爆炸沖擊波隔離防護裝置的試驗及研究

閆 欣，殷木良，駱成漢，徐 東，曹 毅

(1. 中國船舶集團公司 第七一八研究所，河北 邯鄲 056027；2. 常州市匯豐船舶附件制造有限公司，江蘇 常州 213025)

0 引 言

現代艦船對核爆炸時的防護主要通過對密閉的防護艙室不斷提供經過高效過濾的潔凈空氣，以保護艦員的生命安全和主要設施防放射性氣溶膠污染。因此濾毒通風裝置是防護系統的關鍵設備，裝置中的微粒過濾器具有高效過濾性能（過濾精度達到0.1 μm），可有效濾除爆炸空氣中的放射性微粒，但其承受的沖擊波超壓只能 ≤ 10 kPa，而艦船在戰時環境下，要求裝置耐受沖擊波超壓為60～70 kPa。為了戰時保護濾毒通風裝置可靠有效運行，保護艙室防護區內人員的生命安全，在濾毒通風裝置進氣通道前端必須進行爆炸沖擊波的隔離和防護。

1 爆炸沖擊波的主要特性

爆炸沖擊波是以大氣局部瞬態壓力引起的局部空氣的高速運動，其具有沖擊強度大、峰值上升時間短（毫秒級）和壓力大（超大氣壓，100 kPa量級）的特點，可對沖擊波作用范圍內的設施造成嚴重破壞。由于爆炸時一般為突發性，對其產生的爆炸沖擊波均難以進行捕捉、檢測和控制。通過在一個特定密閉容器內使用定量炸藥爆炸模擬產生沖擊波的辦法，依靠計算機測控系統，通過大量的試驗研究，掌握了爆炸沖擊波的基本特征、作用原理和控制方法，從而為研究設計爆炸沖擊波的隔離防護裝置（即抗沖擊波閥）奠定基礎。

2 抗沖擊波閥門的性能要求

2.1 極高靈敏度的瞬時感知、閉合性能

爆炸沖擊波在大氣中傳播速度一般為4 500～8 800 m/s，所以要求抗沖擊波閥在沖擊波到達之際前的瞬間能感知沖擊波并立即關閉，及時切斷沖擊波進入進氣管道，閉合時間應≤1～2 ms，避免濾毒通風裝置遭沖擊波超壓破壞，保證裝置安全運行。

2.2 通風阻力小、沖擊波消失后能及時復位

對HFB系列抗沖擊波閥，在額定流量時流動阻力320 Pa，當沖擊波消失后，抗沖擊波閥能夠迅速開啟，保證通風流道的暢通，并使空氣流動阻力達到最小。

≤

2.3 超強的沖擊波隔離過濾性能

標準要求艦船防護設備的抗沖擊波超壓值為60～70 kPa，而艦船濾毒通風裝置高效濾器安全承壓為≤10 kPa，要求抗沖擊波閥門在沖擊波來臨，閥前超壓達到60～70 kPa時，閥后泄漏的超壓應 ≤10 kPa，對沖擊波的隔離過濾能力應達到85%～90%。

2.4 環境適應性強

抗沖擊波閥閥板要求強度高、質量輕，耐沖擊性好、形變小，閥體、閥蓋等主要零部件采用不銹鋼薄壁鑄件，主從動盤采用高分子聚酯材料，滿足耐沖擊、質量輕、強度高，適應船舶振動、搖擺、高低溫和防腐的環境要求。

