[科普中國]-爆破壓力

概述

爆破壓力（burst pressure）是對壓力容器施加壓力載荷使其發(fā)生破裂時的壓力值?？梢愿鶕?jù)材料的拉伸強(qiáng)度 及屈服點(diǎn) 數(shù)據(jù)，并根據(jù)容器的幾何尺寸來計算或估算出爆破壓力。一般工程上較多采用帶有經(jīng)驗(yàn)性的并有較小誤差的福貝爾式：爆破壓力 。式中K為容器外徑與內(nèi)徑的比值。K值小于1.1時的薄壁圓筒形容器，也可采用中徑公式估算： ，式中 為實(shí)際壁厚，D為容器的平均直徑（中徑）。采用塑性理論也可以根據(jù)材料的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的剪切性能進(jìn)行較精確的計算但計算較為復(fù)雜。1

爆破壓力計算常用的公式就是著名的福貝爾（Faupel）式，爆破壓力下限式為

同理，爆破壓力上限式為

一般容器實(shí)際爆破力介于式 和式 兩者之間，并隨材料的屈強(qiáng)比 v成線性變化，于是有

或

令 ，則式 變?yōu)?/p>

為了研究方便，將式 分為兩個部分，即

這樣， 顯然表示理想塑性材料的極限壓力； 則表示材料的屈強(qiáng)比對極限壓力的影響。因 ，故 。這就說明由非理想塑性材料制造的圓柱殼的極限壓力（爆破壓力）比由模型化的理想塑性材料制造的圓柱殼的極限壓力要大的原因。

近年來在使用福貝爾公式時也出現(xiàn)計算結(jié)果誤差問題，尤其是對中等強(qiáng)度鋼制高壓容器經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)此式的誤差超過15%～20%，有時高達(dá)30%，有人用一種比式 更為簡化的但精確度比較高的最大壓力計算式：

據(jù)稱該式的誤差在8%左右。2

氣瓶動態(tài)爆破壓力預(yù)測焊接氣瓶是用于充裝液氨、液氯、環(huán)丙烷、液化石油氣等低壓液化氣體和溶解乙炔氣體的可重復(fù)充裝而無絕熱裝置的移動式壓力容器。其使用廣泛、數(shù)量大、流動性大、管理分散、使用環(huán)境惡 劣，充裝介質(zhì)大都具有易燃、易爆、劇毒、強(qiáng)腐蝕等性質(zhì)。所以，氣瓶在為經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)的同時，也存在著一定的安全隱患。近年來，存在著超期未檢氣瓶、超期服役氣瓶供應(yīng)市場的情況，安全隱患非常突出，氣瓶爆炸事故時有發(fā)生。

事故發(fā)生后，在分析事故原因過程中，需要對事故過程進(jìn)行模擬，計算爆破壓力。對于氣瓶靜態(tài)爆破壓力的模擬研究較多，1957 年，COOPER 就發(fā)表了關(guān)于預(yù)測氣瓶靜態(tài)爆破壓力的論文，并提出一個解析方程來預(yù)測由各向同性塑性材料制成的鋼瓶的靜態(tài)爆炸壓力，這個方程得到了理想的爆炸壓力、材料屬性、原始尺寸和材料極限抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。隨后，相繼建立起基于彈性理論、 彈塑性理論、塑性理論，適用于薄壁、厚壁、單層、 多層，內(nèi)、外壁存在腐蝕缺陷等不同條件下的氣瓶靜態(tài)爆破壓力模型。

靜態(tài)爆破常用于模擬分析氣瓶的水壓或氣壓爆破，其爆破形式與氣瓶爆炸還是有很大區(qū)別的。 由于水壓或氣壓爆破升壓速度較緩慢，氣瓶受載荷作用時間長，應(yīng)變速率低，可以看作是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)過程。按照應(yīng)變速率劃分，當(dāng)應(yīng)變速率低于 時稱為靜態(tài)變形;；介于 時 稱為準(zhǔn)靜態(tài)變形；高于 時稱為動態(tài)變形。

通常，隨著應(yīng)變速率的提高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低，出現(xiàn)屈服滯后及斷裂滯后等現(xiàn)象。要研究氣瓶的爆炸過程，就需掌握氣瓶材料相關(guān)的動態(tài)力學(xué)行為，因?yàn)橄嚓P(guān)動力學(xué)性能數(shù)據(jù)將為運(yùn)用動力學(xué)模型對爆炸過程進(jìn)行模擬提供更為準(zhǔn)確的邊界條件，提高模擬結(jié)果的精確性。

通過試驗(yàn)獲得，對不同加載速率下的氣瓶爆破壓力進(jìn)行了預(yù)測，并與修正后的經(jīng)驗(yàn)公式計算得到的結(jié)果進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

（1）隨著拉伸速率增加（從0.05 到 200 mm/s）， 抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高（從 469. 2 到517. 9 MPa，從332.2 到392 MPa）。

（2）有限元?dú)馄勘苿討B(tài)模擬分析結(jié)果表明，對氣瓶加載，筒體和封頭都發(fā)生變形，最終在筒體處發(fā)生破裂。隨加載速率的增加，氣瓶爆破時產(chǎn)生的塑性變形減小，應(yīng)力增加，爆破時間減少，爆破壓力增加。

（3）隨加載速率的增加，有限元模擬分析得到的爆破壓力與使用修正后的巴洛公式估算得到的爆破壓力逐漸接近，所以動態(tài)快速加載條件下，可用該公式對爆破壓力進(jìn)行預(yù)測。3