聚脲噴涂鋼制罐體抗爆性能試驗及數值模擬研究

楊光,張博一,韋建樹,蔣月新,徐世林

（1.上海爵格工業工程有限公司，上海 200082；2.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱 150001；3.哈爾濱工業大學（深圳）土木與環境工程學院，廣東 深圳 518055）

近年來，石油化工罐區逐漸成為恐怖襲擊的目標。2020年1月，敘利亞巴尼亞斯儲油罐區就曾遭到恐怖分子爆炸襲擊，造成超過10億美元的直接經濟損失。有效降低爆炸造成的損失、控制災害影響范圍一直是業內關注的焦點，其中，大型鋼制儲油罐爆炸因具有巨大的危害性而受到重點關注。當罐區某一位置遭到爆炸襲擊時，產生的沖擊波會迅速波及附近儲油罐，如果儲油罐抗爆能力不足，則可能發生結構破壞，進而導致燃油泄漏，并引發二次爆炸乃至連環爆炸，從而造成巨大的經濟損失和人員傷亡。

噴涂聚脲彈性體（PSUA）是近20年來研制開發的一種新型綠色施工技術[1]，其原料——聚脲是一種高分子彈性體，具有耐磨、防水、抗疲勞等優點，廣泛應用于工業涂裝領域。大量研究表明，聚脲涂層在結構抗沖擊方面也有著優異的性能[2-4]。Davidson等[5]對聚脲噴涂的砌體墻進行了試驗及數值模擬分析，研究表明，在墻體背面噴涂聚脲能更有效地提升墻體的抗爆性能。Raman等[6]則對聚脲涂覆鋼筋混凝土板的抗爆能力進行了數值模擬研究，結果表明，聚脲涂層能夠將爆炸作用下鋼筋混凝土板的位移響應減小40%。將高分子彈性體用于金屬結構抗爆能力提升的相關研究也取得了較為顯著的成果[7-12]。Xue等[13]通過試驗與數值分析發現，噴涂高分子彈性體的雙層金屬板結構存在頸縮遲滯效應（neck retardation），使雙層板結構的頸縮極限顯著提高，從而增強了其承受沖擊荷載的能力；Mcshane等[14]針對Xue等[13]的理論進行聚合物—金屬雙層板動態斷裂研究發現，在拉伸能量的吸收方面，足夠堅硬和堅固的聚合物涂層對結構存在一定的增強作用；Jiang等[15]對聚脲復合鋼板在低速沖擊下的性能進行試驗研究發現，在低速沖擊作用下，聚脲涂層能夠有效地減小鋼板的塑性變形，且當涂層厚度較薄時效果顯著，而厚度增加帶來的強度提升并不明顯。目前，現有研究多局限于單個板構件（如聚脲—金屬雙層板）的局部承載研究，而對于完整金屬結構物的爆炸試驗及數值研究較少，對于聚脲應用于整體金屬結構的抗爆性能提升也缺乏較明確的論據。

筆者針對某大型鋼制儲罐的抗爆性能進行相似結構模型的爆炸試驗，通過試驗數據的比較，研究聚脲涂層對薄壁鋼制罐體結構抗爆能力的提升作用，并結合試驗模型進行有限元分析與對比。

1 爆炸試驗

1.1 試驗設計

爆炸試驗在陸軍工程大學室外爆炸試驗場地進行，共計2次，炸藥為固體TNT炸藥，質量2 kg，形狀為圓柱體，如圖1所示。

圖1 試驗用TNT炸藥Fig.1 TNT explosive in test

試驗目的是考查聚脲涂層對大型儲罐建造項目中雙層鋼制儲罐抗爆能力的提升，所以，試驗所用模型罐是依據相似原理對實際儲罐外罐進行比例縮放得到的，比例為1：26.7?？s放后的試驗罐體模型結構分為拱頂、圓柱形罐壁和法蘭3部分，其中，拱頂及罐壁厚度為1 mm，法蘭厚度為2 mm，罐體材料為Q235低碳鋼，模型罐尺寸如圖2所示。

圖2 模型罐體幾何尺寸簡圖（單位：mm）Fig.2 Geometric dimension sketch of tank model（Unit:mm）

罐體不同構件之間采用焊接，并在法蘭中線處均勻布置32個螺栓孔，通過打入地面的膨脹螺栓實現對罐體的約束，如圖3（a）所示。聚脲涂層均勻噴涂在罐體內表面，噴涂區域涵蓋整個罐壁及拱頂，不包括法蘭，如圖3（b）所示。在罐體迎爆側距底面高度275 mm處布置位移測點，測點處安裝拉桿式直線位移傳感器，以采集罐體表面位移時程數據，如圖3（c）、（d）所示。罐體殘余位移則采用卷尺手動測量，如圖3（e）所示。