3 抗沖擊波閥的主要技術指標

根據GJB4000-2000對艦船設備的抗沖擊波要求以及濾毒通風裝置的抗沖擊波超壓性能，提出抗沖擊波閥的主要技術指標（以HFB150型抗沖擊波閥為例）：

1）閥門通徑DN150 mm；

2）管道空氣壓力0.1 MPa；

3）閥前沖擊波超壓10～70 kPa；

4）閥后沖擊波余壓≤10 kPa；

5）空氣流動阻力 ≤320Pa（風量為600 m3/h時）；

6）空氣額定流量600 m3/h；

7）能源條件不消耗能源能自動啟閉。

4 抗沖擊波閥的設計

4.1 設計方案

由于爆炸具有突發性，無法預測和捕捉，同時爆炸產生的沖擊波在空氣中傳播的速度一般均超過6 500 m/s，目前國內尚沒有一種傳感聯動機構能滿足爆炸沖擊波的采集和信息傳遞，以使抗沖擊波閥動作的裝置。為此采用依靠沖擊波自身的超壓動能，瞬間轉換成抗沖擊波閥工作勢能的辦法，自主研發抗沖擊波閥。當沖擊波來臨的瞬間，通過抗沖擊波閥的阻尼閥板（感知元件）隨沖擊波同時運動，使閥門瞬間關閉即時隔斷沖擊波，達到隔離防護沖擊波的要求。在沖擊波消失后，依靠復位彈簧力使閥板復位，使進氣流道暢通，保證濾毒通風裝置的正常運行。經過大量試驗研究于2002年首次研制成功HFB150型抗沖擊波閥。

4.2 抗沖擊波閥的結構組成

HFB150型抗沖擊波閥主要由導流罩、感應帽、阻尼板、定位銷、濾波板、回位彈簧、閥體等組成，如圖1所示。

圖1 抗沖擊波閥結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of anti-shockwave valve structure

4.3 抗沖擊波閥的主要工作原理

抗沖擊波閥一般安裝在濾毒通風裝置進氣通風管道的前端，根據風量大小，目前已研制完成通徑DN150、通徑DN200、通徑DN250等型號。

4.3.1 閥門開啟

平時，抗沖擊波閥在回位彈簧作用力下，頂起阻尼板，使之與濾波板保持特定的間隔，使閥門主流道打開。空氣通過感應帽、導流罩、阻尼板的四周主通道進入閥后，此時流道阻力最小，氣流暢通。濾毒通風裝置運行時，抗沖擊波閥處于長期開啟狀態，保證新風的進入（見圖2）。

4.3.2 閥門閉合

當爆炸沖擊波進入閥門的瞬間，感應帽及阻尼板同時在沖擊波作用下，克服彈簧力向濾波板運動，以極短的時間（1～2 ms）主流道瞬間關閉。在定位銷的導向作用下，阻尼板與濾波板閉合時，兩塊板上各自的濾波孔產生特定錯位，通孔的大部分流通面積被相互遮蓋，未被遮蓋的通道邊緣，形成了大量的微小間隙，依靠流體力學的管嘴出流原理阻隔沖擊波通過，產生濾波效應，可在瞬間把極大部分沖擊波動壓隔離、阻斷在閥前，只有絕少量的余波壓力泄漏到閥板后面，形成安全的沖擊波余壓（見圖3）。

圖2 閥門開啟狀態通風示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the valve opening state for ventilation

圖3 閥門閉合狀態濾波示意圖Fig. 3 Schematic diagram of valve closed state for filtering

4.4 模型的流體仿真分析

在產品開發過程中，運用流體仿真分析軟件對該抗沖擊波閥隔離防護爆炸沖擊波的性能進行了仿真分析。通過給定閥前超壓，設定相應的邊界條件，模擬出了不同閥前超壓情況下的閥后余壓情況，圖4和表1列出了仿真分析的結果，結果表明抗沖擊波閥門在關閉情況下可以很好地隔離爆炸沖擊波壓力，滿足技術指標提出的閥前超壓10～70 kPa、閥后余壓 ≤10 kPa的要求。

圖4 閥前超壓70 kPa和10 kPa時抗沖擊波閥壓力分布仿真結果Fig. 4 Simulation results of anti-shockwave valve pressure distribution as frontal over pressure 70 kPa and 10 kPa

表1 仿真計算結果Tab. 1 Simulation calculation results

圖5 爆炸沖擊波模擬試驗檢測裝置原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the detection device for the blast shock wave simulation test

