РАЗРАБОТКА ВЗРЫВОСТОЙКОГО КОНТЕЙНЕРА АТ 595

РАЗРАБОТКА ВЗРЫВОСТОЙКОГО КОНТЕЙНЕРА АТ 595.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
М.А. СЫРУНИН, В.Н. РУСАК, А.Г. ФЕДОРЕНКО А.Л. МИХАЙЛОВ, В.П. СОЛОВЬЕВ,
А.И. АБАКУМОВ, С.М. ТРЕЩАЛИН, И.В. ДЕВЯТКИН
РФЯЦ — ВНИИ экспериментальной физики, Саров, Россия
Одним из путей защиты окружающей среды от воздействия взрыва является его локализация в замкнутом
объеме взрывостойкого контейнера. В таком контейнер помещается взрывоопасный объект и в случае его
взрыва, образующиеся продукты взрыва локализуются во внутреннем объеме контейнера. Взрывостойкие контейнеры необходимы для эвакуации обнаруженных в местах нахождения и проживания людей террористических устройств, аварийных боеприпасов и др. случайных или специальных устройств, содержащих ВВ
и другие экологически опасные вещества. Такие контейнеры также могут использоваться для проведения научно–исследовательских или специальных работ, с применением взрывчатых веществ.
Очевидно, что усовершенствование качества разработки таких конструкций, снижение их стоимости
и повышение надежности имеет большое значение, когда велика угроза терроризма, и необходимо разрабатывать более эффективные меры и средства, в том числе технические, для их решения. Одна из главных проблем
при создании таких контейнеров — обеспечение их минимальных габаритов и массы без снижения параметров
несущей способности. Причем, для конкурентоспособности контейнеров на мировом рынке немаловажную
роль играет их приемлемая (минимальная относительно имеющихся аналогов) стоимость.
Контейнер АТ595, разработанный во ВНИИЭФ в рамках международного сотрудничества с СНЛ (США),
должен был обеспечивать требуемую взрывостойкость, т. е. герметичное удержание продуктов взрыва заряда
ВВ массой 8 кг ТЭ в корпусе из инертного материала массой 35 кг.
В докладе представлены результаты экспериментальных исследований контейнера АТ595 на взрывостойкость, включающие: эксперименты по исследованию реакции, несущей способности и разрушения уменьшенных открытых модельных цилиндрических оболочек и макетов силового корпуса контейнера при различных
уровнях удельной взрывной нагрузки (меньшей, равной и большей относительно заданной номинальной
удельной нагрузки для контейнера), а также испытания двух контейнеров АТ 595 при номинальной и повышенных нагрузках.
Контейнер АТ595 представляет собой двухслойную оболочку, в которой наружный слой изготовлен из
базальтопластика, а внутренний — из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, рис.1 [1—6]. .Конструкция имеет цилиндрический корпус с полусферическими торцами–днищами. Внутренний слой корпуса контейнера (поз. 1)
выполнен сварным из стальных обечаек, полусфер, горловин 14 и обеспечивает герметичность внутренней полости (толщина оболочечных элементов 4 мм). Наружный силовой слой выполнен из базальтопластика путем
намотки на стальную оболочку контейнера. Для формирования базальтопластикового слоя оболочки использовался ровинг РБ9–1250–4С на основе базальтового волокна с диаметром 9 мкм. Этот слой изготавливался
методом комбинированной намотки лент из жгутов, пропитанных связующим на основе эпоксидной смолы,
с чередованием двойных спиральных и кольцевых слоев с примерно одинаковым соотношением их толщины [6, 7].
В полюсной части полусферических днищ располагаются горловины (поз. 14, рис. 1), имеющие отверстия
(люки) с проходным диаметром 430 мм. Люки предназначены: один для загрузки (выгрузки) опасного груза во
внутреннюю рабочую полость (далее по тексту загрузочный люк), другой для технологических целей (далее по
тексту технологический люк). Люки закрываются герметично стальными крышками 12 и 20, изготовленными
также из нержавеющей стали. Крепление крышек в горловине и герметичность соединения обеспечивается за
счёт установки в зазор между крышкой 12, 20 и горловиной 14 кольцевой резиновой прокладки 3, кольца 4
и разрезного запорного кольца 5. Для фиксации разрезного запорного кольца в его посадочном месте устанавливается подпор 6, который прижимается к кольцу 4 стальными болтами 43, ввинчиваемыми в крышку 12, 20.
К горловинам изнутри приварены стальные полые цилиндры — крешеры 18, внутри которых размещены
пенопластовые пробки 17 и 19. Торцы пробок со стороны внутренней полости закрыты крышками 21, которые
прикреплены шарнирными петлями к крешерам и при загрузке контейнера находятся в открытом состоянии:
в закрытом состоянии фиксируются стопором. В пенопластовых пробках (вблизи поверхности внутренней
крышки) установлены противоосколочные экраны 29 из набора ~70 слоев металлической сетки, перекрывающие внутренний диаметр крешера. Крешеры, пробки с противоосколочным экраном и крышки служат для защиты силовых крышек от газодинамического и осколочного воздействия взрыва опасного груза.
