帶環(huán)縫多層鋼筒抗爆能力實(shí)驗(yàn)研究

梁志剛 徐海斌 劉峻嶺 馬艷軍 王占江

西北核技術(shù)研究所

帶環(huán)縫多層鋼筒抗爆能力實(shí)驗(yàn)研究

梁志剛 徐海斌 劉峻嶺 馬艷軍 王占江

西北核技術(shù)研究所

為了驗(yàn)證多層圓柱鋼筒環(huán)接縫不同處理方式在爆炸沖擊載荷作用下的抗爆能力，加工了外形尺寸和材料相同，但結(jié)構(gòu)不同的3種試驗(yàn)圓柱鋼筒，進(jìn)行了多輪中心加載試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在1%～5%設(shè)計(jì)應(yīng)變范圍內(nèi)，集中爆炸沖擊載荷下多層圓柱鋼筒環(huán)接縫焊接與否對(duì)其抗爆能力的影響不顯著。

爆炸容器能實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸破壞有效限制，實(shí)現(xiàn)保護(hù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境安全，因此，被廣泛運(yùn)用于各民用和國(guó)防領(lǐng)域，是爆炸沖擊實(shí)驗(yàn)室的必備設(shè)備。國(guó)內(nèi)外對(duì)于爆炸容器結(jié)構(gòu)研究大多集中在單層結(jié)構(gòu)方面，而對(duì)于多層容器結(jié)構(gòu)研究不多，參考資料也很少。

對(duì)于柱形容器，由于爆炸載荷沿圓柱形鋼筒軸向衰減很快，所以柱形爆炸容器研制主要是解決容器爆心部位抗爆結(jié)構(gòu)的力學(xué)安全。一般的方法是通過(guò)對(duì)容器中心部位進(jìn)行局部多層加厚增強(qiáng)。由于工藝原因，加強(qiáng)鋼筒會(huì)存在對(duì)接環(huán)縫，接環(huán)縫處理工藝對(duì)多層結(jié)構(gòu)抗爆能力是否有影響，有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

通過(guò)數(shù)值模擬，圓柱鋼筒上多層加強(qiáng)層環(huán)接縫焊接與否對(duì)抗爆能力有些影響，如縱縫不焊接其抗爆能力有所減弱，但影響不大。但在爆炸載荷下多層結(jié)構(gòu)的受力情況和結(jié)構(gòu)響應(yīng)很復(fù)雜，影響其抗爆能力的不確定因素很多，準(zhǔn)確計(jì)算分析的難度很大。為了驗(yàn)證理論結(jié)果，為以后的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)，設(shè)計(jì)加工了三種相同外形尺寸和材料，但結(jié)構(gòu)不同的試驗(yàn)鋼筒，分別稱為鋼筒Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。對(duì)其進(jìn)行了系列集中裝藥中心加載抗爆試驗(yàn)，并對(duì)其抗爆能力進(jìn)行了分析研究。

試驗(yàn)裝置

鋼筒Ⅰ為單層鋼筒。鋼筒Ⅱ由內(nèi)筒體和4層層筒組成，層筒壁厚1.5mm。層筒套裝在內(nèi)筒體上。鋼筒Ⅲ也由內(nèi)筒體和4層層筒組成，內(nèi)筒體結(jié)構(gòu)尺寸與鋼筒Ⅱ相同。層筒共4層，每層層筒由長(zhǎng)度為80mm、60mm、40mm、20mm的短筒排列組成，每層5個(gè)短筒，層筒壁厚為1.5mm，層與層間各短筒環(huán)接縫軸向錯(cuò)開(kāi)一定距離。具體結(jié)構(gòu)如表1。具體結(jié)構(gòu)排列組合順序?yàn)椋旱谝粚油补?jié)順序?yàn)?0mm、80mm、80mm、80mm、40mm；第二層筒節(jié)順序?yàn)?0mm、80mm、80mm、80mm、60mm；第三層筒節(jié)順序?yàn)?0mm、80mm、80mm、80mm、20mm；第四層筒節(jié)順序?yàn)?0mm、80mm、80mm、80mm、40mm。保證了爆心環(huán)面無(wú)層筒對(duì)接環(huán)縫，距爆心環(huán)面最近的環(huán)縫到爆心的距離為20mm，約為筒體半徑的三分之一。

