气密封高压试验爆炸模拟分析

周兆明，万 夫

(川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉 618300)

高压气密封试验系统可提高井口及井控装置的可靠性，减少和避免井喷失控着火事故的发生。该系统能对采(油)气井口、节流压井管汇、防喷器、套管头、平板阀等进行气密封试验，促进国产井口装备质量的提高［1］。气密封试验结果可为生产厂、用户提供设计、生产、装备及使用方面的质量改进信息。本文对阀门气密封试验时意外发生爆炸的情况进行模拟分析。阀门容腔破裂时会以极高速度释放内在能量(即爆炸能量)，一小部分使容器所裂物以较高速度向四周抛出，撞击周围的设备或建筑物，造成人身伤亡;更大部分能量则产生冲击波，造成大面积的强烈振动与破坏［2］。本文分析了爆炸冲击波对气密封试验防护结构的影响，对密闭气压容器爆炸产生的冲击波撞击四周防护结构进行了数值模拟，并基于有限元程序ANSYS/LS-DYNA对爆炸进行模拟试验，在确定合适的模型及参数后对其进行爆炸作用下的应力状态分析。研究结果不仅可为高压试验爆炸危害的安全评估提供计算方法，而且可为试验仓的结构设计和材料选择提供理论依据。

1 物理过程分析

气密封高压试验中试件爆炸是个复杂的物理过程，爆破能量在向外释放时以冲击能量、碎片能量和容器残余变形能量3种形式表现出来。大部分能量产生空气冲击波。冲击波除能直接伤人外，还可以摧毁厂房等建筑物，产生更大的破坏作用。冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的。爆炸时气体体积急剧膨胀，产生巨大的二次压力，超压与二次压力形成合力冲击本体，造成碎片乱飞的状况。高压气密封试验导致的爆炸属于物理爆炸。物理爆炸就是物质状态参数(温度、压力、体积)迅速发生变化，在瞬间放出大量的能量并对外做功的现象［3］。物理爆炸的特点:在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不变，发生变化的仅是介质的状态参数。物理爆炸如高压容器破裂时，气体膨胀所释放的能量不仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态有关。对这个复杂物理过程进行模拟时只能对其中几个物理过程进行相似化处理。

气体膨胀可换算为等量的炸药爆炸，用等效的TNT炸药代替气体爆炸。下面根据气密封试验的尺寸做如下假定:气密封高压试压试件的容积为0.027 m3，最高试压压力为140 MPa。高压容器试件做气密封试验所用的气体介质为空气，以气态存在容器中。因此，当其发生爆炸时，释放的爆破能量为［4－5］

式中:Eg为气体的爆破能量(kJ);P为容器内气体的绝对压力(MPa);V为容器的容积(m3);k为气体的绝热指数，空气的k值为1.4。

根据 V=0.027 m3，p=140 MPa计算得出气体爆破能量为

爆破能量换算成当量ETNT。1 kg TNT爆炸所释放的能量为4 500 kJ/kg，Q=Eg/ETNT=1.834 kg。

2 气体爆炸模型建立

气密封试验爆炸时空气冲击波产生的能量扩散物理模型如图1所示。气体爆破能量等效为TNT炸药爆炸的能量释放。根据气密封试验计算模型的对称性，取1/4结构建立三维模型进行计算。计算模型见图1。蓝色为覆盖试件的水，淹没试件1.5 m深，水的上表面假设覆盖为钢板，作为预防爆炸的安全防护，红色立方体为简化的气密封高压试件的等效体积，为0.027 m3。

采用ANSYS/LS_DYNA动力有限元软件对等效TNT炸药在空气中爆炸产生的空气冲击波对四周钢板的冲击作用进行数值模拟计算。对炸药及其他流体材料采用Euler算法，对其他的结构采用Lagrange算法，然后通过流固耦合的方式来处理相互作用。JWL状态方程能精确描述凝聚炸药的圆桶试验过程，且具有明确的物理意义，因而在弹药设计和爆炸数值模拟中得到了广泛应用。本文对爆轰产物采用JWL状态方程，而对于空气则近似采用理想气体状态方程。采用*MAT_HIGH EXPLOSIVE BURN来定义炸药材料，用JWL状态方程来描述压力与体积应变之间的关系［6］，其关系为