2
Снежинск, 5—9 сентяря 2005 г.
Рабочая полость контейнера, в которую помещается заряд ВВ в инертной упаковке (опасный груз), ограничена дросселями 7,8. Дроссели предназначены для ослабления импульсного воздействия ударной волны
и газообразных продуктов детонации ВВ на днища корпуса контейнера при взрыве опасного грузах [5]. Кроме
того, дроссели защищают периферийные зоны днищ от осколков, образующихся при взрыве заряда ВВ. Дроссели выполнены из стали 12Х18Н10Т толщиной 18 мм с центральным отверстием диаметром 430 мм. Каждый
дроссель приварен по наружному контуру к внутренней поверхности стальной оболочки 1. Кроме того, это
соединение усилено 20–ю стальными ребрами 9, крепящимися при помощи сварки к дросселю и стальной оболочке.
Рис. 1. Конструктивная схема контейнера АТ595
1 — стальной корпус; 2 — базальтопластиковый слой; 3 — прокладка; 4 — кольцо; 5 — запорное кольцо; 6 — подпорное кольцо; 7, 8 —
дроссель; 9 — ребро; 10, 11 —противоосколочная защита; 12, 20 — силовая крышка; 13 — каркас типа “беличье колесо”; 14 — горловина;
15, 16 — прижимное кольцо; 17, 19 — пенопластовая пробка; 18 — крешер; 21 — крышка; 22 — тележка; 23 — колесо; 24 — ложемент;
25 — прижим; 26 — бандаж; 27 — кронштейн; 28 — рельсы; 29 — противоосколочный экран, 30, 31 — упор; 32 — опорно–транспортное
устройство; 33 — ложемент; 34 — бандаж; 35 — растяжка; 36 — проушина; 37 — клапан; 38 — трубопровод; 39 — электроввод;
40 — крышка;41 — прокладка; 42 — болт; 43 — болт; 44 — скоба; 45 — колпачок; поз. 34, 35, 40 — 42 в опыте не устанавливались
Для защиты внутренней полости контейнера от воздействия осколков, образующихся при взрыве груза,
в ней размещены противоосколочные защитные экраны 10 и 11 [4]. Экраны выполнены из стальной проволочной сетки с размером ячейки 2×2 мм при диаметре проволоки 0,5 мм. Толщина экранов ~75 мм.
Экран 10, защищающий центральную область контейнера, представляет собой рулон из слоев сетки, намотанной на стальной каркас 13 типа «беличье колесо», состоящий из колец, соединенных продольными пластинами. Экран закреплен на дросселях вплотную к внутренней поверхности стальной оболочки 1.
Экраны 11, закрывающие внутреннюю поверхность полусферических днищ, представляют собой пакеты
из слоев сетки, которые прижаты к днищам с помощью прижимных колец. 15, 16.
В комплект контейнера входит тележка 22, предназначенная для размещения и закрепления в ней опасного груза и обеспечения закатки его во внутреннюю полость контейнера. Фактическая полная масса тележки ~20 кг.
На шпангоутах каркаса 13 в нижней части закреплены на болтах, кронштейны 27, к которым приварены
направляющие из стальных уголков 28. Эти направляющие выполняют функцию рельсового пути для тележки,
по которым она закатывается в рабочую полость и фиксируется в ней в осевом направлении упорами 30, 31.
В комплект контейнера входит также наружный рельсовый путь – стапель. При загрузке контейнера тележка устанавливается на наружный рельсовый путь, в неё укладывается и крепится опасный груз, после чего
тележка с грузом закатывается в его рабочую полость и фиксируется упорами 30, 31. После этого наружный
рельсовый путь демонтируется, закрывается крышка 21, устанавливается пробка 17 с противоосколочным экраном 29, закрывается силовая крышка 12.
Контейнер хранится и транспортируется на опорно–транспортном устройстве (ОТУ) 32 (см. рис. 1). ОТУ
представляет собой раму, сваренную из стальных швеллеров, с ложементами 33 для укладки контейнера. Установленный на ложементы контейнер прижимается к ним сверху двумя бандажами 34 через резиновые прокладки. От продольного перемещения контейнер фиксируется двумя растяжками 35.
Для экспериментального подтверждения требуемой взрывостойкости контейнера АТ595, а также определения его запасов прочности была разработана и реализована программа испытаний, которая включала взрыв-
VIII Забабахинские научные чтения
3
ные эксперименты по исследованию реакции, несущей способности и разрушения уменьшенных открытых
модельных цилиндрических оболочек и макетов силового корпуса контейнера при различных уровнях удельной взрывной нагрузки (меньшей, равной и большей относительно заданной номинальной удельной нагрузки
для контейнера), а также проведение испытаний 2–х контейнеров АТ595 на номинальную и увеличенную
взрывную нагрузку с целью оценки реального запаса прочности.
