復(fù)合夾芯纖維增強(qiáng)水泥板抗爆性能研究

陳國(guó)鑫

(1. 中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104 2. 中石化國(guó)家石化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)中心有限公司，山東青島 266104)

我國(guó)石化行業(yè)存在大量既有控制室等作業(yè)人員集中場(chǎng)所，與裝置相距較近且未采取相關(guān)抗爆防護(hù)措施，不能滿足GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于沖擊波爆炸荷載防護(hù)的要求。為解決石化企業(yè)抗爆防護(hù)需求問題，市面上相繼出現(xiàn)了多種改造方案，如抗爆涂層內(nèi)部涂覆、迎爆面設(shè)置抗爆墻、整體建造抗爆罩、移動(dòng)式抗爆庇護(hù)所等[1-10]。抗爆墻工藝簡(jiǎn)單、施工方便、成本較低，得到了化工企業(yè)的青睞，被廣泛用于對(duì)裝置周邊機(jī)柜室、外操室、控制室等建筑的加固改造。

1 抗爆板性能檢驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀

常見的抗爆墻主要由抗爆基礎(chǔ)框架和纖維增強(qiáng)水泥抗爆板(以下簡(jiǎn)稱“抗爆板”)組成，通常根據(jù)企業(yè)改造需求在迎爆面對(duì)應(yīng)位置加工基座，于基座上固定抗爆龍骨框架，之后在龍骨框架上固定抗爆板。

抗爆墻的抗爆效果除依靠龍骨框架自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，還需要抗爆板來吸收耗散沖擊波爆炸能量，以降低爆炸傳播和終端作用危害。目前，國(guó)內(nèi)抗爆板生產(chǎn)廠家成百上千，但針對(duì)產(chǎn)品抗爆性能真實(shí)尺度研究較少，僅有少數(shù)大型企業(yè)委托國(guó)家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心開展檢驗(yàn)測(cè)試，檢驗(yàn)在1 100 mm藥柱間距、1 200 mm藥柱高度、1 kg藥柱質(zhì)量、峰值壓力1.6 MPa的沖擊波作用下，抗爆板試樣的迎爆面和背爆面面板變形及破損情況。

在研究材料抗爆性能時(shí)，爆炸沖擊波的引發(fā)方式主要有兩種，一種是TNT炸藥爆炸，另一種是氣相爆炸。國(guó)家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心使用TNT炸藥作為起爆源，其爆炸特點(diǎn)類似于硝化類?；饭虖U爆炸，超壓峰值大，作用時(shí)間極短，甚至不到1 ms，測(cè)試結(jié)果可以驗(yàn)證抗爆板應(yīng)對(duì)固廢爆炸時(shí)的抗爆性能優(yōu)異與否，但不能檢驗(yàn)抗爆板應(yīng)對(duì)氣相爆炸時(shí)的性能。此外，值得注意的是，在正常抗爆墻施工過程中，龍骨支架的跨距普遍采用1 200 mm×1 200 mm，而國(guó)家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試時(shí)采用的龍骨支架跨距為1 200 mm×800 mm，如圖1所示(灰色為抗爆板，藍(lán)色為龍骨支架)，這在一定程度上增加了龍骨支架的剛度和支撐范圍，也限制了抗爆板應(yīng)對(duì)沖擊時(shí)的結(jié)構(gòu)變形。因此，對(duì)于正常的施工跨距時(shí)，若采用相同的檢驗(yàn)方法，抗爆板的變形會(huì)更為嚴(yán)重。

圖1 龍骨支架跨距示意

石化企業(yè)正常生產(chǎn)過程中，更多的爆炸風(fēng)險(xiǎn)來自于可燃蒸氣云爆炸(VCE)。該類爆炸超壓峰值一般難以達(dá)到固廢爆炸峰值壓力，基本在幾十至幾百千帕之間，極少數(shù)情況下由于廠區(qū)裝置密集、阻塞嚴(yán)重、爆炸能量大，可以達(dá)到兆帕級(jí)別的爆轟；且此類爆炸正壓作用時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于固廢爆炸場(chǎng)景，可從幾十到幾百毫秒之間不等。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)復(fù)合夾芯纖維增強(qiáng)水泥抗爆板在氣相沖擊載荷下的抗爆性能研究極為少見。為探究該場(chǎng)景下抗爆板的性能，搭建大尺度氣相燃爆測(cè)試平臺(tái)，選取了市面上兩種常見抗爆板產(chǎn)品開展真實(shí)工況下的氣相燃爆沖擊對(duì)比試驗(yàn)，有助于厘清抗爆板抗爆性能，為后續(xù)的抗爆改造提供技術(shù)支撐。

