換流變壓器閥廳抗爆門抗沖擊性能實驗研究

楊黎波，趙欣宇，董一夫，付萬璋，任家帆

(1.國網電力科學研究院 武漢南瑞有限責任公司，武漢430074；2.南京理工大學 化工學院，南京 210094)

抗爆門主要用于石油化工、電力工業、石油化工、軍工、部隊等工業建筑的各種房間，以及輔助建筑的各種房間[1]，諸如避難所、變電站、控制室或通道等。近年來在國內外爆炸事故頻繁發生，因抗爆門性能不足造成的殉燃殉爆導致損失大幅增加，因此抗爆門在確保生命財產安全方面發揮著重要作用。

對于不同應用領域的抗爆門的性能和設計理論，國內外人員做了很多有意義的研究。許柯等人通過數值模擬研究了高阻尼橡膠在加固防護門方面的效果和機理[2,3]，并通過設計激波管實驗，驗證了數值模擬的可靠性，研究發現橡膠板和鋼板存在一個使加固效果提升明顯的最優厚度范圍。張寅等人通過數值模擬利用等效TNT的方法研究了結構設計對抗爆門抗爆性能的影響[4]，結果表明，通過增大防爆門迎爆面的面板厚度及其內部骨架梁數能夠顯著的提高抗爆性能。Yan等人分析了邊長比、阻尼比、爆炸荷載等因素對抗爆門的影響[5-7]，結果表明：隨著邊長比的增大，正、負剪力峰值逐漸減小，此外，在爆炸荷載作用下，阻尼比和相對正剪切力幾乎沒有影響，甚至可以忽略，但對負剪切力的影響很大。譚朝明、肖長亮等人通過有限元軟件LS-DYNA，對抗爆門在爆炸沖擊載荷作用下的動力響應進行分析，獲得其整機及局部等位移變化、應力分布等參數，為抗爆門設計提供依據[8-10]。

盡管國內外研究人員對抗爆門的性能、設計理論等進行了大量研究。但是，有關換流變壓器閥廳抗爆門設計的數據相對較少，在實際設計中，由于抗爆效果不同、應用條件不同、抗爆門尺寸不同，因此應對抗爆門的工程設計應該根據具體情況進行測試和驗證。

換流站是直流輸電線路最重要的節點，保證換流站安全、穩定運行是直流輸電的關鍵，換流變壓器是換流站最重要的設備之一。當換流變因故障發生火災時，由于壓力瞬間增大，變壓器油熱解產生蒸氣，可能會引起嚴重爆炸事故[11]，對閥廳內設備產生嚴重的破壞，造成巨大的經濟損失。因此需要在不影響換流變正常運行的前提下，采取必要的設備防護措施，最大程度降低火災爆炸事故下造成的經濟損失。本文通過對有泡沫鋁填充及無泡沫鋁填充的換流變壓器區域抗爆門進行TNT爆炸沖擊試驗，驗證抗爆門的抗沖擊性能。

1 爆炸荷載的確定

爆炸發生時，爆炸載荷經常以沖擊波形式作用在建構物上，爆炸的時間、位置和方式不確定，這增加了抗爆設計的難度。但是，爆炸對建構物的破壞屬于沖擊破壞，即爆炸載荷具有作用時間短，強度高的特點。為了簡化計算，根據“超壓的峰值相等，正壓的脈沖相同”的原理，將爆炸發生時產生的空氣沖擊波的超壓簡化為三角波，而不需要增壓階段。抗爆門的抗爆載荷公式如下

(1)

式中：Pmax為最大脈沖壓力值；t為沖擊荷載作用時間。

2 抗爆門抗爆性能實驗方案

2.1 試驗材料及設備

2.1.1 試驗樣本

本次實驗樣本有四個，其中樣本1和樣本3均為304不銹鋼方管框架和Q235鋼門扇構成的無填充樣本，樣本2和樣本4均為在樣本1、3中填充泡沫鋁，泡沫鋁厚度為60 mm。抗爆門門扇長為1.5 m，寬為1 m，厚度為3 mm。方鋼壁厚6 mm，長寬均為80 mm。具體樣本如圖1和圖2所示。