Проведенные взрывные испытания цилиндрических оболочек из базальтопластика на основе связующего
ЭДТ–10 и ровинга из базальтовых комплексных нитей РБ9–1200 (диаметр элементарной нити 9 мкм)
с замасливателем 4С показали следующее.
1. Динамическая реакция оболочек при неразрушающей нагрузке аналогична реакции оболочек из стеклопластика близкой схемы армирования при сохранении в динамических условиях упругих свойств материала,
близких к определенным в статических испытаниях.
2. При отсутствии подкрепляющего слоя стали разрушающая окружная деформация <~2,5 %, при наличии
слоя стали безопасная предельная окружная деформация составляет ~3..3,5%. Деформация разрушения кольцевых слоев в фазе первого расширения составляет ~4,4—4,8 %, что почти вдвое выше предельной деформации статического растяжения однонаправленных образцов из базальтопластика.
3. Удельная несущая способность (отношение массы ВВ, взрыв которого выдерживает оболочка, к массе
оболочки длиной 4 внутренних радиуса) для базальтопластиковых образцов, отличающихся размерами
в 2 раза, с подкреплением слоем стали, с толщиной ~15 % от толщины композита, находится в интервале
ξ = 16 ⋅ 10–3 –26,4 ⋅ 10–3. Для стеклопластиковых оболочек аналогичная величина при наличии слоя стали толщиной ~20% от толщины композита по [1, 7] составляют ξ = 18,9 ⋅ 10–3–22,7 ⋅ 10–3. Это дает основание ожидать
сохранения удельной несущей способности взрывостойких контейнеров с оболочкой из базальтопластика вместо стеклопластика, рис. 2.
6
y = 0 .1 9 8 2 x
2
R = 0 .8 9 5 3
5
y = 0 .1 6 4 5 x
2
R = 0 .9 8 3 6
4
ε 1 ,%
3
y = 0 .1 8 1 7 x
2
R = 0 .9 9 5 1
2
1
0
0
5
10
15
20
ξ *1 0 0 0 , 1
25
30
35
Рис. 2. Сравнение зависимостей ε1(ξ) для стеклопластиковых и базальтопластиковых оболочек
1) Данные [7], стеклопластиковые оболочки с R = 150 мм, L = 4R, относительной толщиной h/R = 4,8—7%, чередование спиральных (±45º) и кольцевых (~90º) слоев; внутри слой стали 2 мм
2) То же без слоя стали
3) Данные [5], стеклопластиковые оболочки с R = 150—160 мм, L = 600 мм, относительной толщиной h/R = ~8%, чередование спиральных (±45º) и кольцевых (~90º)слоев
4) Опыты настоящей работы, образцы 1–го типа (базальтопластик + сталь)
5) Опыты настоящей работы, образцы 2–го типа (базальтопластик + сталь)
6) Линейная аппроксимация зависимости 4)
7) Линейная аппроксимация зависимости 5)
8) Линейная аппроксимация зависимости 1)
4
Снежинск, 5—9 сентяря 2005 г.
4. Рассмотренный композитный материал можно рекомендовать для замены им стеклопластика на основе
того же связующего и высокомодульных волокон типа ВМ и ВМП в конструкциях силовых оболочек взрывозащитных контейнеров.
5. Существует принципиальная возможность многократного использования в качестве силового контура
оболочек из базальтопластика даже при нагрузках, которые вызывают деформации на ~30—50% ниже предельно безопасного значения для данного композитного материала при однократном нагружении, которое составляет ∼3..3,5%. Оболочка из базальтопластика со стальным слоем внутри выдерживает, при уровнях окружных деформаций εr ∼ 1,8–2,6% без видимых признаков разрушения базальтопластика не менее 8 нагружений.
6. Характер (вид) разрушения и повреждения оболочки из базальтопластика со стальной вставкой при однократном и многократном нагружениях практически одинаков, что свидетельствует о независимости качественных характеристик накопления повреждений от цикличности и уровня нагружения, в то время как количественно кинетика развития поврежденности от уровня и вида нагружения зависит существенно. Это надо обязательно учитывать при использовании результатов для прогнозирования прочности конструкций других размеров, рис. 3.
Рис. 3. Вид оболочек после испытаний
VIII Забабахинские научные чтения
5
7. Рассмотренный композитный материал образцов по динамической прочности при многократном нагружении также как и при однократном, практически не уступает стеклопластику на основе того же связующего
и высокомодульных волокон типа ВМ и ВМП.
