1 kgTNT當量爆炸容器抗爆設計計算與驗證

李興珠,李 元,郭子如

(1.海軍士官學校,安徽 蚌埠 233010；2.安徽理工大學,安徽 淮南 232001)

進行爆炸試驗時,爆炸容器作為一種安全、高效的爆炸反應限域裝置,可保護人員、裝備設施、建筑物的安全,在院校教學、科學試驗、彈藥銷毀等領域被廣泛應用。目前,爆炸容器的設計比較成熟,有球形、橢球形、圓柱形等形狀,TNT當量覆蓋了毫克級到千克級的范圍[1-6]。爆炸容器的設計思路基本遵循GB 150—2011《壓力容器》[7]的方法和要求,但是,針對不同的用途和具體的環境,不同類型爆炸容器的設計和抗爆計算都有不同的考量。

以1 kgTNT當量圓柱形爆炸容器為例,介紹其設計方法,并結合理論計算和試驗進行驗證。

1 爆炸容器結構

為方便實驗操作、觀測,利于人員進出,爆炸容器采用立式圓柱形雙層復合結構[8],如圖1所示。

圖1 爆炸容器結構

筒體高3 500 mm,內徑3 000 mm,內外層均使用16 MnR鋼,內外層之間填充發泡塑料以削弱爆炸沖擊波[9],降低爆炸噪聲[10]；容器內底部鋪沙子以降低振動危害[11],外部坐落在鋼筋混凝土上,容器與基礎之間為厚橡膠緩沖層。

2 抗爆強度計算

2.1 入射超壓

通過計算得入射超壓值:Δp1=0.406 MPa

2.2 反射超壓

當沖擊波作用于容器內壁時,可按沖擊波作用于剛性固體壁面反射來考慮,因此,反射超壓Δp2根據式(3)進行計算:

式中,p0、Δp1和Δp2的單位為105Pa。

經計算,反射超壓值為:

2.3 等效靜載荷

爆炸容器內承受的載荷一般是動載荷,在進行容器設計時,用動力系數法將動載荷轉變成靜載荷。根據容器反射壓力的峰值及反射壓力作用的時間確定容器殼體動力學響應的動態放大系數Cd,再確定等效靜載荷。

2.3.1 動力系數的計算

要求動力系數Cd,先計算出反射超壓的作用時間τ和容器的自振周期T。

式中:τ為反射作用時間,s；η為經驗系數,柱對稱結構一般取0.5；R為容器殼體半徑,m；Q0為單位質量炸藥的爆熱,J/kg,對TNT炸藥,Q0=4.860 874×106J/kg。

將R=1.5 m,η=0.5,Q0=4.860 874×106J/kg代入式(4),得:

對于薄殼,若只考慮擴展運動,則自振周期為:

式中:E為爆炸容器材料彈性模量,常溫20℃下為209 GPa；ρ為容器殼體材料密度,取7.8×103kg/m3；R為容器殼體半徑,mm。將數據代入式(5)得容器自振周期值:3 452.30。將數據代入式(6)得:

Cd=0.983

2.3.2 等效靜載荷的計算

將Δp2=1.598 MPa,Cd=0.983代入式(7)得等效靜載荷為:

Pe=1.57 MPa

2.4 容器殼體壁厚

采用第三強度理論,柱形容器壁厚計算公式為:

式中:S為圓筒體計算壁厚,mm；pc為計算壓力,MPa,取1.57 MPa；Di為圓筒體內徑,mm,取1 500 mm；[σ]t為圓筒材料在設計溫度下的許用應力,MPa,取157 MPa；φ為焊接接頭系數,取1。

將數據代入式(8)計算壁厚:

S=7.54 mm

考慮腐蝕裕度C2,得圓筒體的設計壁厚為

式中:Sd為圓筒體的設計壁厚,mm,它是計算壁厚與腐蝕裕度之和。查閱表1,取腐蝕裕度C2=2 mm。

表1 殼體腐蝕裕度

在式(9)的基礎上,考慮鋼板的負偏差C1(鋼板在軋制時產生的偏差),得名義壁厚為:

取C1=1.1 mm。

計算得圓筒體的設計壁厚:

Sd=9.54 mm

圓筒體的名義壁厚:

