楊黎波，趙欣宇，董一夫，付萬璋，任家帆

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院 武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；2.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，南京 210094)

抗爆門主要用于石油化工、電力工業(yè)、石油化工、軍工、部隊(duì)等工業(yè)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(guó)內(nèi)外爆炸事故頻繁發(fā)生，因抗爆門性能不足造成的殉燃殉爆導(dǎo)致?lián)p失大幅增加，因此抗爆門在確保生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮著重要作用。

對(duì)于不同應(yīng)用領(lǐng)域的抗爆門的性能和設(shè)計(jì)理論，國(guó)內(nèi)外人員做了很多有意義的研究。許柯等人通過數(shù)值模擬研究了高阻尼橡膠在加固防護(hù)門方面的效果和機(jī)理[2,3]，并通過設(shè)計(jì)激波管實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，研究發(fā)現(xiàn)橡膠板和鋼板存在一個(gè)使加固效果提升明顯的最優(yōu)厚度范圍。張寅等人通過數(shù)值模擬利用等效TNT的方法研究了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)抗爆門抗爆性能的影響[4]，結(jié)果表明，通過增大防爆門迎爆面的面板厚度及其內(nèi)部骨架梁數(shù)能夠顯著的提高抗爆性能。Yan等人分析了邊長(zhǎng)比、阻尼比、爆炸荷載等因素對(duì)抗爆門的影響[5-7]，結(jié)果表明：隨著邊長(zhǎng)比的增大，正、負(fù)剪力峰值逐漸減小，此外，在爆炸荷載作用下，阻尼比和相對(duì)正剪切力幾乎沒有影響，甚至可以忽略，但對(duì)負(fù)剪切力的影響很大。譚朝明、肖長(zhǎng)亮等人通過有限元軟件LS-DYNA，對(duì)抗爆門在爆炸沖擊載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，獲得其整機(jī)及局部等位移變化、應(yīng)力分布等參數(shù)，為抗爆門設(shè)計(jì)提供依據(jù)[8-10]。

盡管國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)抗爆門的性能、設(shè)計(jì)理論等進(jìn)行了大量研究。但是，有關(guān)換流變壓器閥廳抗爆門設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)相對(duì)較少，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于抗爆效果不同、應(yīng)用條件不同、抗爆門尺寸不同，因此應(yīng)對(duì)抗爆門的工程設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)具體情況進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

換流站是直流輸電線路最重要的節(jié)點(diǎn)，保證換流站安全、穩(wěn)定運(yùn)行是直流輸電的關(guān)鍵，換流變壓器是換流站最重要的設(shè)備之一。當(dāng)換流變因故障發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于壓力瞬間增大，變壓器油熱解產(chǎn)生蒸氣，可能會(huì)引起嚴(yán)重爆炸事故[11]，對(duì)閥廳內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此需要在不影響換流變正常運(yùn)行的前提下，采取必要的設(shè)備防護(hù)措施，最大程度降低火災(zāi)爆炸事故下造成的經(jīng)濟(jì)損失。本文通過對(duì)有泡沫鋁填充及無泡沫鋁填充的換流變壓器區(qū)域抗爆門進(jìn)行TNT爆炸沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證抗爆門的抗沖擊性能。

1 爆炸荷載的確定

爆炸發(fā)生時(shí)，爆炸載荷經(jīng)常以沖擊波形式作用在建構(gòu)物上，爆炸的時(shí)間、位置和方式不確定，這增加了抗爆設(shè)計(jì)的難度。但是，爆炸對(duì)建構(gòu)物的破壞屬于沖擊破壞，即爆炸載荷具有作用時(shí)間短，強(qiáng)度高的特點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)“超壓的峰值相等，正壓的脈沖相同”的原理，將爆炸發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的空氣沖擊波的超壓簡(jiǎn)化為三角波，而不需要增壓階段?？贡T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(shí)間。

2 抗爆門抗爆性能實(shí)驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

2.1.1 試驗(yàn)樣本

本次實(shí)驗(yàn)樣本有四個(gè)，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(gòu)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(zhǎng)為1.5 m，寬為1 m，厚度為3 mm。方鋼壁厚6 mm，長(zhǎng)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(yàn)設(shè)備