В опытах с уменьшенными (в масштабе 1:3) макетными образцами центральной части корпуса контейнера
АТ595.000 при взрывной нагрузке от нагружающего устройства, моделирующего номинальную массу сферического заряда ВВ (~8 кг ТНТ) и его инертный корпус оценен запас прочности не ниже ~1,7—2,0 для базальтопластикового слоя с максимальной скоростью деформации ~200—300 1/с.
1. При качественном изготовлении сварных швов подтверждена работоспособность дроссельных демпферных отсеков, состоящих из диафрагм с центральным отверстием, подкрепленных ребрами (в том числе
в более жестких условиях нагружения при взрыве заряда ВВ той же массы без корпуса). Полученные при этом
остаточные пластические деформации элементов не сопровождались образованием в них видимых трещин.
2. Подтверждена работоспособность пакета стальной сетки и элементов его крепления, обеспечивающих
защиту от повреждений стального слоя макета осколками инертного корпуса заряда ВВ.
3. Влияние наличия инертного корпуса заряда ВВ на величину суммарного импульса воздействия продуктов взрыва и осколков корпуса на стенку выражается в увеличении максимальной окружной деформации оболочки на 27% относительно варианта нагружения таким же зарядом ВВ без корпуса.
4. Влияние наличия противоосколочной сетки на газодинамический импульс от заряда ВВ без корпуса
выражается в уменьшении максимальной окружной деформации сталь — базальтопластиковой оболочки
в среднем на 23% при практически одинаковой величине удельной взрывной нагрузки, подсчитанной без учета
массы сетки.
5. Полученные экспериментальные данные были использованы при тестировании расчетно–теоретических
моделей прогнозирования действующих на стенку импульсных нагрузок и реакции защищаемой противоосколочной сеткой стенки корпуса разрабатываемого контейнера.
В ходе проведения экспериментов с цилиндрическими оболочками и макетами решены следующие задачи:
1. Определена динамическая реакция и предельная деформируемость открытых цилиндрических оболочек
из базальтопластика масштаба ≈1:6 и ≈1:3 с подкреплением изнутри оболочкой из стали и без подкрепления.
Показано, что образцы из базальтопластика по несущей способности близки к образцам из стеклопластика,
используемого ранее в конструкциях взрывостойких контейнеров.
2. Установлен прогнозируемый запас прочности не ниже ~1,7—2,0 для окружного динамического деформирования базальтопластикового слоя корпуса контейнера АТ595 при взрывной нагрузке, моделирующей взрыв
сферического заряда ВВ (~8 кг ТНТ) с инертным корпусом.
3. Подтверждена эффективность противоосколочной защиты, установленной в двухслойной (базальтопластик–
сталь) цилиндрической оболочке масштаба ≈1:3, к воздействию осколков корпуса окружающего заряд ВВ.
4. Оценено влияние инертного корпуса и противоосколочного пакета слоев сетки на величину импульсной
нагрузки и окружную деформацию в центральном сечении оболочки макета масштаба ≈1:3.
5. Проверена работоспособность дроссельных элементов в составе макета масштаба ≈1:3 в случае взрывного
нагружения зарядом ВВ с инертным корпусом и без него.Определено, что оболочка из базальтопластика малого масштаба со стальным слоем внутри выдерживает при уровнях окружных деформаций ∼ 1,8—2,6% не менее
8 нагружений
Таким образом, установлены предельные взрывные нагрузки и максимальные неразрушающие динамические деформации цилиндрических оболочек в зависимости от масштаба образцов, наличия или отсутствия слоя
стали, противоосколочной защиты и дроссельных диафрагм. Полученные данные позволили прогнозировать
несущую способность разрабатываемого контейнера и уточнить расчетные модели.
Проведено три испытания 2–х контейнеров АТ595 путем нагружения их в каждом испытании изнутри
взрывом заряда ВВ опасного груза, рис 4, 5. Опасный груз, предназначенный для взрывных испытаний контейнеров, включает следующие элементы:
−
инертную упаковку, фактическая масса которой составляет ~38 кг, представляющую собой четырехслойный (свинец, пластик, алюминий, сталь) полый цилиндр, закрытый по торцам четырехслойными крышками
(днищами), с закрепленными в центре внутренней полости полусферическими ложементами из алюминиевого
сплава, в которых устанавливается заряд ВВ.
−
заряд ВВ в форме шара из сплава тротила с гексогеном при соотношении 40:60 с удельной калорийностью
4,93 МДж/кг, фактической массой 7,6 кг (опыт 1), 10,35 кг (опыт 2), . 15.42 кг (опыт3). При пересчете тротилового эквивалента (ТЭ) заряда ВВ по калорийности заряд соответствует 8,86 кг, 12,06 кг и 17.97кг ТНТ, а по
величине импульсного силового воздействия 8,2кг, 11,17кг и 16.64кг ТНТ.
−
электродетонатор, установленный в геометрическом центре заряда ВВ, к которому подсоединены провода
линии подрыва.
