换流变压器阀厅抗爆门抗冲击性能实验研究.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.023 换流变压器阀厅抗爆门抗冲击性能实验研究 杨緞*,赵欣字，董-夫诂万秦，任觌2 1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074； 2.南京理工大学化工学院，南京210094 摘要抗爆门作为换流变压器阀厅的重要安全防护设施，有着很高的质量要求，因此对阀厅抗爆门的抗 冲击性能研究具有很大的实用价值。主要对300 kPa和1000 kPa冲击波超压载荷工况下，有泡沫铝填充和 无填充的抗爆门抗爆性能进行实验研究，验证抗爆门的抗冲击性,并通过门扇形变量对两种不同材质抗爆门 的抗爆性能进行对比评估。实验结果表明有泡沫铝填充的抗爆门在300 kPa和1000 kPa强度冲击波情况 下，面板最大变形量为分别为2 mm和3 mm,与不带填充的抗爆门相比，抗冲击性能明显提高，且随着爆炸载 荷的增加,其抗冲击性能提升越显著。 关键词抗爆门；抗爆实验；抗爆性能；泡沫铝填充；抗爆设计 中图分类号X932 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0147 - 06 Experimental Study on Anti-shock Perfbirnance of Explosion-resistant Door of Converter Transer Valve Hall YANG Li-b ol ,ZHA0 Xin-yu1 ,D0NG Yi-f it1 ,FU Wan-zhang1 ,REN Jia-f an2 1. St a t e Gr id El ec t r ic Po wer Resea r c h I n st it u t e, Wu ha n Na n r u i Co . ,Lt d・,Wu ha n 430074, Chin a ； 2. Chemic a l En gin eer in g I n st it u t e,Na n jin g Un iver sit y o f Sc ien c e a n d Tec hn o l o gy, Na n jin g 210094, Chin a Abstract As an important safety protection facility of converter transer valve hall, the explosion-resistant door should meets high quality requirements. Therefore, it is of great practical value to study the anti-shock per ance of the explosion-resistant door of the valve hall. The anti-shnock perance of the explosion-resistant door filled with foam aluminum and nothing filled was studied and verified experimentally under the shock wave condition of 300 kPa and 1000 kPa, respectively. The anti-shock perance of the two different doors was uated through the amount of deation, whose maximum values turned out to be 2 mm and 3 mm. The experimental results show that the explosion-resistant door with aluminum foam filling has better anti-shorck perance under higher load ings. Key words explosion-resistant door； anti-shock test； anti-shock perance； foam aluminum filling； explo sion resistant design 抗爆门主要用于石油化工、电力工业、石油化 工、军工、部队等工业建筑的各种房间，以及辅助建 收稿日期2020-10-30 作者简介杨黎波1985,男,工程师、硕士，主要从事电力系统安全 技术研究研究，E-mail 286915326 qq. como 通讯作者任家帆1994,男，硕士，主要从事爆炸力学及安全系统 工程等方面研究，E-mail 625595053 qq. com0 筑的各种房间⑴，诸如避难所、变电站、控制室或通 道等。