防爆產(chǎn)品防爆技術(shù)及其防爆能力判定技術(shù)研究

■ 文/公安部檢測(cè)中心 張志江

關(guān)鍵字：防爆產(chǎn)品 防爆能力 距離試驗(yàn)

1 引言

21世紀(jì)以來，由于世界各國(guó)的恐怖活動(dòng)日趨猖獗，裝飾華麗、造價(jià)高昂的城市高層玻璃幕墻的公共建筑往往成為恐怖分子襲擊的對(duì)象。美國(guó)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(guó)造成了不可估量的損失；犯罪分子攜炸藥威脅搶劫銀行營(yíng)業(yè)場(chǎng)所的案件不斷增多；越來越多的高級(jí)轎車對(duì)防彈防爆產(chǎn)品需求的增多；一些高檔住宅對(duì)裝防爆炸產(chǎn)品的需求也在日益增加等等。因此，用于特殊場(chǎng)所的防爆炸產(chǎn)品是時(shí)代賦予的產(chǎn)物。目前應(yīng)用在社會(huì)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）、防爆送餐車和排爆服等。近年來，隨著防爆理論和技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型的防爆產(chǎn)品不斷地涌現(xiàn)，防爆能力不斷地提高。防爆理論技術(shù)是防爆產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，防爆能力判定技術(shù)是防爆產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)范的必然要求，這些都是防爆產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)研究工作，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

2 防爆理論技術(shù)

2.1 爆炸毀傷載荷

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。一般將爆炸現(xiàn)象分兩個(gè)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(dòng)。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(shí)的條件，以及爆炸位置等因素有關(guān)。爆炸對(duì)建筑物的破壞是各種破壞力的綜合作用。

2.1.1 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。

2.1.2 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(diǎn)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(shí)，會(huì)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。

2.1.3 高溫

爆炸溫度約在2000℃-3000℃，高溫會(huì)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(diǎn)燃，使周圍的可燃物全部起火，加重爆炸的破壞作用。

2.1.4 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(huì)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。

2.2 爆炸沖擊波破壞原理分析

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(shí)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(yùn)動(dòng)速度大于爆炸產(chǎn)物—空氣界面的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)，壓力波和稀疏波與爆炸產(chǎn)物分離，獨(dú)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+為正壓時(shí)，t-為負(fù)壓時(shí)，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?yàn)椴ǖ念^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(shí)間內(nèi)會(huì)下降到比大氣壓強(qiáng)還低，因此經(jīng)過時(shí)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(shí)

爆炸沖擊波在傳播過程中遇到建筑物時(shí)，一般會(huì)發(fā)生反射和繞流。當(dāng)沖擊波遇到建筑幕墻剛性壁面時(shí)，質(zhì)點(diǎn)速度立刻變?yōu)榱悖诿嫣庂|(zhì)點(diǎn)不斷聚集，使壓力和密度增加，反射的壓力和脈沖將會(huì)對(duì)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(shí)破碎的玻璃還會(huì)對(duì)建筑物內(nèi)的人員造成生命危險(xiǎn)。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(huì)繞過建筑物，在建筑物的背面匯聚，從而對(duì)建筑物的里面造成破壞。一般爆炸沖擊波對(duì)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(dòng)壓3個(gè)因素，其中峰值超壓是衡量沖擊波最重要的參數(shù)。

3 防爆炸沖擊波的評(píng)價(jià)方法

3.1 理論評(píng)價(jià)方法

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(duì)象(或防護(hù)設(shè)施)不產(chǎn)生某種程度(某一等級(jí))的損傷，超壓必須不高于某一臨界值，并且對(duì)被防護(hù)對(duì)象(或防護(hù)設(shè)施)持續(xù)作用的時(shí)間不大于某一臨界值，只有具有這種條件的沖擊波才能夠不對(duì)被防護(hù)對(duì)象(或防護(hù)設(shè)施)產(chǎn)生給定的毀傷效果；或者說，爆炸沖擊波能夠不在某一臨界時(shí)間內(nèi)達(dá)到或超出某一最大臨界比沖量，如果在臨界時(shí)間內(nèi)沒有超出這個(gè)臨界比沖量，被防護(hù)對(duì)象(或防護(hù)設(shè)施)就不會(huì)產(chǎn)生某種程度的破壞。這實(shí)際上包含著一個(gè)最大超壓值，只要不超出這個(gè)超壓值，沖擊波比沖量就不能在臨界時(shí)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(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)保持一定的壓力作用決定著爆炸沖擊波是否對(duì)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(jí)至毫秒級(jí)時(shí)間的強(qiáng)間斷壓力波。它既具有一定的幅值大小，又具有時(shí)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(shí)，忽略了任何一個(gè)，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(píng)價(jià)準(zhǔn)確和適用廣泛的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)“超壓-沖量”準(zhǔn)則及其等毀傷/防護(hù)曲線，建立一種基于靶板防護(hù)效應(yīng)的爆炸沖擊波防護(hù)效應(yīng)評(píng)價(jià)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(diǎn)，即為該爆炸裝置產(chǎn)生最低毀傷狀態(tài)時(shí)的臨界炸距RH。只要炸距大于這個(gè)臨界值，就對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生相應(yīng)程度的毀傷，小于這個(gè)臨界值，就不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)程度的毀傷；藥量-炸距曲線與某一等級(jí)下被防護(hù)對(duì)象的等防護(hù)曲線的交點(diǎn)RS，即為被防護(hù)對(duì)象某一防護(hù)等級(jí)下的安全距離；藥量-炸距曲線與某一等級(jí)下防護(hù)設(shè)施的等防護(hù)曲線的交點(diǎn)RF，即為防護(hù)設(shè)施某一防護(hù)等級(jí)下的防護(hù)距離。

