爆炸胀形在热交换管板胀管中的应用研究.pdf

第2 7 卷第3 期 爆破 V o l 2 7N o ．3 2 0 1 0 年9 月 B L A S T I N G S e p ．2 0 1 0 ●●●- ■- ●●●■●●_ _ _ ●_ _ _ _ _ ●- _ _ - ■_ - _ ●●■●●_ ●●- ●■●■- _ _ _ _ ●_ _ _ _ _ _ ■■_ ■■_ ■●_ ■_ _ ■■- _ ●■●●■■_ ■●- _ ●●■- ●_ ●●■●_ - _ ●- ■■- ●- ●■■_ ●■- ■■- ■_ _ ●■●_ ■_ ■■●■■●_ - I I ●■_ ●●一 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 3 ．0 2 2 爆炸胀形在热交换管板胀管中的应用研究 王传利I , 2 ，段卫东1 ，张春丽3 1 ．武汉科技大学理学院，武汉4 3 0 0 8 1 ；2 ．中冶天工上海十三冶建设有限公司，上海2 0 1 9 0 0 ； 3 ．中原工学院土木建筑工程系，郑州4 5 0 0 0 7 摘要假设热交换管为薄壁圆筒，通过理论分析，计算了热交换管板爆炸胀形所需炸药量。并选择导爆 索作为实验用药，对热交换管板爆炸胀形工艺进行了实验研究。研究结果表明，在不采用任何措施的情况 下，仅靠炸药的爆炸作用，经过多次爆炸，也很难实现热交换管与管板的牢固结合。但经过在管板内壁刻槽， 仅需要2 次爆炸胀形后，热交换管即可与管板达到紧密结合。 关键词爆炸胀形；导爆索；热交换管板；水压试验 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 3 0 0 7 7 0 4 A p p l i c a t i o nR e s e a r c ho nE x p l o s i v eB u l g i n gi nE x p a n s i o n b e t w e e nT u b ea n dT u b eP l a t eo fH e a tE x c h a n g e r W A N GC h u a n l i l ．- ，D U A NW e i ．d o n 9 1 ，Z H A N GC h u n l i 3 I ．C o l l e g eo fS c i e n c e ，W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 81 ，C h i n a ； 2 ．C M T C C ，S h a n g h a iS h i s a n y eC o n s t r u c t i o nC oL t d ，S h a n g h a i2 019 0 0 ，C h i n a ； 3 ．D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，Z h o n g y u a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t A s s u m i n gt h eh e a te x c h a n g et u b e sw e r et h i nc y l i n d e r ，t h r o u g ht h e o r e f i e Ma n a l y s i s ，t h ea m o u n to fe x p l o s i v en e e d e di ne x p l o s i v eb u l g i n gb e t w e e nt u b ea n dt u b ep l a t eo fh e a te x c h a n g e rW a Sc M c d a t e d ．T h e ns e l e c t i n gt h e d e t o n a t i n gc o r dt l Sa l le x p e r i m e n t a lc h a r g e ，t h et e c h n i q u eo fe x p l o s i v eb d 6 n gb e t w e e nt u b ea n dt u b ep l a t eo fh e a te x c h a n g e rW a gs t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t h o u tt a k i n ga n yo t h e rm e a s u r e s ，o n l yd e p e n d e do nt h e b l a s ta c t i o no fe x p l o s i v e ，i tW a gd i f i ％u l t yt oc o n n e c tt h eh e a te x c h a n g et u b ea n dt u b ep l a t ef i r m l y ，i ns p i t eo fe x p l o - c l i n gr e p e a t e d l y ．