換流變壓器閥廳抗爆門抗沖擊性能實驗研究

楊黎波，趙欣宇，董一夫，付萬璋，任家帆

(1.國網(wǎng)電力科學研究院 武漢南瑞有限責任公司，武漢430074；2.南京理工大學 化工學院，南京 210094)

抗爆門主要用于石油化工、電力工業(yè)、石油化工、軍工、部隊等工業(yè)建筑的各種房間，以及輔助建筑的各種房間[1]，諸如避難所、變電站、控制室或通道等。近年來在國內(nèi)外爆炸事故頻繁發(fā)生，因抗爆門性能不足造成的殉燃殉爆導致?lián)p失大幅增加，因此抗爆門在確保生命財產(chǎn)安全方面發(fā)揮著重要作用。

對于不同應(yīng)用領(lǐng)域的抗爆門的性能和設(shè)計理論，國內(nèi)外人員做了很多有意義的研究。許柯等人通過數(shù)值模擬研究了高阻尼橡膠在加固防護門方面的效果和機理[2,3]，并通過設(shè)計激波管實驗，驗證了數(shù)值模擬的可靠性，研究發(fā)現(xiàn)橡膠板和鋼板存在一個使加固效果提升明顯的最優(yōu)厚度范圍。張寅等人通過數(shù)值模擬利用等效TNT的方法研究了結(jié)構(gòu)設(shè)計對抗爆門抗爆性能的影響[4]，結(jié)果表明，通過增大防爆門迎爆面的面板厚度及其內(nèi)部骨架梁數(shù)能夠顯著的提高抗爆性能。Yan等人分析了邊長比、阻尼比、爆炸荷載等因素對抗爆門的影響[5-7]，結(jié)果表明：隨著邊長比的增大，正、負剪力峰值逐漸減小，此外，在爆炸荷載作用下，阻尼比和相對正剪切力幾乎沒有影響，甚至可以忽略，但對負剪切力的影響很大。譚朝明、肖長亮等人通過有限元軟件LS-DYNA，對抗爆門在爆炸沖擊載荷作用下的動力響應(yīng)進行分析，獲得其整機及局部等位移變化、應(yīng)力分布等參數(shù)，為抗爆門設(shè)計提供依據(jù)[8-10]。

盡管國內(nèi)外研究人員對抗爆門的性能、設(shè)計理論等進行了大量研究。但是，有關(guān)換流變壓器閥廳抗爆門設(shè)計的數(shù)據(jù)相對較少，在實際設(shè)計中，由于抗爆效果不同、應(yīng)用條件不同、抗爆門尺寸不同，因此應(yīng)對抗爆門的工程設(shè)計應(yīng)該根據(jù)具體情況進行測試和驗證。

換流站是直流輸電線路最重要的節(jié)點，保證換流站安全、穩(wěn)定運行是直流輸電的關(guān)鍵，換流變壓器是換流站最重要的設(shè)備之一。當換流變因故障發(fā)生火災(zāi)時，由于壓力瞬間增大，變壓器油熱解產(chǎn)生蒸氣，可能會引起嚴重爆炸事故[11]，對閥廳內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生嚴重的破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此需要在不影響換流變正常運行的前提下，采取必要的設(shè)備防護措施，最大程度降低火災(zāi)爆炸事故下造成的經(jīng)濟損失。本文通過對有泡沫鋁填充及無泡沫鋁填充的換流變壓器區(qū)域抗爆門進行TNT爆炸沖擊試驗，驗證抗爆門的抗沖擊性能。

1 爆炸荷載的確定

爆炸發(fā)生時，爆炸載荷經(jīng)常以沖擊波形式作用在建構(gòu)物上，爆炸的時間、位置和方式不確定，這增加了抗爆設(shè)計的難度。但是，爆炸對建構(gòu)物的破壞屬于沖擊破壞，即爆炸載荷具有作用時間短，強度高的特點。為了簡化計算，根據(jù)“超壓的峰值相等，正壓的脈沖相同”的原理，將爆炸發(fā)生時產(chǎn)生的空氣沖擊波的超壓簡化為三角波，而不需要增壓階段?？贡T的抗爆載荷公式如下

(1)

式中：Pmax為最大脈沖壓力值；t為沖擊荷載作用時間。

2 抗爆門抗爆性能實驗方案

2.1 試驗材料及設(shè)備

2.1.1 試驗樣本

本次實驗樣本有四個，其中樣本1和樣本3均為304不銹鋼方管框架和Q235鋼門扇構(gòu)成的無填充樣本，樣本2和樣本4均為在樣本1、3中填充泡沫鋁，泡沫鋁厚度為60 mm?？贡T門扇長為1.5 m，寬為1 m，厚度為3 mm。方鋼壁厚6 mm，長寬均為80 mm。具體樣本如圖1和圖2所示。