圖2 爆炸沖擊波防護(hù)效應(yīng)的評(píng)價(jià)方法

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)價(jià)方法

3.2.1 沖擊波試驗(yàn)的方法

沖擊波試驗(yàn)一般有兩種方法：一是距離試驗(yàn)——試驗(yàn)組件對(duì)已知特性的一定量炸藥的沖擊承受能力；二是激波管試驗(yàn)——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。

但在實(shí)際工程上，在尺寸上符合試驗(yàn)要求的幕墻試驗(yàn)件激波管很難買到或者建造起來價(jià)格昂貴，除非在諸如美國(guó)的較大軍事設(shè)施中，否則激波管試驗(yàn)用于高層建筑大體量的玻璃幕墻沖擊波試驗(yàn)往往不太可能。因此，一般選用距離試驗(yàn)來驗(yàn)證玻璃幕墻的性能。

3.2.2 距離試驗(yàn)

在進(jìn)行距離試驗(yàn)前，一定要做好準(zhǔn)備工作，包括選擇合適的試驗(yàn)場(chǎng)地，準(zhǔn)備足尺寸標(biāo)準(zhǔn)玻璃幕墻試驗(yàn)樣本，購(gòu)置相關(guān)的試驗(yàn)器材和搭建試驗(yàn)臺(tái)等。

距離試驗(yàn)需要的試驗(yàn)器材有：

（1）壓力傳感器，測(cè)量玻璃幕墻在沖擊波作用時(shí)的峰值壓力和反射脈沖；

（2）樣本支撐箱體，可以將試驗(yàn)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(dòng)高速照相機(jī)，用于對(duì)試驗(yàn)的情況及時(shí)記錄，特別是對(duì)玻璃幕墻樣本的破壞過程和程度的記錄；

（4）必要的測(cè)量設(shè)備，包括：溫度計(jì)、壓力表、卷尺和高精度計(jì)時(shí)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(yàn)的不同等級(jí)。另外，還需要有聚乙烯泡沫材料制成的炸藥支撐墊，用來調(diào)節(jié)炸藥相對(duì)地面的高度和減少炸藥爆炸時(shí)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(duì)樣品產(chǎn)生破壞。

準(zhǔn)備好所有的必要試驗(yàn)條件后，可以搭建成如下圖3所示的試驗(yàn)臺(tái)來進(jìn)行沖擊波試驗(yàn)。試驗(yàn)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4邊距離支撐構(gòu)件的4邊也應(yīng)大于200mm。傳感器根據(jù)測(cè)量壓力和反射脈沖點(diǎn)的不同分別安裝在相應(yīng)位置上，并保證測(cè)試的玻璃樣本平面與炸藥中心和樣本中心的連線垂直。在沖擊波試驗(yàn)進(jìn)行的整個(gè)過程中，還應(yīng)該滿足以下要求：

（1）被測(cè)試的原型組件應(yīng)該在所有方面與項(xiàng)目建議書所述相同，包括玻璃材料、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(yàn)原型組件，以防背面沖擊波壓力造成的錯(cuò)誤結(jié)果；

圖3 沖擊波距離試驗(yàn)

（3）應(yīng)選擇試驗(yàn)炸藥重量和離開距離，以得到可能接近的沖擊波參數(shù)。需要有適當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的沖擊波顧問提出炸藥重量和試驗(yàn)距離，以保證正確產(chǎn)生對(duì)試驗(yàn)組件的作用力；

（4）由于預(yù)先不能確定試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)多準(zhǔn)備幾個(gè)原型組件帶到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

試驗(yàn)前，應(yīng)預(yù)計(jì)可能的失敗情況，并準(zhǔn)備具有不同構(gòu)造的備用原型組件。進(jìn)行距離試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作很費(fèi)時(shí)，需要周密計(jì)劃，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)真分析，對(duì)結(jié)果做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，爆炸現(xiàn)象是以沖擊波載荷為主、伴隨高溫高壓氣流、破片對(duì)目標(biāo)造成的破壞，民用板材結(jié)構(gòu)產(chǎn)品防爆主要是指防爆炸沖擊波作用。在詳細(xì)介紹“超壓-沖量”破壞準(zhǔn)則理論的基礎(chǔ)上，本文研究分析了開展板材產(chǎn)品防爆評(píng)價(jià)的技術(shù)途徑，一維激波管是最理想的試驗(yàn)手段，但是板材產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸一般較大，建立這樣一套試驗(yàn)系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)的，于是考慮了非接觸爆炸試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法，即上文提到的距離試驗(yàn)，通過規(guī)范開展距離試驗(yàn)的各步驟方法，基本形成了開展試驗(yàn)評(píng)價(jià)的框架結(jié)構(gòu)。