程良玉， 龍 源， 毛益明， 徐全軍， 紀 沖， 吳建源

(陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院， 南京 210007)

大口徑高壓管道物理爆炸沖擊波傳播規(guī)律的試驗研究

程良玉， 龍 源， 毛益明， 徐全軍， 紀 沖， 吳建源

(陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院， 南京 210007)

根據(jù)動態(tài)測試理論，構(gòu)建基于DH5960的網(wǎng)絡動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，開展直徑為1 422 mm的大口徑全尺寸高壓氣體管道爆炸試驗。獲取各測點空氣沖擊波的P(t)曲線，經(jīng)小波變換濾波后采用最小二乘法對沖擊波在空間上的傳播特性進行數(shù)值擬合，得到了衰減曲線和衰減公式。對比試驗組和對照組的沖擊波曲線，發(fā)現(xiàn)高壓管道物理爆炸空氣沖擊波在近地面自由場的傳播具有非圓形波陣面的特征。

物理爆炸；小波變換去噪；超壓衰減曲線；非圓形波陣面

天然氣作為一種高效、清潔的能源為各國所青睞。未來10余年內(nèi)，我國經(jīng)濟發(fā)展和居民對天然氣的需求量仍將呈爆炸式增長。截至2015年底，我國天然氣主干管道總里程達8.5萬 km，已經(jīng)形成相對完善的天然氣管網(wǎng)。由于天然氣管道受到近域施工行為、環(huán)境腐蝕、機械或材料失效、自然災害及其他未知因素的影響，導致開裂爆炸事故時有發(fā)生。

天然氣管道爆炸事故有兩種：①物理爆炸，管道破裂后內(nèi)部高壓氣體解除約束逸出并向自由場迅速膨脹[1]，瞬間壓縮空氣形成沖擊波并向外傳播；②化學爆炸，天然氣與空氣混合后，在一定外界條件作用下發(fā)生爆燃，形成化學爆炸事故。其中后者需要可燃氣體在空氣中擴散并受到外力作用，發(fā)生爆燃的可能性受引燃條件(如溫度，混合比)的影響。而物理爆炸不需要可燃氣體與氧化性氣體混合，也不需要外界條件引燃。相較于天然氣管道泄漏后發(fā)生的化學爆炸，物理爆炸發(fā)生的幾率更高。

天然氣管道泄漏后發(fā)生物理爆炸的問題一直為國內(nèi)外一些專家學者所關(guān)注。Bariha等[2]理論分析了石油天然氣管道發(fā)生泄漏時的氣體沖擊波壓力場的狀態(tài)；李偉等[3]采用CFD(Computer Fluid Dynamics)數(shù)值模擬計算了高壓氫氣輸運裝置物理爆炸事故后的空氣沖擊波狀態(tài)場；Skacel等[4]通過激波管縮比試驗研究了物理爆炸沖擊波在管內(nèi)傳播規(guī)律，并驗證了TNT當量法對于物理爆炸沖擊波一維傳播估算的可行性。這類研究通過不同的方法近似分析了物理爆炸沖擊波的狀態(tài)，但對于物理爆炸形成空氣沖擊波在自由場中傳播的天然氣管道全尺寸試驗研究卻鮮見報道。

本文基于大口徑高壓氣體管道爆炸的全尺寸試驗，獲得了物理爆炸產(chǎn)生空氣沖擊波測試的數(shù)據(jù)。采用小波變換去噪方法，對物理爆炸空氣沖擊波在自由場的超壓衰減規(guī)律及其壓力場狀態(tài)進行了研究。

1 試驗設計與實施

1.1 高壓氣體管道

為研究高壓天然氣管道爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波的傳播規(guī)律，開展了大口徑高壓氣體管道爆炸的全尺寸試驗。試驗的管道采用X80鋼材，管道長20 m，直徑為1 422 mm，如圖1所示。管道淺埋地下，并向管內(nèi)充入一定量空氣使壓力升高至12 MPa，試驗現(xiàn)場如圖2所示。采用聚能切割器在管道的中心位置瞬間切割開一個50 cm的長條形切縫，管內(nèi)高壓氣體解除約束瞬間逸出，形成物理爆炸。逸出氣體到達地面上空自由場后向周圍膨脹形成空氣沖擊波向外傳播。

