梁志剛 徐海斌 劉峻嶺 馬艷軍 王占江

西北核技術研究所

帶環(huán)縫多層鋼筒抗爆能力實驗研究

梁志剛 徐海斌 劉峻嶺 馬艷軍 王占江

西北核技術研究所

為了驗證多層圓柱鋼筒環(huán)接縫不同處理方式在爆炸沖擊載荷作用下的抗爆能力，加工了外形尺寸和材料相同，但結構不同的3種試驗圓柱鋼筒，進行了多輪中心加載試驗。實驗結果證明在1%～5%設計應變范圍內，集中爆炸沖擊載荷下多層圓柱鋼筒環(huán)接縫焊接與否對其抗爆能力的影響不顯著。

爆炸容器能實現(xiàn)對爆炸破壞有效限制，實現(xiàn)保護實驗環(huán)境安全，因此，被廣泛運用于各民用和國防領域，是爆炸沖擊實驗室的必備設備。國內外對于爆炸容器結構研究大多集中在單層結構方面，而對于多層容器結構研究不多，參考資料也很少。

對于柱形容器，由于爆炸載荷沿圓柱形鋼筒軸向衰減很快，所以柱形爆炸容器研制主要是解決容器爆心部位抗爆結構的力學安全。一般的方法是通過對容器中心部位進行局部多層加厚增強。由于工藝原因，加強鋼筒會存在對接環(huán)縫，接環(huán)縫處理工藝對多層結構抗爆能力是否有影響，有必要進行進一步研究。

通過數(shù)值模擬，圓柱鋼筒上多層加強層環(huán)接縫焊接與否對抗爆能力有些影響，如縱縫不焊接其抗爆能力有所減弱，但影響不大。但在爆炸載荷下多層結構的受力情況和結構響應很復雜，影響其抗爆能力的不確定因素很多，準確計算分析的難度很大。為了驗證理論結果，為以后的工程應用提供參考依據(jù)，設計加工了三種相同外形尺寸和材料，但結構不同的試驗鋼筒，分別稱為鋼筒Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。對其進行了系列集中裝藥中心加載抗爆試驗，并對其抗爆能力進行了分析研究。

試驗裝置

鋼筒Ⅰ為單層鋼筒。鋼筒Ⅱ由內筒體和4層層筒組成，層筒壁厚1.5mm。層筒套裝在內筒體上。鋼筒Ⅲ也由內筒體和4層層筒組成，內筒體結構尺寸與鋼筒Ⅱ相同。層筒共4層，每層層筒由長度為80mm、60mm、40mm、20mm的短筒排列組成，每層5個短筒，層筒壁厚為1.5mm，層與層間各短筒環(huán)接縫軸向錯開一定距離。具體結構如表1。具體結構排列組合順序為：第一層筒節(jié)順序為40mm、80mm、80mm、80mm、40mm；第二層筒節(jié)順序為20mm、80mm、80mm、80mm、60mm；第三層筒節(jié)順序為60mm、80mm、80mm、80mm、20mm；第四層筒節(jié)順序為40mm、80mm、80mm、80mm、40mm。保證了爆心環(huán)面無層筒對接環(huán)縫，距爆心環(huán)面最近的環(huán)縫到爆心的距離為20mm，約為筒體半徑的三分之一。

表1 兩類試驗筒體結構尺寸

表2 試驗鋼筒實際測量爆心環(huán)向應變

圖1 裝藥結構

圖2 三種當量加載下三種結構鋼筒外壁應變的實際測量結果

圖3 試驗后鋼筒狀態(tài)

試驗安排

分別用60g、100g和120gTNT當量裝藥量對三種試驗圓柱鋼筒進行爆炸試驗。炸藥為球形炸藥，用小藥球中心起爆，以保證爆炸載荷的對稱性。采用線裝藥密度為0.5gRDX/m、直徑1mm的柔爆索起爆。裝藥結構如圖1所示，由兩個半球主裝藥和中心1gTNT當量引爆小藥球組成，小藥球用微米級PETN粉壓制而成。主裝藥為TNT/RDX（40/60）澆鑄，密度為1.6g/cm3。藥球引爆序列為雷管引爆柔爆索，柔爆索引爆小藥球，小藥球起爆主炸藥。

為確保藥球的安裝定位精度，藥球通過1.5mm厚的有機玻璃板十字支架固定在鋼筒內中心位置（簡稱爆心）。此結構既能保證藥球的精確定位，又能減小其對爆炸沖擊載荷的干擾。試驗時鋼筒兩端不進行封閉。試驗鋼筒全部采用同一型號、同一批次20號鋼加工，材料延伸率≥20%。

試驗結果

分別用三種不同藥量對三種鋼筒進行了試驗，由于試驗鋼筒爆心沖擊振動非常大，造成爆心部位大部分應變計被震掉，無法完整地記錄筒體變形過程，后來通過在應變計上安裝阻抗大的小質量塊，有所改善，但120gTNT當量試驗時還是沒有實時監(jiān)測到完整的應變信號。試驗后鋼筒產(chǎn)生了較大的塑性變形，通過多次測量鋼筒爆心環(huán)面的殘余應變并取其平均值，可以得到爆心環(huán)面的實測環(huán)向應變，如表2所示。

圖2是試驗后鋼筒應變沿軸向分布實際測量結果，由圖可見，每一種當量加載下，鋼筒層筒環(huán)縫不焊接時比焊接時爆心截面環(huán)向應變略大，但差距不大。圖3是三種當量下的三種鋼筒變形情況。

結語

試驗鋼筒均有塑性變形，變形較均勻，表明中心起爆的炸藥球載荷基本均勻加載在鋼筒內壁上。由試驗結果可得，設計變形應變在1～5%的多層鋼筒，其層筒環(huán)接縫焊接于否對其抗爆能力影響不大。