聚脲噴涂鋼制罐體抗爆性能試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

楊光,張博一,韋建樹(shù),蔣月新,徐世林

（1.上海爵格工業(yè)工程有限公司，上海 200082；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

近年來(lái)，石油化工罐區(qū)逐漸成為恐怖襲擊的目標(biāo)。2020年1月，敘利亞巴尼亞斯儲(chǔ)油罐區(qū)就曾遭到恐怖分子爆炸襲擊，造成超過(guò)10億美元的直接經(jīng)濟(jì)損失。有效降低爆炸造成的損失、控制災(zāi)害影響范圍一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，其中，大型鋼制儲(chǔ)油罐爆炸因具有巨大的危害性而受到重點(diǎn)關(guān)注。當(dāng)罐區(qū)某一位置遭到爆炸襲擊時(shí)，產(chǎn)生的沖擊波會(huì)迅速波及附近儲(chǔ)油罐，如果儲(chǔ)油罐抗爆能力不足，則可能發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致燃油泄漏，并引發(fā)二次爆炸乃至連環(huán)爆炸，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

噴涂聚脲彈性體（PSUA）是近20年來(lái)研制開(kāi)發(fā)的一種新型綠色施工技術(shù)[1]，其原料——聚脲是一種高分子彈性體，具有耐磨、防水、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)涂裝領(lǐng)域。大量研究表明，聚脲涂層在結(jié)構(gòu)抗沖擊方面也有著優(yōu)異的性能[2-4]。Davidson等[5]對(duì)聚脲噴涂的砌體墻進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析，研究表明，在墻體背面噴涂聚脲能更有效地提升墻體的抗爆性能。Raman等[6]則對(duì)聚脲涂覆鋼筋混凝土板的抗爆能力進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，聚脲涂層能夠?qū)⒈ㄗ饔孟落摻罨炷涟宓奈灰祈憫?yīng)減小40%。將高分子彈性體用于金屬結(jié)構(gòu)抗爆能力提升的相關(guān)研究也取得了較為顯著的成果[7-12]。Xue等[13]通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，噴涂高分子彈性體的雙層金屬板結(jié)構(gòu)存在頸縮遲滯效應(yīng)（neck retardation），使雙層板結(jié)構(gòu)的頸縮極限顯著提高，從而增強(qiáng)了其承受沖擊荷載的能力；Mcshane等[14]針對(duì)Xue等[13]的理論進(jìn)行聚合物—金屬雙層板動(dòng)態(tài)斷裂研究發(fā)現(xiàn)，在拉伸能量的吸收方面，足夠堅(jiān)硬和堅(jiān)固的聚合物涂層對(duì)結(jié)構(gòu)存在一定的增強(qiáng)作用；Jiang等[15]對(duì)聚脲復(fù)合鋼板在低速?zèng)_擊下的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在低速?zèng)_擊作用下，聚脲涂層能夠有效地減小鋼板的塑性變形，且當(dāng)涂層厚度較薄時(shí)效果顯著，而厚度增加帶來(lái)的強(qiáng)度提升并不明顯。目前，現(xiàn)有研究多局限于單個(gè)板構(gòu)件（如聚脲—金屬雙層板）的局部承載研究，而對(duì)于完整金屬結(jié)構(gòu)物的爆炸試驗(yàn)及數(shù)值研究較少，對(duì)于聚脲應(yīng)用于整體金屬結(jié)構(gòu)的抗爆性能提升也缺乏較明確的論據(jù)。

筆者針對(duì)某大型鋼制儲(chǔ)罐的抗爆性能進(jìn)行相似結(jié)構(gòu)模型的爆炸試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，研究聚脲涂層對(duì)薄壁鋼制罐體結(jié)構(gòu)抗爆能力的提升作用，并結(jié)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行有限元分析與對(duì)比。

1 爆炸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

爆炸試驗(yàn)在陸軍工程大學(xué)室外爆炸試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行，共計(jì)2次，炸藥為固體TNT炸藥，質(zhì)量2 kg，形狀為圓柱體，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用TNT炸藥Fig.1 TNT explosive in test

試驗(yàn)?zāi)康氖强疾榫垭逋繉訉?duì)大型儲(chǔ)罐建造項(xiàng)目中雙層鋼制儲(chǔ)罐抗爆能力的提升，所以，試驗(yàn)所用模型罐是依據(jù)相似原理對(duì)實(shí)際儲(chǔ)罐外罐進(jìn)行比例縮放得到的，比例為1：26.7?？s放后的試驗(yàn)罐體模型結(jié)構(gòu)分為拱頂、圓柱形罐壁和法蘭3部分，其中，拱頂及罐壁厚度為1 mm，法蘭厚度為2 mm，罐體材料為Q235低碳鋼，模型罐尺寸如圖2所示。