圖1 高壓氣體管道中間段Fig.1 The middle section of high-pressure gas pipe

圖2 高壓氣體管道爆炸試驗現(xiàn)場Fig.2 The site of high-pressure gas pipe burst measuring

1.2 測點布設

為對比研究高壓氣體管道爆炸空氣沖擊波的傳播規(guī)律，設置試驗組和對照組兩條沖擊波壓力測試線，分別為垂直于管道方向的垂直測試線和與管道成45°傾斜角的傾斜測試線。兩條測試線各布設10個測點，共20個自由場壓力測點。垂直測試線過起爆點并垂直于管道軸線，各測點距起爆點距離如表1所示；斜測試線過起爆點并沿管道東南方向，與管道軸線成45°夾角，各測點距起爆點距離如表2所示。各測點的位置示意圖如圖3所示。

為將壓力傳感器固定于近地面自由場中，避免受沖擊波壓力產(chǎn)生運動而影響測試，設計了自由場壓力傳感器支架。將桿式自由場傳感器固定于各個對應的測點，使其距離地面1.9 m[5]。

1.3 測試系統(tǒng)

考慮到試驗環(huán)境的特殊性，試驗構(gòu)建了基于DH5960的網(wǎng)絡型動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用集成的CYG411型壓阻式壓力傳感器提高物理瞬態(tài)響應的靈敏度，并通過計算機對采集的數(shù)據(jù)進行實時存儲，具有瞬態(tài)采樣頻率高，頻率響應范圍大等特點。為操作安全，設置兩個采集點進行數(shù)據(jù)存儲與收集，一個位于爆炸場內(nèi)的測試間對數(shù)據(jù)進行直接采集，另一個位于安全范圍的控制端，二者通過光纖網(wǎng)絡聯(lián)接。試驗人員通過控制端計算機操控測試間計算機采集與傳輸試驗數(shù)據(jù)，具有安全性高的特點。

表1 垂直測試線上各測點距起爆點距離

表2 斜測試線上各測點距起爆點距離

圖3 測點布設示意圖(單位：m)Fig.3 Schematic diagram layout of measuring point (unit: m)

圖4 DH5960動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)Fig.4 DH5960 dynamic signal measurement and analysis system

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理分析

試驗共采集到20組沖擊波信號。研究發(fā)現(xiàn)原始P(t)曲線有很多“毛刺”(噪聲信號)，嚴重干擾有效信號的讀取。通過分析發(fā)現(xiàn)這些噪聲信號主要有兩個來源：①大幅度擾動，頻率范圍在傳感器支架固有頻率附近，根據(jù)速度規(guī)律，推測為管道爆炸在土壤介質(zhì)中形成的應力波擾動[6-7]。該擾動通過大地傳至傳感器支架底座，再通過傳感器支架對傳感器形成噪聲干擾。這部分噪聲可以通過測點布設規(guī)避，使之不出現(xiàn)在沖擊波信號到達的時間段內(nèi)，也可以通過濾波濾去。②小幅度擾動，頻率范圍在傳感器固有頻率附近，以聲速在各個測點間傳播，推測為沖擊波形成與傳播過程中對周圍空氣引起的擾動。該擾動通過空氣介質(zhì)直接對傳感器形成干擾。這部分噪聲無法規(guī)避，但是可以通過濾波除去。

采用小波變換對試驗數(shù)據(jù)進行濾波處理[8-9]，以除去“毛刺”，獲得清晰的沖擊波信號，增強數(shù)據(jù)的可讀性。

傳感器對沖擊波壓力的物理響應為連續(xù)信號，但數(shù)字采集儀只能采集離散的數(shù)字信號，因此采用離散小波變換(Discrete Wavelet Transform，DWT)對原始信號進行處理。離散小波變換可通過離散化連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform，CWT)中的伸縮因子和平移因子得到[10]。離散小波為

