CN112197663B - 一种用水防护爆炸容器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于爆炸试验设备技术领域，一种用水防护爆炸容器的方法。爆炸实验时，先抽干池水，在爆炸容器中布置爆炸试验后，关闭并密封爆炸容器；将爆炸容器、测量与引爆线路均进行防水密封后，再向水池中注水；注水使爆炸容器顶部淹没在预设的水下深度后，停止注水，进行爆炸实验。爆炸实验后，将水池中的水抽出，打开爆炸容器，进行爆炸实验的回收与检查工作。水的覆盖可防止爆炸一旦使容器破坏时的飞散物与冲击波，解决了本质安全问题；在处理含毒爆炸物时，可以防止有毒气体或气溶胶直接泄露；水层对于爆炸容器的壳体振动起到阻尼消振作用，使疲劳振动次数迅速减少，提高爆炸容器的使用寿命，消除壳体的“应变增长”，提高爆炸容器的抗爆能力。
Description
技术领域
本发明属于爆炸试验设备技术领域，具体涉及到一种用水防护爆炸容器的方法。
背景技术
爆炸容器或称抗爆容器，已广泛用于爆炸科学实验、爆炸物防护、转运和处理有毒爆炸物、在其中进行各种爆炸加工等等。出于特定的使用目的，人们业已发明设计了大量的爆炸容器，也采用各种材料和抗爆技术来制造爆炸容器。目前的爆炸容器有各种球型容器(DONG Q.,HU B.Y.,Chen S.Y.,etc.Engineering design of a multiple-use sphericalexplosion containment vessel subjected to internal blast loading from 25kgTNT high explosive[J].J.Pressure Vessel Technology,2012,134:021205-1～5.)、各种槽罐(Esparza E.D.，Stacy H.，Wackerle J.Proof testing of an explosioncontainment vessel[C].27th Department of Defense Explosives Safety Seminar,August 1996:20-22.；ZHOU Kan,HUANG Ge,FANG Kai,etc.Development of explosion-containment vessel with 3kg TNT equivalent[J].Materials Science andEngineering,2019,(616):012020.)、扁平钢带缠绕柱壳(郑津洋,邓贵德,陈勇军,等.离散多层厚壁爆炸容器抗爆炸性能试验研究[J].爆炸与冲击,2005,25(6):506-511.)、纤维复合材料(胡洋.玻璃纤维复合材料抗爆容器动力响应研究[D].浙江大学，2016.；DONG Q.,HUB.Y.Dynamic behavior of carbon fiber explosion containment vessels[J].J.Pressure Vessel Technology,2016,138:011202-1～5.)、金属复合板(文潮,刘晓新,马艳军.钛/钢复合板密封爆炸容器的设计与制造[J].中国有色金属学报,2010,20(S1):s972-s976.)等。
如上所述，尽管对于爆炸容器有各种形状、方式设计，采用各种材料，但由于爆炸所产生的冲击高压与高功率输出，使爆炸容器壳体处于高应变率的极限冲击状态，加之应力波在容器壳体中反复传播，会发生“应变增长”问题，这就使得发生冲击破坏的风险增大；再者，对于长期重复使用的爆炸容器，会反复经历的强烈冲击振动，发生疲劳破坏的风险也较大。因此，出于对爆炸容器安全性的考虑，一般容器的设计都比较厚重，强度设计的裕量较大(胡八一，周刚,郑津洋等.爆炸容器研究及应用最新进展评述[C].压力容器先进技术——第七届全国压力容器学术会议论文集,中国江苏无锡,2009:340-344.)。以中国工程物理研究院的25kgTNT当量球型爆炸容器为例，球壳厚度为95mm，内径为3.8m；大连理工大学自制的5kgTNT当量爆炸实验容器，球壳厚度为40mm，外径为3.0m,壳重近8.6t。通常1公斤TNT当量以上的抗爆容器都重达数吨，钢制容器平均每公斤TNT约使用0.5～2吨钢材；即使是采用纤维复合材料的轻型爆炸容器，每公斤TNT也要使用175公斤左右的壳体材料。