近年来在国内外爆炸事故频繁发生，因抗爆 门性能不足造成的殉燃殉爆导致损失大幅增加，因 此抗爆门在确保生命财产安全方面发挥着重要 作用。 对于不同应用领域的抗爆门的性能和设计理 论，国内外人员做了很多有意义的研究。许柯等人 148爆破2021年3月 通过数值模拟研究了高阻尼橡胶在加固防护门方面 的效果和机理［2向，并通过设计激波管实验,验证了 数值模拟的可靠性,研究发现橡胶板和钢板存在一 个使加固效果提升明显的最优厚度范围。张寅等人 通过数值模拟利用等效TNT的方法研究了结构设 计对抗爆门抗爆性能的影响⑷，结果表明，通过增 大防爆门迎爆面的面板厚度及其内部骨架梁数能够 显著的提高抗爆性能。Ya n等人分析了边长比、阻 尼比、爆炸荷载等因素对抗爆门的影响,结果表 明随着边长比的增大，正、负剪力峰值逐渐减小，此 外,在爆炸荷载作用下,阻尼比和相对正剪切力几乎 没有影响,甚至可以忽略，但对负剪切力的影响很 大。谭朝明、肖长亮等人通过有限元软件LS-DY- NA,对抗爆门在爆炸冲击载荷作用下的动力响应进 行分析,获得其整机及局部等位移变化、应力分布等 参数，为抗爆门设计提供依据I8呵O 尽管国内外研究人员对抗爆门的性能、设计理 论等进行了大量研究。但是,有关换流变压器阀厅 抗爆门设计的数据相对较少，在实际设计中，由于抗 爆效果不同、应用条件不同、抗爆门尺寸不同，因此 应对抗爆门的工程设计应该根据具体情况进行测试 和验证。 换流站是直流输电线路最重要的节点,保证换 流站安全、稳定运行是直流输电的关键,换流变压器 是换流站最重要的设备之一。当换流变因故障发生 火灾时，由于压力瞬间增大，变压器油热解产生蒸 气，可能会引起严重爆炸事故［⑴，对阀厅内设备产 生严重的破坏，造成巨大的经济损失。因此需要在 不影响换流变正常运行的前提下，采取必要的设备 防护措施，最大程度降低火灾爆炸事故下造成的经 济损失。本文通过对有泡沫铝填充及无泡沫铝填充 的换流变压器区域抗爆门进行TNT爆炸冲击试验, 验证抗爆门的抗冲击性能。 1爆炸荷载的确定 爆炸发生时，爆炸载荷经常以冲击波形式作用 在建构物上，爆炸的时间、位置和方式不确定,这增 加了抗爆设计的难度。但是,爆炸对建构物的破坏 属于冲击破坏,即爆炸载荷具有作用时间短,强度高 的特点。为了简化计算，根据“超压的峰值相等，正 压的脉冲相同”的原理，将爆炸发生时产生的空气 冲击波的超压简化为三角波，而不需要增压阶段。 抗爆门的抗爆载荷公式如下 I 1 式中Cn a x为最大脉冲压力值M为冲击荷载作 用时间。 2抗爆门抗爆性能实验方案 2.1试验材料及设备 2.1.1 试验样本 本次实验样本有四个，其中样本1和样本3均 为304不锈钢方管框架和Q235钢门扇构成的无填 充样本，样本2和样本4均为在样本1、3中填充泡 沫铝，泡沫铝厚度为60 mmo抗爆门门扇长为 1.5 m,宽为1叫厚度为3 mmo方钢壁厚6 mm,长 宽均为80 mmo具体样本如图1和图2所示。 图1无填充样本 Fig. 1 Unfilled samples 图2有填充样本 Fig. 2 Filled samples 2.1.2 试验设备 1自由场传感器美国PCB公司产本，型号 113B 系列，量程0 〜3.4MP左右 两侧地面上距样本直线距离相等处各30。处布置两 个普通压电传感器,其示意图如图3所示。 Q I 样品 自由场传感器药柱 b俯视图 b Top view 地面传感器 a侧视图 a Side view 图3试验平面布置图 Fig. 3 Test layout 样本背面应力较为集中的几个典型位置贴上应 变片。试验时，同时将高速摄像机、摄像机、红外热 成像仪放置在安全距离处对样本进行拍摄,无人机 于药柱正上方100 m处记录试验过程。试验方法引 用的标准为GJB5412燃料空气炸药FAE类弹 种爆炸参数测试及爆炸威力评价方法以及GJB- 5232.4战术导弹战斗部靶场试验方法o 由于带泡沫铝填充的样本2和样本4内部无法 添加应变片，因此只给样本1和样本3在门扇背面 布置6个应变测点。其中14位于门扇背面加 筋处，垂直于方钢,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测点1个，如 图4所示。 3实验结果分析 3.1实验超压 表2为实验过程中的超压测量结果。由表2可 以看出空中超压由自由场传感器测得的是入射超 压，与预计设定超压基本保持一致,实验精度控制 150爆破2021年3月 a抗爆门面板正面 a Blast door panel front b抗爆门背板背面 b Blast door back panel back 图4抗爆门正反面 Fig. 4 Front and back of anti explosion door 表2实验超压 Table 2 Overpressure test results 样本 预计超压/ kPa 实测空中 超压/kPa 平均空中 超压/kPa 1300346.831365.001355.916 2300325.608368.403347.005 31000916.893941.997929.445 41000905.877934.928920.403 3.2应变实验结果 3.2.1 样本1应变实验结果 爆炸造成能量急剧释放,将爆炸材料转变成高 温、高压的气体。