程良玉， 龍 源， 毛益明， 徐全軍， 紀(jì) 沖， 吳建源

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

大口徑高壓管道物理爆炸沖擊波傳播規(guī)律的試驗(yàn)研究

程良玉， 龍 源， 毛益明， 徐全軍， 紀(jì) 沖， 吳建源

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)碚?，?gòu)建基于DH5960的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，開展直徑為1 422 mm的大口徑全尺寸高壓氣體管道爆炸試驗(yàn)。獲取各測(cè)點(diǎn)空氣沖擊波的P(t)曲線，經(jīng)小波變換濾波后采用最小二乘法對(duì)沖擊波在空間上的傳播特性進(jìn)行數(shù)值擬合，得到了衰減曲線和衰減公式。對(duì)比試驗(yàn)組和對(duì)照組的沖擊波曲線，發(fā)現(xiàn)高壓管道物理爆炸空氣沖擊波在近地面自由場(chǎng)的傳播具有非圓形波陣面的特征。

物理爆炸；小波變換去噪；超壓衰減曲線；非圓形波陣面

天然氣作為一種高效、清潔的能源為各國(guó)所青睞。未來10余年內(nèi)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民對(duì)天然氣的需求量仍將呈爆炸式增長(zhǎng)。截至2015年底，我國(guó)天然氣主干管道總里程達(dá)8.5萬(wàn) km，已經(jīng)形成相對(duì)完善的天然氣管網(wǎng)。由于天然氣管道受到近域施工行為、環(huán)境腐蝕、機(jī)械或材料失效、自然災(zāi)害及其他未知因素的影響，導(dǎo)致開裂爆炸事故時(shí)有發(fā)生。

天然氣管道爆炸事故有兩種：①物理爆炸，管道破裂后內(nèi)部高壓氣體解除約束逸出并向自由場(chǎng)迅速膨脹[1]，瞬間壓縮空氣形成沖擊波并向外傳播；②化學(xué)爆炸，天然氣與空氣混合后，在一定外界條件作用下發(fā)生爆燃，形成化學(xué)爆炸事故。其中后者需要可燃?xì)怏w在空氣中擴(kuò)散并受到外力作用，發(fā)生爆燃的可能性受引燃條件(如溫度，混合比)的影響。而物理爆炸不需要可燃?xì)怏w與氧化性氣體混合，也不需要外界條件引燃。相較于天然氣管道泄漏后發(fā)生的化學(xué)爆炸，物理爆炸發(fā)生的幾率更高。

天然氣管道泄漏后發(fā)生物理爆炸的問題一直為國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者所關(guān)注。Bariha等[2]理論分析了石油天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)的氣體沖擊波壓力場(chǎng)的狀態(tài)；李偉等[3]采用CFD(Computer Fluid Dynamics)數(shù)值模擬計(jì)算了高壓氫氣輸運(yùn)裝置物理爆炸事故后的空氣沖擊波狀態(tài)場(chǎng)；Skacel等[4]通過激波管縮比試驗(yàn)研究了物理爆炸沖擊波在管內(nèi)傳播規(guī)律，并驗(yàn)證了TNT當(dāng)量法對(duì)于物理爆炸沖擊波一維傳播估算的可行性。這類研究通過不同的方法近似分析了物理爆炸沖擊波的狀態(tài)，但對(duì)于物理爆炸形成空氣沖擊波在自由場(chǎng)中傳播的天然氣管道全尺寸試驗(yàn)研究卻鮮見報(bào)道。

本文基于大口徑高壓氣體管道爆炸的全尺寸試驗(yàn)，獲得了物理爆炸產(chǎn)生空氣沖擊波測(cè)試的數(shù)據(jù)。采用小波變換去噪方法，對(duì)物理爆炸空氣沖擊波在自由場(chǎng)的超壓衰減規(guī)律及其壓力場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 高壓氣體管道

為研究高壓天然氣管道爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波的傳播規(guī)律，開展了大口徑高壓氣體管道爆炸的全尺寸試驗(yàn)。試驗(yàn)的管道采用X80鋼材，管道長(zhǎng)20 m，直徑為1 422 mm，如圖1所示。管道淺埋地下，并向管內(nèi)充入一定量空氣使壓力升高至12 MPa，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。采用聚能切割器在管道的中心位置瞬間切割開一個(gè)50 cm的長(zhǎng)條形切縫，管內(nèi)高壓氣體解除約束瞬間逸出，形成物理爆炸。逸出氣體到達(dá)地面上空自由場(chǎng)后向周圍膨脹形成空氣沖擊波向外傳播。

