爆炸焊接危害机理分析.pdf

2 8 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 8 卷第3 期 爆炸焊接危害机理分析’ 史长根洪津蒋国良周春华 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 [ 摘要] 该文通过测试指出了爆炸噪声是爆炸焊接作业中最主要的危害因素，并且分析研究了这种爆炸危害产 生的机理，从而对爆炸噪声和爆炸冲击波的防护技术和措施提供了实验和理论基础。这对爆炸焊接金属复合材料 行业超大规模化发展将起到很大的推动作用。 [ 关键词] 爆炸焊接冲击波噪声震动 [ 分类号] T C , 4 5 6 ．6 0 3 8 9 l 引言 从6 0 年代起。爆炸焊接技术在我国已经发展了 大约4 0 年，其技术已日趋完善，爆炸焊接及金属复 合材料正在进入一个迅猛的发展阶段。然而，爆炸 焊接并不是在工厂形成规模化和标准化的流水线式 制造模式，其关键的核心制造过程是在野外靠手工 作业完成。目前，国内进行爆炸焊接金属复合材料 生产的厂家均在离工厂一般约一百多公里甚至数百 公里的山高谷深的山凹建设爆炸作业场地。一般来 说，为了满足金属复合材料规模生产需要，爆炸焊接 生产每次用药量大约在1 0 0k g 至数百公斤甚至1t 左右，每天在每个爆炸场地大约进行l O 次以上的爆 炸作业。爆炸焊接这种作业模式对周围环境造成了 极大的消极影响。爆炸焊接作业对周围环境主要产 生以下两种形式的危害 1 爆炸焊接会产生刺耳噪声，严重影响了周 围居民的日常生活。 2 爆炸焊接产生的爆炸振动效应，有时可以 将离爆炸场周围数公里的玻璃震碎、民房震裂。 由于爆炸焊接作业严重影响了周围居民的日常 生活，周围居民经常阻止爆炸作业，从而造成爆炸焊 接厂家经常处于停产状态，严重制约了爆炸焊接和 金属复合材料行业的迅猛和规模化发展。但目前对 爆炸焊接危害的机理尚没完全弄清，因此目前对爆 炸焊接作业上述的两种危害尚没有有效的防护措 施。因此对爆炸焊接作业以及裸露装药危害机理进 行分析研究是非常必要和迫切的。 2 有毒气体 因为爆炸焊接是裸露装药，爆炸产生的毒气不 受阻碍地向四周传播，所以在进行连续爆炸焊接作 业时，必须考虑毒气对周围环境的影响。爆炸焊接 产生毒气的种类与炸药的种类、炸药的受潮程度、药 框及缓冲层的材料等有关。当使用负氧平衡硝铵类 炸药时，一般会生成N 0 、N 0 2 、N 2 0 3 、H S 、C O 和少 量的H C I 等有毒气体⋯。 目前，全国已停止污染严重的负氧平衡2 。岩石 铵梯炸药的生产，爆炸焊接炸药主要采用乳化炸药 或铵油炸药，这些炸药属正氧平衡炸药，基本上不会 产生有毒气体。因此对爆炸焊接而言，有毒气体对 周围环境影响并不大。 3 爆炸振动 根据国内外近年测震所积累的资料，爆破安全 规程对各类建筑物所允许的安全振动速度有明确规 定【2J 。一般来说在1 ～2 k m 以内，爆炸焊接作业产 生的振动效应不会超过国家所允许的安全标准，但 爆炸焊接所产生的振动仍然对2 k m 以内的民居造 成了巨大影响，而且由于民房一般为土石结构，因此 这些振动严重影响了老百姓的正常生活。 表l 是在离爆炸焊接地点约1 0 0 0 m 处测得的 爆破振动及噪声数据。对照表2 ，虽然爆炸振动速 度大大小于爆破安全规程对土石建筑物所允许的安 全振动速度，但现场感觉和老百姓的反映表明，此类 振动对民房以及老百姓的正常生活造成了一定的影 响。表3 是在离爆炸焊接地点约1 5 0 0 m 处测得的 爆破振动及噪声数据，对照表2 ，爆炸振动速度远小 于爆破安全规程对土石建筑物所允许的安全振动速 度，现场感觉和老百姓的反映也表明，此类振动对民 房以及老百姓生活及民房几乎没有影响。 通过采用减震技术，采用沙土以及减震材料作 焊接地基并设计合理的隔震沟，可大大削减爆炸焊 收稿日期2 0 0 9 4 1 4 7 作者简介史长根 1 9 7 1 一 ，男，副教授，工学博士。主要从事爆炸加工及金属复合材料等方面的研究工作。 万方数据 2 0 0 9 年6 月 爆炸焊接危害机理分析史长根等 2 9 表I南京西山爆炸焊接振动及爆炸噪声测试 距离 药量噪声 堡塾蕉壅￡ 磐 2 ／m ／k s ／d B 径向值垂向值切向值 1 0 0 02 0 01 4 01 ．0 1 60 ．7 6 20 ．3 8 1 1 0 0 01 5 01 3 70 ．6 3 50 ．3 8 10 ．2 5 4 表2 各类建筑物所允许的安全振动速度 锄8 ‘1 表3 安徽大别山爆炸焊接振动、冲击波及爆炸 噪声测试 接地震波的振动速度，基本上消除了爆炸焊接地震 波对周围环境造成的不利影响，大大提高了爆炸焊 接生产的可行性。 