王倍嘉(1984—),男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工业大学博士生;

蒋月新(1992—),男,江苏淮安人,哈尔滨工业大学博士生,通信作者,E-mail:.

钢制储油罐是储存石油的主要设施之一,在国家和社会企业油库中有着广泛的应用。然而,由于其储存的石油产品易挥发、易燃和易爆性质,钢制储油罐面临着石油蒸气云爆炸带来的安全隐患。例如，2010年7月16日发生在我国大连新港国际储运公司原油罐区的输油管道爆裂事故,原油泄漏引发了火灾和爆炸事故,管道泄漏导致的爆炸冲击波将距爆炸源20 m之外的103号大型原油储罐损毁,导致大量原油泄漏燃烧和二次爆炸,如图1所示。从图1可以看出,由于石油产品的易燃易爆性和罐体的集中存放形式,一旦发生爆炸事故,必然会导致严重的人员伤亡和财产损失,并产生较大的社会影响。

图1 大连新港国际储运公司原油罐区爆炸事故现场

在结构表面喷涂弹性体材料是一种较为有效的提高其抗爆能力的方法。文献[1]提出在防护结构表面喷涂弹性体材料以提高其抗爆、抗冲击能力,并在综合考虑了力学性能、施工方式适用性、凝固速度、毒性和黏接力等因素后发现,在众多弹性体材料中聚脲弹性体材料是最合适的抗爆、抗冲击涂覆增强材料。众多学者对聚脲弹性体喷涂结构的抗爆抗冲击能力进行了深入的研究。

文献[2]基于数值模拟结果指出,聚脲弹性层能提高钢板在弹性体冲击作用下的吸能能力;文献[3]通过冲击实验和数值模拟研究发现,将聚脲弹性体涂覆在高强钢板背面能有效降低弹性体的残余速度,而将聚脲层设为芯层并不能明显地降低弹性体残余速度。在对聚脲与铝合金组成的复合材料的冲击实验中,文献[4]发现聚脲涂覆层能有效提高材料的吸能能力并且降低子弹余速。

在抗爆性能方面,文献[5]利用水下冲击波加载实验设备研究了聚脲弹性体涂覆对薄铜板性能的影响,结果显示在铜板背面涂覆弹性体能有效提高其准静态和动态下的能量吸收能力；文献[6-8]利用实验和数值模拟的方法研究了聚脲涂覆钢板的抗爆炸能力,通过实验对比了纯钢板、正面(受到冲击的面)涂覆聚脲的钢板和背面涂覆聚脲的钢板在爆炸作用下的破坏情况,发现在背面涂覆聚脲弹性体能有效提高钢板破坏时单位厚度所吸收的能量,在正面涂覆聚脲弹性体材料反而会一定程度上降低钢板的抗爆炸能力。在文献[6-8]研究的基础上,文献[9]对较大尺寸的有聚脲喷涂的圆形钢板的性能进行了数值模拟研究,结果显示聚脲涂覆层能有效降低钢板中心区域的塑性应变。

国内学者也在聚脲涂覆结构的爆炸冲击响应方面进行了大量的研究。文献[10]进行了聚脲喷涂混凝土砌体墙爆炸响应的数值模拟研究,发现在爆炸荷载作用下,聚脲层破坏形式主要为拉伸破坏,研究结果还显示聚脲层能有效降低混凝土砌体墙的应变,并限制墙体中砌块和砂浆的分离以及阻止裂缝的扩展;文献[11]进行了数值模拟和小当量爆炸物实验,研究了聚脲喷涂钢筋混凝土板的抗爆性能,发现对10 cm厚度的钢筋混凝土来说,在背面喷涂6 mm厚的聚脲层能有效起到提高抗爆性能的作用;文献[12]通过数值模拟和实验检验相结合的方法,研究了聚脲喷涂钢板的抗冲击能力,研究结果表明,聚脲弹性体能有效降低钢板的残余位移,并且约束钢板的破口扩展;文献[13]进行了聚脲弹性体夹芯防爆罐抗爆性能研究,数值模拟结果表明聚脲弹性体夹层在抗爆罐受到爆炸荷载时能起到消减应力波、提高罐体吸能能力的作用;文献[14]通过弹性体冲击研究发现,聚脲弹性体作为背板时能有效提高铝板结构对弹性体的动能耗散能力。

本文主要在上述研究的基础上,将聚脲弹性体抗爆涂覆增强技术应用于钢制储罐上,借助有限元软件ANSYS LS-DYNA进行聚脲涂覆钢制储罐在爆炸荷载作用下的响应的数值模拟研究。根据数值模拟结果,研究聚脲涂覆层对罐体最大位移、残余位移和罐壁振动的影响,进而分析聚脲弹性体涂覆层对钢制储罐抗爆安全性能的提升作用。

1 数值模拟

1.1 材料

1.1.1 聚脲

聚脲弹性体材料具有较大的抗拉强度(12～45 MPa)和极高的断裂伸长率(大于400%);不同应变率下的实验结果显示,聚脲弹性体材料具有很强的应变率效应。在本研究中,选用LS-DYNA软件材料模型库中的*MAT-PLASTICITY-POLYMER模拟聚脲。通过应变率为0.1 s-1时聚脲的应力-应变关系和Cowper-Symonds应变率模型来模拟聚脲弹性体材料的本构,应变率增强系数FDI和应变率的关系为：

文章来源：《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0610/1185.html