2 抗爆板抗爆性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

抗爆板抗爆性能試驗(yàn)平臺(tái)由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、沖擊波發(fā)生系統(tǒng)、多動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、支架系統(tǒng)組成，如圖2所示。其中，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具備可燃?xì)獾膭?dòng)態(tài)配氣、閥門的遠(yuǎn)程開閉、同步點(diǎn)火觸發(fā)等功能；沖擊波發(fā)生系統(tǒng)主要由36 m長(zhǎng)的DN500不銹鋼管道和截面尺寸為2 m×2 m的加固擴(kuò)口組成，用于沖擊波在管道內(nèi)部的加速和擴(kuò)口內(nèi)部的外擴(kuò)整形；多動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速影像采集設(shè)備及動(dòng)態(tài)壓力采集設(shè)備組成；支架系統(tǒng)主要由三角形穩(wěn)定支撐混凝土支架、金屬固定框架、方鋼龍骨支架組成。

圖2 氣相爆炸沖擊測(cè)試平臺(tái)示意

2.2 試驗(yàn)條件

為盡可能貼近真實(shí)氣云爆炸場(chǎng)景，使用體積分?jǐn)?shù)為4.2%的C3H8+Air混合物模擬可燃蒸氣云組分。選用市面上兩種常見的抗爆板產(chǎn)品為試驗(yàn)對(duì)象，A型抗爆板中間的纖維增強(qiáng)水泥夾層采用多層水泥沖壓復(fù)合制成，B型抗爆板的纖維增強(qiáng)水泥夾層則采用一體式水泥沖壓復(fù)合制成，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均一致，見表1?？贡妪埞强缇嗉鞍惭b固定方式均與抗爆改造工程中的實(shí)際施工方式保持一致，跨距采用1 200 mm×1 200 mm，使用M5.5×35 mm燕尾自攻釘，距離抗爆板邊緣20 mm處、間隔200～250 mm將抗爆板固定在龍骨支架上，爆炸超壓采集點(diǎn)位于抗爆板下邊緣中心位置下方100 mm處，如圖3所示。

圖3 抗爆板安裝示意

表1 抗爆板試驗(yàn)參數(shù) mm

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 超壓作用

A型抗爆板和B型抗爆板氣相燃爆沖擊測(cè)試時(shí)的超壓時(shí)程曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，兩種抗爆板測(cè)試時(shí)的超壓沖擊載荷隨時(shí)間變化的趨勢(shì)相似，曲線呈正態(tài)分布形態(tài)，說明燃爆沖擊試驗(yàn)的重復(fù)性較好。在爆炸前期，沖擊波還未傳至抗爆板，超壓值基本為零；當(dāng)沖擊波前沿陣面到達(dá)抗爆板時(shí)，超壓開始低速上升；隨著火焰陣面的不斷前移，管道內(nèi)爆炸能量越積越多，伴隨著沖擊波在抗爆板迎爆面的反射，沖擊超壓急劇上升。抗爆板在超壓作用下發(fā)生變形吸能，對(duì)超壓起到卸載作用。同時(shí)，后續(xù)爆炸能量不斷補(bǔ)充進(jìn)來，在雙方的耦合干涉作用下，超壓產(chǎn)生多個(gè)峰值波動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，火焰陣面到達(dá)抗爆板，此時(shí)燃爆超壓達(dá)到最大值，隨后逐漸下降，發(fā)生正負(fù)壓震蕩，最后回歸零位。在該測(cè)試中，A型抗爆板受到的最大峰值超壓為880.97 kPa，作用在抗爆板上的正壓時(shí)間為16.5 ms，而B型抗爆板受到的最大峰值超壓為865.79 kPa，作用在抗爆板上的正壓時(shí)間為15.4 ms，兩類板材受到的峰值超壓沖擊相差1.72%，正壓作用時(shí)間相差6.67%。

圖4 抗爆板超壓時(shí)程曲線

圖5 抗爆板變形情況

3.2 抗爆板破壞形式

爆炸沖擊完成后，分別從迎爆面、背爆面及側(cè)面3個(gè)方向拍攝抗爆板變形情況，如圖5所示，并拍攝自攻釘固定位置照片，如圖6所示。

圖6 自攻釘固定位置情況

從圖5可以看出，A、B型抗爆板在氣相爆炸沖擊作用下均發(fā)生較大塑性變形，龍骨空隙區(qū)域發(fā)生大面積內(nèi)凹，在四個(gè)邊角位置沿對(duì)角線發(fā)生折彎，兩類抗爆板迎爆面均未發(fā)生剪切破壞，A型抗爆板變形程度較B型更為嚴(yán)重；抗爆板鍍鋅鋼板表面產(chǎn)生大量褶皺印痕，A型抗爆板大褶皺和小褶皺較多，B型主要以大褶皺為主；抗爆板4個(gè)邊在沖擊后發(fā)生翹曲，均與龍骨支架發(fā)生脫離，A型抗爆板翹曲變形和脫離間距相較B型要大得多。

從圖6可以看出，A、B型抗爆板自攻釘固定位置均與龍骨支架產(chǎn)生明顯脫離，部分自攻釘發(fā)生斷裂，且斷裂面與龍骨表面齊平，部分自攻釘留在龍骨支架上，抗爆板對(duì)應(yīng)位置產(chǎn)生拉扯損傷，與自攻釘發(fā)生分離；抗爆板內(nèi)部纖維增強(qiáng)水泥層與兩側(cè)鍍鋅鋼板發(fā)生分離，在沖擊作用下A型夾層產(chǎn)生多個(gè)分層，B型夾層無分層，僅出現(xiàn)折裂。