B u tt h r o u g hg r o o v e di nt h ei n n e rw a l lo ft u b ep l a t e ，t h eh e a te x c h a n g et u b ea n dt u b ep l a t ec o u l db e c o n n e c t e dc l o s e l yb yt w i c ee x p l o s i v eb u l g i n g ． K e yw o r d s e x p l o s i v eb u l g i n g ；d e t o n a t i n gc o r d ；h e a te x c h a n g et u b ep l a t e ；h y d r a u l i ct e s t 0引言 爆炸胀形是利用炸药为能源的一种高速、高压 加工方法。利用爆炸产生的能量，作用在形状简单 收稿日期2 0 1 0 0 7 2 3 作者简介王传利 1 9 6 4 一 ，男，高级工程师，研究生，研究方向工 程力学应用。E - m a i l m c c l 3 w a n g c l y a h o o ．c o r n ．c n o 通讯作者段卫东 1 9 6 5 一 ，男，教授．博士，从事爆破工程和爆炸技 术研究，E m a i l w h k j d w d s o h u ．c o m 。 金属构件上，使金属构件在有模或无模条件下，形成 设计形状[ 1 引。热交换管在使用一段时间后会产生 腐蚀、泄露，需要及时更换。如果采用机械加工的方 法更换热交换管，必须停工、停产将交热管板整体取 下，在专用设备上更换热交换管，既影响生产，成本 又高。采用爆炸胀形的方法，无须整体取下管板，只 要将腐蚀、泄露的交换管取下，将需要更换的管子安 好，在一定的位置，装入适量的炸药起爆后，就可以 万方数据 7 8爆破2 0 1 0 年9 月 将热交换管与管板紧密联结起来。 1工程概况 河南省红光纺织机械厂，在生产过程中，经常遇 到热交换管的腐蚀、泄露情况，为降低生产成本、提 高工作效率的需要，提出与我们进行爆炸法更换、维 修热交换管的可行性研究。该厂使用中的热交换管 板、热交换管形状如图l 所示。 a 热交换管板 b 热交换管 图1 热交换管板、热交换管示意图 热交换管板材料为2 0 M n M o ，厚度8 0m m ，管板孔 直径咖4 2 ．3 - 4 2 ．7m m ；热交换管材料为T l P 3 0 4 不锈 钢无缝钢管，外径咖4 2 盟m i l l ，内径咖3 8 ；m i l l ，壁 厚2m m ，屈服强度极限矿。 2 0 5M P a 。 2 爆炸胀管用药量计算 爆炸作用下热交换管的受力情况如图2 所示。 由给定的热交换管的壁厚、管径有吾 嘉 盯d m 爆炸作用下介质材料的动态屈服极限一般为静 态屈服极限的5 一1 0 倍[ 4 】，在本次计算中取 盯细 1 0 0 “ ．，代人公式 1 有 P 1 0 0 , 苦- 1 0 2 0 5 等 2 0 5M P a 2 爆炸胀管时，炸药安放在热交换管中心线上，并 不与管壁直接接触，炸药爆炸后，爆炸波运动一段距 离后，以冲击波的形式作用于管壁。为了方便生产， 设计直接以空气为传压介质。炸药在空气中爆炸， 爆炸波阵面超压与传播距离之间的关系为 A P 母 詈 1 3 R 告 4 - W A P 小 厶一1 5 式中A P 。为爆炸波阵面上的最大超压，k g ／c m 2 ；R 为折合距离，m ／k g ∽；R 为药包中心距所考查点的距 离，m ；W 为炸药量，k g ；P 士为单位爆炸波波阵面上 的压力，k g ／c m 2 。 式 3 适用于标准’肿装药，对于非，I N T 装 药，药换算成T N T 当量。 爆炸波为冲击波，当空气中传播的爆炸波，运动 到热交换管壁后，要在热交换管壁处产生反射，实际 上爆炸波到达热交换管后，热交换管承受的是反射 波后的冲击压力。将爆炸波近似当作应力波处理， 反射冲击波后的应力P 扣为[ 5 1 ～ 尚 6 式中p ’、c ’为分别为T P 3 0 4 不锈钢的密度和声速； P 、c 为分别为空气的密度和声速。 由于空气的密度、声速远远小于T P 3 0 4 不锈钢 的密度和声速，即P ’c ’ p c ，因此可近似认为 P 扣 2 P 击 7 P 打即是炸药爆炸时，作用在热交换管壁上的压 力。根据前面分析，要想使热交管与管板紧密结合， 需要P 妒 2 0 5M P a 一- 2 0 5 0k g ／c m 2 。将P 妒 2 0 5 0 代 入式 7 是可以求得 P 士 10 2 5k g ／c m 2 将匕 1o 衢代入式 5 有△巳 l0 2 4k g ／c m 2 将A P 士 l0 2 4k g ／c m 2 代入式 3 ，可求得 R 一0 ．1 8 7m ／k 9 1 力 将炸药安放在热交换管中轴线上，爆炸中心距 管壁的距离尺 等 1 9m m o ．0 1 9m 。 万方数据 第2 7 卷第3 期王传利，段卫东，张春丽爆炸胀形在热交换管板胀管中的应用研究 7 9 将R 、R 值代入式 4 有 0 ．1 8 7 Q 掣 0 W 可求得爆炸胀管用药量W 形≥0 ．0 0 1k g lg 。 即在使用，r r 盯装药的条件下，要是热交换管与 热交换管板紧密结合，爆炸胀管用药量需要大于1g 。 3 热交换管爆炸胀管实验研究 3 ．1 爆炸胀管炸药种类的确定 从前面计算可知，爆炸胀管用药量很小，只需 l 一2g 炸药，选用2 。