圖2 模型罐體幾何尺寸簡(jiǎn)圖（單位：mm）Fig.2 Geometric dimension sketch of tank model（Unit:mm）

罐體不同構(gòu)件之間采用焊接，并在法蘭中線(xiàn)處均勻布置32個(gè)螺栓孔，通過(guò)打入地面的膨脹螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)罐體的約束，如圖3（a）所示。聚脲涂層均勻噴涂在罐體內(nèi)表面，噴涂區(qū)域涵蓋整個(gè)罐壁及拱頂，不包括法蘭，如圖3（b）所示。在罐體迎爆側(cè)距底面高度275 mm處布置位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)處安裝拉桿式直線(xiàn)位移傳感器，以采集罐體表面位移時(shí)程數(shù)據(jù)，如圖3（c）、（d）所示。罐體殘余位移則采用卷尺手動(dòng)測(cè)量，如圖3（e）所示。

圖3 試驗(yàn)設(shè)施Fig.3 Test facility

試驗(yàn)共進(jìn)行2次爆炸，分別考查在不同爆炸距離下無(wú)涂層鋼罐及噴涂聚脲涂層鋼罐的動(dòng)力響應(yīng)，炸藥及鋼罐布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)炸藥及鋼罐布置Fig.4 Layout of TNT and steel tanks in test

1）第1次爆炸，無(wú)涂層鋼罐與噴涂層鋼罐分立炸藥兩側(cè)，炸藥中心與儲(chǔ)罐迎爆面外壁距離為4 m；

2）第2次爆炸，無(wú)涂層鋼罐與噴涂層鋼罐分立炸藥兩側(cè)，炸藥中心與儲(chǔ)罐迎爆面外壁距離為3.2 m。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

1）第1次爆炸，罐體表面殘余位移很小，絕大部分變形處于彈性范圍內(nèi)，如圖5所示。

從圖5可以看出，炸藥距離罐體4 m時(shí)，爆炸造成的破壞較小，罐體結(jié)構(gòu)響應(yīng)以彈性變形為主，很難從爆炸后罐體形態(tài)上直觀(guān)地體現(xiàn)出涂層的作用。無(wú)涂層罐體和噴涂層罐體的測(cè)點(diǎn)位移如圖6所示，噴涂層罐體測(cè)點(diǎn)位置最大位移為26.24 mm，而無(wú)涂層罐體測(cè)點(diǎn)位置最大位移為39.13 mm，噴涂1.5 mm聚脲涂層可使罐體測(cè)點(diǎn)位置的最大位移降低32.9%。另外，通過(guò)對(duì)罐體表面殘余位移的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，噴涂層罐體的殘余位移為0.42 mm，而無(wú)涂層罐體的殘余位移為4.33 mm，內(nèi)部噴涂聚脲涂層對(duì)于降低結(jié)構(gòu)殘余位移也有很明顯的效果。

圖5 第1次爆炸后的罐體變形Fig.5 Tank deformation after first explosion

圖6 第1次爆炸時(shí)罐體測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)Fig.6 Displacement time-history curve of tank test point during first explosion

2）第2次爆炸，罐體表面有明顯的殘余位移，迎爆面鋼板已進(jìn)入塑性范圍，如圖7所示。

圖7 第2次爆炸后的罐體變形Fig.7 Tank deformation after second explosion

從圖7可以看出，炸藥距離罐體3.2 m時(shí)，爆炸造成的破壞較大，此時(shí)噴涂層罐體爆炸后的形態(tài)明顯好于無(wú)涂層罐體。無(wú)涂層和噴涂層罐體的測(cè)點(diǎn)位移如圖8所示，噴涂層罐體測(cè)點(diǎn)位置最大位移為44.27 mm，而無(wú)涂層罐體測(cè)點(diǎn)位置最大位移為63.6 mm，噴涂聚脲涂層可使罐體測(cè)點(diǎn)位置的最大位移降低30.4%。另外，對(duì)罐體表面殘余位移進(jìn)行測(cè)量，噴涂層罐體的殘余位移為16.51 mm，而無(wú)涂層罐體的殘余位移為24.47 mm，說(shuō)明噴涂聚脲涂層對(duì)結(jié)構(gòu)殘余位移的降低也有很明顯的效果。