(1)

相應的離散小波變換為

(2)

式中：ψ(t)∈L2(R);a為離散化的伸縮因子，b為離散化的平移因子，a,b∈R；m,n為離散因子，m,n∈R。

通過檢驗殘差的收斂性，驗證去噪信號與原始沖擊波信號的相關(guān)性。原始P(t)曲線，去噪后的P(t)曲線和殘差曲線對比如圖5和圖6所示。圖中第一層為原始信號，第二層為去噪信號，第三層為殘差曲線。

圖5 垂直測線部分測點的原始曲線、濾波曲線和殘差曲線Fig.5 Original signal、de-noised signal and residuals of points in vertical measuring line

圖6 傾斜測線部分測點的原始曲線、濾波曲線和殘差曲線Fig.6 Original signal、de-noised signal and residuals of points in bevel measuring line

從P(t)曲線可以看出，當沖擊波陣面到達測點時，壓力突躍上升形成強間斷面。隨著氣體向外膨脹壓力迅速衰減，衰減至大氣壓力時，由于慣性作用繼續(xù)下降形成一個壓力稍小于大氣壓力的負壓區(qū)。負壓區(qū)被周圍高壓區(qū)壓縮，壓力升高至稍高于大氣壓力。接著又開始第二次膨脹和壓縮的脈動過程。通過多次有阻尼脈動，壓力衰減至大氣壓力；并且同一條測線上距離越遠的測點所測到的超壓峰值越小，衰減速度越慢。這與常規(guī)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律類似。

從殘差曲線圖中可以看出，時域范圍內(nèi)，殘差一直在零點附近波動，其主值基本收斂于直線P=0，說明小波變換去噪沒有改變原始信號的沖擊突躍部分，去噪結(jié)果清晰可靠。將讀取的沖擊波數(shù)據(jù)列于表3和表4(其中B05#測點未測到有效信息)。

表3 垂直測試線上各測點超壓峰值

表4 斜測試線上各測點超壓峰值

3 沖擊波傳播特性分析

3.1 超壓衰減曲線擬合

空氣沖擊波在自由場中傳播具有氣體壓力大，傳播速度快等特點，此過程中氣體的重力和黏性可忽略不計，氣體可以假定為完全氣體[11]，根據(jù)相似理論有

Δpm=f(E,r,P0,ρ0,k)

(3)

式中：被定量ΔPm為沖擊波超壓；主定量E為爆炸總能量；r為沖擊波波陣面距爆心距離；P0為空氣的初始壓力；ρ0為空氣的初始密度；k為絕熱指數(shù)。

由π定理寫出三個π項

(4)

根據(jù)量綱和諧條件求解得到

(5)

k一般取常數(shù)，P0一定的條件下，式(5)可寫成

(6)

將式(6)展開

(7)

爆炸能量由管內(nèi)氣體唯一確定，沖擊波傳播過程中E不發(fā)生改變，可當作常量，則式(7)變?yōu)?/p>

(8)

已知邊界條件：當r→∞時，ΔPm=0，故A0=0，則

(9)

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，采用最小二乘法分別對兩條測線上的超壓進行曲線擬合，獲得擬合曲線和擬合函數(shù)，擬合曲線如圖7和圖8所示。

圖7 Vertical測線的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of vertical measuring line

圖8 斜測線的擬合曲線Fig.8 Fitting curve of bevel measuring line

垂直方向的超壓衰減擬合函數(shù)

(10)

45°角傾斜方向的超壓衰減函數(shù)

(11)

