內爆炸荷載下鋼管的動力響應特性

路四方 盧永剛 黃 輝 賈 彬

（1.西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010；2.中國工程物理研究院總體工程研究所 四川綿陽 621900）

油氣資源是我國戰略能源之一，擁有較高能源地位。我國油氣資源分布差異較大，西部油氣資源豐富，東部則相對貧乏。為了滿足不同地區油氣的需求，鋼管線運輸是一種重要輸運途徑，約占總油氣運輸的95%。隨著鋼管線服役時間的增加，由于自然因素腐蝕及人為影響等原因，難以避免地產生缺陷，導致泄漏爆炸事故時有發生。王德寶等［1］通過內爆炸沖擊鋼管試驗分析了內爆荷載作用下鋼管的動力響應，得到以水作為傳壓介質優于空氣介質的結果。吳賽等［2］對爆炸荷載下鋼管混凝土柱的動力響應進行了分析，得到爆炸沖擊波在空中的傳播規律，爆炸沖擊波波陣面的壓力峰值隨著傳播距離的增加迅速減小。劉珍［3］進行了雙層鋼管結構在內爆炸荷載下的動力響應，分析鋼管壁厚對能量吸收的影響，得到內層鋼管壁厚對結構變形失效模型起主導作用。

目前，國內外多數學者對于鋼管在內爆荷載作用下的分析重點為破壞現象［4］，鮮有對爆炸沖擊波在鋼管中的傳播規律的研究［5］及通過對爆炸規律的研究預估內爆炸荷載對鋼管的破壞程度［6］。因此，本文根據鋼管在不同炸藥量爆炸荷載作用下的應變、加速度及超壓數據，對其動力響應進行定量分析。

1 試驗設計

1.1 試驗概況

試驗所用試件強度為Q235圓鋼管，直徑為325 mm，長度為1 m，鋼管一端采用橢圓形封頭，另一端采用通過螺栓連接的法蘭盤進行封閉，如圖1所示。以藥量大小為變量，共進行5組試驗，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

1.2 加載方式及測點布置

通過在鋼管表面布置應變片和傳感器，獲得同一位置處不同方向的應變和沿軸向不同位置處加速度和超壓數據，基于以上數據分析爆炸沖擊波在鋼管中的傳播規律。球狀炸藥置于鋼管結構中心，由雷管起爆。已有學者研究表明：爆炸沖擊波為球狀［7］，為了獲得鋼管同一截面爆炸沖擊波的參數，在同一截面上布置應變片及傳感器，從中間向端部測點依次為1號，2號，3號。如圖1所示。

圖1 鋼管試件Fig.1 Steel tube specimen

2 試驗結果與分析

2.1 同一位置處不同角度的應變分析

鋼管在內爆炸荷載作用下處于膨脹狀態［8］，通過在鋼管表面粘貼應變片花，測得1號，2號測點在膨脹過程中各個方向應變大小，不同炸藥量下1號、2號測點的應變試驗數據如圖2－圖6所示。

圖2 10 g炸藥量下的應變Fig.2 Strain of 10 g explosive charge

圖3 20 g炸藥量下的應變Fig.3 Strain of 20 g explosive charge

圖6 50 g炸藥量下的應變Fig.6 Strain of 50 g explosive charge

圖4 30 g炸藥量下的應變Fig.4 Strain of 30 g explosive charge

圖5 40 g炸藥量下的應變Fig.5 Strain of 40 g explosive charge

圖2 －圖6展示了鋼管在10 g至50 g炸藥量下1號、2號測點0°，45°和90°方向的應力應變數據。從圖2－圖6可得：環向應變和軸向應變在爆炸沖擊波波峰面作用下先迅速升高，應變率為3 121至877 004，且隨炸藥量的增加而增加；在波峰面經過后又迅速下降，應變率為2 991至843 004，且隨炸藥量的增加而增加；由于鋼管的振動產生約四分之一的應變波動，環向應變與軸向應變同時達到最大值。

2.2 不同距離的超壓分析

通過在鋼管表面布置超壓傳感器，得到爆炸沖擊波在鋼管中的衰減規律。圖7給出了2號、3號測點傳感器在不同炸藥量下的試驗數據，其中，2號、3號測點距離爆炸中心的距離分別為16.42，21.67 cm。

圖7 不同炸藥量下2號、3號測點壓強Fig.7 Point pressure of No.2 and No.3 under different explosive dosages

由圖7可以得到，爆炸沖擊波的波峰面作用到2號、3號測點時，測點處的壓強迅速上升，達到峰值，然后開始緩慢衰減，直至恢復到大氣壓。試驗中2號測點距離爆炸中心比較近，爆炸沖擊波先到達，且波峰面的壓強較3號測點高。