5 抗沖擊波閥的模擬試驗驗證

5.1 爆炸沖擊波模擬試驗檢測裝置

為了滿足抗沖擊波閥的試驗研究需要，根據GJB2062-94《軍用過濾吸收器通用規范》附錄B的要求，建立一套爆炸沖擊波模擬產生裝置和爆炸沖擊波強度檢測系統的集成試驗平臺，裝置原理圖如圖5所示。在一個設計的特定大型容器內，用定量炸藥爆炸產生沖擊波的方法，模擬大氣環境中的爆炸沖擊波。通過爆炸沖擊波的定向發射管道，對被測閥門抗沖擊波強度、作用時間、濾波能力等項目進行檢測分析，經過數千次的試驗研究，從爆炸沖擊波的產生、試驗參數設定、傳感器選擇、試驗裝置設計制作和試驗控制程序的編制等研究積累了一系列爆炸沖擊波模擬與檢測分析技術，取得了相關的試驗控制參數和預期的試驗環境，實現了爆炸沖擊波強度檢測試驗的計算機測控。這些工作不僅有助于在不同沖擊波作用下對被測裝置的抗沖擊波強度、過濾沖擊波能力進行試驗驗證，也有助于爆炸沖擊波試驗檢測平臺的建設和相關防護工程產品的研發。

5.2 抗沖擊波性能檢測

閥門的抗沖擊波性能可以通過精確測量被測物前端所承受的沖擊波強度和后端的余壓強度來判斷其隔離沖擊波的性能。通過引入計算機數據采集系統，高速記錄閥前和閥后壓力的變化歷程，檢測數據以圖形曲線形式直觀地對比在沖擊波作用下閥門前后壓力變化過程及差異，圖6～圖8的抗沖擊波試驗曲線清晰地顯示出閥前與閥后的沖擊波強度變化和被測物體的抗沖擊波性能。

分析抗沖擊波閥對爆炸沖擊波響應的圖形曲線，可以看出：

1）獲得作用于物體的沖擊波波峰高度及其最大強度；

2）從整個沖擊波的作用時間即從沖擊波作用起始到沖擊波泄漏至與被測物后端余壓等幅值的時間，可以評估該濾波裝置的過濾沖擊波能力；

圖6 閥前沖擊波強度為60 kPa的濾波曲線Fig. 6 Pressure curve of 60 kPa shock wave intensity before the valve plate

圖7 閥前沖擊波強度為70 kPa的濾波曲線Fig. 7 Pressure curve of 70 kPa shock wave intensity before the valve plate

圖8 閥前沖擊波強度為15 kPa的濾波曲線Fig. 8 Pressure curve of 15 kPa shock wave intensity before the valve Plate

3）通過對被測物體在試驗前后形狀變化的測量，判斷其能夠承受的沖擊波強度和失效載荷的大小。

5.3 流動阻力檢測

對于被測物體流阻性能，是通過檢測試驗裝置對流量與壓力的聯合測量來獲得在各種風量下被測物的流阻大小，形成流量阻力曲線。根據防御爆炸沖擊波設施的總體設計需要，安裝在設施進口處的防爆炸沖擊濾波閥，在沖擊波產生時，閥后余壓越小越好，而且通過該閥門的空氣流阻越小越好。圖9為HFB200型抗沖擊波閥的空氣流阻測試曲線。

6 結 語

通過爆炸沖擊波隔離防護裝置的試驗和研究，可以得出以下結論：

圖9 HFB200型抗沖擊波閥的空氣流阻曲線Fig. 9 Flow resistance curve of HFB200 anti-shock wave valve in air

1）采用依靠爆炸沖擊波的超壓動能實現在沖擊波到達瞬間關閉防沖擊波閥門的方案是切實可行的。目前已研發成功的裝置有DN150，DN200，DN250等型號，產品已經在實船上推廣應用。

2）通過防沖擊波閥門的動板（阻尼板）與定板（濾波板）閉合時錯位形成大量微孔，根據高速流體微孔出流的原理實現了對爆炸沖擊波的隔離、過濾的方案是成功的。通過大量的試驗驗證，沖擊波的過濾效率達到85%～90%以上，這對陸上人防工事的通風系統進行核爆炸沖擊波隔離防護裝置的研制具有重大的現實意義。

3）爆炸沖擊波模擬試驗檢測裝置，可以精準輸出爆炸沖擊波產生的全過程圖形，能完整檢測沖擊波的閥前超壓、閥后余壓、作用時間、閥門關閉時間等參數，對爆炸沖擊波的研究分析及防爆炸沖擊波產品的性能檢測打下了堅實的基礎。

4）通過流體微孔出流的仿真計算可以得出閥前沖擊波經過微孔后，閥前超壓受阻力作用大幅衰減，衰減幅度在90%以上，使閥后余壓控制在設計目標范圍內。這從側面印證了該型防爆炸沖擊波裝置的有效性。