1 kgTNT當(dāng)量爆炸容器抗爆設(shè)計(jì)計(jì)算與驗(yàn)證

李興珠,李 元,郭子如

(1.海軍士官學(xué)校,安徽 蚌埠 233010；2.安徽理工大學(xué),安徽 淮南 232001)

進(jìn)行爆炸試驗(yàn)時(shí),爆炸容器作為一種安全、高效的爆炸反應(yīng)限域裝置,可保護(hù)人員、裝備設(shè)施、建筑物的安全,在院校教學(xué)、科學(xué)試驗(yàn)、彈藥銷(xiāo)毀等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。目前,爆炸容器的設(shè)計(jì)比較成熟,有球形、橢球形、圓柱形等形狀,TNT當(dāng)量覆蓋了毫克級(jí)到千克級(jí)的范圍[1-6]。爆炸容器的設(shè)計(jì)思路基本遵循GB 150—2011《壓力容器》[7]的方法和要求,但是,針對(duì)不同的用途和具體的環(huán)境,不同類(lèi)型爆炸容器的設(shè)計(jì)和抗爆計(jì)算都有不同的考量。

以1 kgTNT當(dāng)量圓柱形爆炸容器為例,介紹其設(shè)計(jì)方法,并結(jié)合理論計(jì)算和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 爆炸容器結(jié)構(gòu)

為方便實(shí)驗(yàn)操作、觀測(cè),利于人員進(jìn)出,爆炸容器采用立式圓柱形雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)[8],如圖1所示。

圖1 爆炸容器結(jié)構(gòu)

筒體高3 500 mm,內(nèi)徑3 000 mm,內(nèi)外層均使用16 MnR鋼,內(nèi)外層之間填充發(fā)泡塑料以削弱爆炸沖擊波[9],降低爆炸噪聲[10]；容器內(nèi)底部鋪沙子以降低振動(dòng)危害[11],外部坐落在鋼筋混凝土上,容器與基礎(chǔ)之間為厚橡膠緩沖層。

2 抗爆強(qiáng)度計(jì)算

2.1 入射超壓

通過(guò)計(jì)算得入射超壓值:Δp1=0.406 MPa

2.2 反射超壓

當(dāng)沖擊波作用于容器內(nèi)壁時(shí),可按沖擊波作用于剛性固體壁面反射來(lái)考慮,因此,反射超壓Δp2根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算:

式中,p0、Δp1和Δp2的單位為105Pa。

經(jīng)計(jì)算,反射超壓值為:

2.3 等效靜載荷

爆炸容器內(nèi)承受的載荷一般是動(dòng)載荷,在進(jìn)行容器設(shè)計(jì)時(shí),用動(dòng)力系數(shù)法將動(dòng)載荷轉(zhuǎn)變成靜載荷。根據(jù)容器反射壓力的峰值及反射壓力作用的時(shí)間確定容器殼體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)Cd,再確定等效靜載荷。

2.3.1 動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算

要求動(dòng)力系數(shù)Cd,先計(jì)算出反射超壓的作用時(shí)間τ和容器的自振周期T。

式中:τ為反射作用時(shí)間,s；η為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),柱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)一般取0.5；R為容器殼體半徑,m；Q0為單位質(zhì)量炸藥的爆熱,J/kg,對(duì)TNT炸藥,Q0=4.860 874×106J/kg。

將R=1.5 m,η=0.5,Q0=4.860 874×106J/kg代入式(4),得:

對(duì)于薄殼,若只考慮擴(kuò)展運(yùn)動(dòng),則自振周期為:

式中:E為爆炸容器材料彈性模量,常溫20℃下為209 GPa；ρ為容器殼體材料密度,取7.8×103kg/m3；R為容器殼體半徑,mm。將數(shù)據(jù)代入式(5)得容器自振周期值:3 452.30。將數(shù)據(jù)代入式(6)得:

Cd=0.983

2.3.2 等效靜載荷的計(jì)算

將Δp2=1.598 MPa,Cd=0.983代入式(7)得等效靜載荷為:

Pe=1.57 MPa

2.4 容器殼體壁厚

采用第三強(qiáng)度理論,柱形容器壁厚計(jì)算公式為:

式中:S為圓筒體計(jì)算壁厚,mm；pc為計(jì)算壓力,MPa,取1.57 MPa；Di為圓筒體內(nèi)徑,mm,取1 500 mm；[σ]t為圓筒材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力,MPa,取157 MPa；φ為焊接接頭系數(shù),取1。

將數(shù)據(jù)代入式(8)計(jì)算壁厚:

S=7.54 mm

考慮腐蝕裕度C2,得圓筒體的設(shè)計(jì)壁厚為

式中:Sd為圓筒體的設(shè)計(jì)壁厚,mm,它是計(jì)算壁厚與腐蝕裕度之和。查閱表1,取腐蝕裕度C2=2 mm。

表1 殼體腐蝕裕度

在式(9)的基礎(chǔ)上,考慮鋼板的負(fù)偏差C1(鋼板在軋制時(shí)產(chǎn)生的偏差),得名義壁厚為:

取C1=1.1 mm。

計(jì)算得圓筒體的設(shè)計(jì)壁厚:

Sd=9.54 mm

圓筒體的名義壁厚:

