爆炸冲击波防护产品评价方法研究

■文/公安部检测中心 张志江北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室 黄广炎北京汇福万佳门窗有限公司 王海涛

爆炸冲击波防护产品评价方法研究

■文/公安部检测中心 张志江
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室 黄广炎
北京汇福万佳门窗有限公司 王海涛

前言

21世纪以来，世界各国的恐怖活动日趋猖獗，带有玻璃幕墙的城市高层公共建筑往往成为恐怖分子袭击的对象，美国的911事件就是典型的代表，作为纽约标志性建筑的世界贸易大厦在遭到爆炸袭击后瞬间坍塌，给美国造成了不可估量的损失；犯罪分子携炸药威胁抢劫银行营业场所的案件不断增多；高级轿车对防弹防爆需求的增多；高档住宅对防爆炸的需求也在日益增加。因此，用于特殊场所的防爆炸产品是时代的需要。目前应用在社会安全领域的防爆产品主要有：防爆炸复合玻璃、防爆毯、防爆罐（球）、防爆送餐车、排爆机器人和搜（排）爆服等。近年来，随着爆炸防护理论和技术发展，各种新型防爆产品不断涌现，防爆能力不断地提高。防爆技术是防爆产品设计的基础，其中爆炸冲击波防护能力评价方法研究是规范防爆产品质量的核心之一。

一、爆炸冲击波防护理论研究

（一）认识爆炸毁伤源

爆炸是物质发生急剧的物理化学变化，瞬间进行能量释放的过程。爆炸时物系压力急剧增高。一般将爆炸现象分两个阶段：一是某种形式的能量以一定的方式转变为物质的压缩能；二是物质由压缩状态膨胀做机械功，进而引起附近介质的变形破坏和移动。爆炸常伴随发热、发光、压力上升、真空和电离等现象，具有很大的破坏作用。破坏效应与爆炸物的数量和性质、爆炸时的条件，以及爆炸位置等因素有关。爆炸对建筑物的破坏是各种破坏力的综合作用。

1、爆炸压力

爆炸压力是爆炸产生的机械效应，是爆炸事故造成杀伤、破坏的主要因素。

2、冲击波

爆炸瞬间爆轰产物压缩空气产生空气冲击波，冲击波从爆炸点以超音速的球面波形式扩散，随着强度的降低，传播速度也逐渐下降。当冲击波作用到人或物体上时，会产生巨大的杀伤力和破坏力，超压值愈大，其杀伤力和破坏力愈大。

3、高温

爆炸温度约在2000℃-3000℃，高温会把从破坏设备内部不断流出的可燃气体或易燃、可燃蒸气点燃，使周围的可燃物全部起火，加重爆炸的破坏作用。

4、爆炸碎片的冲击

建筑构件和机械设备等破坏以后，变成碎片飞出，会在相当大的范围内造成危害。碎片飞散的距离通常在100m-500m之间，碎片愈薄，飞散速度愈大，危害也愈严重。

（二）爆炸冲击波破坏理论

爆炸装置相当于内压等于爆轰压力的容器，当内压超过壳体的屈服强度，壳体产生拉伸或剪切破坏， 便发生爆炸破坏。炸药内的绝大部分物质转化为高温气体，急剧膨胀并压缩周围的气体产生冲击波。炸药爆轰波到达炸药和空气界面瞬时在空气中形成强冲击波，称为初始冲击波。初始冲击波阵面和爆炸产物—空气界面相重合，其参数由炸药和介质性质决定。初始冲击波为强间断，其运动速度大于爆炸产物—空气界面的运动速度，造成压力波阵面与爆炸产物—空气界面的分离。不考虑衰减情况下，初始冲击波构成整个压力波的波头，其压力最高，压力波尾部压强最低，与爆炸产物—空气界面的压力相连续。爆炸产物第一次过度膨胀后，由于爆炸产物的压力低于周围空气的压力，立即在压力波的尾部形成稀疏波，并开始第1次反向压缩。此时，压力波和稀疏波与爆炸产物分离，独立地向前传播。空气冲击波是以球面波的形式向前传播，在传播过程中其压力变化情况如图1所示，其中：P0为大气压强，t+为正压持时，t-为负压持时，P+为正压区，P-为负压区。随着传播距离的增大，单位面积的能量减小，冲击波的压力和传播速度也迅速下降，其正压区也因为波的头部与尾部的速度差而被拉宽，由于存在稀疏波导致冲击波的压强在一定时间内会下降到比大气压强还低，因此经过时间t+后冲击波将进入负压区，随后慢慢衰减成音波，压力也恢复到正常的大气压力。

