泡沫铝夹心排爆罐抗爆性能试验研究

任新见，李广新，张胜民

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081;2.总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023)

泡沫铝夹心排爆罐抗爆性能试验研究

任新见1，2，李广新2，张胜民2

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081;2.总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023)

排爆罐作为常用的公共安全防护装备，其结构的抗爆性能、机动性等指标对安全保障起到决定性作用。目前国内常用排爆罐结构笨重，质量较大，抗爆性能较差。为研制一种新型便携式轻质高抗力排爆罐，制作泡沫铝夹心排爆罐模型，与国内既有排爆罐模型开展相同装药量条件下的抗爆性能对比试验。对结构中应力波的衰减特性进行了分析，探讨了影响排爆罐抗爆性能的核心因素。比较表明，泡沫铝夹心排爆罐抗爆性能远优于传统排爆罐。

排爆罐;泡沫铝;夹心结构;抗爆性能

在常见的恐怖袭击方式中，爆炸恐怖活动最为猖獗，一直是国际恐怖分子最常用的袭击手段。随着恐怖活动的日益加剧，对反爆炸恐怖袭击工程防护设计理论及技术措施的深入研究是我国目前一个非常现实的重要课题。

排爆罐是确保公共安全的基础条件，是目前国内外广泛使用的主要排爆装备。排爆罐形状一般为圆筒形或球形，通常置于平板拖车上，由汽车进行机动牵引。当发现可疑爆炸物后，将其放入排爆罐中及时转移到安全地进行销毁处理。我国排爆罐的研发与生产均处于起步阶段，主要采用厚壁金属容器等形式。研发可供公安、武警、消防等公共安全部门大规模推广使用的具有良好机动性能、较高性价比的排爆罐是一项十分紧迫的任务。

多孔材料具有减震和吸收冲击能量的优点，已引起工程防护领域的普遍重视，国内外广泛开展了针对泡沫铝、聚氨酯泡沫等多孔材料的研究。研究表明，泡沫材料对爆炸荷载具有较强的抗冲击减压效能，爆炸冲击波在泡沫铝中传播时显示明显的衰减特性［1～3］。理想吸能材料须具有较长应力平台，这样应力应变曲线围成的面积较大，吸收的能量较多［4～5］。泡沫铝密度低而且屈服强度较高，具有高而长的应力平台，在应力平台阶段能吸收大量能量。为研制轻质高抗力排爆罐，制作泡沫铝夹心排爆罐模型进行化爆试验，通过在给定药量的爆炸荷载下结构内外面板及泡沫夹心的变形压缩情况、不同层面间的应力波幅值来了解结构的总体性能，对泡沫铝材料的抗爆吸能特性进行验证。

1 试件简介

采用熔体发泡法制备的闭孔泡沫铝作为吸能材料。泡沫夹心与新型排爆罐模型示意如图1。

图1 泡沫夹心与新型排爆罐模型Fig.1 Foam sandwich and explosion-proof pot model with new style

新型排爆罐模型Ⅰ、Ⅱ用线切割方式加工泡沫铝锭制成，缩尺比分别为1∶4和1∶3，几何尺寸如表1。

表1 机械加工的泡沫铝夹心尺寸Tab.1 Machining dimension of aluminium foam sandwich

模型Ⅲ由铝熔体在钢筒夹层中直接发泡成型，缩尺比1:1.6，内外面板厚度均为1.8 mm，总高度 H=430 mm，外径D=500 mm，内径d=400 mm，夹心厚度Tc=50 mm，泡沫夹心密度0.486 g/cm3。底部由厚度约10 cm的泡沫铝组成。由于夹心是在钢板层间直接发泡，夹心厚度在径向上分布不均匀(如图2)，面板与夹心之间甚至有缝隙，筒体整体上比较粗糙。

模型Ⅰ～Ⅲ内外面板均采用A3钢板卷制焊接而成。加工制作与模型Ⅰ～Ⅲ缩尺比对应的多层复合传统排爆罐各1个以进行爆炸比较。多层复合排爆罐夹层结构和材质如图3所示。对比试验中，除钢板材质与新型排爆罐面板均为普通A3钢板，其他部分均与实物采用相同材料。标准原型传统排爆罐重250 kg，相对应的新型泡沫铝夹心排爆罐重约100kg。传统排爆罐中2层防弹钢板主要为防破片侵彻，而新型排爆罐使用泡沫铝夹心的功效为提高结构抗内爆冲击波荷载的能力，因此未进行带壳弹试验。

