一种用水防护爆炸容器的方法
文献发布时间:2023-06-19 09:29:07
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/m
Q=q
进而根据上式得到不产生飞散物的水下爆炸水深公式,将q
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;σ
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;ρ
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、ρ
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σ
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/m
ΔP(t)=6.307×10
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,σ
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。
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