氣密封高壓試驗爆炸模擬分析

周兆明，萬 夫

(川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院，四川廣漢 618300)

高壓氣密封試驗系統可提高井口及井控裝置的可靠性，減少和避免井噴失控著火事故的發生。該系統能對采(油)氣井口、節流壓井管匯、防噴器、套管頭、平板閥等進行氣密封試驗，促進國產井口裝備質量的提高［1］。氣密封試驗結果可為生產廠、用戶提供設計、生產、裝備及使用方面的質量改進信息。本文對閥門氣密封試驗時意外發生爆炸的情況進行模擬分析。閥門容腔破裂時會以極高速度釋放內在能量(即爆炸能量)，一小部分使容器所裂物以較高速度向四周拋出，撞擊周圍的設備或建筑物，造成人身傷亡;更大部分能量則產生沖擊波，造成大面積的強烈振動與破壞［2］。本文分析了爆炸沖擊波對氣密封試驗防護結構的影響，對密閉氣壓容器爆炸產生的沖擊波撞擊四周防護結構進行了數值模擬，并基于有限元程序ANSYS/LS-DYNA對爆炸進行模擬試驗，在確定合適的模型及參數后對其進行爆炸作用下的應力狀態分析。研究結果不僅可為高壓試驗爆炸危害的安全評估提供計算方法，而且可為試驗倉的結構設計和材料選擇提供理論依據。

1 物理過程分析

氣密封高壓試驗中試件爆炸是個復雜的物理過程，爆破能量在向外釋放時以沖擊能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式表現出來。大部分能量產生空氣沖擊波。沖擊波除能直接傷人外，還可以摧毀廠房等建筑物，產生更大的破壞作用。沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的。爆炸時氣體體積急劇膨脹，產生巨大的二次壓力，超壓與二次壓力形成合力沖擊本體，造成碎片亂飛的狀況。高壓氣密封試驗導致的爆炸屬于物理爆炸。物理爆炸就是物質狀態參數(溫度、壓力、體積)迅速發生變化，在瞬間放出大量的能量并對外做功的現象［3］。物理爆炸的特點:在爆炸現象發生過程中，造成爆炸發生的介質的化學性質不變，發生變化的僅是介質的狀態參數。物理爆炸如高壓容器破裂時，氣體膨脹所釋放的能量不僅與氣體壓力和容器的容積有關，而且與介質在容器內的物性相態有關。對這個復雜物理過程進行模擬時只能對其中幾個物理過程進行相似化處理。

氣體膨脹可換算為等量的炸藥爆炸，用等效的TNT炸藥代替氣體爆炸。下面根據氣密封試驗的尺寸做如下假定:氣密封高壓試壓試件的容積為0.027 m3，最高試壓壓力為140 MPa。高壓容器試件做氣密封試驗所用的氣體介質為空氣，以氣態存在容器中。因此，當其發生爆炸時，釋放的爆破能量為［4－5］

式中:Eg為氣體的爆破能量(kJ);P為容器內氣體的絕對壓力(MPa);V為容器的容積(m3);k為氣體的絕熱指數，空氣的k值為1.4。

根據 V=0.027 m3，p=140 MPa計算得出氣體爆破能量為

爆破能量換算成當量ETNT。1 kg TNT爆炸所釋放的能量為4 500 kJ/kg，Q=Eg/ETNT=1.834 kg。

2 氣體爆炸模型建立

氣密封試驗爆炸時空氣沖擊波產生的能量擴散物理模型如圖1所示。氣體爆破能量等效為TNT炸藥爆炸的能量釋放。根據氣密封試驗計算模型的對稱性，取1/4結構建立三維模型進行計算。計算模型見圖1。藍色為覆蓋試件的水，淹沒試件1.5 m深，水的上表面假設覆蓋為鋼板，作為預防爆炸的安全防護，紅色立方體為簡化的氣密封高壓試件的等效體積，為0.027 m3。

