程度的毀傷；藥量-炸距曲線與某一等級下被防護(hù)對象的等防護(hù)曲線的交點RS，即為被防護(hù)對象某一防護(hù)等級下的安全距離；藥量-炸距曲線與某一等級下防護(hù)設(shè)施的等防護(hù)曲線的交點RF，即為防護(hù)設(shè)施某一防護(hù)等級下的防護(hù)距離。

圖2 爆炸沖擊波防護(hù)效應(yīng)的評價方法

（二）評價方法試驗測試方案

下面以玻璃幕墻為例介紹沖擊波試驗測試方法。

1、沖擊波試驗測試方法

沖擊波試驗測試一般有2種方法，一種是距離試驗：試驗組件對已知特性的一定量炸藥的沖擊承受能力；另外一種是激波管試驗：通過在特意建造的小室內(nèi)瞬間釋放高壓氣流產(chǎn)生沖擊脈沖作用與試驗組件上。評價試驗組件的沖擊承受能力。

但在實際工程上幕墻試驗件在尺寸上符合試驗要求的激波管很難買到或者建造起來價格昂貴，除非可以利用到美國的那種較大軍事設(shè)施中，否則激波管試驗用于高層建筑大體量的玻璃幕墻沖擊波試驗往往不太可能。因此，建議選用距離試驗來驗證玻璃幕墻的性能。

2、距離試驗評價

在進(jìn)行距離試驗前，一定要做好準(zhǔn)備工作，包括選擇合適的試驗場地，準(zhǔn)備足尺寸標(biāo)準(zhǔn)玻璃幕墻試驗樣本，購置相關(guān)的試驗器材和搭建試驗臺等。距離試驗需要的試驗器材有：

（1）壓力傳感器，測量玻璃幕墻在沖擊波作用時的峰值壓力和反射脈沖；

（2）樣本支撐箱體，可以將試驗樣本按照要求固定在上面，它需要有足夠的剛度和抵抗變形的能力，并具有消除繞流影響的功能；

（3）可移動高速照相機(jī)，用于對試驗的情況及時記錄，特別是對玻璃幕墻樣本的破壞過程和程度的記錄；

（4）必要的測量設(shè)備，包括：溫度計、壓力表、卷尺和高精度計時表等；

（5）指定性能的炸藥，建議選球形的TNT炸藥，它可以根據(jù)炸藥的質(zhì)量和體積，方便地劃分試驗的不同等級。另外，還需要有炸藥懸空支架，用來調(diào)節(jié)炸藥相對地面的高度和減少炸藥爆炸時地面的影響；

（6）地面應(yīng)進(jìn)行硬化處理或鋪墊鋼板，避免碎屑等在沖擊波的作用下對樣品產(chǎn)生破壞。

準(zhǔn)備好所有的必要試驗條件后，可以搭建成如下圖3所示的試驗臺來進(jìn)行沖擊波試驗。試驗用的箱形樣本支撐構(gòu)件的厚度T應(yīng)大于800mm，并且玻璃幕墻樣本的四邊，距離支撐構(gòu)件的四邊也應(yīng)大于200mm。傳感器根據(jù)測量壓力和反射脈沖點的不同分別安裝在相應(yīng)位置上，并保證測試的玻璃樣本平面與炸藥中心和樣本中心的連線垂直。在進(jìn)行沖擊波試驗進(jìn)行的整個過程中，還應(yīng)該滿足以下幾點要求：

（1）被測試的試驗組件應(yīng)該在所有方面與待評價防護(hù)產(chǎn)品所述相同，包括玻璃結(jié)構(gòu)組成及原材料、在框架上的固定方式等；

（2）應(yīng)在封閉立方體的正面開口處試驗原型組件，以防背面沖擊波壓力造成的錯誤結(jié)果；

（3）應(yīng)精確計算試驗炸藥重量和離開距離，以得到可能接近的沖擊波參數(shù)，以保證對試驗組件的產(chǎn)生準(zhǔn)確的作用力；

（4）由于預(yù)先不能確定試驗結(jié)果，應(yīng)多準(zhǔn)備幾個試驗組件帶到試驗現(xiàn)場。

試驗前，應(yīng)預(yù)計可能的失敗情況，并準(zhǔn)備具有不同構(gòu)造的備用試驗組件。進(jìn)行距離試驗的準(zhǔn)備工作很費時，需要周密計劃，實驗結(jié)束后，需要對試驗數(shù)據(jù)認(rèn)真分析，對結(jié)果做出準(zhǔn)確的評價。

圖3 沖擊波距離試驗

三、距離試驗測試方法評價案例

（一）試驗內(nèi)容及方法

1、測試對象

圖4 泄爆門實物圖（左）和防爆門實物圖（右）

2、測試方法

炸藥柱通過繩索掛在架子上，距離防爆門幾何中心的垂直距離約為1米。

圖5 炸藥柱（左）和炸藥布置（右）

3、試驗布局

圖6 現(xiàn)場試驗布局：泄爆門（上）和防爆門（下）

現(xiàn)場試驗布局如圖6所示，一共進(jìn)行了兩發(fā)試驗：第一發(fā)試驗使用了500g的B炸藥，泄爆門固定在距離爆心2米的位置，3#傳感器粘在門側(cè)面上；第二發(fā)試驗使用了1000g的B炸藥，防爆門，固定在距離爆心2米的位置，3#傳感器固定在另一側(cè)的支架上。

4、測試試驗內(nèi)容

表1 測試內(nèi)容

5、測試系統(tǒng)

（1）高速攝影

高攝攝影使用約克V710彩色系列，設(shè)置拍攝幅度496×320，拍攝頻率10000fps，曝光時間10μs。

（2）壓力測試裝置

（二）試驗數(shù)據(jù)記錄

1、泄爆門高攝觀察結(jié)果

圖7 泄爆門高速攝影記錄圖像

2、防爆門高攝觀察結(jié)果

3、壓力測試數(shù)據(jù)

表2 試驗用傳感器參數(shù)

圖8 防爆門高攝記錄圖像

圖9 壓力測試記錄數(shù)據(jù)曲線：（上）500g炸藥泄爆門（下）1000g炸藥防爆門

（三）試驗情況說明

在500g炸藥泄爆門試驗中，距離爆心1.5m處CH2通道壓力曲線為非典型信號，認(rèn)為信號錯誤。CH3通道傳感器黏在泄爆門側(cè)壁上，因此在4ms左右出現(xiàn)震蕩的壁面應(yīng)力信號，空氣沖擊波壓力峰值，以前一個為主。

其他試驗結(jié)果滿足試驗要求，炸藥發(fā)生完全爆轟，測得的空氣沖擊波峰值大小、時刻滿足實際情況。

測得的空氣沖擊波峰值大小，峰值時間和理論計算結(jié)果如表3所示。

表3 壓力測試結(jié)果

四、小結(jié)

對爆炸沖擊波防護(hù)產(chǎn)品的評價，特別是對空氣沖擊波壓力測試，國內(nèi)目前還未形成標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法，本文在這方面進(jìn)行了初步探索研究，研究工作主要基于本中心承擔(dān)的國家研究課題《災(zāi)害現(xiàn)場防割刺防爆個體裝備系統(tǒng)研究及應(yīng)用示范》中的研究任務(wù)。下一步，將對不同爆炸沖擊波防護(hù)產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)化壓力測試研究，并形成爆炸災(zāi)害環(huán)境下的爆炸載荷數(shù)據(jù)庫。