6
Снежинск, 5—9 сентяря 2005 г.
Рис. 4. Вид контейнера при загрузке в него опасного груза
а
б
Рис. 5. Заряд ВВ и полусферические ложементы
а) заряд ВВ, б) установленный в корпус
В опытах с помощью имеющихся во ВНИИЭФ методик измерений и регистрации высокоскоростных явлений, а именно: скоростной фотохронографии, тензометрирования, электроконтактных измерений, определялись деформации и перемещения наиболее ответственных элементов конструкции контейнера АТ595.
Для определения температурно–временных зависимостей прогрева силовой оболочки контейнера при испытании использовалась методика измерения температуры. Также была предпринята попытка регистрации
избыточного давления в полости контейнера после взрыва производилось фотографирование объектов до
и после испытания. Для фиксации общей картины реакции объекта в опыте использовалась съемка на видеокамеру. Схема установки соответствующих датчиков на контейнер АТ595 показана на рис. 6.
В ходе проведенного взрывного испытания первого экземпляра контейнера АТ595 было показано, что
контейнер выдержал внутреннее нагружение от взрыва устройства, содержащего сферический заряд ВВ массой 7,6 кг в корпусе из инертных материалов заданной формы, т. е. была подтверждена работоспособность
созданного контейнера АТ595 при проектных уровнях нагрузок от взрыва.
Анализ деформированного состояния контейнера, проведенный на основании измерений деформаций
(рис. 7—9), показал, что определяющим для прочности корпуса является, как и прогнозировалось расчетами до
опыта, его центральная наиболее нагруженная зона силовой оболочки. Среднее значение максимальной
окружной деформации в центральном сечении по данным измерений в опыте составляет 1,76±0,24[%] при
доверительной вероятности 0,95. В остальных сечениях амплитуды окружных деформаций растяжения не превышают 0,3—0,4%.
VIII Забабахинские научные чтения
7
Рис.6. Схема контейнера АТ595 с измерительными датчиками
2
1,5
Т1'
Т1
Т1''
0,5
Т1'''
0
-0,5
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
t, s
Рис. 7. Осциллограммы тензоизмерений окружных деформаций в центральном сечении
Максимальные окружные деформации растяжения
2.5
Деформация, %
e, %
1
Деформации
(датчики
Деформации
(датчики
Пересчет
2
1.5
Пересчет
датчика
Пересчет
датчика
1
0.5
0
-2000
-1000
0
1000
2000
Сечение, мм
Рис. 8. Распределение вдоль образующей корпуса максимальных окружных деформаций в опыте № 1
Снежинск, 5—9 сентяря 2005 г.
8
Максимальные продольные деформации
0.4
0.2
Деформации растяжения
(малобазовые датчики )
0
-0.2
Деформации сжатия
(малобазовые датчики)
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
Рис. 9. Распределение вдоль образующей корпуса максимальных продольных деформаций
растяжения и сжатия в опыте № 1
Деформации продольного сжатия достигали 0.8 % в центральном сечении и не превышали ~ 0,1 ÷ –0,2 %
в других сечениях.
Амплитуды окружных деформаций растяжения на горловинах составили 0.28–0.36%, что несколько превышает предел текучести материала горловины (сталь 12Х18Н10Т). В центре крышек двухосные деформации
имели амплитуды до 0,18—0,27%.
Проведенные обследования и обмеры не зафиксировали пластических деформаций по наружной поверхности корпуса и горловин.
Никаких заметных смещений (>5мм) как самого контейнера относительно опорно–транспортного устройства, так и опорно–транспортного устройства с контейнером относительно первоначального положения после
опыта не выявлено.
При испытании произошла потеря герметичности контейнера. Истечение продуктов взрыва из полости
контейнера, сопровождающееся шипящим звуком, происходило из отверстия клапана (выбило шток) на технологической силовой крышке. Незначительный выход газов из полости также был зафиксирован на крышке загрузочной горловины из мест крепления электровводов.
Проведенная после испытания проверка контейнера на герметичность галоидным течеискателем при закачивании в его полость газовой смеси показала, что закрытый контейнер АТ595 сохранил герметичность на
уровне 10–6 см3/сек (кроме выявленных мест утечек, которые при проверке были заглушены).
На наружной поверхности силовых крышек были обнаружены локальные зоны пластической деформации
(вспученности) по две зоны в нижней половине каждой крышки. Эти зоны (максимальный диаметр самой
большой зоны на загрузочной крышке не превышал ~25 мм, а ее высота относительно поверхности крышки
не превышала ~3 мм) появились вследствие локального удара по крышкам изнутри осколков, образовавшихся
из–за разрушения центральной зоны внутренних крышек, не защищенных слоем металлической сетки.
Противоосколочный слой из металлической сетки, установленный в полости контейнера, ограниченной
дроссельными преградами, хотя и получил сильные повреждения, защитил корпус изнутри от воздействия осколков. Противоосколочный слой на полусферических днищах повреждений практически не получил.