岩石炸药或乳化炸药显然不合 适。利用式 4 计算出的是针对T N T 的药量，但民 用纯孙盯类爆破器材很少。考虑到使用、加工方 便，本实验直接使用雷管的装药，即R D X 装药。 理论上 W W R D x Q R D x ／Q T N T 8 式中形为1 N T 当量；畎。。为实际R D X 用药量； Q 。。。为R D X 爆热；Q 哪为“ 盯爆热。 由前面的计算知I V lg ；查表知 Q R D x 53 6 32 0 0J ／k g ；Q T N T 42 3 19 0 0J ／k g 。将之 代人式 8 ，可求得 形R D x 0 ．7 9g 3 ．2 直接爆炸胀管 直接爆炸胀管，即爆炸胀管时不对管和管板作 任何加工处理。 3 ．2 ．1 使用l 发雷管进行爆炸胀管 民用8 号雷管内装R D X O ．7g ，起爆药约0 ．3g ， 与计算的爆炸胀管下限相当，因此实验中首先用l 发 雷管进行爆炸胀管。结果发现，用l 发雷管进行1 次、2 次甚至3 次重复爆炸胀管都不能热交换管与管 板紧密结合。1 发雷管胀管后用手可以使管子转动， 在1 个大气压下进行水密实验发现，热交换管与管板 之间气密、水密性都较差，渗漏严重。此时管板两端 处不受管板约束的热交换管部分鼓胀不大。 3 ．2 ．2 使用l 发雷管加导爆索爆炸胀管 鉴于1 发雷进行爆炸胀管不能实现热交换管与 管板的紧密结合，考虑增加炸药量，又分别用1 ．5g 、 2 ．0g ，3 ．0g 炸药进行了爆炸胀管实验。实际操作 时，如图3 所示，将导爆索裁成3C 1 1 1 左右l 段，捆绑 在雷管周围，安放在热交换管中轴线上。 实验结果表明，用1 ．5g , 2 ．0g 炸药进行爆炸胀 管时，进行2 次爆炸胀管后，在管板两端处不受管板 约束的热交换管部分发生明显鼓胀，但管与管板之 间的结合的水密性仍然不能满足使用要求，在1 个 大气压下进行水密实验，仍然发现有泄漏现象。 爆索 图3 雷管加导爆索爆炸装置示意图 用3 ．Og 炸药进行爆炸胀管时，在管板两端处不 受管板约束的热交换管部分发生显著鼓胀，在进行第 2 次胀管时，有交换管产生破裂，说明用药量过大。 3 ．3 在管板孔内刻槽后爆炸胀管 从直接爆炸胀管的实验结果看，爆炸胀管效果 不理想。我们认为，主要原因在于，虽然爆炸作用 下，作用在热交换管直径截面上的应力大于其动态 屈服极限，但由于热交换管与管板孔径相差不大，热 交换管在膨胀1 个很小的半径后，即贴靠在管板上， 受管板约束，实际上热交换管不能充分膨胀到塑性 状态。因此，在爆轰产物压力下降后，热交换管即发 生回弹，使热交换管与管板产生一定的间隙。 为了确保爆炸胀管后热交换管与管板之问的气 密、水密性，如图4 所示，我们在管板孑L 壁上刻出2 个 宽2m i l l ，深lm l T l ，倒角4 5 。的刻槽，管板上刻槽，为刻 槽处的热交换管提供了充足的塑性膨胀间隙，爆炸作 用下，刻槽处的热交换管流入刻槽内，产生像塑性变 形，在爆轰产物飞散、压力下降后，也不会发生弹性回 弹，使刻槽处热交换管与管板可实现紧密结合。 图4 管板孔内刻槽示意图 实验证明，刻槽条件下，用2g 黑索金重复进行 2 次爆炸胀管，胀管后，在实验压力1 ．0 6M P a 时，保 压O ．5h 无渗漏，完全达到了热交换管的使用要求。 4 结论 1 热交换管的爆炸胀管工艺简单，速度快，成 本低，在生产车间即可更新热交换管，对生产影响 小，是一项值得大力推广的爆炸加工技术。 万方数据 8 0爆破2 0 1 0 年9 月 上接第7 6 页 p I ∞ ● E 赵 瑙 避 * 图4 爆渣特征粒径与启动水流流速关系曲线 5 结论与结语 综合以上分析，可得以下结论 1 围堰拆除时的水流流速分析，可通过明渠 流、堰流等水力学知识以及溃坝理论，计算导流洞围 堰拆除瞬间、围堰拆除后导流洞进口及洞中的水流 流速及变化。 2 可根据爆渣启动流速与特征粒径之间的关 系，确定实现水流冲渣所对应的爆渣特征块度，然后 控制围堰拆除爆破参数，使爆渣处于实现水流冲渣 所需的爆破块度。 3 理论分析及工程实践结果表明，爆渣特征块 度控制在2 0c m 以下时，在爆破参数、水力学参数得 到良好控制后，可实现水流冲渣，促进工程的经济、 快速施工。 需要说明的是，导流洞围堰拆除瞬间，由于导流 洞进口处形状及地势的复杂多变性，水流状态实 际是一个非常复杂的问题，本文的研究过程中做 了一定简化，更加精确的分析方法有待于进一步 研究。 参考文献 [ 1 ] 刘美山，李丹，彭翠玲，等．大型水电站导流洞围堰 拆除爆破关键问题分析[ J ] ．爆破，2 0 0 6 ，2 3 2 8 0 8 4 ． [ 2 ] 赵根．深水条件下围堰拆除爆破技术研究[ D ] ．合 肥中国科学技术大学．2 0 0 8 ． [ 3 ] 张正宇，张文煊，吴新霞，等．现代水利水电工程爆破 [ M ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 0 3 ． [ 4 ] 张文煊，张正宇，凡昌宇，等．大朝山水电站导流洞围 堰及岩坎爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 0 0 ，1 7 s 1 2 0 7 - 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