表1 兩類試驗(yàn)筒體結(jié)構(gòu)尺寸

表2 試驗(yàn)鋼筒實(shí)際測(cè)量爆心環(huán)向應(yīng)變

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

圖2 三種當(dāng)量加載下三種結(jié)構(gòu)鋼筒外壁應(yīng)變的實(shí)際測(cè)量結(jié)果

圖3 試驗(yàn)后鋼筒狀態(tài)

試驗(yàn)安排

分別用60g、100g和120gTNT當(dāng)量裝藥量對(duì)三種試驗(yàn)圓柱鋼筒進(jìn)行爆炸試驗(yàn)。炸藥為球形炸藥，用小藥球中心起爆，以保證爆炸載荷的對(duì)稱性。采用線裝藥密度為0.5gRDX/m、直徑1mm的柔爆索起爆。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩個(gè)半球主裝藥和中心1gTNT當(dāng)量引爆小藥球組成，小藥球用微米級(jí)PETN粉壓制而成。主裝藥為TNT/RDX（40/60）澆鑄，密度為1.6g/cm3。藥球引爆序列為雷管引爆柔爆索，柔爆索引爆小藥球，小藥球起爆主炸藥。

為確保藥球的安裝定位精度，藥球通過(guò)1.5mm厚的有機(jī)玻璃板十字支架固定在鋼筒內(nèi)中心位置（簡(jiǎn)稱爆心）。此結(jié)構(gòu)既能保證藥球的精確定位，又能減小其對(duì)爆炸沖擊載荷的干擾。試驗(yàn)時(shí)鋼筒兩端不進(jìn)行封閉。試驗(yàn)鋼筒全部采用同一型號(hào)、同一批次20號(hào)鋼加工，材料延伸率≥20%。

試驗(yàn)結(jié)果

分別用三種不同藥量對(duì)三種鋼筒進(jìn)行了試驗(yàn)，由于試驗(yàn)鋼筒爆心沖擊振動(dòng)非常大，造成爆心部位大部分應(yīng)變計(jì)被震掉，無(wú)法完整地記錄筒體變形過(guò)程，后來(lái)通過(guò)在應(yīng)變計(jì)上安裝阻抗大的小質(zhì)量塊，有所改善，但120gTNT當(dāng)量試驗(yàn)時(shí)還是沒(méi)有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到完整的應(yīng)變信號(hào)。試驗(yàn)后鋼筒產(chǎn)生了較大的塑性變形，通過(guò)多次測(cè)量鋼筒爆心環(huán)面的殘余應(yīng)變并取其平均值，可以得到爆心環(huán)面的實(shí)測(cè)環(huán)向應(yīng)變，如表2所示。

圖2是試驗(yàn)后鋼筒應(yīng)變沿軸向分布實(shí)際測(cè)量結(jié)果，由圖可見(jiàn)，每一種當(dāng)量加載下，鋼筒層筒環(huán)縫不焊接時(shí)比焊接時(shí)爆心截面環(huán)向應(yīng)變略大，但差距不大。圖3是三種當(dāng)量下的三種鋼筒變形情況。

結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)鋼筒均有塑性變形，變形較均勻，表明中心起爆的炸藥球載荷基本均勻加載在鋼筒內(nèi)壁上。由試驗(yàn)結(jié)果可得，設(shè)計(jì)變形應(yīng)變?cè)?～5%的多層鋼筒，其層筒環(huán)接縫焊接于否對(duì)其抗爆能力影響不大。