(1)自由場(chǎng)傳感器：美國(guó)PCB公司產(chǎn)本，型號(hào)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(yīng)把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，后續(xù)的儀器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和記錄，得到壓力波形曲線。

(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：Elsys數(shù)采系統(tǒng)，該釆集系統(tǒng)兼有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、計(jì)算等功能，共有16個(gè)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(yīng)變片、無人機(jī)、單反、DV等。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作原理

(1)壓力測(cè)試工作原理

壓力測(cè)試系統(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)爆轟波或沖擊波超壓信號(hào)傳到壓力傳感器時(shí)，傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成電荷信號(hào)，然后經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，再經(jīng)數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)采集儲(chǔ)存，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，就可以得到相應(yīng)的壓力信號(hào)隨時(shí)間變化曲線，以及沖擊波的各項(xiàng)參數(shù)。

(2)應(yīng)變片測(cè)試原理

通過將應(yīng)變片貼合在樣本上，當(dāng)樣本受到?jīng)_擊產(chǎn)生形變時(shí)，此形變同樣的作用與應(yīng)變片，這種形變導(dǎo)致了其端電阻變小。通過測(cè)量應(yīng)變片的電阻，可以演算出其覆蓋區(qū)域的應(yīng)變。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

換流變壓器的爆炸危險(xiǎn)主要體現(xiàn)在變壓器油的的危險(xiǎn)性上，變壓器油高溫?zé)峤?，生成大量氫氣和其他烴類氣體，因此可認(rèn)為變壓器油的爆炸為可燃?xì)怏w與空氣中的氧氣混合后發(fā)生化學(xué)爆炸。通過前人的研究以及實(shí)際事故調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，閥廳爆炸事故類型為爆燃，而以上氣體混合物的最大爆燃?jí)毫咏? MPa，因此選用1 MPa作為實(shí)驗(yàn)研究的最大沖擊波超壓。實(shí)驗(yàn)選取TNT當(dāng)量為1 kg壓裝藥柱，根據(jù)所用TNT藥柱的超壓-距離數(shù)據(jù)確定施加要求超壓的對(duì)應(yīng)距離。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表 1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

實(shí)驗(yàn)中TNT藥柱中心與抗爆門中心處于同一高度。左右兩側(cè)距樣本等距離各30°處布置兩個(gè)自由場(chǎng)傳感器，高度與TNT藥柱中心高度一致；左右兩側(cè)地面上距樣本直線距離相等處各30°處布置兩個(gè)普通壓電傳感器，其示意圖如圖3所示。

圖 3 試驗(yàn)平面布置圖Fig. 3 Test layout

樣本背面應(yīng)力較為集中的幾個(gè)典型位置貼上應(yīng)變片。試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)將高速攝像機(jī)、攝像機(jī)、紅外熱成像儀放置在安全距離處對(duì)樣本進(jìn)行拍攝，無人機(jī)于藥柱正上方100 m處記錄試驗(yàn)過程。試驗(yàn)方法引用的標(biāo)準(zhǔn)為：GJB—5412《燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數(shù)測(cè)試及爆炸威力評(píng)價(jià)方法》以及GJB—5232.4《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部靶場(chǎng)試驗(yàn)方法》。

由于帶泡沫鋁填充的樣本2和樣本4內(nèi)部無法添加應(yīng)變片，因此只給樣本1和樣本3在門扇背面布置6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。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(cè)點(diǎn)1個(gè)，如圖4所示。

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)超壓

表2為實(shí)驗(yàn)過程中的超壓測(cè)量結(jié)果。由表2可以看出：空中超壓由自由場(chǎng)傳感器測(cè)得的是入射超壓，與預(yù)計(jì)設(shè)定超壓基本保持一致，實(shí)驗(yàn)精度控制較好。

表 2 實(shí)驗(yàn)超壓Table 2 Overpressure test results

3.2 應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 樣本1應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果