其中:A、B、R1、R2、ω 为状态方程参数;p 为压力;V为相对体积;E0为初始比内能。研究TNT的爆炸场时［7］，A=3.737 7，B=0.037 47，C=0.007 36，R1=4.15，R2=0.9，ω =0.9。

空气与水采用*MAT_NULL材料模型［8］。在对流体材料处理的过程中，需要同时使用两种方式来描述材料，用本构模型和状态方程来同时描述一种材料的特性。用本构模型描述 Δσij'和Δεij'的关系;用状态方程EOS描述ΔP和Δν/v的关系，即体积变形和压力之间的关系。

钢板的材料模型采用* MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型和EOS_GRUNEISEN状态方程。

图1 爆炸冲击有限元模型

3 爆炸冲击结果分析

采用显式动力学方法进行计算。对K文件的关键字进行修改，加入炸药TNT的计算方程，采用欧拉多物质耦合算法进行计算。图2与图3为爆炸后冲击波的分布情况，计算单位为cm-g-μs。图2、3中采用的压强单位为1.0×105MPa。随着爆炸的进行爆压在液体中逐渐衰减，爆炸持续到138 μs时最大压力为773 MPa，到179 μs时压力达到573 MPa。爆炸产生的瞬间冲击波在水中瞬间扩散，冲击到覆盖上面的钢板。从图中也可以看出冲击波在水中四周扩散的形态，最大能量集中在冲击波的前端。

图2 爆炸138 μs时压力分布

图3 爆炸179 μs时压力分布

图4～6给出了钢板受爆炸冲击后的等效应力分布情况，计算单位为cm-g-μs，采用的压强单位为1.0×105MPa。从图4～6可以看出爆炸产生的冲击波使钢板的应力波随时间扩散的形态，以及逐渐扩散到整个钢板时的受力。爆炸持续到118 μs时钢板的最大等效应力为317 MPa，爆炸持续到138 μs时钢板的最大等效应力为290 MPa，到179μs时最大等效应力为265 MPa。根据钢板最大屈服强度，在受爆炸冲击后钢板未发生屈服变形。

图4 爆炸118 μs时钢板的等效应力

图5 爆炸138 μs时时钢板的等效应力

图6 爆炸179 μs时时钢板的等效应力

在覆盖钢板中心点取一个单元，图7是该单元在冲击波影响下等效应力随时间变化的曲线。该单元受到的最大等效应力为480 MPa，随着爆炸的衰减等效应力逐渐减小。根据结构的受力特点，钢板中心的等效应力强度最大，钢板其他部位的等效应力强度相对较小。在冲击波载荷的作用下，材料的屈服强度将比静态时提高约1倍，钢材的动态屈服强度 σs≥490 MPa。由图7可见:钢板底端的等效应力强度小于钢材的动态屈服强度，气密封试验的防护钢板在空气冲击波的冲击作用下未产生屈服。

图7 钢板129500单元的等效应力随时间的变化曲线

4 结论

1)采用流固耦合算法模拟爆炸能很好地模拟爆破、冲击的物理过程，再现高速冲击的全过程。

2)采用等效TNT药量爆炸替代高压容器气体爆炸，可对高压容器爆进行数值模拟计算。高压爆破通过物理过程高压冲击波的扩散进行数值模拟，此过程对钢板产生的最大冲击等效应力为480 MPa。

3)可按照钢板承受冲击产生480 MPa等效应力来计算防护钢板的厚度。高压试验时建议加深水池中水的深度以减缓爆炸及碎片的破坏力。

［1］金莉，刘易思.140MPa气密封试验装置在采 (油)气井口装置的应用［J］.钻采工艺，2005，28(5):85.

［2］杨勇，姜振锋，吴菲.高压容器爆炸能量的计算［J］.苏州大学学报:自然科学版，2000，16(1):80－84.

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［6］赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南［M］.北京:兵器工业出版社，2003:280.

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