采用ANSYS/LS_DYNA動力有限元軟件對等效TNT炸藥在空氣中爆炸產生的空氣沖擊波對四周鋼板的沖擊作用進行數值模擬計算。對炸藥及其他流體材料采用Euler算法，對其他的結構采用Lagrange算法，然后通過流固耦合的方式來處理相互作用。JWL狀態方程能精確描述凝聚炸藥的圓桶試驗過程，且具有明確的物理意義，因而在彈藥設計和爆炸數值模擬中得到了廣泛應用。本文對爆轟產物采用JWL狀態方程，而對于空氣則近似采用理想氣體狀態方程。采用*MAT_HIGH EXPLOSIVE BURN來定義炸藥材料，用JWL狀態方程來描述壓力與體積應變之間的關系［6］，其關系為

其中:A、B、R1、R2、ω 為狀態方程參數;p 為壓力;V為相對體積;E0為初始比內能。研究TNT的爆炸場時［7］，A=3.737 7，B=0.037 47，C=0.007 36，R1=4.15，R2=0.9，ω =0.9。

空氣與水采用*MAT_NULL材料模型［8］。在對流體材料處理的過程中，需要同時使用兩種方式來描述材料，用本構模型和狀態方程來同時描述一種材料的特性。用本構模型描述 Δσij'和Δεij'的關系;用狀態方程EOS描述ΔP和Δν/v的關系，即體積變形和壓力之間的關系。

鋼板的材料模型采用* MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型和EOS_GRUNEISEN狀態方程。

圖1 爆炸沖擊有限元模型

3 爆炸沖擊結果分析

采用顯式動力學方法進行計算。對K文件的關鍵字進行修改，加入炸藥TNT的計算方程，采用歐拉多物質耦合算法進行計算。圖2與圖3為爆炸后沖擊波的分布情況，計算單位為cm-g-μs。圖2、3中采用的壓強單位為1.0×105MPa。隨著爆炸的進行爆壓在液體中逐漸衰減，爆炸持續到138 μs時最大壓力為773 MPa，到179 μs時壓力達到573 MPa。爆炸產生的瞬間沖擊波在水中瞬間擴散，沖擊到覆蓋上面的鋼板。從圖中也可以看出沖擊波在水中四周擴散的形態，最大能量集中在沖擊波的前端。

圖2 爆炸138 μs時壓力分布

圖3 爆炸179 μs時壓力分布

圖4～6給出了鋼板受爆炸沖擊后的等效應力分布情況，計算單位為cm-g-μs，采用的壓強單位為1.0×105MPa。從圖4～6可以看出爆炸產生的沖擊波使鋼板的應力波隨時間擴散的形態，以及逐漸擴散到整個鋼板時的受力。爆炸持續到118 μs時鋼板的最大等效應力為317 MPa，爆炸持續到138 μs時鋼板的最大等效應力為290 MPa，到179μs時最大等效應力為265 MPa。根據鋼板最大屈服強度，在受爆炸沖擊后鋼板未發生屈服變形。

圖4 爆炸118 μs時鋼板的等效應力

圖5 爆炸138 μs時時鋼板的等效應力

圖6 爆炸179 μs時時鋼板的等效應力

在覆蓋鋼板中心點取一個單元，圖7是該單元在沖擊波影響下等效應力隨時間變化的曲線。該單元受到的最大等效應力為480 MPa，隨著爆炸的衰減等效應力逐漸減小。根據結構的受力特點，鋼板中心的等效應力強度最大，鋼板其他部位的等效應力強度相對較小。在沖擊波載荷的作用下，材料的屈服強度將比靜態時提高約1倍，鋼材的動態屈服強度 σs≥490 MPa。由圖7可見:鋼板底端的等效應力強度小于鋼材的動態屈服強度，氣密封試驗的防護鋼板在空氣沖擊波的沖擊作用下未產生屈服。

圖7 鋼板129500單元的等效應力隨時間的變化曲線

4 結論

1)采用流固耦合算法模擬爆炸能很好地模擬爆破、沖擊的物理過程，再現高速沖擊的全過程。

2)采用等效TNT藥量爆炸替代高壓容器氣體爆炸，可對高壓容器爆進行數值模擬計算。高壓爆破通過物理過程高壓沖擊波的擴散進行數值模擬，此過程對鋼板產生的最大沖擊等效應力為480 MPa。

3)可按照鋼板承受沖擊產生480 MPa等效應力來計算防護鋼板的厚度。高壓試驗時建議加深水池中水的深度以減緩爆炸及碎片的破壞力。

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