为了减少壳体材料用量，减低对爆炸壳体的冲击变形与冲击疲劳，人们也研究了在容器内部放置砂层、泡沫铝等抗爆材料(程帅,师莹菊,殷文骏,等.泡沫铝内衬对抗内部爆炸钢筒变形的影响[J].爆炸与冲击,2020,40(7):071406.；胡永乐,崔云霄,等.充砂爆炸容器动态响应的试验研究[J].压力容器,2009,26(12):15-19.)，使用双层壳体(梁志刚,马艳军,秦学军,钟方平等.小当量双层爆炸容器的研制[J].兵工学报，2010，31(4):525-528.)，在外层包裹减震降噪材料(李兴珠.5KgTNT当量球形爆炸容器的设计[D].安徽理工大学,2017.)，水包覆内部炸药(徐海斌,钟方平,杨军,等.水及盛水容器对近距离爆炸载荷影响的实验研究[J].爆炸与冲击,2016,36(4):525-531.)，使容器具备泄压功能(CN201811284106.3；ZL201821755717.7)，将承受爆炸的各种消波形状的壳体埋于地下(ZL201220504493.9；Sidorenkoa Yu.M.,Shlenskii P.S.On the assessment of stress-strain state of the load-bearing structural elements in the tubular explosionchamber[J].Strength of Materials,2013,45(2):209-220.)、混凝土中(WANG Wan-peng，HU Yong-le,LIN Jun-de,etc.Experiments and numerical analyses on dynamicdeformation of steel-concrete structure under internal intense blast loading[C].第八届全国爆炸力学学术会议论文集,2007.)或岩层中(ZL201410101064.0)等等。尽管人们对于爆炸容器的各种抗爆技术进行了大量的研究与探索，但由于爆炸容器是内部爆炸，一旦破坏，安全事故风险极大，所以设置在地表的爆炸实验容器依然十分笨重。将爆炸容器埋设在地下，可以有效地降低爆炸事故风险，但不利于对壳体的检修。为此，需要发明新的方法，以进一步提高爆炸容器的抗爆能力，减小爆炸事故风险，消除“应变增长”，降低对容器壳体的冲击疲劳。
发明内容
本发明的目的是发明一种降低爆炸事故风险，提高爆炸容器的抗爆能力，消除“应变增长”，降低对容器壳体的冲击疲劳的方法。
本发明的技术方案：
一种用水防护爆炸容器的方法，
依据爆炸容器的尺寸和设计药量，构建一定大小和深度的可抽注水并方便实验人员出入的水池，然后将爆炸容器安装在水池底部。爆炸实验时，首先抽干池水，由实验人员在爆炸容器中布置爆炸试验后，关闭并密封爆炸容器；将爆炸容器、测量与引爆线路等均进行防水密封后，再向水池中注水；注水使爆炸容器顶部淹没在预设的水下深度后，停止注水，进行爆炸实验。爆炸实验后，将水池中的水抽出，打开爆炸容器，进行爆炸实验的回收与检查工作。
本发明的具体技术原理是根据爆炸容器在水下冲击振动、爆炸破坏抛掷特点而设计的。
首先是，将爆炸容器覆盖在足够水深以下，可以防止容器一旦被爆炸破坏时产生飞散物与冲击波的风险，从本质上解决爆炸容器的安全性问题。根据《水运工程爆破技术规范》(JTS 204-2008)的表6.3.10，当水深达到6m时水下爆破“不考虑飞石对地面或水面以上人员的影响”，这就意味着爆破经验说明6m以上水深的常规爆破不产生个别飞散物。实际上，可以根据岩土爆破的经验进行推算。对于一般岩土，炸药单耗q≤0.35kg/m3为减弱松动爆破，除填塞不好外不产生飞散物。而岩土重度为(1 800～2 600)kg/m3，按最大的2600kg/m3计，比水的1 000kg/m3大2.6倍。因此，可见炸药对于水的单耗qw小于0.35/2.6kg/m3＝0.135kg/m3时，其爆破效果与减弱松动爆破相似，加之水的严密充填性，可以保证没有飞散物产生。利用最小抵抗线W和爆破药量计算公式Q＝qW3，将W换为水深H，在用炸药对于水的单耗qw，可得到不产生飞散物的水下爆炸药量计算公式：
Q＝qwH3
进而根据上式得到不产生飞散物的水下爆炸水深公式，将qw＝0.135kg/m3代入，有：