圖3 試驗設施Fig.3 Test facility

試驗共進行2次爆炸，分別考查在不同爆炸距離下無涂層鋼罐及噴涂聚脲涂層鋼罐的動力響應，炸藥及鋼罐布置如圖4所示。

圖4 試驗炸藥及鋼罐布置Fig.4 Layout of TNT and steel tanks in test

1）第1次爆炸，無涂層鋼罐與噴涂層鋼罐分立炸藥兩側，炸藥中心與儲罐迎爆面外壁距離為4 m；

2）第2次爆炸，無涂層鋼罐與噴涂層鋼罐分立炸藥兩側，炸藥中心與儲罐迎爆面外壁距離為3.2 m。

1.2 試驗結果

1）第1次爆炸，罐體表面殘余位移很小，絕大部分變形處于彈性范圍內，如圖5所示。

從圖5可以看出，炸藥距離罐體4 m時，爆炸造成的破壞較小，罐體結構響應以彈性變形為主，很難從爆炸后罐體形態上直觀地體現出涂層的作用。無涂層罐體和噴涂層罐體的測點位移如圖6所示，噴涂層罐體測點位置最大位移為26.24 mm，而無涂層罐體測點位置最大位移為39.13 mm，噴涂1.5 mm聚脲涂層可使罐體測點位置的最大位移降低32.9%。另外，通過對罐體表面殘余位移的測量發現，噴涂層罐體的殘余位移為0.42 mm，而無涂層罐體的殘余位移為4.33 mm，內部噴涂聚脲涂層對于降低結構殘余位移也有很明顯的效果。

圖5 第1次爆炸后的罐體變形Fig.5 Tank deformation after first explosion

圖6 第1次爆炸時罐體測點位移時程曲線Fig.6 Displacement time-history curve of tank test point during first explosion

2）第2次爆炸，罐體表面有明顯的殘余位移，迎爆面鋼板已進入塑性范圍，如圖7所示。

圖7 第2次爆炸后的罐體變形Fig.7 Tank deformation after second explosion

從圖7可以看出，炸藥距離罐體3.2 m時，爆炸造成的破壞較大，此時噴涂層罐體爆炸后的形態明顯好于無涂層罐體。無涂層和噴涂層罐體的測點位移如圖8所示，噴涂層罐體測點位置最大位移為44.27 mm，而無涂層罐體測點位置最大位移為63.6 mm，噴涂聚脲涂層可使罐體測點位置的最大位移降低30.4%。另外，對罐體表面殘余位移進行測量，噴涂層罐體的殘余位移為16.51 mm，而無涂層罐體的殘余位移為24.47 mm，說明噴涂聚脲涂層對結構殘余位移的降低也有很明顯的效果。

圖8 第2次爆炸時罐體測點位移時程曲線Fig.8 Displacement time-history curve of tank test point during second explosion

從兩次試驗的結果可以看出，在炸藥不同距離的爆炸作用下，噴涂層罐體的測點最大位移與殘余位移均較無涂層罐體有明顯的降低，降幅約為30%。說明無論結構響應處于彈性區間還是塑性區間，聚脲涂層對結構強度的提升都有明顯效果。

2 數值模擬

ALE法（任意拉格朗日—歐拉方法）作為一種流固耦合計算方法，能實現空氣與罐體網格間力的傳遞，相較于直接加載壓力時程曲線或者LBE法，其優點在于整個模擬過程滿足能量守恒，且能考慮罐體與空氣域的相互作用，缺點在于空氣網格數量龐大，計算耗時較長。應用LS-DYNA軟件，采用ALE法分析罐體在炸藥自由爆炸沖擊波作用下的響應。