圖1 高壓氣體管道中間段Fig.1 The middle section of high-pressure gas pipe

圖2 高壓氣體管道爆炸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 The site of high-pressure gas pipe burst measuring

1.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為對(duì)比研究高壓氣體管道爆炸空氣沖擊波的傳播規(guī)律，設(shè)置試驗(yàn)組和對(duì)照組兩條沖擊波壓力測(cè)試線，分別為垂直于管道方向的垂直測(cè)試線和與管道成45°傾斜角的傾斜測(cè)試線。兩條測(cè)試線各布設(shè)10個(gè)測(cè)點(diǎn)，共20個(gè)自由場(chǎng)壓力測(cè)點(diǎn)。垂直測(cè)試線過起爆點(diǎn)并垂直于管道軸線，各測(cè)點(diǎn)距起爆點(diǎn)距離如表1所示；斜測(cè)試線過起爆點(diǎn)并沿管道東南方向，與管道軸線成45°夾角，各測(cè)點(diǎn)距起爆點(diǎn)距離如表2所示。各測(cè)點(diǎn)的位置示意圖如圖3所示。

為將壓力傳感器固定于近地面自由場(chǎng)中，避免受沖擊波壓力產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)而影響測(cè)試，設(shè)計(jì)了自由場(chǎng)壓力傳感器支架。將桿式自由場(chǎng)傳感器固定于各個(gè)對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，使其距離地面1.9 m[5]。

1.3 測(cè)試系統(tǒng)

考慮到試驗(yàn)環(huán)境的特殊性，試驗(yàn)構(gòu)建了基于DH5960的網(wǎng)絡(luò)型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用集成的CYG411型壓阻式壓力傳感器提高物理瞬態(tài)響應(yīng)的靈敏度，并通過計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，具有瞬態(tài)采樣頻率高，頻率響應(yīng)范圍大等特點(diǎn)。為操作安全，設(shè)置兩個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與收集，一個(gè)位于爆炸場(chǎng)內(nèi)的測(cè)試間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接采集，另一個(gè)位于安全范圍的控制端，二者通過光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。試驗(yàn)人員通過控制端計(jì)算機(jī)操控測(cè)試間計(jì)算機(jī)采集與傳輸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有安全性高的特點(diǎn)。

表1 垂直測(cè)試線上各測(cè)點(diǎn)距起爆點(diǎn)距離

表2 斜測(cè)試線上各測(cè)點(diǎn)距起爆點(diǎn)距離

圖3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖(單位：m)Fig.3 Schematic diagram layout of measuring point (unit: m)

圖4 DH5960動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)Fig.4 DH5960 dynamic signal measurement and analysis system

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)共采集到20組沖擊波信號(hào)。研究發(fā)現(xiàn)原始P(t)曲線有很多“毛刺”(噪聲信號(hào))，嚴(yán)重干擾有效信號(hào)的讀取。通過分析發(fā)現(xiàn)這些噪聲信號(hào)主要有兩個(gè)來源：①大幅度擾動(dòng)，頻率范圍在傳感器支架固有頻率附近，根據(jù)速度規(guī)律，推測(cè)為管道爆炸在土壤介質(zhì)中形成的應(yīng)力波擾動(dòng)[6-7]。該擾動(dòng)通過大地傳至傳感器支架底座，再通過傳感器支架對(duì)傳感器形成噪聲干擾。這部分噪聲可以通過測(cè)點(diǎn)布設(shè)規(guī)避，使之不出現(xiàn)在沖擊波信號(hào)到達(dá)的時(shí)間段內(nèi)，也可以通過濾波濾去。②小幅度擾動(dòng)，頻率范圍在傳感器固有頻率附近，以聲速在各個(gè)測(cè)點(diǎn)間傳播，推測(cè)為沖擊波形成與傳播過程中對(duì)周圍空氣引起的擾動(dòng)。該擾動(dòng)通過空氣介質(zhì)直接對(duì)傳感器形成干擾。這部分噪聲無(wú)法規(guī)避，但是可以通過濾波除去。

采用小波變換對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理[8-9]，以除去“毛刺”，獲得清晰的沖擊波信號(hào)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可讀性。