圖 1 無填充樣本Fig. 1 Unfilled samples

圖 2 有填充樣本Fig. 2 Filled samples

2.1.2 試驗設備

(1)自由場傳感器：美國PCB公司產本，型號113B系列，量程(0～3.4)MPa，靈敏度1.45 mV/kPa。壓力傳感器利用石英晶體的壓電效應把壓力信號轉換成電信號，后續的儀器對電信號進行調理和記錄，得到壓力波形曲線。

(2)數據采集系統：Elsys數采系統，該釆集系統兼有數據采集、存儲、處理、計算等功能，共有16個通道，通道釆樣頻率1 MHz/s。

除了上述儀器之外還有地面壓電傳感器、應變片、無人機、單反、DV等。

2.1.3 實驗設備工作原理

(1)壓力測試工作原理

壓力測試系統的工作原理如下：當爆轟波或沖擊波超壓信號傳到壓力傳感器時，傳感器將壓力信號轉變成電荷信號，然后經電荷放大器轉換為相應的電壓信號，再經數據釆集系統采集儲存，由計算機對數據分析處理，就可以得到相應的壓力信號隨時間變化曲線，以及沖擊波的各項參數。

(2)應變片測試原理

通過將應變片貼合在樣本上，當樣本受到沖擊產生形變時，此形變同樣的作用與應變片，這種形變導致了其端電阻變小。通過測量應變片的電阻，可以演算出其覆蓋區域的應變。

2.2 實驗方法

換流變壓器的爆炸危險主要體現在變壓器油的的危險性上，變壓器油高溫熱解，生成大量氫氣和其他烴類氣體，因此可認為變壓器油的爆炸為可燃氣體與空氣中的氧氣混合后發生化學爆炸。通過前人的研究以及實際事故調研可以發現，閥廳爆炸事故類型為爆燃，而以上氣體混合物的最大爆燃壓力接近1 MPa，因此選用1 MPa作為實驗研究的最大沖擊波超壓。實驗選取TNT當量為1 kg壓裝藥柱，根據所用TNT藥柱的超壓-距離數據確定施加要求超壓的對應距離。實驗參數如表1所示。

表 1 實驗參數Table 1 Experimental parameters

實驗中TNT藥柱中心與抗爆門中心處于同一高度。左右兩側距樣本等距離各30°處布置兩個自由場傳感器，高度與TNT藥柱中心高度一致；左右兩側地面上距樣本直線距離相等處各30°處布置兩個普通壓電傳感器，其示意圖如圖3所示。

圖 3 試驗平面布置圖Fig. 3 Test layout

樣本背面應力較為集中的幾個典型位置貼上應變片。試驗時，同時將高速攝像機、攝像機、紅外熱成像儀放置在安全距離處對樣本進行拍攝，無人機于藥柱正上方100 m處記錄試驗過程。試驗方法引用的標準為：GJB—5412《燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數測試及爆炸威力評價方法》以及GJB—5232.4《戰術導彈戰斗部靶場試驗方法》。

由于帶泡沫鋁填充的樣本2和樣本4內部無法添加應變片，因此只給樣本1和樣本3在門扇背面布置6個應變測點。其中1#～4#位于門扇背面加筋處，垂直于方鋼，5#和6#位于背面加筋板中心，呈90°布置，背面加筋板中心布置加速度測點1個，如圖4所示。