4 爆炸焊接噪声 4 ．1 爆炸焊接噪声产生的机理 大多数专家和文献认为爆炸焊接噪声是爆炸焊 接冲击波衰减成音波所致，这些冲击波衰减成的声 波在离起爆点2 3 k m 仍能达到1 4 0 d B ，严重影响民 房安危和老百姓的日常生活，而噪声达到1 4 1 d B 就 能使某些大格窗玻璃被破坏[ 2 】。 实际上，在远离起爆点2 3 k m 仍能测到1 4 0 d B 以上的噪音，这些刺耳的噪声从心理上严重影响到 老百姓的正常生活。当然，大格窗玻璃被破坏以及 民房的振动并不一定由炸药爆炸噪声引起，而由爆 炸焊接其它效应所致。这些噪声主要来自于 1 爆炸焊接过程中复板弯曲塑性变形产生的 噪声。金属复板在爆炸焊接过程中必须产生弯曲塑 性变形，才能实现与基板焊接，而金属材料在塑性变 形时一般会产生噪声。噪声的大小与金属复板的材 料、厚度以及长度和宽度均有关系。 2 复板和基板碰撞结合产生的噪声。在爆炸 焊接过程中，复板一般会以数百米每秒的速度与基 板发生高速碰撞，在此过程中，也会产生强烈的噪 声。噪声的大小与基复板材料、厚度以及焊接面积 均有关系。 3 炸药爆轰产生的爆炸噪声。主要是由炸药 爆轰产生的爆炸噪声。 上述结论主要依据予以下两类爆炸焊接噪声对 比实验。 4 ．2 爆炸焊接噪声试验 4 ．2 ．1 爆炸焊接与空爆对比试验 爆炸焊接噪声与空爆对比实验见表4 ，实验表 明2 k g 装药爆炸焊接时复板弯曲以及与基板碰撞 所产生的噪声就达到1 0d B ，而爆炸焊接装药量一 般在2 0 0k g 到5 0 0k g 左右，因此在爆炸焊接时复板 弯曲以及与基板碰撞所产生的噪声是相当可观的。 表4 爆炸焊接噪声与空爆对比实验 4 ．2 ．2 双立式与平行法爆炸焊接噪声对比试验p 1 采用传统平行法与双立法爆炸焊接，测量其产 生的噪声情况。基复板尺寸4 0 0 r a m 3 0 0 r a m 2 3 0 m m 。与平行法相比，双立法采用的是2 块同 样大小的爆炸复合板，如图1 所示。测试结果如表 5 。双立爆炸法产生的噪声比平行法大9d B ，可见 本试验中1 块爆炸焊接过程中复板弯曲塑性变形以 及复板和基板碰撞结合共产生噪声大约为9d B ，那 么炸药爆轰产生的爆炸噪声也不过11d B 。由此也 证明了复板弯曲塑性变形以及复板和基板碰撞结合 产生的混合噪声是非常大的。 图1 双立式爆炸焊接装置 表5 双立法与平行法爆炸焊接噪声对比试验 4 ．3 爆炸焊接噪声的防护 爆炸焊接是裸露爆破，且用药量大而集中，故其 防护比较困难，通常采用的防护措施有 1 上述双立法噪声虽然比平行法噪声大，但 其是爆炸两块复合板，实际上双立爆炸法会削减爆 炸噪声，且易于噪声的防护，可采用双立爆炸法。 2 由于复板弯曲以及与基板碰撞结合产生的 噪声是很大的，因此在爆炸焊接时起爆点的位置设 万方数据 3 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第3 期 计应保证复板的弯曲是在宽度方向。 3 安排合理的作业时间，避免在早晨、深夜或 中午进行爆炸焊接作业，以减少扰民和大气效应所 引起的噪声增加。 4 对因工作需要，不可能撤离爆炸点很远的 现场工作人员，可戴耳塞或耳罩进行防护。 5 必要时可挖一深坑，将爆炸焊接装置置于 坑中，装药完成后，用废旧胶等将坑封口，胶带上覆 盖湿土或湿沙 注意土或沙中不能夹杂小石子 。 5 爆炸焊接冲击波 5 ．1 爆炸焊接冲击波超压 爆炸焊接装药是在普通土壤的地面爆炸。由于 地面土壤受到高温、高压爆炸产物的作用而发生变 形或破坏。因此计算爆炸焊接冲击波超压就不能按 刚性地面的全反射来考虑，而应考虑地面消耗了一 部分爆炸能量，即反射系数要比2 小，在此情况下爆 炸焊接冲击波超压【．J p 1 ．0 2 孕 3 ．9 9 孕 2 1 2 ．6 孕 3 式中肛一装药量，k g ； 卜离装药中心的距离，m 。 一般爆炸焊接炸药用量在2 0 0 1 0 0 0k g ，在距 爆点1 0 0 0 m 处的冲击波超压大约在0 ．0 0 5 0 ．0 1 个大气压。虽然此时压力已基本上接近于声波，但 从安全的角度考虑，根据国内外的统计，在冲击波超 压为0 ．0 0 2 个大气压所形成的噪声和亚声还会对一 些大格窗玻璃造成破坏，而美国矿业局暂时规定的 噪声安全值为0 ．0 0 0 5 个超压[ 2 ．5 】。因此虽然冲击 波衰减很快，但超压所形成的噪声和亚声还会对 1 0 0 0 m 左右的民房造成一定的危害。 从表3 的测试数据看离爆炸点1 5 0 0 m 左右装 药量在5 0 0k g 左右，冲击波超压几乎为O ，而且从现 场实际感觉超压所形成的噪声和亚声也没有造成不 利影响。 