Судя по характеру повреждений элементов внутренней полости контейнера наиболее сильные повреждения были вызваны осколками, образовавшимися от разрушения как элементов крепления инертной упаковки,
так и самой упаковки.
На основании анализа состояния элементов контейнера АТ595 после испытания предложены доработки
в конструкции отдельных его элементов, которые были сделаны перед испытанием второго экземпляра контейнера.
Второй контейнер АТ595 локализовал внутренний взрыв устройства, содержащего сферический заряд ВВ
10,35 кг в корпусе массой 37,2 кг, рис. 10—14. Испытание показало, что контейнер АТ595 сохраняет несущую
способность при уровнях нагрузок от взрывных и осколочных воздействий в ~1,4 раза превышающих номинальное значение.
Среднее значение максимальной окружной деформации в центральном сечении по данным измерений
в опыте составляет 2,95 ± 0,35 [%] при доверительной вероятности 0,95. В остальных сечениях амплитуды
окружных деформаций растяжения не превышают 0,3—0,4% (рис. 15).
VIII Забабахинские научные чтения
а)
b)
Рис. 10. Контейнер АТ595 №2 после испытания (вид с разных сторон)
9
а
b
Рис. 11. Вид горловин со снятыми силовыми крышкам (красным цветом отмечены зоны разрушения пенопласта)
а)
b)
Рис. 12. Вид на внутреннюю полость с разных сторон
а)
b)
Рис. 13. Вид на противоосколочный экран
а) — снаружи, b) — изнутри (красным цветом отмечена зона напротив “большего повреждения” базальтопластика
VIII Забабахинские научные чтения
a)
c)
11
b)
d)
Рис. 14. Кадры видеосъемки испытания контейнера АТ 595 №2
синие стрелки указывают на зону повреждений и частичного разрушения базальтопластика,
красные стрелки показывают струи продуктов взрыва, выходящие из отверстий на силовых крышках
Рис. 15. Распределение по корпусу максимальных окружных деформаций растяжения в опыте № 2
Максимальные амплитуды окружных деформаций растяжения на горловинах не превышали 0,29–0.39%,
сжатия –0.05%), т.е они находились практически в области упругого деформирования. В центре крышек
двухосные деформации имели амплитуды: растяжения –0,22÷0,32% и сжатия –0,17÷–0,32%. Однако, осмотр
крышек после опыта показал наличие на них локальных вмятин вблизи центра, т. е. зон пластического деформирования материала, а из–за разрушения датчика пластические деформации крышек не были зарегистрированы.
12
Снежинск, 5—9 сентяря 2005 г.
Максимальный нагрев наружной поверхности корпуса и в зонах перехода цилиндрической оболочки
в днище достигал ~34 °С, а в зоне, защищенной сеткой вблизи одной из диафрагм ~29 °С.
Контейнер после нагружения сохранил целостность. Наблюдались сильные повреждения базальтопластикового слоя в двух зонах центральной части контейнера, рис. 10. На обеих силовых крышках, в их полюсной части, образовались локальные выпучины — зоны пластической деформации материала. На силовой крышке
загрузочной горловины выбило один электроввод, на другом — разрушилась наружная гайка изолятора, на крышке технологической горловины — клапан частично выдавлен из места крепления в крышке. Других визуальных
повреждений базальтопластикового слоя (кроме указанных повреждений в центральной части) не обнаружено.
Повреждений полусферических днищ, горловин и элементов крепления силовых крышек не наблюдалось.
Контейнер при испытании сместился относительно опорно–транспортного устройства на ~3 мм в сторону технологической горловины. Смещения опорно–транспортного устройства относительно первоначального
положения после опыта не выявлено.
В опыте произошла потеря герметичности контейнера. Истечение продуктов взрыва из полости контейнера, сопровождающее шипящим звуком, происходило в течение ~10мин из образовавшихся вследствие повреждений сквозных отверстий на обеих силовых крышках. При этом за это время избыточное давление в
полости снизилось от 20,56 до 0,02 ати, а на конец регистрации через 140 мин уменьшилось до 0,01 ати.
При проверке закрытого контейнера на герметичность галоидным течеискателем при закачивании в его
полость газовой смеси была обнаружена утечка газовой смеси из полости контейнера из микротрещины на
металле одной выпучины в зоне повреждения базальтопластика. По всей остальной наружной поверхности
контейнера течи не обнаружено (кроме выявленных мест утечек, которые при проверке были заглушены).
Проведенная оценка показала, что скорость истечения из образовавшейся в металлическом корпусе микротрещины составляла ~3,2 см3⋅атм/с при избыточном давлении в полости ~0,5 ати.