圖 4 抗爆門正反面Fig. 4 Front and back of anti explosion door

3 實驗結果分析

3.1 實驗超壓

表2為實驗過程中的超壓測量結果。由表2可以看出：空中超壓由自由場傳感器測得的是入射超壓，與預計設定超壓基本保持一致，實驗精度控制較好。

表 2 實驗超壓Table 2 Overpressure test results

3.2 應變實驗結果

3.2.1 樣本1應變實驗結果

爆炸造成能量急劇釋放，將爆炸材料轉變成高溫、高壓的氣體。這些高壓氣體相對應的壓力陣面沿徑向傳入周圍空氣，從而形成一個熾熱的氣體驅動并支持著的強沖擊波。

沖擊波載荷施加在抗爆門面板上，面板在其作用下發生局部的相對變形，即應變。應變表示的是長度的相對變化量，是形變量與原來尺寸的比值，用ε表示。

本設備所測得的應變為微應變，是單位長度光纖的相對相對變化量，描述極其微小的形變，用符號με表示，其與應變的關系為ε=106με。通過對應變的分析，能夠根據材料屬性判斷在該外力作用下材料是否失效。

樣本1實驗過程中自由場壓力設計值為300 kPa，其測試結果如圖5所示。

本次試驗門扇材料為Q235鋼，其在沖擊波作用下屈服的微應變με臨界值為1679。從圖5試驗數據可知，所有測點均未超過屈服應變，其中2#和5#應變測點在沖擊波作用下振動脫落失效。

圖 5 樣本1應變和加速度時程曲線Fig. 5 Sample 1 residual strain and acceleration time history curves

圖 6 樣本3爆炸沖擊過程中應變曲線Fig. 6 Sample 3 residual strain time history curve

可見，該門扇結構在自由場壓力355.916 kPa荷載作用下，測點位置變形較小，保持為彈性狀態。但爆炸產生的鋼板振動很大，加速度峰值已經超過40 000 m/s2。

3.2.2 樣本3應變實驗結果

樣本3實驗過程中，自由場壓力設計值為1000 kPa。下圖顯示了樣本3不同位置處的應變動態分布：從圖6可見，只有3#測點應變峰值較小，在彈性范圍內，其余各點在爆炸沖擊作用下的應變峰值均超過屈服應變。其中，5#測點微應變最大峰值達到2600，6#測點微應變最大峰值達到3100。2#測點與4#測點為對稱排布，實驗過程中2#測點與加速度計在沖擊波作用下振動脫落失效。可見，該門扇結構在自由場壓力929.445 kPa載荷作用下，測點位置出現塑性變形，加筋鋼板中心的不可恢復的變形量最大。

3.3 凹陷深度

圖7顯示了4種樣本在TNT爆炸實驗后抗爆門面板最大凹陷程度的對比圖，表3展示了其最大凹陷程度的數值對比。

表 3 實驗后凹陷深度對比Table 3 Depression thickness before and after the experiment

圖 7 實驗前后凹陷深度Fig. 7 Depression thickness before and after the experiment

由實驗結果可知，有填充的抗爆門在兩種強度沖擊波超壓作用后，凹陷分別為2 mm和3 mm；無填充的抗爆門在兩種強度沖擊波超壓作用后，凹陷分別為4 mm和12 mm。在同樣強度的爆炸載荷下，帶泡沫鋁填充的抗爆門抗爆性能更好。并且隨著爆炸載荷的增加，無填充抗爆門凹陷程度顯著增加，而帶填充抗爆門凹陷程度增加不明顯。說明有填充抗爆門有效的抵消了爆炸載荷增加后所帶來的破壞。因此當爆炸沖擊波載荷強度越大，有填充的抗爆門抗爆性優勢越發明顯。

4 結論

通過抗爆實驗，研究了不同壓力載荷下有泡沫鋁填充與無泡沫鋁填充抗爆門的抗沖擊性能，得到以下結論：

(1)通過抗爆實驗以及應變片測量可較好描述爆炸沖擊波荷載作用下抗爆門的動力特性。

(2)無泡沫鋁填充的門扇結構在沖擊波超壓355 kPa作用下，鋼板變形較小，保持為彈性狀態。但爆炸產生的鋼板振動很大。門扇結構在沖擊波超壓929 kPa作用下，鋼板存在塑性變形。

(3)在爆炸載荷增加約3倍的情況下，無填充抗爆門的面板凹陷程度也增長了3倍，而有填充抗爆門凹陷程度僅增加了1.5倍。因此隨著載荷強度的增加，有填充的抗爆門抗爆性優勢越發明顯。