圖 1 無填充樣本Fig. 1 Unfilled samples

圖 2 有填充樣本Fig. 2 Filled samples

2.1.2 試驗設(shè)備

(1)自由場傳感器：美國PCB公司產(chǎn)本，型號113B系列，量程(0～3.4)MPa，靈敏度1.45 mV/kPa。壓力傳感器利用石英晶體的壓電效應(yīng)把壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，后續(xù)的儀器對電信號進行調(diào)理和記錄，得到壓力波形曲線。

(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：Elsys數(shù)采系統(tǒng)，該釆集系統(tǒng)兼有數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、計算等功能，共有16個通道，通道釆樣頻率1 MHz/s。

除了上述儀器之外還有地面壓電傳感器、應(yīng)變片、無人機、單反、DV等。

2.1.3 實驗設(shè)備工作原理

(1)壓力測試工作原理

壓力測試系統(tǒng)的工作原理如下：當爆轟波或沖擊波超壓信號傳到壓力傳感器時，傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)變成電荷信號，然后經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，再經(jīng)數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)采集儲存，由計算機對數(shù)據(jù)分析處理，就可以得到相應(yīng)的壓力信號隨時間變化曲線，以及沖擊波的各項參數(shù)。

(2)應(yīng)變片測試原理

通過將應(yīng)變片貼合在樣本上，當樣本受到?jīng)_擊產(chǎn)生形變時，此形變同樣的作用與應(yīng)變片，這種形變導致了其端電阻變小。通過測量應(yīng)變片的電阻，可以演算出其覆蓋區(qū)域的應(yīng)變。

2.2 實驗方法

換流變壓器的爆炸危險主要體現(xiàn)在變壓器油的的危險性上，變壓器油高溫熱解，生成大量氫氣和其他烴類氣體，因此可認為變壓器油的爆炸為可燃氣體與空氣中的氧氣混合后發(fā)生化學爆炸。通過前人的研究以及實際事故調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，閥廳爆炸事故類型為爆燃，而以上氣體混合物的最大爆燃壓力接近1 MPa，因此選用1 MPa作為實驗研究的最大沖擊波超壓。實驗選取TNT當量為1 kg壓裝藥柱，根據(jù)所用TNT藥柱的超壓-距離數(shù)據(jù)確定施加要求超壓的對應(yīng)距離。實驗參數(shù)如表1所示。

表 1 實驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters

實驗中TNT藥柱中心與抗爆門中心處于同一高度。左右兩側(cè)距樣本等距離各30°處布置兩個自由場傳感器，高度與TNT藥柱中心高度一致；左右兩側(cè)地面上距樣本直線距離相等處各30°處布置兩個普通壓電傳感器，其示意圖如圖3所示。

圖 3 試驗平面布置圖Fig. 3 Test layout

樣本背面應(yīng)力較為集中的幾個典型位置貼上應(yīng)變片。試驗時，同時將高速攝像機、攝像機、紅外熱成像儀放置在安全距離處對樣本進行拍攝，無人機于藥柱正上方100 m處記錄試驗過程。試驗方法引用的標準為：GJB—5412《燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數(shù)測試及爆炸威力評價方法》以及GJB—5232.4《戰(zhàn)術(shù)導彈戰(zhàn)斗部靶場試驗方法》。

由于帶泡沫鋁填充的樣本2和樣本4內(nèi)部無法添加應(yīng)變片，因此只給樣本1和樣本3在門扇背面布置6個應(yīng)變測點。其中1#～4#位于門扇背面加筋處，垂直于方鋼，5#和6#位于背面加筋板中心，呈90°布置，背面加筋板中心布置加速度測點1個，如圖4所示。

圖 4 抗爆門正反面Fig. 4 Front and back of anti explosion door

3 實驗結(jié)果分析

3.1 實驗超壓

表2為實驗過程中的超壓測量結(jié)果。由表2可以看出：空中超壓由自由場傳感器測得的是入射超壓，與預(yù)計設(shè)定超壓基本保持一致，實驗精度控制較好。

表 2 實驗超壓Table 2 Overpressure test results

3.2 應(yīng)變實驗結(jié)果

3.2.1 樣本1應(yīng)變實驗結(jié)果

爆炸造成能量急劇釋放，將爆炸材料轉(zhuǎn)變成高溫、高壓的氣體。這些高壓氣體相對應(yīng)的壓力陣面沿徑向傳入周圍空氣，從而形成一個熾熱的氣體驅(qū)動并支持著的強沖擊波。