На основании обследования состояния внутренней полости контейнера показано, что появление зон
сильного повреждения базальтопластикового слоя в центре, а также разрушения клапана и электровводов на
силовых крышках, были вызваны ударным воздействием осколков опасного груза, фрагментов тележки и элементов ее крепления в полости. Такое воздействие вызвало дополнительно локальное нагружение в двух зонах центральной части корпуса и в полюсной части силовых крышек, рис. 11—13. При этом, несмотря на имевшие место
повреждения, корпус контейнера сохранил целостность, а, следовательно, не потерял несущую способность.
Противоосколочный экран из металлической сетки, установленный в полости контейнера, ограниченной
дроссельными преградами, хотя и получил сильные повреждения, в том числе в нем имелись сквозные пробоины от осколков, защитил корпус изнутри от воздействия осколков, рис. 12, 13. Противоосколочные экраны на полусферических днищах также выполнили свою защитную функцию.
Судя по характеру повреждений элементов внутренней полости контейнера (рис. 12) наиболее сильные
повреждения были вызваны осколками, образовавшимися от разрушения как элементов крепления инертной
упаковки (тележки и рельсовых направляющих), так и самой упаковки опасного груза.
Следовательно, конструкция АТ 595 по величине разрушающей взрывной нагрузки имеет запас прочности не менее 1,4 и, в то же время, обладает резервом для оптимизации с целью повышения запаса прочности
в, практически, тех же габаритно–весовых ограничениях.
Перед повторным испытанием первого контейнера АТ595 были выполнены некоторые его доработки
(удалены элементы противоосколочной защиты, поврежденные при первом испытании, доработаны крышки
и элементы их крепления, изготовлены новые демпферные элементы и др.). Это испытание проводилось при
увеличенном относительно номинала уровне нагрузок, а именно, при уровне нагрузок, когда конструкция
заведомо должна быть доведена до разрушения, рис. 16. Разрушение контейнера в этом испытании произошло
в центральной зоне его цилиндрического корпуса при взрыве сферического заряда ВВ массой 15,42 кг,
рис.17. Здесь был выявлен механизм разрушения контейнера АТ 595 при повышенных нагрузках.
По данным измерений в опыте среднее значение максимальной окружной деформации в центральном
сечении перед началом разрушения составлило 4,57±0,6 %. В сечении 625мм от центра максимальная окружная деформация достигала 1,3 %, в сечении 400 мм — 1,36 % и более 2,1—3,3 % в сечении 250 мм (на интервале надежной регистрации до ~2 мс). В остальных неразрушенных зонах конструкции зарегистрированы
достаточно малые окружные деформации первичной динамической реакции (0,3— 0,24 % на оболочке,
0,37—0,44 % на горловинах и 0,34—0,63 % в центре крышек).
Корпус контейнер при испытании полностью разрушился в центральной зоне на две части (половины),
которые разлетелись в противоположные стороны на расстояние ~50 м, рис. 17. На месте испытания остались фрагменты противоосколочного экрана (сетка и отдельные детали ее каркаса типа “беличье колесо”),
опоры для крепления заряда в полости, кусок стальной оболочки из центральной зоны, рис. 18. Еще три куска
стальной оболочки из центральной части контейнера были разбросаны на различных расстояниях от места испытания.
VIII Забабахинские научные чтения
13
На обеих частях контейнера со стороны зоны разрушения на длине ~300 мм базальтопластиковый слой
находится в разрыхленном состоянии, вне указанных зон слой внешне полностью сохранил целостность
и сплошность. Горловины, крышки и элементы их крепления, а также стальной слой за дисками дросселей
полностью сохранили конструкционную целостность, хотя подкрепляющие диски дросселей кольца и ребра
получили бóльшие деформации потери устойчивости, чем после 1–го опыта.
b)
a)
Рис. 16. Вид контейнера при загрузке в него опасного груза:
a) — заряд на стапеле перед установкой в контейнер, b) — заряд установлен во внутреннюю полость контейнера
Рис. 17.Вид контейнера АТ595 №1 после повторного испытания —торцы состыкованы
Рис. 18 .Некоторые фрагменты контейнера, оставшиеся на месте испытания
Снежинск, 5—9 сентяря 2005 г.
14
Проведенное обследование состояния элементов контейнера, а также анализ данных проведенных измерений показали, что разрушение центральной зоны контейнера произошло вследствие разрушения базальтопластикового слоя, при достижении на нем деформаций выше разрушающего уровня спустя ~0,8 мс от подрыва. При этом контейнер, видимо, уже потерял герметичность за счет повреждения стальной оболочки
в некоторых местах осколками. Тем не менее, стальная оболочка контейнера, еще некоторое время сохраняла
свою несущую способность и совместно с разрушающимся базальтопластиковым слоем не пропускала продуктов взрыва наружу некоторое время, а ее разрушение наступило вследствие обрыва материала вблизи
мест сварки с дросселем и последующего разрыва оболочки на несколько частей. Визуально наблюдаемый
выход светящихся продуктов взрыва из контейнера по данным скоростной кинорегистрации наблюдался
через ~4 мс после подрыва, рис. 19. После этого контейнер потерял конструкционную целостность, и его части разлетелись в противоположные стороны.
