王定賢，劉振興，胡 昊，曹 鈞，李文杰

( 西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

爆炸容器是一種能將爆炸能量和爆炸有害產(chǎn)物封閉在一定區(qū)域內(nèi)的特殊壓力容器。該種容器在爆轟研究、爆炸效應(yīng)、爆炸加工及安全排爆等方面應(yīng)用廣泛。世界上第1 臺爆炸容器于1945 年誕生于美國的LANA 國家實驗室，該容器內(nèi)徑3 m，長6 m，壁厚0.355 6 m，總重214 t。俄羅斯曾設(shè)計加工了一個內(nèi)徑12 m、壁厚0.1 m、重達350 t 的球形爆炸容器［1-2］。目前，許多國家的爆炸和爆轟實驗室都裝備了不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸、不同用途、不同材料的爆炸容器。我國西北核技術(shù)研究所、中國工程物理研究院、國防科技大學(xué)、北京理工大學(xué)等多家單位也已設(shè)計建造了多種規(guī)格的爆炸容器。對于爆炸容器的設(shè)計，盡管W E Baker 和A F demchuk 等進行了大量的、具有開創(chuàng)性的理論研究工作［3-4］，但至今仍沒有形成1 個統(tǒng)一的設(shè)計建造規(guī)范。

由于柱形爆炸容器具有良好的力學(xué)性能，可獲得較好的通道開口尺寸，而且加工性能優(yōu)良，造價相對低廉，因此，該類容器已經(jīng)成為爆炸實驗和爆轟研究等方面的常用設(shè)備。當(dāng)前，為適應(yīng)科學(xué)研究和實驗需求，這類容器的用途日益廣泛，應(yīng)用功能差別也較大。如果依靠普通結(jié)構(gòu)的爆炸容器，即由法蘭+筒體+封頭組成的簡單結(jié)構(gòu)容器，將難以完成新的、較復(fù)雜的實驗任務(wù)。例如，對于大當(dāng)量爆炸容器，如果僅用單層鋼結(jié)構(gòu)承受爆炸載荷，容器用鋼量將達上百噸，這使得容器加工難度增加，制造費用提高。所以，在設(shè)計建造柱形爆炸容器時，有必要采用特殊結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)多樣化的科研需求。鑒于以上考慮，根據(jù)筆者多年來在這方面的設(shè)計經(jīng)驗，做一歸納總結(jié)，以期為相關(guān)領(lǐng)域爆炸容器的設(shè)計提供借鑒。

1 雙層結(jié)構(gòu)

對力學(xué)安全和密封防泄漏要求較高的柱形爆炸容器，或者實驗當(dāng)量較大的爆炸容器，可設(shè)計采用雙層鋼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 雙層結(jié)構(gòu)爆炸容器

分析認(rèn)為，該結(jié)構(gòu)的內(nèi)層鋼承受主要的爆炸荷載和碎片侵徹，且允許材料發(fā)生塑性變形甚至破裂。通過材料變形，可較好地吸收爆炸能量; 而外層鋼結(jié)構(gòu)的受力處于彈性范圍，具有對有毒有害氣體長期密封之功能。爆炸容器采用這種雙層設(shè)計結(jié)構(gòu)，既可減少容器用鋼量，方便建造，又能實現(xiàn)力學(xué)安全和長久密封。資料表明，對由直徑和爆炸當(dāng)量確定的容器，按塑性應(yīng)變10%設(shè)計，其用鋼量約只有按材料彈性極限設(shè)計時的1/10［5］。隨著技術(shù)的發(fā)展，在雙層爆炸容器的基礎(chǔ)上，現(xiàn)已出現(xiàn)了離散多層爆炸容器結(jié)構(gòu)［6］。

2 變徑結(jié)構(gòu)

因測試需要，要在容器內(nèi)部放置儀器設(shè)備。但容器的徑向空間有限，為此可通過增加筒體長度的方法來實現(xiàn)儀器的放置。因離爆心較遠的筒體部位所承受的爆炸載荷比爆心截面部位小，且沖擊載荷將隨比例半徑的增大而明顯減小，故對筒體的加長部分可適當(dāng)減小其直徑，以便降低筒體加工難度，減小用鋼量，這就是柱形爆炸容器的變徑結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 變徑結(jié)構(gòu)

3 復(fù)合結(jié)構(gòu)

復(fù)合結(jié)構(gòu)爆炸容器具有良好的抗爆性能。該結(jié)構(gòu)一般由3 層組成，由內(nèi)到外依次為鋼容器、混凝土和原巖，如圖3所示。