沖擊波載荷施加在抗爆門面板上，面板在其作用下發(fā)生局部的相對變形，即應(yīng)變。應(yīng)變表示的是長度的相對變化量，是形變量與原來尺寸的比值，用ε表示。

本設(shè)備所測得的應(yīng)變?yōu)槲?yīng)變，是單位長度光纖的相對相對變化量，描述極其微小的形變，用符號με表示，其與應(yīng)變的關(guān)系為ε=106με。通過對應(yīng)變的分析，能夠根據(jù)材料屬性判斷在該外力作用下材料是否失效。

樣本1實驗過程中自由場壓力設(shè)計值為300 kPa，其測試結(jié)果如圖5所示。

本次試驗門扇材料為Q235鋼，其在沖擊波作用下屈服的微應(yīng)變με臨界值為1679。從圖5試驗數(shù)據(jù)可知，所有測點均未超過屈服應(yīng)變，其中2#和5#應(yīng)變測點在沖擊波作用下振動脫落失效。

圖 5 樣本1應(yīng)變和加速度時程曲線Fig. 5 Sample 1 residual strain and acceleration time history curves

圖 6 樣本3爆炸沖擊過程中應(yīng)變曲線Fig. 6 Sample 3 residual strain time history curve

可見，該門扇結(jié)構(gòu)在自由場壓力355.916 kPa荷載作用下，測點位置變形較小，保持為彈性狀態(tài)。但爆炸產(chǎn)生的鋼板振動很大，加速度峰值已經(jīng)超過40 000 m/s2。

3.2.2 樣本3應(yīng)變實驗結(jié)果

樣本3實驗過程中，自由場壓力設(shè)計值為1000 kPa。下圖顯示了樣本3不同位置處的應(yīng)變動態(tài)分布：從圖6可見，只有3#測點應(yīng)變峰值較小，在彈性范圍內(nèi)，其余各點在爆炸沖擊作用下的應(yīng)變峰值均超過屈服應(yīng)變。其中，5#測點微應(yīng)變最大峰值達到2600，6#測點微應(yīng)變最大峰值達到3100。2#測點與4#測點為對稱排布，實驗過程中2#測點與加速度計在沖擊波作用下振動脫落失效?？梢姡撻T扇結(jié)構(gòu)在自由場壓力929.445 kPa載荷作用下，測點位置出現(xiàn)塑性變形，加筋鋼板中心的不可恢復的變形量最大。

3.3 凹陷深度

圖7顯示了4種樣本在TNT爆炸實驗后抗爆門面板最大凹陷程度的對比圖，表3展示了其最大凹陷程度的數(shù)值對比。

表 3 實驗后凹陷深度對比Table 3 Depression thickness before and after the experiment

圖 7 實驗前后凹陷深度Fig. 7 Depression thickness before and after the experiment

由實驗結(jié)果可知，有填充的抗爆門在兩種強度沖擊波超壓作用后，凹陷分別為2 mm和3 mm；無填充的抗爆門在兩種強度沖擊波超壓作用后，凹陷分別為4 mm和12 mm。在同樣強度的爆炸載荷下，帶泡沫鋁填充的抗爆門抗爆性能更好。并且隨著爆炸載荷的增加，無填充抗爆門凹陷程度顯著增加，而帶填充抗爆門凹陷程度增加不明顯。說明有填充抗爆門有效的抵消了爆炸載荷增加后所帶來的破壞。因此當爆炸沖擊波載荷強度越大，有填充的抗爆門抗爆性優(yōu)勢越發(fā)明顯。

4 結(jié)論

通過抗爆實驗，研究了不同壓力載荷下有泡沫鋁填充與無泡沫鋁填充抗爆門的抗沖擊性能，得到以下結(jié)論：

(1)通過抗爆實驗以及應(yīng)變片測量可較好描述爆炸沖擊波荷載作用下抗爆門的動力特性。

(2)無泡沫鋁填充的門扇結(jié)構(gòu)在沖擊波超壓355 kPa作用下，鋼板變形較小，保持為彈性狀態(tài)。但爆炸產(chǎn)生的鋼板振動很大。門扇結(jié)構(gòu)在沖擊波超壓929 kPa作用下，鋼板存在塑性變形。

(3)在爆炸載荷增加約3倍的情況下，無填充抗爆門的面板凹陷程度也增長了3倍，而有填充抗爆門凹陷程度僅增加了1.5倍。因此隨著載荷強度的增加，有填充的抗爆門抗爆性優(yōu)勢越發(fā)明顯。