專利名稱：高壓容器實(shí)驗(yàn)倉安全防護(hù)計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是高壓容器在加壓實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)爆炸事故，其實(shí)驗(yàn)倉對(duì)爆炸危害進(jìn)行 安全防護(hù)的一種計(jì)算方法。屬于高壓容器實(shí)驗(yàn)安全技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
空調(diào)機(jī)組等高壓容器一般都需進(jìn)行氣體密封試驗(yàn)，而試驗(yàn)均在工廠試驗(yàn)倉內(nèi)進(jìn) 行，試驗(yàn)時(shí)高壓容器一旦爆炸將直接對(duì)試驗(yàn)倉造成危害，若試驗(yàn)倉起不到防護(hù)作用將威脅 到工廠設(shè)備和人身安全。因此高壓容器出廠前在工廠進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)高壓容器突然發(fā) 生爆炸，其試驗(yàn)倉對(duì)高壓容器爆炸危害進(jìn)行安全防護(hù)評(píng)估的計(jì)算方法具有重要意義，而目 前對(duì)高壓容器爆炸危害的形式和定量計(jì)算尚無成熟的計(jì)算方法可供借鑒。本發(fā)明用等效 TNT藥量爆炸替代高壓容器氣體爆炸，對(duì)高壓容器爆炸對(duì)試驗(yàn)倉形成的三種危害形式的計(jì) 算方法進(jìn)行了研究，對(duì)爆炸沖擊波對(duì)周圍防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響以及密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋 擲物撞擊四周防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，其結(jié)果不僅可為試驗(yàn)倉爆炸危害的安全評(píng)估 提供計(jì)算方法，而且為試驗(yàn)倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇提供理論依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決了以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題一、爆炸沖擊波模型建立氣體容器爆炸超壓與距離的關(guān)系式，與容器中氣體的壓力、溫度和比熱容比都有 很大關(guān)系。因?yàn)橄鄬?duì)容器外空氣來講爆炸球是高溫高壓的，其超壓性質(zhì)與高級(jí)炸藥沖擊波 的超壓性質(zhì)類似。由于氣壓容器爆炸屬于能量密度低和功率較低的爆源，因此可按照沖擊 波效應(yīng)的爆炸輸出原理確定氣壓容器爆炸的等效TNT藥量。1、氣壓容器爆炸初始沖擊波超壓確定當(dāng)一個(gè)理想氣體球“爆裂”時(shí)，球內(nèi)氣體與空氣接觸面上的最大超壓為空氣沖擊波 波陣面上的最大壓力。因?yàn)榱黧w是一維運(yùn)動(dòng)的，所以可以用擊波管的爆炸壓力比與沖擊壓 力之間的關(guān)系確定氣壓房爆炸所產(chǎn)生的空氣沖擊波的初始峰值超壓。2、等效TNT藥量確定按照沖擊波效應(yīng)的爆炸輸出原理，對(duì)于某種爆源來說，在相同距離上造成同等程 度破壞所需要的TNT炸藥質(zhì)量為其等效藥量。根據(jù)高壓容器房計(jì)算初始條件，可把高壓容 器外形近似為長方體，并以距爆心一定距離的爆炸沖擊波峰值超壓作為等效條件進(jìn)行TNT 等效藥量計(jì)算。3計(jì)算模型氣壓試驗(yàn)房為鋼結(jié)構(gòu)框架形式，周圍有四個(gè)表面，一般采用Q235鋼板和槽鋼焊接 而成，頂部結(jié)構(gòu)采用菱形的鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)，房子的四周通過膨脹螺栓與地面固定，機(jī)組測(cè)試時(shí)內(nèi) 部的氣體為壓縮空氣。采用DYNA3D動(dòng)力有限元軟件對(duì)等效TNT裝藥在空氣中爆炸所產(chǎn)生的空氣沖擊波
3對(duì)四周鋼板的沖擊作用數(shù)值模擬計(jì)算。其中炸藥、空氣均采用ALE多材料體單元，鋼板采用 拉格朗日體單元，地面混凝土采用拉格朗日體單元，炸藥、空氣與鋼板、混凝土間采用流固 耦合算法。根據(jù)氣壓房計(jì)算模型對(duì)稱性，取1/4結(jié)構(gòu)來建立三維模型進(jìn)行計(jì)算。二、材料模型及參數(shù)確定TNT炸藥采用HIGH EXPLOSIVE BURN材料和JWL狀態(tài)方程模擬，其爆轟過程中壓力 和比容的關(guān)系為