式中：水深H的单位为m；装药量Q的单位为kg。将式(1)用于本发明的爆炸容器设计，当容器顶部侵在水深H以下时，可见即使药量Q的炸药也作用于容器顶部，容器破裂后的破片也不会飞出水面。另外，根据《水运工程爆破技术规范》(JTS 204-2008)的表6.3.10和《爆破安全规程》(GB6722-2014)表10规定，小于1.5m水深的水下爆破，个别飞散物按露天爆破考虑，所以爆炸容器顶部的设计水深H应不小于1.5m。
再者是，将爆炸容器置于水下，紧密包裹在容器外表的水层，在爆炸容器壁面产生冲击振动时，可以起到振动阻尼和吸收冲击能量的作用，从而提高爆炸容器的抗爆能力，消除“应变增长”，降低冲击疲劳振动次数，大大提高容器壳体的使用寿命。可以想见，容器内部的爆炸冲击波作用于爆炸容器壳体内表面，会立即激发起壳体的振动；而当壳体外部包裹着水时，壳体振动会在水中激起水声辐射，从而消耗和降低壳体振动能量。考虑壳体呼吸振动和水中的声辐射，对球壳进行应力分析，可以得到如下运动方程式：
上式是关于球壳或短柱壳在水中振动的微分方程，可见为含阻尼的受迫振动方程。其中：t为时间；σ为应力差函数；ω为振动园频率；ζ为相对粘性系数；σθs为“拟静态”壳体环向应力，即是将内爆炸超压ΔP完全比拟为静力下，不考虑质量、阻力，只考虑弹性作用得到的壳体环向应力时间函数。式(2)中的各参数的具体表达，如下所示：
上式中：δ为壳体厚度；R为壳体的当量半径；ρ、c和μ分别是壳体材料密度、纵波声速和泊松比；ρ0和c0则是水的密度与声速；σθ为壳体的环向应力；ΔP(t)和P0为壳体内侧承受的冲击波超压与内外的静态预压差；n为系数，取1为槽罐的柱壳，取2时为球壳。
由式(2)可见，爆炸容器壳体的运动是含阻尼的受迫振动。由式(3)可见，只有相对粘性系数ζ与外部的水性能相关，其余参数与水无关；因此，外部水起粘性阻尼作用。当相对粘性系数ζ＝0无阻尼时，式(2)则变为外部自由的普通爆炸容器壳体的振动方程。根据含阻尼振动的理论可知，ζ＝1为临界阻尼，ζ>1为过阻尼；在ζ≥1时，式(2)的解不再是往复振动。在1>ζ>0之间为粘性阻尼振动段，振动幅值随时间指数衰减；ζ越大，振动随时间衰减越快；ζ较大时，水起到较大的粘性阻尼作用大，会使壳体在1～3个周期内就停止振动。
已有的研究表明，应变增长现象包括周期性爆炸载荷与壳体振动“共振”引起的应变增长现象，以及振动叠加形成的应变增长现象，机理十分复杂，但实验测量的“应变增长”均是发生在数个振动主周期之后的(刘文祥.球形爆炸容器的应变增长现象及机理研究[D].北京：北京理工大学,2017.)。所以用水介质使壳体振动在3个周期内停止，自然就消除了“应变增长”现象。再者，如果壳体振动能迅速停止，每次爆炸实验壳体达到疲劳强度的交变应力次数就会大大降低，这也就使得爆炸容器的使用寿命大幅度地提高。为了使壳体振动能迅速停止，在设计爆炸容器时，需要使ζ≥0.25，可以用式(3)中的ζ参数公式调整，使得有：
由式(4)中可见，ρ、c、μ、ρ0和c0都是材料数据,n是由爆炸容器采用球壳或柱壳形状决定的,所以当爆炸容器壳体材料与设计形状确定后，调整容器半径R与厚度δ的比值，即可调整粘性系数ζ。通过调整容器半径R与厚度δ的比值，使ζ≥0.25，即可壳体振动在1～3个周期内停止；达到降低或消除壳体的“应变增长”，提高爆炸容器使用寿命的目的。另外，粘性阻尼振动理论还说明，粘性阻尼ζ越大，受迫振动的幅值越小，也能直接提高爆炸容器的抗爆能力。
由上可见，本发明将爆炸容器置于水下的发明不仅限于球型或柱壳槽罐。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)相对于普通安置在地面上或埋设在砂土等固体介质中的爆炸容器，可防止容器破坏、进出口破坏所产生的飞散物与冲击波，解决了爆炸容器的本质安全问题。
2)处理含毒爆炸物时，可以防止有毒气体或气溶胶直接泄露在空气中，可保证环境安全。
3)水层对于爆炸容器的壳体振动起到阻尼消振作用，使疲劳振动次数迅速减少，大大地提高爆炸容器的使用寿命。
4)水较砂土等多孔介质的可压缩性小，更易传导输送冲击波，因此紧密包裹在爆炸容器四周的无空隙水层，更易吸收壳体的冲击动能，降低或消除壳体的“应变增长”，提高爆炸容器的抗爆能力。