Sn=10.64 mm

圓筒體的實際設計壁厚為40 mm的16 MnR鋼材,滿足要求,且滿足一般內壓容器10～15年的設計壽命要求。

2.5 爆炸容器的強度校核

2.5.1 內筒體強度校核

式中:pc為計算壓力,MPa,取pc=1.57 MPa；σt為設計溫度下圓筒體的計算應力,MPa；[σ]t為圓筒體在設計溫度下的許用應力,MPa,取157 MPa；Se為有效壁厚,mm；Se為圓整后的壁厚Se=Sn-C1-C2,取Sn=40 mm,C1=1.1 mm,C2=2 mm,則Se=36.9 mm；

將數據代入式(11)得:

σt=34.78 MPa≤[σ]t=157 MPa

因此,應力強度值能夠滿足工程實際要求。

2.5.2 容器最大允許工作壓力校核

容器最大允許工作壓力校核公式為:

式中:[pw]為最大允許工作壓力；[σ]t為圓筒體在設計溫度下的許用應力,MPa,取157 MPa；φ為內筒體焊接接頭系數,取1；Se=36.9 mm；Di=1 500 mm；pc為計算壓力,取1.57 MPa。

將數據代入式(12)得:

[pw]=7.54 MPa

根據計算結果可知,pc遠小于[pw],進行1 kg TNT炸藥爆炸試驗時有很大的裕度。

3 爆炸容器性能測試

3.1 測試內容

爆炸容器性能測試的內容包括容器內爆炸超壓試驗、容器外爆炸振動試驗及爆炸噪聲測試。

3.2 測試方法

3.2.1 容器內爆炸超壓測試

采用散裝TNT炸藥和8#工業電雷管制作藥包,藥包布置在容器內部幾何中心處,采用空中爆炸激波傳感器測試容器內的入射爆炸沖擊波超壓、內壁反射沖擊波超壓,測試示意圖如圖2所示。試驗中炸藥量分別選用300、500、800、1 000 g。測試結果記錄見表2。

表2 爆炸沖擊波超壓測試結果

圖2 容器內空中爆炸沖擊波超壓試驗測試

采用K-G公式,入射超壓可按式(13)計算:

將數據代入式(13),得入射超壓分別為:1.61×105、2.37×105、3.40×105、4.06×105Pa。利用式(3),將入射超壓值分別代入,得到反射超壓分別為:5.01×105、8.31×105、1.342×106、1.698×106Pa。

將理論計算數據與實測數據結果對比,具體數據見表3。

表3 理論計算與實測數據對比情況

通過分析,可以得出內壁反射沖擊波超壓在1 kgTNT爆炸條件下僅為1.325 MPa,小于設計壓力。爆炸容器通常在進行爆炸試驗時,其抗爆強度是足夠安全的,不會產生沖擊波危害。

3.2.2 容器外爆炸振動測試

爆炸振動測試試驗方法如圖3所示。

圖3 爆炸振動測試試驗

采用速度傳感器和記錄儀收集爆炸振動測試試驗數據,結果見表4。

表4 爆炸容器外測點處振動速度測量值

《爆破安全規程》[12]中規定,類似爆炸容器對周圍建筑物爆炸振動允許速度為3～5 cm/s,經測試,最大振動速度為0.476 cm/s,遠小于規定值。

3.2.3 爆炸噪聲測試

爆炸噪聲測試試驗方法如圖4所示。

圖4 爆炸噪聲測試試驗

采用聲波傳感器和記錄儀進行爆炸噪聲測試試驗數據收集,結果見表5。

表5 爆炸噪聲測試結果

在不同爆炸藥量下,在容器外對爆炸噪聲進行了測試,根據測試情況可知,噪聲較小。在15 m處,1 kgTNT爆炸下的爆炸噪聲為112 dB。

核對《爆破安全規程》和《工業企業噪聲控制設計規范》[13],爆炸容器符合爆破安全及噪聲控制設計規范要求。

4 結語

爆炸容器作為重要的危爆品處理裝置,其安裝環境要求極為苛刻。設計的1 kgTNT爆炸容器,經過理論計算、抗爆強度校核和性能測試,得出其結構設計合理,抗爆性能可靠,安全性高,可以滿足教學、科研等1 kgTNT當量以內的各項炸藥試驗和危爆品處理,其設計方法可為同類型爆炸容器提供參考。