5 ．2 爆炸焊接冲击波的防护 综上所述，爆炸冲击波超过装药直径4 倍以上 5 0 m 以外 ，冲击波压力基本接近于声波，虽然爆 炸焊接作业时冲击波效应对1 ．5 k m 以外的民房几 乎没有影响，但冲击波产生的超压所形成的噪声和 亚声对1 ．0k m 以内的民房还会造成一定的振动作 用。因此可采用以下两点措施 1 爆炸点离老百姓民房应在1 ．5 k m 以外，并 且最好选在山高谷深的位置。 2 爆炸焊接地基应选用松软的沙土地基，而 不应选择钢基或硬土地基。 6 结论 1 目前，已经采用乳化炸药或铵油炸药等正 氧平衡炸药，这些炸药基本上不会产生有毒气体，对 爆炸焊接而言，有毒气体对周围环境影响并不大。 2 爆炸焊接虽然一次装药量大，但爆炸焊接 属裸露装药，爆炸焊接振动效应对周围环境的影响 范围并不大。 3 爆炸焊接噪声对周围环境影响巨大。噪声 主要来自于爆炸焊接过程中复板弯曲塑性变形产 生的噪声；复板和基板碰撞结合产生的噪声；炸药爆 轰产生的爆炸噪声。前两种效应几乎与炸药爆轰产 生的爆炸噪声相当。噪声对人的心理以及民房都将 产生很大的影响。 4 爆炸冲击波超过装药直径4 倍以上 5 0 m 以外 ，冲击波压力基本接近于声波，虽然爆炸焊接 作业时冲击波效应对1 ．5 k m 以外的民房几乎没有 影响，但冲击波产生的超压所形成的噪声和亚声对 1 ．0k m 以内的民房还会造成一定的振动作用。 参考文献 [ 1 ] 段卫东．爆炸焊接的安全评估和安全防护措施[ J ] ．中 国安全科学学报，1 9 9 9 ，9 6 4 1 - 4 4 ． [ 2 ]中国力学学会工程爆破专业委员会．爆破工程[ M ] ． 北京冶金工业出版社，1 9 9 6 ．7 9 2 2 4 ． [ 3 ] 史长根．双立式爆炸焊接装置及其方法[ P ] ．中国专 利2 0 0 6 1 0 0 9 6 8 0 0 ．3 ． [ 4 ] 李翼祺，马素贞．爆炸力学[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 9 2 ．2 5 8 2 6 5 ． [ 5 ] 王飞．挡波墙对冲击波的防护及数值模拟[ D ] ．南京 解放军理工大学，2 0 0 4 ． H a r mM e c h a n i s mA n a l y s i so fE x p l o s i v eW e l d i n g S H IC h a n g g e n ，H O N GJ i n ，J I A N GG u o l i a n g ，Z H O UC h u n h u a E n g i n e e r i n gI n s t i t u t e 缸E n g i n e e rC o r p s ，P L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c e ＆T e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i l l g ，2 1 0 0 0 7 [ A B S T R A C T ] T h ee x p l o s i o nn o i s ei nt h ee x p l o s i v ew e l d i n gw a f tr e g a n t e dt ob et h em o s ti m p o r t a n th a r mi n t h i sp a p e r ， a n di t sm e c h a n i s mt h i sh a r mc a r r i e do u tw a f ts t u d i e d ，w h i c hm a yp r o v i d et h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r p r o t e c t i v em e f l s 嘴dt h ee x p l o s i o nn o i s ea n ds h o c kw a v e ．I tw o u l dp r o m o t et h ev e r yl a 醪s c a l ed e v e l o p m e n t0 fe x p l o s i v e w e l d i n gm e t a lc o m p o s i t e s ． [ K E YW O R D S ]e x p l o s i v ew e l d i n g ，s h o c kw a 他，n o i s e ，e x p l o s i v es h a k e 万方数据