3.2 沖擊波陣面的非圓形特征

研究試驗組與對照組的沖擊波超壓發(fā)現(xiàn)，相同距離時垂直測線上測點超壓明顯高于傾斜測線上對應測點的超壓，即截取相同超壓時，垂直測線上的距離比斜測線上的距離更遠。說明在近地面自由場中空氣沖擊波超壓的等壓線為非圓形，如圖9所示。沖擊波陣面為壓力最大的等壓線，在近點面自由場中的分布也具有非圓形的特征。

圖9 沖擊波等壓線Fig.9 Shockwave isobars schematic diagram

分析發(fā)現(xiàn)，非圓形波陣面的形成與管道破裂氣體逸出及沖擊波傳播過程有關(guān)。如圖10所示，切割器沿管道軸線切開一個長條形切縫。切縫軸向尺寸大于徑向尺寸，即徑向自由面大于軸向自由面，致使其徑向強度小于軸向強度。在內(nèi)部高壓作用下，切縫先從中間位置沿徑向發(fā)生塑性變形，撕裂成裂口如圖11所示。由于徑向塑性變形程度更大，氣體從裂口逸出時，徑向泄漏更快，更早形成沖擊波，導致初始波陣面為非圓形波陣面。

各方面非均勻的空氣沖擊波在傳播過程中有一個各方面漸近均勻化作用[12]，將非圓形波陣面均勻化為近似圓形的波陣面。化學爆炸形成的空氣沖擊波超壓一般很大，因此各方面漸近均勻化作用很明顯，很快形成近似圓形的沖擊波陣面；而管道爆炸空氣沖擊波超壓較小，各方面漸近均勻化作用不明顯，因此在近地面自由場中具有明顯的非圓形波陣面特征。

圖10 爆炸切縫Fig.10 Blasting incision

圖11 裂口變形及氣體噴流示意圖Fig.11 Crack deformation and gas jet schematic diagram

4 結(jié) 論

(1)沖擊波測試過程中干擾信號主要有兩部分：①管道爆炸在土壤介質(zhì)中形成的應力波擾動；②沖擊波在周圍空氣中形成的不規(guī)則擾動，這兩部分噪聲都與傳感器和支架的固有頻率有關(guān)。

(2)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，擬合得到本試驗物理爆炸空氣沖擊波在與管道垂直方向和與管道成45°角方向上的超壓衰減曲線及其函數(shù)。可以為實際應用提供有效參考。

(3)高壓氣體管道物理爆炸形成空氣沖擊波，其波陣面形狀受管道破裂變形過程和沖擊波傳播過程雙重影響而具有非圓形特征，如本次試驗所得的沖擊波傳播呈現(xiàn)與管道垂直方向最強，其他方向稍弱的非圓形波陣面特征。說明高壓管道爆炸形成空氣沖擊波的安全防護不同方向具有不同的防護等級。

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Anexperimentalstudyonlarge-diameterhigh-pressurepipelinephysicalexplosionsshockwavepropagation

CHENG Liangyu, LONG Yuan，MAO Yiming，XU Quanjun，JI Chong，WU Jianyuan

(College of Field Engineering，Army Engineering University, Nanjing 210007, China)

According to the theory of dynamic test, this paper presented a DH5960-based dynamic signal analysis system, in which a diameter of 1 422 mm full-size high-pressure gas pipeline explosion experiments was performed. The air blast curve of each measuring point was obtained. After the wavelet de-noising, the least squares method was adopted to carry out numerical fitting of the peak overpressure shock wave propagation characteristics in space. Decay curves and attenuation formula were obtained. Shock curve comparison between experimental group and the control group were performed and discovered that high-pressure pipeline physics explosion air shock has the feature of a noncircular wave front propagation characteristics on the free-field near the ground.

physical explosions; wavelet de-noising; overpressure decay curve; noncircular wave front

國家自然科學基金(11672331)；中國博士后科學基金(2015M58279)

2016-06-24 修改稿收到日期： 2016-07-22

程良玉 男，碩士生，1992年生

龍源 男，博士，教授，博士生導師，1958年生

O383； X937

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.22.007