圖8 第2次爆炸時(shí)罐體測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)Fig.8 Displacement time-history curve of tank test point during second explosion

從兩次試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在炸藥不同距離的爆炸作用下，噴涂層罐體的測(cè)點(diǎn)最大位移與殘余位移均較無(wú)涂層罐體有明顯的降低，降幅約為30%。說(shuō)明無(wú)論結(jié)構(gòu)響應(yīng)處于彈性區(qū)間還是塑性區(qū)間，聚脲涂層對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升都有明顯效果。

2 數(shù)值模擬

ALE法（任意拉格朗日—?dú)W拉方法）作為一種流固耦合計(jì)算方法，能實(shí)現(xiàn)空氣與罐體網(wǎng)格間力的傳遞，相較于直接加載壓力時(shí)程曲線(xiàn)或者LBE法，其優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)模擬過(guò)程滿(mǎn)足能量守恒，且能考慮罐體與空氣域的相互作用，缺點(diǎn)在于空氣網(wǎng)格數(shù)量龐大，計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)。應(yīng)用LS-DYNA軟件，采用ALE法分析罐體在炸藥自由爆炸沖擊波作用下的響應(yīng)。

2.1 有限元模型

與試驗(yàn)過(guò)程相同，數(shù)值計(jì)算也分爆炸距離為3.2、4 m兩組工況，并分別與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。由于鋼罐體屬于薄壁結(jié)構(gòu)，采用2D薄殼單元建模較為合適，既可以控制網(wǎng)格數(shù)量，又能保證計(jì)算精度。采用Belytschko-Tsay shell單元對(duì)罐體、法蘭、涂層及地面建模，空氣及炸藥選用六面體Solid單元，為保證流體單元與結(jié)構(gòu)單元良好耦合，兩者尺寸應(yīng)盡量接近。ALE算法的計(jì)算結(jié)果受網(wǎng)格尺寸影響較大，網(wǎng)格尺寸越小，峰值超壓越大，計(jì)算結(jié)果越精確。師燕超[16]和都浩等[17]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣網(wǎng)格小于100 mm時(shí)，得到的沖擊波超壓已經(jīng)可以滿(mǎn)足精度要求。計(jì)算模型的基本網(wǎng)格尺寸選為30 mm，以4 m無(wú)涂層爆炸工況進(jìn)行敏感性分析。相對(duì)于20 mm網(wǎng)格尺寸（40.34 mm），該尺寸網(wǎng)格得到的測(cè)點(diǎn)位移響應(yīng)峰值（38.6 mm）的誤差約為4.5%，說(shuō)明30 mm網(wǎng)格已能夠滿(mǎn)足基本精度要求，并可以節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間。由于計(jì)算工況中的模型及荷載均滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)特征，為節(jié)省計(jì)算資源，采用1/2模型，并在對(duì)稱(chēng)面施加法向約束。罐體與法蘭單元采用共節(jié)點(diǎn)連接，地面采用剛性地面，法蘭與地面間采用ATUOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸，忽略摩擦力，僅考慮接觸面間的法向力，在螺栓實(shí)際位置處約束相鄰4個(gè)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)螺栓的緊固作用?？諝庥蜻吔绮捎肗ON_REFLECTING無(wú)反射邊界條件。有限元模型如圖9所示（空氣網(wǎng)格不顯示）。

圖9 有限元模型示意圖Fig.9 Sketch of FE model

數(shù)值模擬采用mm-ton-s單位制，TNT炸藥選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型以及JWL狀態(tài)方程，空氣選用MAT_NULL材料模型以及線(xiàn)性多項(xiàng)式狀態(tài)方程，兩種狀態(tài)方程表述為

JWL：

式中：p為壓強(qiáng)，MPa；E為炸藥內(nèi)能，J·m-3；V為當(dāng)前相對(duì)體積，其余各參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)[18]Table 1 Parameters of TNT material and EOS

線(xiàn)性多項(xiàng)式：

表2 線(xiàn)性多項(xiàng)式狀態(tài)方程參數(shù)[19]Table 2 Parameters of linear polynomial EOS

罐體鋼材采用MAT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK本構(gòu)模型，該模型能夠考慮到材料在高應(yīng)變率下的應(yīng)力強(qiáng)化及后屈服狀態(tài)下的塑形應(yīng)變，廣泛應(yīng)用于沖擊與爆炸領(lǐng)域的分析計(jì)算。為得到試驗(yàn)中罐體所用鋼材準(zhǔn)確的材料參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、壓縮和動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)[20]，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的各材料參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 罐體材料參數(shù)Table 3 Parameters of steel tank material