圖3 復(fù)合結(jié)構(gòu)容器

由文獻［7］可知，要提高單層容器的承載能力，只有增加容器壁厚。但增加壁厚不是提高承載能力的有效措施，因為:①從應(yīng)力狀態(tài)分析，單層壓力容器在壁厚方向上彈性應(yīng)力分布不均勻，且壁厚越大，不均勻性越嚴(yán)重，因此，較厚的容器壁不利于材料抗力性能的充分發(fā)揮;②容器厚度增加也會給加工、吊裝、焊接、運輸帶來諸多不變。設(shè)想，如果在容器和大地介質(zhì)( 或圍巖) 之間澆注一定厚度的混凝土，則能改變應(yīng)力分布的不均勻性。此時，容器僅承受小部分爆炸能量，而混凝土和圍巖因具有較高抗壓性能，可在三維動態(tài)應(yīng)力作用下明顯提高容器的抗力作用?？梢姡趶?fù)合結(jié)構(gòu)中鋼容器和混凝土將發(fā)揮各自材料優(yōu)勢，使得整體結(jié)構(gòu)具有獨特抗爆性能。

鑒于普通混凝土存在脆性大、抗拉強度低和抗沖擊性能差等問題，可嘗試使用鋼纖維混凝土或聚丙稀纖維混凝土［8］。因為亂向分布的纖維可阻礙混凝土內(nèi)部的微裂紋擴展和阻滯宏觀裂紋的發(fā)生與擴展，能顯著提高混凝土的抗拉、抗彎、抗剪切和抗扭強度。

4 組合結(jié)構(gòu)

所謂組合結(jié)構(gòu)，就是以容器的中間筒體為主體，在筒體1端或2 端設(shè)置平板法蘭或橢球封頭，而法蘭或封頭與筒體之間通過螺栓連接，方便拆卸，組配靈活。至于2 端選擇采用何種結(jié)構(gòu)，要根據(jù)實驗需求確定。如文獻［9］中所設(shè)計柱形爆炸容器所采用的就是1 種組合結(jié)構(gòu)。

5 加強或削波吸能結(jié)構(gòu)

在容器外側(cè)安裝加強層是為了進一步增強容器筒體的抗爆性能，而在容器內(nèi)部設(shè)置削波裝置主要是為了阻滯爆炸產(chǎn)物對容器內(nèi)壁的侵徹破壞。一般來說，其結(jié)構(gòu)主要有3 種。

1) 外側(cè)設(shè)置鋼加強圈。為提高容器筒體的抗力性能，可在爆心截面部位的外側(cè)安裝一定寬度和厚度的加強圈，如圖4 所示。根據(jù)抗力設(shè)計需要，加強圈可設(shè)置2 ～3 層，每層之間預(yù)留一定間隙。加強圈材料可選合金鋼，也可選玻璃纖維等。

圖4 加強結(jié)構(gòu)

2) 內(nèi)部安裝吸能層。因鋼材料具有良好的塑性和韌性，可作為吸能層使用。如果允許材料發(fā)生較大塑性變形甚至撕裂，則吸能層就能消耗較多的爆炸能量，從而減小筒體的破壞危險，這也有利于容器的整體密封防泄漏。吸能層可設(shè)置為單層，也可設(shè)置為多層，每層之間預(yù)留間隙，如圖5所示。

圖5 吸能層結(jié)構(gòu)

多胞材料能利用其內(nèi)部阻尼吸收爆炸能量，可做吸能層使用。常見的多胞材料主要有蜂窩材料、泡沫材料、金屬泡沫材料、木材等。實驗證明，與填充大氣情形比較，加入泡沫材料可使材料變形減小到原來的1/5 ～1/7。硬質(zhì)聚氨酯泡沫是1 種比重小、造價低、成型容易的多孔介質(zhì)，具有良好的吸收動能特性，是吸能的理想工程材料。此外，將多胞材料和鋼材料組合起來形成復(fù)合吸能層( 如圖6 所示) ，其抗爆性能和抗侵徹破壞水平會顯著提高。

圖6 鋼木復(fù)合結(jié)構(gòu)防護層

3) 設(shè)置沙擋墻、鋼絲網(wǎng)或防護罩。為保護容器法蘭或內(nèi)部測試裝置不受破壞，需在容器爆心兩側(cè)設(shè)置沙包擋墻、安裝鋼絲網(wǎng)或鋼保護罩。

6 法蘭密封結(jié)構(gòu)

為延緩或阻滯有害氣體泄漏，密封材料可選用彈塑性好的橡膠圈以實現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)密封。密封方式可設(shè)計為端面密封和柱面密封( 一般用2 道密封圈) ，端面密封槽設(shè)計為雙面對稱V 型或II 型鋸齒結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。

圖7 2 種密封結(jié)構(gòu)

7 結(jié)束語

柱形爆炸容器特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用，對改善或增強容器整體受力狀況，提高其密封防泄漏水平具有特殊意義。同時，也能滿足減小制造成本、降低加工難度、方便運輸?shù)纫?。這些結(jié)構(gòu)( 或方式) 的選擇要根據(jù)容器用途、實驗當(dāng)量、力學(xué)要求、空間大小、工程造價等因素給予綜合考慮，然后通過理論計算、數(shù)值模擬及實驗驗證等方法進行優(yōu)化設(shè)計，方可在實際實驗中投入使用并取得良好效果。總之，爆炸容器的特殊結(jié)構(gòu)將在爆炸作業(yè)或爆轟研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

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