傳感器對(duì)沖擊波壓力的物理響應(yīng)為連續(xù)信號(hào)，但數(shù)字采集儀只能采集離散的數(shù)字信號(hào)，因此采用離散小波變換(Discrete Wavelet Transform，DWT)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理。離散小波變換可通過離散化連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform，CWT)中的伸縮因子和平移因子得到[10]。離散小波為

(1)

相應(yīng)的離散小波變換為

(2)

式中：ψ(t)∈L2(R);a為離散化的伸縮因子，b為離散化的平移因子，a,b∈R；m,n為離散因子，m,n∈R。

通過檢驗(yàn)殘差的收斂性，驗(yàn)證去噪信號(hào)與原始沖擊波信號(hào)的相關(guān)性。原始P(t)曲線，去噪后的P(t)曲線和殘差曲線對(duì)比如圖5和圖6所示。圖中第一層為原始信號(hào)，第二層為去噪信號(hào)，第三層為殘差曲線。

圖5 垂直測(cè)線部分測(cè)點(diǎn)的原始曲線、濾波曲線和殘差曲線Fig.5 Original signal、de-noised signal and residuals of points in vertical measuring line

圖6 傾斜測(cè)線部分測(cè)點(diǎn)的原始曲線、濾波曲線和殘差曲線Fig.6 Original signal、de-noised signal and residuals of points in bevel measuring line

從P(t)曲線可以看出，當(dāng)沖擊波陣面到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)，壓力突躍上升形成強(qiáng)間斷面。隨著氣體向外膨脹壓力迅速衰減，衰減至大氣壓力時(shí)，由于慣性作用繼續(xù)下降形成一個(gè)壓力稍小于大氣壓力的負(fù)壓區(qū)。負(fù)壓區(qū)被周圍高壓區(qū)壓縮，壓力升高至稍高于大氣壓力。接著又開始第二次膨脹和壓縮的脈動(dòng)過程。通過多次有阻尼脈動(dòng)，壓力衰減至大氣壓力；并且同一條測(cè)線上距離越遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)所測(cè)到的超壓峰值越小，衰減速度越慢。這與常規(guī)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律類似。

從殘差曲線圖中可以看出，時(shí)域范圍內(nèi)，殘差一直在零點(diǎn)附近波動(dòng)，其主值基本收斂于直線P=0，說明小波變換去噪沒有改變?cè)夹盘?hào)的沖擊突躍部分，去噪結(jié)果清晰可靠。將讀取的沖擊波數(shù)據(jù)列于表3和表4(其中B05#測(cè)點(diǎn)未測(cè)到有效信息)。

表3 垂直測(cè)試線上各測(cè)點(diǎn)超壓峰值

表4 斜測(cè)試線上各測(cè)點(diǎn)超壓峰值

3 沖擊波傳播特性分析

3.1 超壓衰減曲線擬合

空氣沖擊波在自由場(chǎng)中傳播具有氣體壓力大，傳播速度快等特點(diǎn)，此過程中氣體的重力和黏性可忽略不計(jì)，氣體可以假定為完全氣體[11]，根據(jù)相似理論有

Δpm=f(E,r,P0,ρ0,k)

(3)

式中：被定量ΔPm為沖擊波超壓；主定量E為爆炸總能量；r為沖擊波波陣面距爆心距離；P0為空氣的初始?jí)毫?；?為空氣的初始密度；k為絕熱指數(shù)。

由π定理寫出三個(gè)π項(xiàng)

(4)

根據(jù)量綱和諧條件求解得到

(5)

k一般取常數(shù)，P0一定的條件下，式(5)可寫成

(6)

將式(6)展開

(7)

爆炸能量由管內(nèi)氣體唯一確定，沖擊波傳播過程中E不發(fā)生改變，可當(dāng)作常量，則式(7)變?yōu)?/p>

(8)

已知邊界條件：當(dāng)r→∞時(shí)，ΔPm=0，故A0=0，則

(9)

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法分別對(duì)兩條測(cè)線上的超壓進(jìn)行曲線擬合，獲得擬合曲線和擬合函數(shù)，擬合曲線如圖7和圖8所示。

圖7 Vertical測(cè)線的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of vertical measuring line

圖8 斜測(cè)線的擬合曲線Fig.8 Fitting curve of bevel measuring line

垂直方向的超壓衰減擬合函數(shù)

(10)

45°角傾斜方向的超壓衰減函數(shù)

(11)

