爆炸冲击波隔离防护装置的试验及研究

闫 欣，殷木良，骆成汉，徐 东，曹 毅

(1. 中国船舶集团公司 第七一八研究所，河北 邯郸 056027；2. 常州市汇丰船舶附件制造有限公司，江苏 常州 213025)

0 引 言

现代舰船对核爆炸时的防护主要通过对密闭的防护舱室不断提供经过高效过滤的洁净空气，以保护舰员的生命安全和主要设施防放射性气溶胶污染。因此滤毒通风装置是防护系统的关键设备，装置中的微粒过滤器具有高效过滤性能（过滤精度达到0.1 μm），可有效滤除爆炸空气中的放射性微粒，但其承受的冲击波超压只能 ≤ 10 kPa，而舰船在战时环境下，要求装置耐受冲击波超压为60～70 kPa。为了战时保护滤毒通风装置可靠有效运行，保护舱室防护区内人员的生命安全，在滤毒通风装置进气通道前端必须进行爆炸冲击波的隔离和防护。

1 爆炸冲击波的主要特性

爆炸冲击波是以大气局部瞬态压力引起的局部空气的高速运动，其具有冲击强度大、峰值上升时间短（毫秒级）和压力大（超大气压，100 kPa量级）的特点，可对冲击波作用范围内的设施造成严重破坏。由于爆炸时一般为突发性，对其产生的爆炸冲击波均难以进行捕捉、检测和控制。通过在一个特定密闭容器内使用定量炸药爆炸模拟产生冲击波的办法，依靠计算机测控系统，通过大量的试验研究，掌握了爆炸冲击波的基本特征、作用原理和控制方法，从而为研究设计爆炸冲击波的隔离防护装置（即抗冲击波阀）奠定基础。

2 抗冲击波阀门的性能要求

2.1 极高灵敏度的瞬时感知、闭合性能

爆炸冲击波在大气中传播速度一般为4 500～8 800 m/s，所以要求抗冲击波阀在冲击波到达之际前的瞬间能感知冲击波并立即关闭，及时切断冲击波进入进气管道，闭合时间应≤1～2 ms，避免滤毒通风装置遭冲击波超压破坏，保证装置安全运行。

2.2 通风阻力小、冲击波消失后能及时复位

对HFB系列抗冲击波阀，在额定流量时流动阻力320 Pa，当冲击波消失后，抗冲击波阀能够迅速开启，保证通风流道的畅通，并使空气流动阻力达到最小。

≤

2.3 超强的冲击波隔离过滤性能

标准要求舰船防护设备的抗冲击波超压值为60～70 kPa，而舰船滤毒通风装置高效滤器安全承压为≤10 kPa，要求抗冲击波阀门在冲击波来临，阀前超压达到60～70 kPa时，阀后泄漏的超压应 ≤10 kPa，对冲击波的隔离过滤能力应达到85%～90%。

2.4 环境适应性强

抗冲击波阀阀板要求强度高、质量轻，耐冲击性好、形变小，阀体、阀盖等主要零部件采用不锈钢薄壁铸件，主从动盘采用高分子聚酯材料，满足耐冲击、质量轻、强度高，适应船舶振动、摇摆、高低温和防腐的环境要求。