2 性能试验

不同比例的结构模型在对应药量下产生的效果明显地验证了两类排爆罐抗爆性能的优劣。采用PVDF压电薄膜测量爆炸作用下介质间压力［6～7］。

在爆炸测试中采用TST3046动态采集仪进行信号处理，采样率2 000 kHz，采样长度1 000 K，采样延时－64 K。试验示意如图4。在周向间隔120°布置3组PVDF压电传感器，通过PVDF传感器了解内面板受到的冲击波大小和作用时间以及夹芯与面板间的应力波衰减情况。图5为试验测量线路。

模型I

图6为传统复合排爆罐与新型排爆罐模型I在爆炸后的状态，前者在23.4 gTNT药球爆炸作用下，缓冲毛毡和PVC波纹板均被炸碎并冲出罐外，内壁完全破裂成三块(如图7)，其中一条裂纹沿焊缝破裂，外面板呈轻微三角形变形;后者在相同药量作用下，仅内壁发生轻微变形。为进一步验证新型排爆罐的抗爆能力，用同样药量进行第二次爆炸测试。试验后，内壁中部在冲击波作用下凹陷，局部产生破裂(图8)。泡沫夹心产生压缩，在药球悬挂高度处，凹陷最大幅度达到19mm(泡沫夹心厚度25 mm)，压缩较充分，外壁只有轻微的均匀膨胀，整个结构具有优异的抗爆能力。

模型Ⅱ

采用55.5gTNT药球对传统排爆罐与新型排爆罐模型II进行测试，在爆炸作用下，传统排爆罐模型中的缓冲毛毡被炸成碎块和粉尘，PVC波纹板被炸成碎块，内层壁板被炸出罐体外，并且发生严重破坏(见图9)。

新型排爆罐模型Ⅱ在同样药量下，罐体损毁，内外壁板以及泡沫铝夹心破裂，测试失败，原因在于罐体壁板采用对接电焊，强度难以保证，使得外壁焊缝开裂，导致结构失去约束而破坏，泡沫铝夹心尚未产生可见压缩就已破裂，没有发挥出应有的吸能作用。

模型Ⅲ

在排爆罐模型Ⅲ爆炸试验中，为防止出现之前的焊缝开裂导致的测试失败，先采用125 gTNT药球进行爆炸试探。

爆炸过后传统排爆罐罐口响应见图11，缓冲毛毡被炸出罐口，PVC波纹板被炸碎，内壁面板底部产生15 mm凹陷，外面板未产生明显变形。

在125 gTNT作用下新型排爆罐内外壁板及夹心泡沫均未产生明显变形，但是内壁焊缝产生裂纹，底部钢板与泡沫铝夹心开裂，泡沫铝底板被炸出很多小坑(图12)。外面板结合方式为搭接焊，强度比之前的对接焊高，未产生明显变形，焊缝经过检查也完好无损。

在125 gTNT作用下，新型排爆罐模型Ⅲ结构未发生太大破损，外壁板采用搭接焊能够保证焊接强度，因此用原抗爆设计药量366.6 gTNT进行第二次爆炸验证。

经过第二次爆炸测试，罐体产生严重变形，外壁最大变形在距底面10 cm高度处达到2.6 cm，该位置正好对应内壁破裂的焊缝位置，两层钢壁板之间的泡沫铝夹心已经破裂，而且底部的泡沫夹心部分崩裂，飞出罐体，内面板焊缝发生严重变形，泡沫铝夹心被压碎，内面板具底部10cm处产生凹陷，最大变形为5.4 cm，内面板与筒底泡沫夹心脱开(图14)。

爆炸产生时，筒底的泡沫铝部分发生崩落，应力波在泡沫铝介质中传播时，反射拉伸波使得崩落的泡沫铝部分飞离罐体。崩落的泡沫铝受爆炸冲击波作用的面产生很多孔洞，并且中间部分塌陷变形，在背面的断裂带区域里，泡沫铝孔隙均被压实，胞壁被压溃。

由于罐体内壁焊缝开裂，使得夹心泡沫被压碎，继而使对应的外面板产生明显变形，罐体油漆在拉伸波作用下部分剥落。虽然外面板在爆炸下产生了局部的大变形，但是外壁钢板的焊接带并没有产生开裂等现象，主要原因是使用了搭接焊缝，保证了焊接带的强度。