图1 冲击波压力历时

爆炸冲击波在传播过程中遇到建筑物时，一般会发生反射和绕流。当冲击波遇到建筑幕墙刚性壁面时，质点速度立刻变为零，壁面处质点不断聚集，使压力和密度增加，反射的压力和脉冲将会对建筑玻璃幕墙产生垂直力和水平力的作用，造成玻璃幕墙的位移、变形和破裂，严重时破碎的玻璃还会对建筑物内的人员造成生命危险。绕流一般发生在建筑物高宽尺寸都不大的情况下，冲击波将会绕过建筑物，在建筑物的背面汇聚，从而对建筑物的里面造成破坏。一般爆炸冲击波对建筑幕墙的破坏取决于冲击波的峰值超压、超压冲量及伴随爆炸产生的动压3个因素，其中峰值超压是衡量冲击波最重要的参数。

二、爆炸冲击波防护的评价方法

（一）评价方法理论基础

从防护角度讲，“超压一冲量”准则认为，在爆炸冲击波作用下，要使给定被防护对象(或防护设施)不产生某种程度(某一等级)的损伤，超压必须不高于某一临界值，并且对被防护对象(或防护设施)持续作用的时间不大于某一临界值，只有具有这种条件的冲击波才不能够对被防护对象(或防护设施)产生给定的毁伤效果；或者说，爆炸冲击波不能够在某一临界时间内达到或超出某一最大临界比冲量，如果在临界时间内没有超出这个临界比冲量，被防护对象(或防护设施)就不会产生某种等级的破坏。这实际上包含着一个最大超压值，只要不超出这个超压值，冲击波比冲量就不能在临界时间内达到或超出最大临界比冲量。由此可知，爆炸冲击波能否在一段时间内对目标保持一定的压力作用决定着爆炸冲击波是否对目标具有一定的毁伤能力，相反也决定着在爆炸冲击波作用下防护设施是否具有一定的防护能力。大多数常规炸药产生的爆炸冲击波是一种具有较高幅值且持续微秒级至毫秒级时间的强间断压力波。它既具有一定的幅值大小，又具有时间的意义。爆炸冲击波中超压和比冲量是相互影响，相互关联的，如果在考虑问题时，忽略了任何一个，都不容易得到正确的结果。因此“超压-冲量”准则相比于超压或冲量准则更具有考虑全面、评价准确和适用广泛的优点。

根据超压-冲量准则及其等毁伤/防护曲线，建立了一种基于靶板防护效应的爆炸冲击波防护效应评价方法。将不同爆炸装置的炸药装药量与炸距R的关系曲线当作叠合线和等毁伤/防护曲线结合到一张图上来使用，如图2所示。药量-炸距曲线与最低毁伤状态下的等毁伤曲线的交点，即为该爆炸装置产生最低毁伤状态时的临界炸距RH。只要炸距大于这个临界值，就对目标产生相应程度的毁伤，小于这个临界值，就不会产生相应程度的毁伤；药量-炸距曲线与某一等级下被防护对象的等防护曲线的交点RS，即为被防护对象某一防护等级下的安全距离；药量-炸距曲线与某一等级下防护设施的等防护曲线的交点RF，即为防护设施某一防护等级下的防护距离。

图2 爆炸冲击波防护效应的评价方法

（二）评价方法试验测试方案

下面以玻璃幕墙为例介绍冲击波试验测试方法。

1、冲击波试验测试方法

冲击波试验测试一般有2种方法，一种是距离试验：试验组件对已知特性的一定量炸药的冲击承受能力；另外一种是激波管试验：通过在特意建造的小室内瞬间释放高压气流产生冲击脉冲作用与试验组件上。评价试验组件的冲击承受能力。

但在实际工程上幕墙试验件在尺寸上符合试验要求的激波管很难买到或者建造起来价格昂贵，除非可以利用到美国的那种较大军事设施中，否则激波管试验用于高层建筑大体量的玻璃幕墙冲击波试验往往不太可能。因此，建议选用距离试验来验证玻璃幕墙的性能。

