高壓環(huán)境作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防范研究

徐穎 馬蘇南 易先中 田野 周元華

（1 中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司第一機(jī)械廠，河北 滄州 062658；2 長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023）

0 引言

2021 年6 月13 日，湖北省十堰市張灣區(qū)艷湖小區(qū)發(fā)生天然氣爆炸事故，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。高壓環(huán)境作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防范研究，可以提前預(yù)知爆炸沖擊能力，保護(hù)主體建筑物不被沖潰，同時(shí)保護(hù)高壓環(huán)境作業(yè)的工作人員不受傷害。

1984 年，錢偉長(zhǎng)等[1]最先對(duì)不同形狀物體擊穿靶板進(jìn)行力學(xué)分析，得到了不同形狀物體撞擊靶板的過(guò)程分析及力學(xué)相關(guān)公式。1992 年，孫韜等[2]首先研究剛性球形彈丸對(duì)間隔靶或多層靶的侵徹問(wèn)題，建立了彈丸與靶體相互作用的模型，由該模型可計(jì)算出相互作用的表面，在每個(gè)時(shí)間增量時(shí)的變化狀態(tài)，以及可獲得靶的阻力；將這些參數(shù)代入到彈丸的運(yùn)動(dòng)方程中，可得到一個(gè)完整的彈丸在擊穿靶或未擊穿靶時(shí)的彈道軌跡。2002 年，陳劍杰等[3]首次使用DYNA 軟件計(jì)算得到的爆炸荷載，采用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)分析了空心圓柱體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆性能，與爆炸實(shí)驗(yàn)相比，誤差在14%左右，計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和破壞規(guī)律可供工程設(shè)計(jì)參考。2009 年，F(xiàn)erri 等[4]研制了一種帶有高速攝影和直接沖擊霍普金森壓力棒的氣槍，用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的高速?zèng)_擊試驗(yàn)。該模型為研究夾層板在沖擊載荷作用下的響應(yīng)提供了有參考價(jià)值的本構(gòu)模型。2004 年，Li, Wei 等[5]為了研究金屬和纖維增強(qiáng)聚合物交替層組成的層壓板對(duì)沖擊的反應(yīng)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于連續(xù)損傷的模型在有限元商業(yè)軟件Abaqus中實(shí)現(xiàn)，計(jì)算出的損傷區(qū)域與被測(cè)材料的截面試樣的損傷區(qū)域，平均誤差為-15%左右。

為了研究高壓環(huán)境作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)防范，分析不同形狀爆炸物對(duì)防護(hù)墻的侵徹深度，通過(guò)WORKBENCH 顯示動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析方法分析了4 種常規(guī)爆炸物(M10 螺栓、M10 螺母、堵頭、鋼管)如圖1 所示，在不同爆炸工況下對(duì)防護(hù)墻的侵徹情況，分析出爆炸后爆炸物的沖擊能力，給予高壓環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)防范保護(hù)方法。

圖1 爆炸物侵徹墻體力學(xué)模型

1 防護(hù)墻結(jié)構(gòu)

高溫高壓環(huán)境中，一旦發(fā)生事故，爆炸物會(huì)以很高的速度飛出，因此需要防護(hù)墻有很好的防爆炸沖擊性能。防護(hù)墻的結(jié)構(gòu)是由雙層鋼板和混凝土或者纖維組合而成，防護(hù)墻的厚度為100 mm，前后使用6 mm 厚的鋼板，中間夾層使用88 mm 的混凝土或者混凝土與玻璃纖維混合，能夠有效防護(hù)爆炸物沖擊，爆炸物侵徹墻體力學(xué)模型如圖1 所示。防護(hù)墻混凝土參數(shù)如表1 所示。防護(hù)墻鋼板Q235 鋼參數(shù)如表2所示。

表1 夾層材料力學(xué)性能參數(shù)

表2 Q235鋼的材料參數(shù)