图14 内壁焊接处在原有基础上产生严重开裂Fig.14 Serious crack on weld joint of inwall based on original status

3 数据分析

选取原始信号的波形有效时间段进行分析。在1∶4新型排爆罐模型测试中，选取周向同一位置不同厚度间的冲击波压应力进行分析。图15为内外壁板与泡沫铝夹心间的电压信号，内壁处电压峰值为13.26 V，外壁处电压峰值为0.77 V，通过对其积分得到电压积分曲线，如图16。

在试验中PVDF压电薄膜传感器有效面积为1 cm2，并联的电阻为510 Ω，从内外壁板与夹心间的电压积分曲线可得应力峰值P1(t)≈8.0 MPa，P2(t)≈6.8 MPa，冲击波在25 mm厚度的夹心传播过程中，衰减幅度为14.7%。

4 结论

爆炸试验表明，泡沫铝夹心排爆罐与多层复合传统排爆罐相比，具备很强的能量吸收能力，且应力波在泡沫夹心结构的传播过程中有较明显衰减，因此抗爆性能远比后者优秀。单一的泡沫铝材料强度较低，为降低爆炸冲击荷载对结构的破坏，在泡沫铝表面附着钢板构成多层复合抗爆结构，实现防爆和衰减冲击波的功能。当爆轰产物高速冲击多层复合结构时，泡沫铝产生塑性变形被压实。由于泡沫铝冲击波阻抗很低，能够大大削减应力波的强度。在这个过程中，爆轰产物冲击能量减小，和单层结构相比，复合抗爆结构抗力显著提高，“硬－软－硬”叠合结构是一种合理的抗爆结构形式［8～11］。

在试验中，线切割加工的泡沫铝夹心在尺寸上精度很高，然而对结构本身而言，由于制备工艺的影响，在同一结构的不同位置，孔隙率与孔径分布不均导致能量吸收不均匀。试验中1:4比例新型排爆罐在23.4 gTNT爆炸作用下，在罐体中部高度处，内壁板凹陷最大达到19 mm，而最小处凹陷不足5mm。

罐体外面板对整个结构起到约束作用，外面板过薄，泡沫铝夹心压缩不充分，且会使罐体外壁变形过大;过厚则会使罐体质量增大。内面板须比外面板薄，这样才能在外面板的约束下，内面板充分压缩泡沫铝夹心，达到能量吸收最佳效果。在1∶1.6新型排爆罐模型中，内外面板均为1.8 mm，结果使得外面板变形较大，泡沫铝夹心压缩程度也不充分。

由于罐体内外壁板均由不同厚度钢板加工而成，在罐体制作加工中，需要对内外面板的对接处进行焊接，对于厚度低于1 mm的薄面板须采用二氧化碳保护焊，其他厚度钢板可采用普通电焊。对接焊虽然外观整洁，但焊接强度比搭接焊低，在1∶3的新型排爆罐模型试验中，由于罐体外壁对接焊缝的开裂使得泡沫铝夹心在没有产生明显变形的情况下就已整体破裂，而在1:1.6的新型排爆罐测试中，虽然外壁板变形很大，但是搭接焊的强度保证了外壁的牢固。

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Antidetonation property tests for explosion-proof pots made of sandwich structure with aluminium foam

REN Xin-jian1，2，LI Guang-xin2，ZHANG Sheng-min2

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;2.The Third Engineering Scientific Research Institute of the Headquarter of PLA General Staff，Luoyang 471023，China)

An explosion-proof pot is a common protection equipment in poblic safety fields，its antidetonation property and mobility are critical for safety protection.At present，explosion-proof pots made in China are heavy and massive，their performance is worse.In order to make a portable pot with new style and higher antidetonation property，sandwich pot models with aluminium foam were manufactured，and tests were accomplished to verify their antidetonation property compared with domestic traditional explosion-proof pots.Fading characteristic of stress wave in the sandwich structures were analyzed.Key factors influencing the antidetonation ability of explosion-proof pots were discussed.Tests results indicated that antidetonation property of pots with new style is more excellent than that of traditional pots.

explosion-proof pot;aluminium foam;sandwich structure;antidetonation property

O383

A

国家973计划项目(2006CB601200)

2009－12－15 修改稿收到日期:2010－01－26

任新见 男，博士生，助理研究员，1979年生