I ^J t A… y其中A、B、禮、R2、ω是狀態(tài)方程參數(shù)，P是壓力，V是相對(duì)體積，Etl是初始比內(nèi)能?？諝獠捎肔S_DYNA3D程序中MAT_NULL材料模型。狀態(tài)方程采用線性多項(xiàng)式表達(dá) 式 式中μ = l/V—SV為當(dāng)前相對(duì)體積，E為材料的內(nèi)能。此狀態(tài)方程可以用來模擬 符合Y定律的氣體模型，其中Y為理想氣體的絕熱指數(shù)。鋼板的材料模型采用MAT_J0HNS0N_C00K材料模型和E0S_GRUNEISEN狀態(tài)方程。 Johnson-Cook材料模型是描述材料在大變形、高應(yīng)變率和高溫條件下的本構(gòu)模型，適用于 許多材料，包括大部分金屬材料。該材料的典型應(yīng)用包括金屬爆炸成型、彈道侵徹和沖擊?；炷敛捎脧椝苄允Р牧夏Ｐ?，參數(shù)取為密度為2. 3g/cm3,彈性模量為 0. 12 X 101 lPa，彈性失效應(yīng)變?yōu)?. 03，初始屈服應(yīng)力為0. 12X 108Pa。三、實(shí)驗(yàn)倉壁爆炸沖擊波峰值壓力確定等效TNT裝藥爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波的峰值超壓在距裝藥2. 25m處大約為 4X IO5Pa,與氣壓房爆炸所產(chǎn)生的空氣沖擊波的峰值超壓相等，符合TNT等效藥量計(jì)算條 件。由于混凝土地面的反射作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，鋼板底端的等效應(yīng)力強(qiáng)度最 大，鋼板其它部位的等效應(yīng)力強(qiáng)度相對(duì)較小。在沖擊波載荷的作用下，材料的屈服強(qiáng)度將比 靜態(tài)時(shí)提高約1倍，鋼材的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度約為σ s = 235X2 = 470MPa?？梢婁摪宓锥说?等效應(yīng)力強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，氣壓房在空氣沖擊波的沖擊作用下未產(chǎn)生屈 服。四、爆炸拋擲物的危害計(jì)算在分析密閉氣壓容器爆炸對(duì)四周防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，除了要考慮爆炸產(chǎn)生的沖擊 波的危害外，爆炸中所產(chǎn)生的破片或拋擲物也會(huì)對(duì)四周防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的危害。1、拋擲物初始速度計(jì)算由于密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋擲物有許多不確定性，為了確定拋擲物的初始速 度，做如下的假設(shè)盛有氣體的容器在壓力的作用下爆裂形成許多相等的長條狀破片。根據(jù) 泰勒和普萊斯、貝克等人提出的修正計(jì)算壓力容器爆裂時(shí)破片速度的方法，就可以確定密 閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋擲物初始初度。密閉氣壓容器無量綱壓力項(xiàng) 式中P為內(nèi)部壓力，P。為大氣壓力，V。為容器內(nèi)部容積，Mc為容器質(zhì)量，γ為比熱 比，Rm為校正后的理想氣體常數(shù)，θ ^為爆炸時(shí)氣體的絕對(duì)溫度。根據(jù)比例無量綱破片速度 與比例無量綱壓力的關(guān)系，可以確定密閉氣壓容器無量綱破片速度。2、拋擲物比動(dòng)能的計(jì)算由于比動(dòng)能的大小是影響拋擲物撞擊鋼板效果的最主要因素，比動(dòng)能越大其撞擊 鋼板的效果就越明顯，因此對(duì)密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生拋擲物的比動(dòng)能為 式中s為密閉氣壓容器在鋼板上的投影面積。由式(4)可知，拋擲物的初始速度 越大其比動(dòng)能也越大，因此撞擊鋼板所產(chǎn)生的破壞作用也越嚴(yán)重。3、拋擲物撞擊鋼板計(jì)算為研究密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋擲物撞擊鋼板所產(chǎn)生的最大破壞作用，建立了 如下計(jì)算方法密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋擲物以一定速度正碰撞Q235鋼板，按有限元計(jì)算模 型，拋擲物和鋼板均為拉格朗日體單元，其材料模型都采用MAT_J0HNS0N_C00K材料模型， 拋擲物與鋼板間采用侵蝕接觸算法，根據(jù)拋擲物初始速度，計(jì)算拋擲物撞擊鋼板危害效果。五、爆炸沖擊波超壓對(duì)地面螺栓破壞計(jì)算密閉氣壓房采用地腳螺栓，在沖擊波荷載作用下，計(jì)算其動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度和單個(gè)螺 栓要承受的最大剪力。以確定密閉氣壓容器爆炸時(shí)，密閉氣壓房采用的單個(gè)螺栓是否有足 夠的抗剪能力來抵擋沖擊波的沖擊。