3 抗冲击波阀的主要技术指标

根据GJB4000-2000对舰船设备的抗冲击波要求以及滤毒通风装置的抗冲击波超压性能，提出抗冲击波阀的主要技术指标（以HFB150型抗冲击波阀为例）：

1）阀门通径DN150 mm；

2）管道空气压力0.1 MPa；

3）阀前冲击波超压10～70 kPa；

4）阀后冲击波余压≤10 kPa；

5）空气流动阻力 ≤320Pa（风量为600 m3/h时）；

6）空气额定流量600 m3/h；

7）能源条件不消耗能源能自动启闭。

4 抗冲击波阀的设计

4.1 设计方案

由于爆炸具有突发性，无法预测和捕捉，同时爆炸产生的冲击波在空气中传播的速度一般均超过6 500 m/s，目前国内尚没有一种传感联动机构能满足爆炸冲击波的采集和信息传递，以使抗冲击波阀动作的装置。为此采用依靠冲击波自身的超压动能，瞬间转换成抗冲击波阀工作势能的办法，自主研发抗冲击波阀。当冲击波来临的瞬间，通过抗冲击波阀的阻尼阀板（感知元件）随冲击波同时运动，使阀门瞬间关闭即时隔断冲击波，达到隔离防护冲击波的要求。在冲击波消失后，依靠复位弹簧力使阀板复位，使进气流道畅通，保证滤毒通风装置的正常运行。经过大量试验研究于2002年首次研制成功HFB150型抗冲击波阀。

4.2 抗冲击波阀的结构组成

HFB150型抗冲击波阀主要由导流罩、感应帽、阻尼板、定位销、滤波板、回位弹簧、阀体等组成，如图1所示。

图1 抗冲击波阀结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of anti-shockwave valve structure

4.3 抗冲击波阀的主要工作原理

抗冲击波阀一般安装在滤毒通风装置进气通风管道的前端，根据风量大小，目前已研制完成通径DN150、通径DN200、通径DN250等型号。

4.3.1 阀门开启

平时，抗冲击波阀在回位弹簧作用力下，顶起阻尼板，使之与滤波板保持特定的间隔，使阀门主流道打开。空气通过感应帽、导流罩、阻尼板的四周主通道进入阀后，此时流道阻力最小，气流畅通。滤毒通风装置运行时，抗冲击波阀处于长期开启状态，保证新风的进入（见图2）。

4.3.2 阀门闭合

当爆炸冲击波进入阀门的瞬间，感应帽及阻尼板同时在冲击波作用下，克服弹簧力向滤波板运动，以极短的时间（1～2 ms）主流道瞬间关闭。在定位销的导向作用下，阻尼板与滤波板闭合时，两块板上各自的滤波孔产生特定错位，通孔的大部分流通面积被相互遮盖，未被遮盖的通道边缘，形成了大量的微小间隙，依靠流体力学的管嘴出流原理阻隔冲击波通过，产生滤波效应，可在瞬间把极大部分冲击波动压隔离、阻断在阀前，只有绝少量的余波压力泄漏到阀板后面，形成安全的冲击波余压（见图3）。

图2 阀门开启状态通风示意图Fig. 2 Schematic diagram of the valve opening state for ventilation

图3 阀门闭合状态滤波示意图Fig. 3 Schematic diagram of valve closed state for filtering

4.4 模型的流体仿真分析

在产品开发过程中，运用流体仿真分析软件对该抗冲击波阀隔离防护爆炸冲击波的性能进行了仿真分析。通过给定阀前超压，设定相应的边界条件，模拟出了不同阀前超压情况下的阀后余压情况，图4和表1列出了仿真分析的结果，结果表明抗冲击波阀门在关闭情况下可以很好地隔离爆炸冲击波压力，满足技术指标提出的阀前超压10～70 kPa、阀后余压 ≤10 kPa的要求。

图4 阀前超压70 kPa和10 kPa时抗冲击波阀压力分布仿真结果Fig. 4 Simulation results of anti-shockwave valve pressure distribution as frontal over pressure 70 kPa and 10 kPa

表1 仿真计算结果Tab. 1 Simulation calculation results

图5 爆炸冲击波模拟试验检测装置原理图Fig. 5 Schematic diagram of the detection device for the blast shock wave simulation test