2.3 不同距離的加速度分析

通過在鋼管表面布置加速度傳感器測得鋼管在內爆炸荷載作用下的加速度。圖8給出了10 g炸藥量下的鋼管表面加速度數據。

圖8 10 g炸藥量下的加速度Fig.8 Acceleration of 10 g explosive charge

從圖8可以看出，當爆炸沖擊波作用到鋼管表面時，鋼管表面加速度迅速達到峰值，爆炸沖擊波經過后，鋼管在余波作用下繼續振動，最后鋼管經過自由振動，逐漸恢復到0。由1號、2號、3號測點的加速度峰值得到，隨著爆炸沖擊波在鋼管中傳播距離的增加，鋼管表面的加速度逐漸減小。爆炸沖擊波沿管道軸向傳播時，由于鋼管的連續性，加速度在軸向方向的衰減不明顯。

2.4 同一位置處角度對應力應變影響分析

鋼管在內爆炸荷載作用下，同一位置處的應變隨著角度變化發生改變。1號、2號測點中0°與90°的數據如表2所示。

表2 不同炸藥量下1號、2號0°與90°測點應變峰值Table 2 Peak strain of No.1 and No.2 measuring points under different explosive dosages

由表2可知，環向應變近似為軸向應變的2倍。由于從10 g至50 g的乳化炸藥的半徑小于爆炸中心到鋼管距離的十分之一，本次試驗鋼管內爆炸屬于遠場爆炸，因此鋼管的應變大小主要是由于超壓大小決定。根據拉梅公式［9］和管道軸向應變公式得到：

根據試驗條件，取ρ＝R，通過簡化得到

由于管道半徑遠遠大于管道的壁厚，略去壁厚的平方繼續化簡得到

式中，σφ為環形應力，σt為軸向應力，R為鋼管外徑，r為鋼管內徑，q1為壓強，δ為鋼管壁厚。由此可以得到環向應力近似為軸向應力的2倍，與軸向夾角為45°時應變則是介于兩者中間，故可以得到隨著與軸向角度的增大，應變呈增大趨勢。當與軸向垂直時，應變值最大，證明了鋼管在內爆炸作用下發生破壞時出現沿軸向方向的裂紋［10］。

2.5 炸藥量對超壓衰減的影響分析

試驗中隨著炸藥量的增加，2號、3號測點的超壓峰值增加，且2號、3號測點之間的衰減率也逐步增加。試驗數據如表3所示。

表3 不同炸藥量下2號、3號測點超壓衰減率Table 3 Overpressure attenuation rate at No.2 and No.3 measuring points under different explosive quantities

爆炸沖擊波的超壓峰值隨傳播距離的增長而逐漸減小。從表3可知，2號測點與3號測點之間的超壓衰減率在23.2%以上，且具有衰減率隨著炸藥量的增加而呈曲線增大的趨勢。其原因是，隨著炸藥量的增大，相同位置處的比例距離減小，而比例距離減小，導致超壓峰值在時程曲線中靠近波峰處，故同一位置處壓強隨著炸藥量的增加而增加，衰減率也逐漸增大。

2.6 密閉空間對超壓峰值的影響分析

炸藥發生爆炸時通過壓縮空氣形成球狀爆炸沖擊波。由于試驗管道屬于圓柱狀密閉空間，爆炸沖擊波的傳播區別于空氣自由場。試驗中表3試驗數據與已有超壓峰值公式計算結果對比偏小且相差為80%以上［11］，因此需要對密閉空間超壓峰值經驗公式重新擬合。圖9為不同比例距離下的超壓實測值及擬合曲線。

從圖9可知，隨著比例距離的增大，壓強先衰減較快，然后逐漸變慢。通過冪函數擬合得到式（7）

式中，Ps為超壓峰值，R—為比例距離。從圖9可得，該式擬合的比例距離為0.4至1.0，擬合曲線與實測點基本吻合，誤差最大為1.24%，因此該式可以用來預測該比例距離范圍內密閉試驗鋼管內爆炸的超壓峰值。

圖9 不同比例距離下的超壓Fig.9 Overpressure at different proportional distances

2.7 炸藥量對加速度的影響分析

隨著炸藥量的增加，1號、2號、3號測點加速度逐漸增加。從2號、3號測點數據可以看出，同一位置處隨著炸藥量的增加，加速度逐漸增大，但增大速率逐漸較小。根據比例距離公式（式（8）），隨著炸藥量的增加，同一位置的比例距離減小速率逐漸變慢且向爆炸沖擊波波峰處移動，因此產生隨著炸藥量的增加，加速度逐漸增大，但增加速率下降。

式中，R為實際距離，W為炸藥質量。

3 結論

通過內爆炸荷載試驗得到如下結論：（1）爆炸沖擊波作用到鋼管表面時，同一位置處的應變隨著與軸向角度的增大，應變逐漸增大，且當與鋼管軸向垂直時，應變達到最大；環向應變近似為軸向應變的2倍。（2）試驗中2號、3號測點超壓的衰減在23%以上，且隨著炸藥量的增加，逐漸靠近峰值處，衰減率逐漸增大；擬合得到了密閉空間中超壓峰值公式，該公式計算值與實測值最大相差1.24%，可以預估相應比例距離內封閉鋼管在內爆炸荷載作用下的超壓峰值。（3）爆炸沖擊波到達鋼管表面時，鋼管加速度立即達到峰值，然后較為緩慢地恢復到零。隨著炸藥量的增大，比例距離減小速度逐漸減小，加速度增加的速率逐漸減小。