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1特靈空調(diào)廠氣壓實(shí)驗(yàn)倉為鋼結(jié)構(gòu)框架形式，周圍有四個(gè)表面，采用6mm厚Q235鋼 板和槽鋼焊接而成，頂部結(jié)構(gòu)采用菱形的鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)，房子的四周通過膨脹螺栓與地面固定。 最大機(jī)組的尺寸為5320(長)X2301 (寬)X2540(高)；最大測(cè)試壓力為2. 42MPa ；機(jī)組 最大容積為6600升；機(jī)組測(cè)試時(shí)內(nèi)部的氣體為壓縮空氣。實(shí)驗(yàn)倉的尺寸長12000mm ；寬 4000mm ；高 3500mm。按上述計(jì)算方法可得考慮到特靈空調(diào)廠壓力容器形狀對(duì)爆轟波傳播的影響，假定TNT藥塊形狀為長方 體且其長、寬和高的比為5320 2301 2540，因此根據(jù)等效TNT藥塊的體積可得長方形 TNT藥塊的尺寸為0. 2mX0. IOmX 0. 11m。等效TNT裝藥爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波的初始峰值 超壓在距裝藥2. 52m處為4X IO5Pa,與特靈空調(diào)廠密閉實(shí)驗(yàn)倉爆炸所產(chǎn)生的空氣沖擊波的 初始峰值超壓相等，符合TNT等效藥量計(jì)算條件。1、實(shí)驗(yàn)倉壁鋼板是否會(huì)產(chǎn)生屈服破壞由于混凝土地面的反射作用，鋼板底端的V-M等效應(yīng)力強(qiáng)度最大，其最大值為 288MPa ；鋼板其它地方的V-M等效應(yīng)力強(qiáng)度較小，一般不超過lOOMPa。在沖擊波載荷的作 用下，材料的屈服強(qiáng)度將比靜態(tài)時(shí)提高約1倍，因此Q235鋼材的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度約為σ = 235X2 = 470MPa
因此在空氣沖擊波的沖擊作用下，實(shí)驗(yàn)倉四周的鋼板所產(chǎn)生的v-m等效應(yīng)力一 般都不超過IOOMPa ；靠近地面的部分鋼板由于地面的反射作用，其v-m等效應(yīng)力強(qiáng)度為 288MPa，均小于Q235的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度(470MPa)。由此可知，實(shí)驗(yàn)倉壁的鋼板不會(huì)產(chǎn)生屈服。2、地面螺栓強(qiáng)度校核1/4鋼板底面剪切力的最大值為0. 1122X 107N,因此單個(gè)螺栓要承受的最大剪切 力為Wmax =01 二 x2 =330_。特靈空調(diào)廠密閉實(shí)驗(yàn)倉采用的是性能等級(jí)為8. 8的MlO號(hào)螺
栓。在沖擊波荷載作用下，其動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度[τ]為[t]=2X06Xos = 768MPa。而單個(gè)螺栓的公稱應(yīng)力截面積As為As = 58mm2因此可得單個(gè)螺栓的承受的最大剪切強(qiáng)度為
γπ33000γ 1Tmax 二-= 569ΜΡα < [τ]
58所以在密閉氣壓容器爆炸時(shí)，特靈空調(diào)廠密閉氣壓房采用的螺栓有足夠的抗剪能 力來抵擋沖擊波的沖擊。3、拋擲物撞擊鋼板(1)拋擲物初始速度計(jì)算確定密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋擲物的初始速度。密閉氣壓容器無量綱壓力項(xiàng)(^-Po)F0=(45-1.013)X10-X6.6 =03086
L 」 MjRJ0 806x1.4x287x293(25)根據(jù)比例無量綱破片速度與比例無量綱壓力的關(guān)系，可以確定密閉氣壓容器無量 綱破片速度。當(dāng)n = 2 時(shí)，^ =。52 式中u為拋擲物初始速度。
_4]當(dāng) η >10 時(shí)，;^IT08 (2)拋擲物比動(dòng)能的計(jì)算由于比動(dòng)能的大小是影響拋擲物撞擊鋼板效果的最主要因素，比動(dòng)能越大其撞擊 鋼板的效果就越明顯，因此對(duì)密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生拋擲物的比動(dòng)能進(jìn)行了計(jì)算。因此密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生拋擲物的比動(dòng)能為