聚脲材料采用MAT_PLASTICITY_POLYMER本構(gòu)模型，該模型依據(jù)Cowper-Symonds理論，通過(guò)動(dòng)力放大系數(shù)(DIF)的形式來(lái)表現(xiàn)材料的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。同樣地，為得到聚脲材料不同應(yīng)變率條件下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)及霍普金斯壓桿試驗(yàn)[7]。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得到該聚脲材料的各材料參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 聚脲材料參數(shù)Table 4 Parameters of ployurea coating

對(duì)于聚脲涂層與鋼罐之間的連接，采用CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE接 觸，它是一種帶有失效模式的綁定接觸，其失效判定主要由拉伸失效應(yīng)力（NFLS）和剪切失效應(yīng)力（SFLS）決定，具體判定準(zhǔn)則為

式中：σn為單元拉伸應(yīng)力；σs為單元剪切應(yīng)力。

試驗(yàn)中所用聚脲材料與鋼板連接的NFLS和SFLS由準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)得到，均為7.94 MPa。

2.2 計(jì)算結(jié)果

無(wú)涂層及有涂層罐體在兩次爆炸后的狀態(tài)分別見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 3.2 m距離爆炸在200 ms時(shí)刻的爆炸計(jì)算位移云圖Fig.10 Cloud image of caltulated explosion displacement of 3.2 m blast at 200 ms

當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到200 ms時(shí)，沖擊波作用已結(jié)束，罐體振蕩逐漸衰減，該時(shí)刻的位移云圖接近于爆炸結(jié)束后罐體的最終狀態(tài)。從圖10、圖11中的位移云圖來(lái)看，模擬計(jì)算能夠較為直觀(guān)地反映涂層對(duì)降低罐體變形幅度的影響，與試驗(yàn)照片對(duì)比發(fā)現(xiàn)，迎爆面凹陷程度和褶皺分布也較為接近，但無(wú)涂層罐體的頂面凹陷幅度較大，與試驗(yàn)結(jié)果有一定的差距。分析原因，可能是由于拱頂與罐壁連接處屬于結(jié)構(gòu)突變位置，在受力時(shí)發(fā)生折疊而使材料加速進(jìn)入塑性階段，轉(zhuǎn)角處無(wú)法繼續(xù)提供反向彎矩，導(dǎo)致位移響應(yīng)過(guò)大。試驗(yàn)中的罐體拱頂與罐壁采用焊接連接，焊角在一定程度上緩解了該位置處的折疊變形，從而降低了位移響應(yīng)。

圖11 4 m距離爆炸在200 ms時(shí)刻的爆炸計(jì)算位移云圖Fig.11 Cloud image of calculated explosion displacement of 4 m blast at 200 ms

對(duì)于測(cè)點(diǎn)位置處的位移，將模擬計(jì)算時(shí)程曲線(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖12所示。從測(cè)點(diǎn)位移曲線(xiàn)的對(duì)比可知，無(wú)論是有涂層還是無(wú)涂層，ALE計(jì)算方法得到的兩次爆炸罐體測(cè)點(diǎn)位移峰值與試驗(yàn)值均較為接近，具體數(shù)據(jù)對(duì)照見(jiàn)表5。

表5 測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照Table 5 Comparation between calculating results and test data of test points

從表5中可以看出，采用ALE法計(jì)算得到的測(cè)點(diǎn)位移響應(yīng)與試驗(yàn)值較為接近，最大誤差不超過(guò)20%，相比用LBE法模擬得到的結(jié)果[18]，準(zhǔn)確性更高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。模擬計(jì)算結(jié)果中，有涂層在4 m時(shí)對(duì)于罐體測(cè)點(diǎn)位移的降低幅度為34.1%，3.2 m時(shí)降低幅度為21.2%，與試驗(yàn)得到的32.9%和30.4%較為符合，說(shuō)明模擬計(jì)算中采用的聚脲材料參數(shù)與實(shí)際值貼近度較好，計(jì)算得到的結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。但從圖12中也能看到，模擬計(jì)算得到的測(cè)點(diǎn)殘余位移較大，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)值，說(shuō)明雖然罐體位移大致相同，但計(jì)算模型中的鋼材塑性變形程度更深，材料的屈服強(qiáng)度較實(shí)際情況偏小，具體原因還需要通過(guò)進(jìn)一步的材料測(cè)試分析得到。