2、距离试验评价

在进行距离试验前，一定要做好准备工作，包括选择合适的试验场地，准备足尺寸标准玻璃幕墙试验样本，购置相关的试验器材和搭建试验台等。距离试验需要的试验器材有：

（1）压力传感器，测量玻璃幕墙在冲击波作用时的峰值压力和反射脉冲；

（2）样本支撑箱体，可以将试验样本按照要求固定在上面，它需要有足够的刚度和抵抗变形的能力，并具有消除绕流影响的功能；

（3）可移动高速照相机，用于对试验的情况及时记录，特别是对玻璃幕墙样本的破坏过程和程度的记录；

（4）必要的测量设备，包括：温度计、压力表、卷尺和高精度计时表等；

（5）指定性能的炸药，建议选球形的TNT炸药，它可以根据炸药的质量和体积，方便地划分试验的不同等级。另外，还需要有炸药悬空支架，用来调节炸药相对地面的高度和减少炸药爆炸时地面的影响；

（6）地面应进行硬化处理或铺垫钢板，避免碎屑等在冲击波的作用下对样品产生破坏。

准备好所有的必要试验条件后，可以搭建成如下图3所示的试验台来进行冲击波试验。试验用的箱形样本支撑构件的厚度T应大于800mm，并且玻璃幕墙样本的四边，距离支撑构件的四边也应大于200mm。传感器根据测量压力和反射脉冲点的不同分别安装在相应位置上，并保证测试的玻璃样本平面与炸药中心和样本中心的连线垂直。在进行冲击波试验进行的整个过程中，还应该满足以下几点要求：

（1）被测试的试验组件应该在所有方面与待评价防护产品所述相同，包括玻璃结构组成及原材料、在框架上的固定方式等；

（2）应在封闭立方体的正面开口处试验原型组件，以防背面冲击波压力造成的错误结果；

（3）应精确计算试验炸药重量和离开距离，以得到可能接近的冲击波参数，以保证对试验组件的产生准确的作用力；

（4）由于预先不能确定试验结果，应多准备几个试验组件带到试验现场。

试验前，应预计可能的失败情况，并准备具有不同构造的备用试验组件。进行距离试验的准备工作很费时，需要周密计划，实验结束后，需要对试验数据认真分析，对结果做出准确的评价。

图3 冲击波距离试验

三、距离试验测试方法评价案例

（一）试验内容及方法

1、测试对象

图4 泄爆门实物图（左）和防爆门实物图（右）

2、测试方法

炸药柱通过绳索挂在架子上，距离防爆门几何中心的垂直距离约为1米。

图5 炸药柱（左）和炸药布置（右）

3、试验布局

图6 现场试验布局：泄爆门（上）和防爆门（下）

现场试验布局如图6所示，一共进行了两发试验：第一发试验使用了500g的B炸药，泄爆门固定在距离爆心2米的位置，3#传感器粘在门侧面上；第二发试验使用了1000g的B炸药，防爆门，固定在距离爆心2米的位置，3#传感器固定在另一侧的支架上。

4、测试试验内容

表1 测试内容

5、测试系统

（1）高速摄影

高摄摄影使用约克V710彩色系列，设置拍摄幅度496×320，拍摄频率10000fps，曝光时间10μs。

（2）压力测试装置

（二）试验数据记录

1、泄爆门高摄观察结果

图7 泄爆门高速摄影记录图像

2、防爆门高摄观察结果

3、压力测试数据

表2 试验用传感器参数

图8 防爆门高摄记录图像

图9 压力测试记录数据曲线：（上）500g炸药泄爆门（下）1000g炸药防爆门

（三）试验情况说明

在500g炸药泄爆门试验中，距离爆心1.5m处CH2通道压力曲线为非典型信号，认为信号错误。CH3通道传感器黏在泄爆门侧壁上，因此在4ms左右出现震荡的壁面应力信号，空气冲击波压力峰值，以前一个为主。

其他试验结果满足试验要求，炸药发生完全爆轰，测得的空气冲击波峰值大小、时刻满足实际情况。

测得的空气冲击波峰值大小，峰值时间和理论计算结果如表3所示。

表3 压力测试结果

四、小结

对爆炸冲击波防护产品的评价，特别是对空气冲击波压力测试，国内目前还未形成标准化的测试方法，本文在这方面进行了初步探索研究，研究工作主要基于本中心承担的国家研究课题《灾害现场防割刺防爆个体装备系统研究及应用示范》中的研究任务。下一步，将对不同爆炸冲击波防护产品进行系统化压力测试研究，并形成爆炸灾害环境下的爆炸载荷数据库。