爆炸焊接過程中有害效應(yīng)的研究

王虎成，李勝杰，范建輝，朱 健，李志強

（1.太原鋼鐵 （集團）有限公司 復(fù)合材料廠，山西 忻州 035407；2.太原理工大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 力學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

爆炸焊接作為一種特殊的高能加工技術(shù)，在復(fù)合材料領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［1］。該技術(shù)以炸藥為能源，在炸藥爆炸過程中必然會產(chǎn)生各種有害效應(yīng)，主要包括爆炸沖擊波、爆炸地震波、噪聲和有毒氣體等，因此國內(nèi)外的爆炸加工廠多選擇距離城市和居民生活地較為偏遠的廢棄礦山、采石場等進行爆炸焊接作業(yè)。然而，隨著爆炸焊接加工廠生產(chǎn)能力的不斷擴大，爆炸焊接過程中對周邊環(huán)境和周圍建筑的影響也凸現(xiàn)出來。目前人們圍繞《爆破安全規(guī)程》［2］（GB6722－2003）（以下簡稱“規(guī)程”）關(guān)于炸藥爆炸對建筑物、人體產(chǎn)生的危害做了大量的研究，主要集中在近場的試驗測試和數(shù)值模擬［3－5］方面，而對于爆炸焊接遠場的研究較少。遠場的沖擊波超壓微弱，對壓力傳感器的靈敏度提出了較高的要求。本文主要針對太鋼復(fù)合材料廠爆炸焊接引起的沖擊波超壓、地面振動速度、噪聲對周圍村莊建筑和居民產(chǎn)生的影響進行了實地現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬，為其安全評估和防護提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗測試

1.1 爆炸焊接用炸藥

該廠使用的工業(yè)炸藥為硝銨類炸藥，硝酸銨本身是一種弱爆炸物，在強烈爆炸能作用下可以起爆。引爆后的爆速為2 000 m／s～2 700 m／s，爆力為165 mL～230 mL。當(dāng)其加熱溫度高于400℃～500℃時，硝酸銨分解并產(chǎn)生爆炸。按照爆熱比可以估計硝銨類炸藥與標準TNT炸藥的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.6［6］。

1.2 測試原理

圖1為測量振動速度和沖擊波超壓的原理框圖，通過速度、壓力傳感器將地面振動信號和空氣超壓信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并通過軟件系統(tǒng)記錄下來；通過計算機的信號分析從而得到測點地面的振動速度、沖擊波超壓；采用噪聲測試儀對噪聲進行測量。圖2為現(xiàn)場測量圖。

圖1 測量原理圖

圖2 現(xiàn)場測量圖

1.3 測點位置

本文選擇距離3個爆場5 000 m范圍內(nèi)的5個典型位置作為測點。由于爆場周圍群山環(huán)繞，地勢復(fù)雜，因此利用GPS測試爆場和測點的經(jīng)緯度和海拔，以確定測點相對爆場的位置。測點距爆場的距離如表1所示。

表1 測點距爆場的距離 m

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 沖擊波超壓

由于試驗測試數(shù)據(jù)量大，文中僅給出距離2號爆場測點1在藥量為640 kg時的沖擊波超壓試驗測試曲線，如圖3所示。從圖3可以看出：沖擊波超壓試驗測試曲線符合沖擊波的特征，沖擊波在很短時間內(nèi)達到峰值，然后衰減到負壓，最后維持在大氣壓附近；測點1的沖擊波超壓峰值為5 630 Pa。

圖3 測點1的沖擊波超壓測試曲線

為了驗證測點1試驗結(jié)果的可靠性，采用空氣沖擊波超壓公式計算起壓Δp（Pa）：

其中：R為爆距，m；W 為炸藥的重量，kg。將爆距R＝224 m，藥量W＝640 kg代入公式（1）計算得到：Δp≈4 k Pa。由此可以看出理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差約為29%，這主要是由于試驗測試時受到風(fēng)速、海拔高度、溫度等因素的影響。

2.2 振動速度

圖4給出與圖3相對應(yīng)的測點1的地面振動速度試驗曲線。從圖4中可以看出X，Y，Z方向的振動速度最大值分別為：0.5273 c m／s，0.40 c m／s和0.9801 c m／s。

2.3 試驗結(jié)果分析

通過分析壓力傳感器、速度傳感器和噪聲測試儀實時記錄1號、2號和3號爆場以不同藥量（640 kg～1 200 kg）的炸藥爆炸在上述5個測點的沖擊波超壓曲線、地面振動速度曲線和噪聲，給出各測點的沖擊波超壓、地面振動速度和噪聲的最大值，見表2。

從表2可以看出，無論1號、2號還是3號爆場炸藥爆炸，測點3（魚塘）、測點4（檢車站）和測點5（戎家莊）3個測點的沖擊波超壓最大值分別為224.2 Pa、16.9 Pa和2 Pa，地面振動速度都小于0.01 c m／s，爆炸噪聲分別為87.2 db、78 db和83.7 db?！兑?guī)程》中建筑物承受爆炸沖擊波的安全允許值為2 000 Pa，爆炸振動速度安全允許值為0.15 c m／s，噪聲允許值為90 d B。由此可見，距爆場2公里之外的區(qū)域受到爆炸焊接的影響均在安全范圍之內(nèi)，特別是沖擊波超壓和地面振動速度遠小于安全允許值。

圖4 測點1的地面振動速度測試曲線

表2 沖擊波超壓、地面振動速度和噪聲的最大值

3 結(jié)論

通過對5個測點的沖擊波超壓、地面振動速度和噪聲的測試試驗，得出以下結(jié)論：①無論1號、2號還是3號爆場炸藥爆炸，對距爆場2公里之外區(qū)域的影響很小，均在安全范圍之內(nèi)；②即使藥量超過常規(guī)藥量（800 kg）的40%達到1 120 kg，距離爆源2公里處，沖擊波超壓和地面振動速度均遠小于安全允許值；③噪聲為87.2 db，超過了人耳感覺范圍，但小于安全允許值（90 db），對人體健康不會有影響。

［1］ 鄭遠謀.爆炸焊接和金屬復(fù)合材料及其工程應(yīng)用［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2002.

［2］ 郝忠虎，林大超，白春華.爆炸地震波的沖擊特征分析［J］.火炸藥學(xué)報，2004，27（1）：30－32.

［3］ 孫艷馥，王欣.爆炸沖擊波對人體損傷與防護分析［J］.火炸藥學(xué)報，2008，31（4）：50－53.

［4］ 段衛(wèi)東.爆炸焊接的安全評估和安全防護措施［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，1999，9（6）：45－48.

［5］ 中國工程爆破協(xié)會.GB6722－2003爆破安全規(guī)程［S］.北京：中國標準出版社，2004：61－62.

［6］ Baker W E.空中爆炸［M］.江科，譯.北京：原子能出版社，1982.