圖12 爆炸模擬測(cè)點(diǎn)位移結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.12 Comparison between simulating results and test data of test point displacement

進(jìn)一步比較聚脲涂層對(duì)罐體最大位移響應(yīng)的影響，兩次測(cè)試模擬結(jié)果見(jiàn)圖13及表6。與測(cè)點(diǎn)位移結(jié)果相似，聚脲涂層也能顯著地降低罐體最大位移，4 m時(shí)可降低20.5%，3.2 m時(shí)可降低24.0%。

表6 罐體最大位移計(jì)算值對(duì)照Table 6 Comparison between the calculated maximum displacement of tank

圖13 模擬計(jì)算罐體最大位移時(shí)程曲線(xiàn)Fig.13 Time-history curves of max displacement of tank in simulated calculation

比較模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)值可知，采用ALE法對(duì)鋼罐體在TNT爆炸荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行模擬具有一定的精確度，模擬得到的測(cè)點(diǎn)位移峰值與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，但殘余位移值大于試驗(yàn)結(jié)果。模擬計(jì)算結(jié)果表明，聚脲涂層能夠較為明顯地降低鋼罐體在爆炸荷載下的位移響應(yīng)，降低幅度約為20%～35%。

2.3 變參數(shù)分析

2.3.1 粘接設(shè)置對(duì)涂層防護(hù)效果的影響 常規(guī)的涂層與鋼板連接方式模擬可以用帶有失效模式的TIEBREAK接觸，也可以不考慮連接失效，采用TIED綁定接觸，甚至直接將兩者單元共節(jié)點(diǎn)處理。區(qū)別在于，TIED綁定接觸無(wú)法考慮涂層與鋼板連接失效，而單元共節(jié)點(diǎn)既不能考慮連接失效，也不能體現(xiàn)涂層和鋼板的相對(duì)位置，它的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)置簡(jiǎn)單，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量的縮減也可以節(jié)省計(jì)算資源。

前文根據(jù)涂層鋼板實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用TIEBREAK接觸形式進(jìn)行模擬，接下來(lái)進(jìn)行兩組試算，比較3種不同接觸形式對(duì)模擬產(chǎn)生的影響。對(duì)照工況選用響應(yīng)較為明顯的3.2 m爆炸工況，分別考查測(cè)點(diǎn)位移曲線(xiàn)與最大位移曲線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖14。

從圖14中可以 看 出，TIEBREAK和TIED接觸對(duì)于位移結(jié)果幾乎沒(méi)有影響，兩條曲線(xiàn)峰值幾乎完全重合，在后期往復(fù)震蕩時(shí)才有少許偏差。相對(duì)而言，共節(jié)點(diǎn)方式和前兩者的位移峰值差距小于3%，尚可接受，但在隨后的振蕩中，差距不斷放大，最大可達(dá)30%。

圖14 不同接觸形式下最大位移時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)照Fig.14 Comparison between time-history curves of maximum displacement of tank under different contact types

試驗(yàn)結(jié)果中，雖然鋼板存在較大的位移與殘余變形，但涂層與鋼板連接良好，并無(wú)脫膠情況發(fā)生，說(shuō)明以現(xiàn)有的噴涂技術(shù)，可以保證即使鋼結(jié)構(gòu)有輕微破壞，也很難發(fā)生連接失效。所以，在缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，可以先假定兩者連接不會(huì)失效而采用TIED綁定接觸進(jìn)行模擬，這并不會(huì)影響結(jié)果的精確程度。共節(jié)點(diǎn)連接方式僅能用來(lái)考查峰值位移，并不推薦在其他情況下應(yīng)用。

2.3.2 罐體鋼材對(duì)涂層防護(hù)效果的影響 雖然針對(duì)噴涂聚脲涂層對(duì)Q235低碳鋼制罐體抗爆能力的提升進(jìn)行了分析，而工業(yè)生產(chǎn)中常常會(huì)使用強(qiáng)度更高的鋼材，如Q345低碳合金鋼、45#碳素結(jié)構(gòu)鋼等。針對(duì)這3種常用鋼材進(jìn)行試算比較，考查聚脲涂層對(duì)于不同鋼材抗爆能力的影響。

試驗(yàn)中僅用到Q235鋼材，沒(méi)有Q345和45#鋼材的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在模擬計(jì)算中，參考于文靜等[21]和陳剛等[22]的數(shù)據(jù)對(duì)這兩種鋼材進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置，具體參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 鋼板材料參數(shù)Table 7 Parameters of steel plates