3.2 沖擊波陣面的非圓形特征

研究試驗(yàn)組與對(duì)照組的沖擊波超壓發(fā)現(xiàn)，相同距離時(shí)垂直測(cè)線上測(cè)點(diǎn)超壓明顯高于傾斜測(cè)線上對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的超壓，即截取相同超壓時(shí)，垂直測(cè)線上的距離比斜測(cè)線上的距離更遠(yuǎn)。說明在近地面自由場(chǎng)中空氣沖擊波超壓的等壓線為非圓形，如圖9所示。沖擊波陣面為壓力最大的等壓線，在近點(diǎn)面自由場(chǎng)中的分布也具有非圓形的特征。

圖9 沖擊波等壓線Fig.9 Shockwave isobars schematic diagram

分析發(fā)現(xiàn)，非圓形波陣面的形成與管道破裂氣體逸出及沖擊波傳播過程有關(guān)。如圖10所示，切割器沿管道軸線切開一個(gè)長(zhǎng)條形切縫。切縫軸向尺寸大于徑向尺寸，即徑向自由面大于軸向自由面，致使其徑向強(qiáng)度小于軸向強(qiáng)度。在內(nèi)部高壓作用下，切縫先從中間位置沿徑向發(fā)生塑性變形，撕裂成裂口如圖11所示。由于徑向塑性變形程度更大，氣體從裂口逸出時(shí)，徑向泄漏更快，更早形成沖擊波，導(dǎo)致初始波陣面為非圓形波陣面。

各方面非均勻的空氣沖擊波在傳播過程中有一個(gè)各方面漸近均勻化作用[12]，將非圓形波陣面均勻化為近似圓形的波陣面?；瘜W(xué)爆炸形成的空氣沖擊波超壓一般很大，因此各方面漸近均勻化作用很明顯，很快形成近似圓形的沖擊波陣面；而管道爆炸空氣沖擊波超壓較小，各方面漸近均勻化作用不明顯，因此在近地面自由場(chǎng)中具有明顯的非圓形波陣面特征。

圖10 爆炸切縫Fig.10 Blasting incision

圖11 裂口變形及氣體噴流示意圖Fig.11 Crack deformation and gas jet schematic diagram

4 結(jié) 論

(1)沖擊波測(cè)試過程中干擾信號(hào)主要有兩部分：①管道爆炸在土壤介質(zhì)中形成的應(yīng)力波擾動(dòng)；②沖擊波在周圍空氣中形成的不規(guī)則擾動(dòng)，這兩部分噪聲都與傳感器和支架的固有頻率有關(guān)。

(2)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到本試驗(yàn)物理爆炸空氣沖擊波在與管道垂直方向和與管道成45°角方向上的超壓衰減曲線及其函數(shù)?？梢詾閷?shí)際應(yīng)用提供有效參考。

(3)高壓氣體管道物理爆炸形成空氣沖擊波，其波陣面形狀受管道破裂變形過程和沖擊波傳播過程雙重影響而具有非圓形特征，如本次試驗(yàn)所得的沖擊波傳播呈現(xiàn)與管道垂直方向最強(qiáng)，其他方向稍弱的非圓形波陣面特征。說明高壓管道爆炸形成空氣沖擊波的安全防護(hù)不同方向具有不同的防護(hù)等級(jí)。

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Anexperimentalstudyonlarge-diameterhigh-pressurepipelinephysicalexplosionsshockwavepropagation

CHENG Liangyu, LONG Yuan，MAO Yiming，XU Quanjun，JI Chong，WU Jianyuan

(College of Field Engineering，Army Engineering University, Nanjing 210007, China)

According to the theory of dynamic test, this paper presented a DH5960-based dynamic signal analysis system, in which a diameter of 1 422 mm full-size high-pressure gas pipeline explosion experiments was performed. The air blast curve of each measuring point was obtained. After the wavelet de-noising, the least squares method was adopted to carry out numerical fitting of the peak overpressure shock wave propagation characteristics in space. Decay curves and attenuation formula were obtained. Shock curve comparison between experimental group and the control group were performed and discovered that high-pressure pipeline physics explosion air shock has the feature of a noncircular wave front propagation characteristics on the free-field near the ground.

physical explosions; wavelet de-noising; overpressure decay curve; noncircular wave front

國(guó)家自然科學(xué)基金(11672331)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M58279)

2016-06-24 修改稿收到日期： 2016-07-22

程良玉 男，碩士生，1992年生

龍?jiān)?男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1958年生

O383； X937

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.22.007