5 抗冲击波阀的模拟试验验证

5.1 爆炸冲击波模拟试验检测装置

为了满足抗冲击波阀的试验研究需要，根据GJB2062-94《军用过滤吸收器通用规范》附录B的要求，建立一套爆炸冲击波模拟产生装置和爆炸冲击波强度检测系统的集成试验平台，装置原理图如图5所示。在一个设计的特定大型容器内，用定量炸药爆炸产生冲击波的方法，模拟大气环境中的爆炸冲击波。通过爆炸冲击波的定向发射管道，对被测阀门抗冲击波强度、作用时间、滤波能力等项目进行检测分析，经过数千次的试验研究，从爆炸冲击波的产生、试验参数设定、传感器选择、试验装置设计制作和试验控制程序的编制等研究积累了一系列爆炸冲击波模拟与检测分析技术，取得了相关的试验控制参数和预期的试验环境，实现了爆炸冲击波强度检测试验的计算机测控。这些工作不仅有助于在不同冲击波作用下对被测装置的抗冲击波强度、过滤冲击波能力进行试验验证，也有助于爆炸冲击波试验检测平台的建设和相关防护工程产品的研发。

5.2 抗冲击波性能检测

阀门的抗冲击波性能可以通过精确测量被测物前端所承受的冲击波强度和后端的余压强度来判断其隔离冲击波的性能。通过引入计算机数据采集系统，高速记录阀前和阀后压力的变化历程，检测数据以图形曲线形式直观地对比在冲击波作用下阀门前后压力变化过程及差异，图6～图8的抗冲击波试验曲线清晰地显示出阀前与阀后的冲击波强度变化和被测物体的抗冲击波性能。

分析抗冲击波阀对爆炸冲击波响应的图形曲线，可以看出：

1）获得作用于物体的冲击波波峰高度及其最大强度；

2）从整个冲击波的作用时间即从冲击波作用起始到冲击波泄漏至与被测物后端余压等幅值的时间，可以评估该滤波装置的过滤冲击波能力；

图6 阀前冲击波强度为60 kPa的滤波曲线Fig. 6 Pressure curve of 60 kPa shock wave intensity before the valve plate

图7 阀前冲击波强度为70 kPa的滤波曲线Fig. 7 Pressure curve of 70 kPa shock wave intensity before the valve plate

图8 阀前冲击波强度为15 kPa的滤波曲线Fig. 8 Pressure curve of 15 kPa shock wave intensity before the valve Plate

3）通过对被测物体在试验前后形状变化的测量，判断其能够承受的冲击波强度和失效载荷的大小。

5.3 流动阻力检测

对于被测物体流阻性能，是通过检测试验装置对流量与压力的联合测量来获得在各种风量下被测物的流阻大小，形成流量阻力曲线。根据防御爆炸冲击波设施的总体设计需要，安装在设施进口处的防爆炸冲击滤波阀，在冲击波产生时，阀后余压越小越好，而且通过该阀门的空气流阻越小越好。图9为HFB200型抗冲击波阀的空气流阻测试曲线。

6 结 语

通过爆炸冲击波隔离防护装置的试验和研究，可以得出以下结论：

图9 HFB200型抗冲击波阀的空气流阻曲线Fig. 9 Flow resistance curve of HFB200 anti-shock wave valve in air

1）采用依靠爆炸冲击波的超压动能实现在冲击波到达瞬间关闭防冲击波阀门的方案是切实可行的。目前已研发成功的装置有DN150，DN200，DN250等型号，产品已经在实船上推广应用。

2）通过防冲击波阀门的动板（阻尼板）与定板（滤波板）闭合时错位形成大量微孔，根据高速流体微孔出流的原理实现了对爆炸冲击波的隔离、过滤的方案是成功的。通过大量的试验验证，冲击波的过滤效率达到85%～90%以上，这对陆上人防工事的通风系统进行核爆炸冲击波隔离防护装置的研制具有重大的现实意义。

3）爆炸冲击波模拟试验检测装置，可以精准输出爆炸冲击波产生的全过程图形，能完整检测冲击波的阀前超压、阀后余压、作用时间、阀门关闭时间等参数，对爆炸冲击波的研究分析及防爆炸冲击波产品的性能检测打下了坚实的基础。

4）通过流体微孔出流的仿真计算可以得出阀前冲击波经过微孔后，阀前超压受阻力作用大幅衰减，衰减幅度在90%以上，使阀后余压控制在设计目标范围内。这从侧面印证了该型防爆炸冲击波装置的有效性。