同樣選取3.2 m爆炸距離作為對(duì)照工況，比較不同鋼材罐體在無(wú)涂層及噴涂層時(shí)的最大位移時(shí)程曲線(xiàn)，結(jié)果如圖15及表8所示。

表8 不同鋼材罐體最大位移計(jì)算值對(duì)照Table 8 Comparison between maximum displacements of tanks with different steels

圖15 不同鋼材罐體最大位移時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)照Fig.15 Comparison between time-history curves of maximum displacement of different steel tanks

從無(wú)涂層罐體的位移曲線(xiàn)中看出，3種鋼材的強(qiáng)度順序是45#＞Q345＞Q235，而三者噴涂聚脲后的抗爆強(qiáng)度都有一定程度提升，但提升的幅度有所不同。Q235鋼板噴涂聚脲能夠減少24%的最大位移，而同樣的方式下Q345鋼僅減小11.37%，45#鋼僅減小6.45%。隨著鋼材強(qiáng)度的提高，聚脲涂層帶來(lái)的強(qiáng)度增益有所減小，但該趨勢(shì)是否適用于一般情況，還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

2.3.3 涂層厚度對(duì)防護(hù)效果的影響 沿用之前的計(jì)算模型及參數(shù)，僅改變模型涂層厚度，將涂層厚度設(shè)為0.5、1.5、2、2.5 mm，分別計(jì)算，比較不同模型的最大位移值，并繪制涂層厚度增強(qiáng)效果曲線(xiàn)，結(jié)果如表9及圖16所示。

由表9和圖16可以看出，隨著涂層厚度的增大，罐體的抗爆效果雖不斷增強(qiáng)，但曲線(xiàn)斜率逐漸平緩，意味著繼續(xù)增大涂層厚度，增益會(huì)越來(lái)越低。在工程應(yīng)用中，僅靠增大涂層厚度并不能解決一切問(wèn)題，反而會(huì)使成本大幅增加，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的涂層厚度才能最大化發(fā)揮涂層的作用。

圖16 涂層厚度增強(qiáng)效果曲線(xiàn)Fig.16 Curve of coating thickness enhancement

表9 不同涂層厚度罐體最大位移計(jì)算值對(duì)照Table 9 Comparison between maximum displacements of tank with different coating thickness

3 結(jié)論

針對(duì)聚脲涂層對(duì)鋼制罐體抗爆能力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1）在2 kg TNT炸藥不同距離的爆炸作用下，噴涂層罐體的測(cè)點(diǎn)最大位移與殘余位移均較無(wú)涂層罐體有明顯的降低，降幅約為30%，說(shuō)明聚脲涂層對(duì)于鋼罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升效果較為明顯。

2）利用ALE流固耦合分析方法對(duì)鋼罐體及周?chē)諝庥蜻M(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明，ALE方法能夠較為準(zhǔn)確地反映罐體結(jié)構(gòu)響應(yīng)，測(cè)點(diǎn)位移峰值與試驗(yàn)值較為接近，但該方法得到的殘余位移比試驗(yàn)值大。從模擬分析結(jié)果來(lái)看，噴涂聚脲涂層能夠有效地降低罐體測(cè)點(diǎn)位移與最大位移，降幅在20%～35%，與試驗(yàn)結(jié)論相符合。

3）將聚脲涂層與鋼罐體采用不同連接形式進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，TIED綁定接觸和TIEBREAK失效接觸兩種形式得到的結(jié)果基本一致，而共節(jié)點(diǎn)連接形式只有位移峰值與前兩者較為接近，其他結(jié)果均差距明顯。在缺少聚脲涂層與鋼板連接的試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用TIED綁定接觸形式，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)情況，而共節(jié)點(diǎn)形式則不推薦采用。

4）對(duì)3種常用鋼材制作的罐體進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，聚脲涂層對(duì)不同材料罐體的抗爆能力均有一定程度的提升，但隨著鋼材強(qiáng)度的提高，聚脲涂層帶來(lái)的強(qiáng)度增益有所降低。

5）對(duì)不同涂層厚度的罐體進(jìn)行了模擬分析并比較其增強(qiáng)效果，結(jié)果表明，隨著聚脲涂層厚度的增加，罐體抗爆效果也不斷增強(qiáng)，但增加厚度帶來(lái)的增益逐漸下降。