5)将爆炸容器安装在岩石中或浇筑在混凝土中，尽管比置于水中更能提高壳体的抗爆能力，但脆性的岩石、混凝土在反复爆炸冲击下会产生破碎，易失去结构稳定性。再者，埋在砂石、混凝土、岩层或其他减振材料中的爆炸容器，也不利于对容器外侧损伤的安全观察与检验，容易产生安全隐患。而置于水中的爆炸容器彻底解决了这些问题，而且更便于实验设备的布设与安装。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2是无水球型爆炸容器壳体上的动应力图。
图3是水下球型爆炸容器壳体上的动应力图。
图中：1爆炸容器；2水；3池壁与岩层；4水面；5水面至爆炸容器主体的水深H；6爆炸容器主体的半径或半高度R；7拟静态应力σθs的时程曲线；8无水自由球壳(ζ＝0)的应力σθ时程曲线；9水中球壳(ζ＝0.5443)的应力σθ时程曲线。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
选用容器用钢Q345A实际爆炸容器，容器设计为半径R＝1.5m的球罐(n＝2)，壁厚δ取25mm(0.025m)。钢材的纵波声速c取5123m/s，密度ρ为7 850kg/m3,泊松比μ取0.3；水的声速c0取1 480m/s，密度ρ0为1 000kg/m3。以式(3)计算出壳体振动园频率ω＝5 773s-1。水阻尼的相对粘性系数ζ＝0.5443,满足小于等于0.25的要求。采用Q＝5kgTNT当量的炸药中心爆炸进行设计，在球壳内壁的正反射冲击波载荷取为
ΔP(t)＝6.307×106e-1786t(Pa)
将以上参数代入式(2)，采用杜哈美积分法求解式(2)振动方程，得出如附图2和附图3的应力时程曲线。由图中可见，σθs拟静态应力曲线7的最大值为157.7MPa，无水容器的环向应力σθ曲线8的最大值出现在第一个波峰上，其值为210.4MPa，约为材料强度345MPa的61％。图2中还可见，应力曲线8随时间在-150～150MPa之间发生周期振动，会造成疲劳问题，其疲劳强度极限至少取150MPa。在加水的图3中可见，应力曲线9最大值为110.4MPa，甚至小于无水容器的疲劳极限，大大地提升了容器抗爆能力。再者，应力曲线9较曲线8的形态发生了极大变化，应力曲线9不再发生往复振动，如果取最大值110.4MPa作为疲劳强度极限，爆炸容器使用寿命较无水的至少要高十到几十倍。
对于水深安全设计，将Q＝5kgTNT当量代入式(1),可求得H＝3.33m。考虑容器直径3m,加上1m的安装高度和0.67m的水面至地面高度，设计水池总深度为3.33+3+1+0.67＝8m。按爆炸容器周边加1m宽人行通道计，水池直径取为1+3+1＝5m。
Claims (2)
1.一种用水防护爆炸容器的方法，其特征在于，构建可抽注水并方便实验人员出入的水池，然后将爆炸容器安装在水池底部；爆炸实验时，首先抽干池水，由实验人员在爆炸容器中布置爆炸试验后，关闭并密封爆炸容器；将爆炸容器、测量与引爆线路均进行防水密封后，再向水池中注水；注水使爆炸容器顶部淹没在预设的水下深度H后，停止注水，进行爆炸实验；爆炸实验后，再将水池中的水抽出，打开爆炸容器，进行爆炸实验的回收与检查工作；根据爆炸容器的设计药量Q确定爆炸容器顶部淹没在预设的水下深度H大于等于
且不小于1.5m。
2.根据权利要求1所述的用水防护爆炸容器的方法，其特征在于，爆炸容器设计时，通过调整容器半径R与壁厚δ的比值，使水阻尼的相对粘性系数ζ大于等于0.25。
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Application publication date: 20210108 Assignee: LIAONING HUAYANG NEW Group Assignor: DALIAN University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980050240 Denomination of invention: A method of using water to protect explosive containers Granted publication date: 20211015 License type: Common License Record date: 20231205 |