r πW \ Mc 2 η McU1 式中s為密閉氣壓容器在鋼板上的投影面積。拋擲物的初始速度越大其比動(dòng)能也越大，因此撞擊鋼板所產(chǎn)生的破壞作用也越嚴(yán)重。(3)爆炸拋擲物對(duì)實(shí)驗(yàn)倉壁的撞擊破壞模擬密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋擲物以275m/s的速度正碰撞Q235鋼板。拋擲物的材料為16MnR，其尺寸為50mmX 25mmX6mm ；Q235鋼板的最大尺寸可視為 4250mmX 3000mm X 6mm。根據(jù)上述計(jì)算模型，建立了有限元計(jì)算模型。拋擲物和鋼板均為單點(diǎn)積分拉格 朗日體單元，其材料模型都采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，共劃分有限元網(wǎng)格 58686 個(gè)。利用DYNA3D動(dòng)力有限元軟件對(duì)上述計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明由于 鋼板的防護(hù)作用，密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋擲物的速度由275m/s迅速下降至0，喪失繼 續(xù)破壞鋼板的能力，而鋼板背面只產(chǎn)生微小鼓包。因此特靈空調(diào)廠實(shí)驗(yàn)倉的防護(hù)結(jié)構(gòu)是可 以抵擋密閉氣壓容器爆炸時(shí)所產(chǎn)生拋擲物的撞擊。4、結(jié)論按本發(fā)明計(jì)算方法和數(shù)值模擬表明，特靈空調(diào)廠實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)的空調(diào)機(jī)組在壓力實(shí)驗(yàn) 爆炸時(shí)在空氣沖擊波的沖擊作用下，實(shí)驗(yàn)倉四周的鋼板所產(chǎn)生的最大v-m等效應(yīng)力一般 不超過Q235的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)倉的鋼板不會(huì)產(chǎn)生屈服。其銅管破碎所產(chǎn)生的拋擲物穿 過機(jī)組外殼所具有的比動(dòng)能不足以穿透6mm厚的Q235鋼板。其單個(gè)螺栓有足夠的抗剪能 力來抵擋爆炸沖擊波的沖擊。從上述的分析研究中可以得到，特靈空調(diào)廠實(shí)驗(yàn)倉能夠抵擋空調(diào)機(jī)組爆炸時(shí)所產(chǎn) 生的空氣沖擊波以及可能產(chǎn)生的拋擲物的沖擊，起到了保護(hù)實(shí)驗(yàn)倉外的人員和設(shè)備的作用。
權(quán)利要求
高壓容器實(shí)驗(yàn)倉安全防護(hù)計(jì)算方法，其特征是提出了高壓容器爆炸的等效模型和實(shí)驗(yàn)倉對(duì)三種爆炸危害的安全防護(hù)計(jì)算方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓容器爆炸的等效模型，其特征是采用等效TNT藥量爆炸 替代高壓容器氣體爆炸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)倉對(duì)三種爆炸危害的安全防護(hù)計(jì)算方法，其特征是高壓 容器爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)密封倉鋼板的整體破壞；高壓容器爆炸碎片對(duì)密封倉的傾徹；高 壓容器爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)密封倉地腳螺栓的剪切破壞。
全文摘要
本發(fā)明提出了高壓容器在進(jìn)行壓力試驗(yàn)爆炸時(shí)，其實(shí)驗(yàn)倉對(duì)爆炸危害的安全防護(hù)計(jì)算方法。采用等效TNT藥量爆炸替代高壓容器氣體爆炸，可對(duì)高壓容器爆炸試驗(yàn)倉形成的三種危害形式進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算高壓容器爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)密封倉鋼板的整體破壞；高壓容器爆炸碎片對(duì)密封倉的傾徹；高壓容器爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)密封倉地腳螺栓的剪切破壞。爆炸沖擊波對(duì)周圍防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響以及密閉氣壓容器爆炸產(chǎn)生的拋擲物撞擊四周防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算，不僅為實(shí)驗(yàn)倉爆炸危害的安全評(píng)估提供計(jì)算方法，而且為實(shí)驗(yàn)倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇提供理論依據(jù)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101923007SQ20091018310
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
發(fā)明者史長根, 周祥, 江鵬飛, 蔡立艮 申請(qǐng)人:中國人民解放軍理工大學(xué)