带环缝多层钢筒抗爆能力实验研究

梁志刚 徐海斌 刘峻岭 马艳军 王占江

西北核技术研究所

带环缝多层钢筒抗爆能力实验研究

梁志刚 徐海斌 刘峻岭 马艳军 王占江

西北核技术研究所

为了验证多层圆柱钢筒环接缝不同处理方式在爆炸冲击载荷作用下的抗爆能力，加工了外形尺寸和材料相同，但结构不同的3种试验圆柱钢筒，进行了多轮中心加载试验。实验结果证明在1%～5%设计应变范围内，集中爆炸冲击载荷下多层圆柱钢筒环接缝焊接与否对其抗爆能力的影响不显著。

爆炸容器能实现对爆炸破坏有效限制，实现保护实验环境安全，因此，被广泛运用于各民用和国防领域，是爆炸冲击实验室的必备设备。国内外对于爆炸容器结构研究大多集中在单层结构方面，而对于多层容器结构研究不多，参考资料也很少。

对于柱形容器，由于爆炸载荷沿圆柱形钢筒轴向衰减很快，所以柱形爆炸容器研制主要是解决容器爆心部位抗爆结构的力学安全。一般的方法是通过对容器中心部位进行局部多层加厚增强。由于工艺原因，加强钢筒会存在对接环缝，接环缝处理工艺对多层结构抗爆能力是否有影响，有必要进行进一步研究。

通过数值模拟，圆柱钢筒上多层加强层环接缝焊接与否对抗爆能力有些影响，如纵缝不焊接其抗爆能力有所减弱，但影响不大。但在爆炸载荷下多层结构的受力情况和结构响应很复杂，影响其抗爆能力的不确定因素很多，准确计算分析的难度很大。为了验证理论结果，为以后的工程应用提供参考依据，设计加工了三种相同外形尺寸和材料，但结构不同的试验钢筒，分别称为钢筒Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。对其进行了系列集中装药中心加载抗爆试验，并对其抗爆能力进行了分析研究。

试验装置

钢筒Ⅰ为单层钢筒。钢筒Ⅱ由内筒体和4层层筒组成，层筒壁厚1.5mm。层筒套装在内筒体上。钢筒Ⅲ也由内筒体和4层层筒组成，内筒体结构尺寸与钢筒Ⅱ相同。层筒共4层，每层层筒由长度为80mm、60mm、40mm、20mm的短筒排列组成，每层5个短筒，层筒壁厚为1.5mm，层与层间各短筒环接缝轴向错开一定距离。具体结构如表1。具体结构排列组合顺序为：第一层筒节顺序为40mm、80mm、80mm、80mm、40mm；第二层筒节顺序为20mm、80mm、80mm、80mm、60mm；第三层筒节顺序为60mm、80mm、80mm、80mm、20mm；第四层筒节顺序为40mm、80mm、80mm、80mm、40mm。保证了爆心环面无层筒对接环缝，距爆心环面最近的环缝到爆心的距离为20mm，约为筒体半径的三分之一。

表1 两类试验筒体结构尺寸

表2 试验钢筒实际测量爆心环向应变

图1 装药结构

图2 三种当量加载下三种结构钢筒外壁应变的实际测量结果

图3 试验后钢筒状态

试验安排

分别用60g、100g和120gTNT当量装药量对三种试验圆柱钢筒进行爆炸试验。炸药为球形炸药，用小药球中心起爆，以保证爆炸载荷的对称性。采用线装药密度为0.5gRDX/m、直径1mm的柔爆索起爆。装药结构如图1所示，由两个半球主装药和中心1gTNT当量引爆小药球组成，小药球用微米级PETN粉压制而成。主装药为TNT/RDX（40/60）浇铸，密度为1.6g/cm3。药球引爆序列为雷管引爆柔爆索，柔爆索引爆小药球，小药球起爆主炸药。

为确保药球的安装定位精度，药球通过1.5mm厚的有机玻璃板十字支架固定在钢筒内中心位置（简称爆心）。此结构既能保证药球的精确定位，又能减小其对爆炸冲击载荷的干扰。试验时钢筒两端不进行封闭。试验钢筒全部采用同一型号、同一批次20号钢加工，材料延伸率≥20%。

试验结果

分别用三种不同药量对三种钢筒进行了试验，由于试验钢筒爆心冲击振动非常大，造成爆心部位大部分应变计被震掉，无法完整地记录筒体变形过程，后来通过在应变计上安装阻抗大的小质量块，有所改善，但120gTNT当量试验时还是没有实时监测到完整的应变信号。试验后钢筒产生了较大的塑性变形，通过多次测量钢筒爆心环面的残余应变并取其平均值，可以得到爆心环面的实测环向应变，如表2所示。

图2是试验后钢筒应变沿轴向分布实际测量结果，由图可见，每一种当量加载下，钢筒层筒环缝不焊接时比焊接时爆心截面环向应变略大，但差距不大。图3是三种当量下的三种钢筒变形情况。

结语

试验钢筒均有塑性变形，变形较均匀，表明中心起爆的炸药球载荷基本均匀加载在钢筒内壁上。由试验结果可得，设计变形应变在1～5%的多层钢筒，其层筒环接缝焊接于否对其抗爆能力影响不大。