这些高压气体相对应的压力阵面 沿径向传入周围空气，从而形成一个炽热的气体驱 动并支持着的强冲击波。 冲击波载荷施加在抗爆门面板上，面板在其作 用下发生局部的相对变形，即应变。应变表示的是 长度的相对变化量,是形变量与原来尺寸的比值，用 s表示。 本设备所测得的应变为微应变,是单位长度光 纤的相对相对变化量，描述极其微小的形变,用符号 口表示，其与应变的关系为二10。通过对应变 的分析，能够根据材料属性判断在该外力作用下材 料是否失效。 样本1实验过程中自由场压力设计值为300 k Pa , 其测试结果如图5所示。 本次试验门扇材料为Q235钢,其在冲击波作 用下屈服的微应变口临界值为1679o从图5试验 数据可知,所有测点均未超过屈服应变，其中2和 5应变测点在冲击波作用下振动脱落失效。 t/s a爆炸冲击过程中应变曲线 a Strain curve during explosion shock t/s b加速度时程曲线 b Acceleration time history curve 图5样本1应变和加速度时程曲线 Fig. 5 Sample 1 residual strain and acceleration time history curves 可见，该门扇结构在自由场压力355. 916 k Pa 荷载作用下,测点位置变形较小,保持为弹性状态O 但爆炸产生的钢板振动很大，加速度峰值已经超过 40 000 m/s2 o 3.2.2样本3应变实验结果 样本3实验过程中，自由场压力设计值为 1000 k Pa。下图显示了样本3不同位置处的应变动 态分布从图6可见，只有3测点应变峰值较小,在 弹性范围内，其余各点在爆炸冲击作用下的应变峰 值均超过屈服应变。其中,5测点微应变最大峰值 达到2600,6测点微应变最大峰值达到3100o 2测 点与4测点为对称排布，实验过程中2测点与加速 度计在冲击波作用下振动脱落失效。可见,该门扇 结构在自由场压力929. 445 k Pa载荷作用下，测点 位置出现塑性变形，加筋钢板中心的不可恢复的变 形量最大。 3.3凹陷深度 图7显示了 4种样本在TNT爆炸实验后抗爆 门面板最大凹陷程度的对比图，表3展示了其最大 凹陷程度的数值对比。 第38卷第1期杨黎波,赵欣宇，董一夫，等 换流变压器阀厅抗爆门抗冲击性能实验研究151 图6样本3爆炸冲击过程中应变曲线 Fig. 6 Sample 3 residual strain time history curve 表3实验后凹陷深度对比 Table 3 Depression thickness before and after the experiment 样本编号1234 填充情况否是否是 冲击波 超压/kPa 355.916347.005929.445920.403 凹陷程度 约4 mm 凹陷 约2 mm 凹陷 约 12mm 凹陷 约3 mm 凹陷 a样本1 a Sample 1 b样本2 b Sample 2 c样本3 c Sample 3 图7实验前后凹陷深度 Fig. 7 Depression thickness before and after the experiment 由实验结果可知,有填充的抗爆门在两种强度 冲击波超压作用后，凹陷分别为2 mm和3 mm；无 填充的抗爆门在两种强度冲击波超压作用后，凹陷 分另I］为4 mm和12 mmo在同样强度的爆炸载荷 下，带泡沫铝填充的抗爆门抗爆性能更好。并且随 着爆炸载荷的增加,无填充抗爆门凹陷程度显著增 加，而带填充抗爆门凹陷程度增加不明显。说明有 填充抗爆门有效的抵消了爆炸载荷增加后所带来的 破坏。因此当爆炸冲击波载荷强度越大，有填充的 抗爆门抗爆性优势越发明显。 4结论 通过抗爆实验，研究了不同压力载荷下有泡沫 铝填充与无泡沫铝填充抗爆门的抗冲击性能,得到 以下结论 1 通过抗爆实验以及应变片测量可较好描述 爆炸冲击波荷载作用下抗爆门的动力特性。 2 无泡沫铝填充的门扇结构在冲击波超压 355 k Pa作用下，钢板变形较小，保持为弹性状态。 但爆炸产生的钢板振动很大。门扇结构在冲击波超 压929 k Pa作用下,钢板存在塑性变形。 3 在爆炸载荷增加约3倍的情况下,无填充 抗爆门的面板凹陷程度也增长了 3倍，而有填充抗 爆门凹陷程度仅增加了 1.5倍。因此随着载荷强度 的增加，有填充的抗爆门抗爆性优势越发明显。 参考文献References [1] 曾 娅，葛广全.关于抗爆门结构设计的探讨[J].四 川建材,2019,458 226-227,230. 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