Подрыв
Появление ПВ
Рис. 19. Кинокадры разрушения контейнера.
Частота съемки 1500кадров/с (период смены кадров 667мкс)
Следует отметить, что в первом испытании на базальтопластиовом слое контейнера достигались максимальные деформации 1,76 ± 0,24 % (а в отдельных местах, где слой подвергался локальному ударному воздействию группы осколков, деформации могли быть и более указанного усредненного значения), из его центральной зоны после испытания была удалена часть поврежденной сетки противоосколочного экрана, дроссели
имели остаточный прогиб, а их ребра жесткости потеряли устойчивость. Безусловно, перечисленные факторы
могли привести к некоторому снижению несущей способности контейнера и повлиять на результат опыта.
На основании проведенных испытаний контейнеров АТ 595 был сделан вывод, что разработанная конструкция (рис. 20) обеспечивает требуемую взрывостойкость, т. е. герметичное удержание внутри своей полости
продуктов взрыва заряда ВВ массой ~ 8кг ТЭ в упаковке из инертного материала массой ~35 кг, и имеет при
этом запас прочности не менее 1,4 раза относительно номинала [8]. Разрушение контейнера АТ595 произошло
за счет разрушения центральной зоны корпуса, при его повторном нагружении зарядом ВВ (без инертной упаковки), превосходящим более чем в два раза по энерговыделению номинальный заряд ВВ.
Рис. 20. Результат повторного опыта с контейнером АТ595 №1 в сравнении данными предшествующих испытаний
1 — трубы 2–го типа 1–й партии диаметром 295 мм (базальтопластик+сталь 2 мм ); 2 — трубы 2–го типа 2–й партии диаметром 295 мм
(базальтопластик+сталь 2мм); 3 — макетные трубчатые образцы 1 партия; 4 — макетные трубчатые образцы 2 партия;
5 — сталь–базальтопластиковые трубы 2 типа 3–й партии; 6 — контейнер АТ595 №1, 7 — контейнер АТ595 № 2;
8 — контейнер АТ595 №1 — повторное нагружение; 9 — контейнер АТ595 №1 — повторное нагружение (прогноз путем линейной
аппроксимации предыдущих двух опытов с контейнерами АТ595);10 — линейная аппрксимация зависимости 2; 11 — линейная
аппроксимация зависимости 3. Зачерненные точки означают катастрофическое разрушение, точки с серой заливкой — повреждения материала без нарушения общей целостности конструкции
Снежинск, 5—9 сентября, 2005 г.
16
Рис. 21. Конструктивная схема контейнера АТ595
Работа выполнялась в рамках контракта № 12831 ВНИИЭФ (Россия) — СНЛ (США).
Ссылки
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
«Разрушения разномасштабных объектов при взрыве». Саров. 2001. Монография. Под общей ред. проф.
А.Г. Иванова. Авторы: В.А. Рыжанский, А.Г. Федоренко, М.А. Сырунин, В.А. Огородников, Б.Л. Глушак,
Н.П. Хохлов, В.Н. Русак, А.П. Цой.
Иванов А.Г. Прочность, разрушение, взрывостойкие сосуды. Научно–популярный журнала “Атом” №
21,2002г.
М.А. Сырунин, А.Г. Федоренко, А.Г.Иванов. Реакция на нагружение и прочность стеклопластикового
контейнера при внутреннем взрывном нагружении // ФГВ, 2002, т.38, № 3, с. 127–136.
Belov G.V., Dyakin E. P., Protasov S. A. et al. Penetration of compact steel projectiles into heterogeneous metal
targets of tied–wire fabric (TWF) type // International Journal of Impact Engineering.1999. № 23. P. 63–66.
Рыжанский В.А., Русак В.Н., Заикин С.Н. Взрывозащитный контейнер // Авторское свидетельство
№1793790 от 21.01.91. F42 D 5/70, опубл в бюл. №4, 1995. С.257.
В.Н. Русак, А.Г. Федоренко, М.А. Сырунин, Л.А. Соболь, А.В. Суханов, В.Г. Попов Предельная деформируемость и прочность базальтопластиковых оболочек при внутреннем взрывном нагружении// ПМТФ
2002.т. 43, №1.
Иванов А. Г., Сырунин М. А., Федоренко А. Г. Влияние структуры армирования на предельную деформируемость и прочность оболочек из ориентированного стеклопластика при взрывном нагружении изнутри
// ПМТФ. 1992. № 4. С. 130–135.
Основные достижения РФЯЦ–ВНИИЭФ, 2003. Редколлегия выпуска: академик РАН Р.И. Илькаев и др.
Саров, 2004.