為定量描述自攻釘連接處的損壞情況和抗爆板最大破壞程度，統(tǒng)計(jì)了自攻釘斷裂數(shù)量及抗爆板最大變形處的位移，見表2。兩類抗爆板在沖擊后，自攻釘基本發(fā)生斷裂，斷裂率分別為91.7%和87.5%，A型抗爆板最大位移124 mm，B型抗爆板最大位移109 mm，相較A型要短12.1%。

表2 抗爆板破壞情況

從板材變形角度來看，A型抗爆板夾層因采用多層纖維增強(qiáng)水泥沖壓復(fù)合結(jié)構(gòu)，柔韌性和吸能耗散性較好，當(dāng)受到氣相沖擊作用時(shí)，內(nèi)部水泥層發(fā)生較大變形和層間分離，消耗吸收了大量沖擊能量，故板材塑性變形較大；而B型抗爆板夾層采用一體式纖維增強(qiáng)水泥沖壓復(fù)合結(jié)構(gòu)，與A型抗爆板相比，剛度和抗剪強(qiáng)度較高，延展性和能量耗散性較差，當(dāng)受到氣相沖擊作用時(shí)，塑性變形位移較短，大部分能量都傳導(dǎo)到了后方的龍骨支架上，故變形量較小。

從抗爆板與自攻釘連接處看，對(duì)抗爆板而言，當(dāng)受到氣相沖擊時(shí)，抗爆板由于沖剪作用發(fā)生內(nèi)凹變形并帶動(dòng)四邊向內(nèi)回縮，此時(shí)自攻釘給抗爆板施加了拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗爆板抗拉強(qiáng)度時(shí)，連接處的板材發(fā)生拉伸破壞，隨著破壞加大，自攻釘從抗爆板邊界處脫離，因各連接處拉應(yīng)力的非均一性，故破壞程度存在差異；由于抗爆板具有一定剛性和抗剪強(qiáng)度，在內(nèi)部區(qū)域發(fā)生內(nèi)凹變形的同時(shí)，與龍骨支架面接觸的邊界區(qū)域會(huì)發(fā)生翹曲，當(dāng)自攻釘給抗爆板施加的剪切力超過抗爆板抗剪強(qiáng)度時(shí)，連接處的板材發(fā)生剪切破壞，同樣因各連接處的剪切力不均一，各連接處自攻釘與板材的脫離程度存在差異。對(duì)自攻釘而言，當(dāng)抗爆板四邊發(fā)生回縮，自攻釘所受抗爆板施加的剪切力超過自身抗剪強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生剪切破壞；當(dāng)抗爆板四邊發(fā)生翹曲，自攻釘所受抗爆板施加的拉應(yīng)力超過自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生拉伸破壞，因各自攻釘受到的拉應(yīng)力、剪切力差異較大，故自攻釘有的發(fā)生斷裂，有的未發(fā)生斷裂。值得注意的是，抗爆板四邊的回縮與翹曲在氣相沖擊時(shí)是同時(shí)發(fā)生的，故自攻釘對(duì)抗爆板的破壞以及抗爆板對(duì)自攻釘?shù)钠茐氖峭瑫r(shí)刻下拉伸與剪切破壞的共同作用。

綜上所述，氣相燃爆沖擊載荷下，抗爆板的破壞形式主要分為3種：氣相沖擊對(duì)抗爆板表面的沖剪破壞；在抗爆板回縮、翹曲時(shí)，自攻釘對(duì)抗爆板邊緣連接處的拉剪破壞；在抗爆板回縮、翹曲時(shí)，抗爆板對(duì)自攻釘連接處的拉剪破壞。

基于上述結(jié)果與分析，在未來的抗爆改造施工時(shí)，可通過提高抗爆板和自攻釘?shù)目估?、抗剪?qiáng)度，調(diào)配自攻釘與抗爆板邊緣連接處的拉應(yīng)力與剪切力等措施提升抗爆板對(duì)氣相燃爆沖擊載荷的抗爆防護(hù)性能。

4 結(jié)論

a) 兩類抗爆板受到的氣相燃爆沖擊載荷一致性較好，峰值超壓相差1.72%、正壓時(shí)間相差6.67%；測(cè)試后板材均發(fā)生了較大的塑性變形，但未出現(xiàn)整體破裂，具有較好的氣相燃爆沖擊防護(hù)性能。由于制作工藝的差異，A類抗爆板最大變形處位移相較B型抗爆板要高12.1%。

b) 氣相燃爆沖擊對(duì)纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合抗爆板的破壞形式主要為板材表面的沖剪破壞和自攻釘連接處的拉剪破壞。

c) 目前工程施工采用的自攻釘固定方式在受到氣相燃爆沖擊時(shí)易發(fā)生斷裂，不能起到持續(xù)固定作用，造成抗爆板與龍骨之間的脫離，間接擴(kuò)大了板材變形，在今后的改造施工中可從材料抗拉、剪強(qiáng)度的提高和構(gòu)件連接處拉、剪作用力的調(diào)配方面入手開發(fā)新的固定方式。