2 防護(hù)性能

為了使墻體有效抵抗爆炸沖擊荷載，應(yīng)研究清楚在爆炸沖擊荷載作用下的機(jī)器可能飛出的零件情況，爆炸飛出零件的模型和尺寸如圖2 所示。由于機(jī)器零件長(zhǎng)時(shí)間處于高溫高壓的環(huán)境中，在受到爆炸沖擊荷載作用時(shí)，大多數(shù)機(jī)器的零部件會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，在某一時(shí)刻可能會(huì)爆炸飛出。因此，模擬這些可能飛出的零件碰撞墻體的情況，預(yù)測(cè)墻體的結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而有效地增加墻體的抗爆能力具有重要作用[6-7]。

圖2 高壓環(huán)境飛出爆炸物物

3 數(shù)值分析

3.1 防護(hù)墻三維模型

防護(hù)墻兩側(cè)采用雙層防護(hù)鋼板進(jìn)行防護(hù)，鋼板厚度6 mm，共2 層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在鋼板中間加入混凝土墻體或者混凝土與玻璃纖維混合夾層，厚度為88 mm，防護(hù)墻厚度為100 mm。將模型導(dǎo)入軟件中后，連接中刪除相互間的接觸面。設(shè)置爆炸飛出零件材質(zhì)為45 號(hào)鋼，爆炸碎片材質(zhì)為304 不銹鋼，前后鋼板材料為Q235 鋼，中間夾層為混凝土材料或者玻纖增強(qiáng)混凝土材料，材料具體參數(shù)如表1、表2，防護(hù)墻三維仿真模型如圖3 所示。

圖3 防護(hù)墻三維仿真模型

3.2 施加約束條件

為了準(zhǔn)確地模擬爆炸物侵徹防護(hù)墻結(jié)構(gòu)的真實(shí)響應(yīng)，本模型對(duì)防護(hù)墻進(jìn)行約束，即將防護(hù)墻的周圍表面設(shè)置為固定約束，正面和背面為自由面。在爆炸物沖擊荷載作用下，墻體的約束為四邊固支，給爆炸物施加初始速度約束。添加墻體總變形和等效彈性應(yīng)力,通過(guò)顯示動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行仿真，觀察墻體變化情況及零件的位移。從而判斷物體爆炸時(shí)，爆炸飛出零件對(duì)墻體的沖擊[8-10]。

表 3 爆炸物侵徹防護(hù)墻厚度mm

運(yùn)用WORKBENCH 顯示動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析方法，分析出爆炸飛出零件侵徹墻體的厚度，如圖4-7 所示。

圖4 螺栓M10 最大侵徹位移

圖5 螺母M10 最大侵徹位移

圖6 堵頭最大侵徹位移

圖7 鋼管最大侵徹位移

爆炸物在在溫度370 ℃、氣體壓力70 MPa(工況1)；溫度370 ℃、液體壓力70 MPa(工況2)；溫度220℃、氣體氣壓105 MPa(工況3)；溫度220 ℃、液體壓力155 MPa(工況4)4 種工況發(fā)生爆炸，工況4 下，爆炸物侵徹位移最大，其中鋼管的侵徹位移最大，為13 mm，沒(méi)有擊穿防護(hù)墻，通過(guò)防護(hù)墻可以有效避免爆炸物帶來(lái)的沖擊。

4 結(jié)論

在溫度370 ℃，壓力70 MPa（包括氣壓、液壓）；溫度220 ℃，氣壓105 MPa 或液壓155 MPa,4 種工況下，爆炸物（M10 螺栓、M10 螺母、堵頭、鋼管）對(duì)防護(hù)墻侵徹位移，其中鋼管侵徹位移最大，侵徹位移為13 mm，沒(méi)有擊穿防護(hù)墻，說(shuō)明防護(hù)墻具有足夠安全的抗爆性能。

通過(guò)分析4 種爆炸物侵徹位移，高溫高壓環(huán)境發(fā)生爆炸后，防護(hù)墻可以有效阻擋爆炸后飛出的爆炸物的沖擊，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。建議在高溫高壓的工作環(huán)境下，采用加裝防護(hù)鋼板層的防護(hù)墻來(lái)保護(hù)工作人員。

運(yùn)用WORKBNECH 顯示動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析方法，分析爆炸物侵徹深度，可以預(yù)知高壓環(huán)境爆炸后，爆炸物的沖擊能力，為高溫高壓環(huán)境的防護(hù)提供參考和理論指導(dǎo)。