爆炸造成能量急劇釋放，將爆炸材料轉(zhuǎn)變成高溫、高壓的氣體。這些高壓氣體相對(duì)應(yīng)的壓力陣面沿徑向傳入周圍空氣，從而形成一個(gè)熾熱的氣體驅(qū)動(dòng)并支持著的強(qiáng)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(fā)生局部的相對(duì)變形，即應(yīng)變。應(yīng)變表示的是長(zhǎng)度的相對(duì)變化量，是形變量與原來尺寸的比值，用ε表示。

本設(shè)備所測(cè)得的應(yīng)變?yōu)槲?yīng)變，是單位長(zhǎng)度光纖的相對(duì)相對(duì)變化量，描述極其微小的形變，用符號(hào)με表示，其與應(yīng)變的關(guān)系為ε=106με。通過對(duì)應(yīng)變的分析，能夠根據(jù)材料屬性判斷在該外力作用下材料是否失效。

樣本1實(shí)驗(yàn)過程中自由場(chǎng)壓力設(shè)計(jì)值為300 kPa，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

本次試驗(yàn)門扇材料為Q235鋼，其在沖擊波作用下屈服的微應(yīng)變?chǔ)苔排R界值為1679。從圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所有測(cè)點(diǎn)均未超過屈服應(yīng)變，其中2#和5#應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在沖擊波作用下振動(dòng)脫落失效。

圖 5 樣本1應(yīng)變和加速度時(shí)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(yīng)變曲線Fig. 6 Sample 3 residual strain time history curve

可見，該門扇結(jié)構(gòu)在自由場(chǎng)壓力355.916 kPa荷載作用下，測(cè)點(diǎn)位置變形較小，保持為彈性狀態(tài)。但爆炸產(chǎn)生的鋼板振動(dòng)很大，加速度峰值已經(jīng)超過40 000 m/s2。

3.2.2 樣本3應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣本3實(shí)驗(yàn)過程中，自由場(chǎng)壓力設(shè)計(jì)值為1000 kPa。下圖顯示了樣本3不同位置處的應(yīng)變動(dòng)態(tài)分布：從圖6可見，只有3#測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值較小，在彈性范圍內(nèi)，其余各點(diǎn)在爆炸沖擊作用下的應(yīng)變峰值均超過屈服應(yīng)變。其中，5#測(cè)點(diǎn)微應(yīng)變最大峰值達(dá)到2600，6#測(cè)點(diǎn)微應(yīng)變最大峰值達(dá)到3100。2#測(cè)點(diǎn)與4#測(cè)點(diǎn)為對(duì)稱排布，實(shí)驗(yàn)過程中2#測(cè)點(diǎn)與加速度計(jì)在沖擊波作用下振動(dòng)脫落失效?？梢?，該門扇結(jié)構(gòu)在自由場(chǎng)壓力929.445 kPa載荷作用下，測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)塑性變形，加筋鋼板中心的不可恢復(fù)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(shí)驗(yàn)后抗爆門面板最大凹陷程度的對(duì)比圖，表3展示了其最大凹陷程度的數(shù)值對(duì)比。

表 3 實(shí)驗(yàn)后凹陷深度對(duì)比Table 3 Depression thickness before and after the experiment

圖 7 實(shí)驗(yàn)前后凹陷深度Fig. 7 Depression thickness before and after the experiment

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，有填充的抗爆門在兩種強(qiáng)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(qiáng)度沖擊波超壓作用后，凹陷分別為4 mm和12 mm。在同樣強(qiáng)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(dāng)爆炸沖擊波載荷強(qiáng)度越大，有填充的抗爆門抗爆性優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。

4 結(jié)論

通過抗爆實(shí)驗(yàn)，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(jié)論：

(1)通過抗爆實(shí)驗(yàn)以及應(yīng)變片測(cè)量可較好描述爆炸沖擊波荷載作用下抗爆門的動(dòng)力特性。

(2)無泡沫鋁填充的門扇結(jié)構(gòu)在沖擊波超壓355 kPa作用下，鋼板變形較小，保持為彈性狀態(tài)。但爆炸產(chǎn)生的鋼板振動(dòng)很大。門扇結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(qiáng)度的增加，有填充的抗爆門抗爆性優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。