Sn=10.64 mm

圓筒體的實(shí)際設(shè)計(jì)壁厚為40 mm的16 MnR鋼材,滿足要求,且滿足一般內(nèi)壓容器10～15年的設(shè)計(jì)壽命要求。

2.5 爆炸容器的強(qiáng)度校核

2.5.1 內(nèi)筒體強(qiáng)度校核

式中:pc為計(jì)算壓力,MPa,取pc=1.57 MPa；σt為設(shè)計(jì)溫度下圓筒體的計(jì)算應(yīng)力,MPa；[σ]t為圓筒體在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力,MPa,取157 MPa；Se為有效壁厚,mm；Se為圓整后的壁厚Se=Sn-C1-C2,取Sn=40 mm,C1=1.1 mm,C2=2 mm,則Se=36.9 mm；

將數(shù)據(jù)代入式(11)得:

σt=34.78 MPa≤[σ]t=157 MPa

因此,應(yīng)力強(qiáng)度值能夠滿足工程實(shí)際要求。

2.5.2 容器最大允許工作壓力校核

容器最大允許工作壓力校核公式為:

式中:[pw]為最大允許工作壓力；[σ]t為圓筒體在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力,MPa,取157 MPa；φ為內(nèi)筒體焊接接頭系數(shù),取1；Se=36.9 mm；Di=1 500 mm；pc為計(jì)算壓力,取1.57 MPa。

將數(shù)據(jù)代入式(12)得:

[pw]=7.54 MPa

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,pc遠(yuǎn)小于[pw],進(jìn)行1 kg TNT炸藥爆炸試驗(yàn)時(shí)有很大的裕度。

3 爆炸容器性能測(cè)試

3.1 測(cè)試內(nèi)容

爆炸容器性能測(cè)試的內(nèi)容包括容器內(nèi)爆炸超壓試驗(yàn)、容器外爆炸振動(dòng)試驗(yàn)及爆炸噪聲測(cè)試。

3.2 測(cè)試方法

3.2.1 容器內(nèi)爆炸超壓測(cè)試

采用散裝TNT炸藥和8#工業(yè)電雷管制作藥包,藥包布置在容器內(nèi)部幾何中心處,采用空中爆炸激波傳感器測(cè)試容器內(nèi)的入射爆炸沖擊波超壓、內(nèi)壁反射沖擊波超壓,測(cè)試示意圖如圖2所示。試驗(yàn)中炸藥量分別選用300、500、800、1 000 g。測(cè)試結(jié)果記錄見(jiàn)表2。

表2 爆炸沖擊波超壓測(cè)試結(jié)果

圖2 容器內(nèi)空中爆炸沖擊波超壓試驗(yàn)測(cè)試

采用K-G公式,入射超壓可按式(13)計(jì)算:

將數(shù)據(jù)代入式(13),得入射超壓分別為:1.61×105、2.37×105、3.40×105、4.06×105Pa。利用式(3),將入射超壓值分別代入,得到反射超壓分別為:5.01×105、8.31×105、1.342×106、1.698×106Pa。

將理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況

通過(guò)分析,可以得出內(nèi)壁反射沖擊波超壓在1 kgTNT爆炸條件下僅為1.325 MPa,小于設(shè)計(jì)壓力。爆炸容器通常在進(jìn)行爆炸試驗(yàn)時(shí),其抗爆強(qiáng)度是足夠安全的,不會(huì)產(chǎn)生沖擊波危害。

3.2.2 容器外爆炸振動(dòng)測(cè)試

爆炸振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)方法如圖3所示。

圖3 爆炸振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

采用速度傳感器和記錄儀收集爆炸振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 爆炸容器外測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)速度測(cè)量值

《爆破安全規(guī)程》[12]中規(guī)定,類(lèi)似爆炸容器對(duì)周?chē)ㄖ锉ㄕ駝?dòng)允許速度為3～5 cm/s,經(jīng)測(cè)試,最大振動(dòng)速度為0.476 cm/s,遠(yuǎn)小于規(guī)定值。

3.2.3 爆炸噪聲測(cè)試

爆炸噪聲測(cè)試試驗(yàn)方法如圖4所示。

圖4 爆炸噪聲測(cè)試試驗(yàn)

采用聲波傳感器和記錄儀進(jìn)行爆炸噪聲測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 爆炸噪聲測(cè)試結(jié)果

在不同爆炸藥量下,在容器外對(duì)爆炸噪聲進(jìn)行了測(cè)試,根據(jù)測(cè)試情況可知,噪聲較小。在15 m處,1 kgTNT爆炸下的爆炸噪聲為112 dB。

核對(duì)《爆破安全規(guī)程》和《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范》[13],爆炸容器符合爆破安全及噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

爆炸容器作為重要的危爆品處理裝置,其安裝環(huán)境要求極為苛刻。設(shè)計(jì)的1 kgTNT爆炸容器,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算、抗爆強(qiáng)度校核和性能測(cè)試,得出其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,抗爆性能可靠,安全性高,可以滿足教學(xué)、科研等1 kgTNT當(dāng)量以內(nèi)的各項(xiàng)炸藥試驗(yàn)和危爆品處理,其設(shè)計(jì)方法可為同類(lèi)型爆炸容器提供參考。