2.1 有限元模型

與試驗過程相同，數值計算也分爆炸距離為3.2、4 m兩組工況，并分別與試驗結果進行比較。由于鋼罐體屬于薄壁結構，采用2D薄殼單元建模較為合適，既可以控制網格數量，又能保證計算精度。采用Belytschko-Tsay shell單元對罐體、法蘭、涂層及地面建模，空氣及炸藥選用六面體Solid單元，為保證流體單元與結構單元良好耦合，兩者尺寸應盡量接近。ALE算法的計算結果受網格尺寸影響較大，網格尺寸越小，峰值超壓越大，計算結果越精確。師燕超[16]和都浩等[17]通過研究發現，當空氣網格小于100 mm時，得到的沖擊波超壓已經可以滿足精度要求。計算模型的基本網格尺寸選為30 mm，以4 m無涂層爆炸工況進行敏感性分析。相對于20 mm網格尺寸（40.34 mm），該尺寸網格得到的測點位移響應峰值（38.6 mm）的誤差約為4.5%，說明30 mm網格已能夠滿足基本精度要求，并可以節省大量計算時間。由于計算工況中的模型及荷載均滿足對稱特征，為節省計算資源，采用1/2模型，并在對稱面施加法向約束。罐體與法蘭單元采用共節點連接，地面采用剛性地面，法蘭與地面間采用ATUOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸，忽略摩擦力，僅考慮接觸面間的法向力，在螺栓實際位置處約束相鄰4個節點，以實現螺栓的緊固作用?？諝庥蜻吔绮捎肗ON_REFLECTING無反射邊界條件。有限元模型如圖9所示（空氣網格不顯示）。

圖9 有限元模型示意圖Fig.9 Sketch of FE model

數值模擬采用mm-ton-s單位制，TNT炸藥選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型以及JWL狀態方程，空氣選用MAT_NULL材料模型以及線性多項式狀態方程，兩種狀態方程表述為

JWL：

式中：p為壓強，MPa；E為炸藥內能，J·m-3；V為當前相對體積，其余各參數見表1。

表1 炸藥材料及狀態方程參數[18]Table 1 Parameters of TNT material and EOS

線性多項式：

表2 線性多項式狀態方程參數[19]Table 2 Parameters of linear polynomial EOS

罐體鋼材采用MAT_SIMPLIFIED_JOHNSON_COOK本構模型，該模型能夠考慮到材料在高應變率下的應力強化及后屈服狀態下的塑形應變，廣泛應用于沖擊與爆炸領域的分析計算。為得到試驗中罐體所用鋼材準確的材料參數，對其進行了準靜態拉伸、壓縮和動態壓縮試驗[20]，通過試驗數據擬合得到的各材料參數見表3。

表3 罐體材料參數Table 3 Parameters of steel tank material

聚脲材料采用MAT_PLASTICITY_POLYMER本構模型，該模型依據Cowper-Symonds理論，通過動力放大系數(DIF)的形式來表現材料的應變率強化效應。同樣地，為得到聚脲材料不同應變率條件下的應力—應變關系，進行準靜態拉伸試驗及霍普金斯壓桿試驗[7]。通過對試驗數據的擬合，得到該聚脲材料的各材料參數，見表4。

表4 聚脲材料參數Table 4 Parameters of ployurea coating

對于聚脲涂層與鋼罐之間的連接，采用CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE接 觸，它是一種帶有失效模式的綁定接觸，其失效判定主要由拉伸失效應力（NFLS）和剪切失效應力（SFLS）決定，具體判定準則為

式中：σn為單元拉伸應力；σs為單元剪切應力。

試驗中所用聚脲材料與鋼板連接的NFLS和SFLS由準靜態試驗得到，均為7.94 MPa。

2.2 計算結果

無涂層及有涂層罐體在兩次爆炸后的狀態分別見圖10、圖11。

圖10 3.2 m距離爆炸在200 ms時刻的爆炸計算位移云圖Fig.10 Cloud image of caltulated explosion displacement of 3.2 m blast at 200 ms

當計算進行到200 ms時，沖擊波作用已結束，罐體振蕩逐漸衰減，該時刻的位移云圖接近于爆炸結束后罐體的最終狀態。從圖10、圖11中的位移云圖來看，模擬計算能夠較為直觀地反映涂層對降低罐體變形幅度的影響，與試驗照片對比發現，迎爆面凹陷程度和褶皺分布也較為接近，但無涂層罐體的頂面凹陷幅度較大，與試驗結果有一定的差距。分析原因，可能是由于拱頂與罐壁連接處屬于結構突變位置，在受力時發生折疊而使材料加速進入塑性階段，轉角處無法繼續提供反向彎矩，導致位移響應過大。試驗中的罐體拱頂與罐壁采用焊接連接，焊角在一定程度上緩解了該位置處的折疊變形，從而降低了位移響應。

圖11 4 m距離爆炸在200 ms時刻的爆炸計算位移云圖Fig.11 Cloud image of calculated explosion displacement of 4 m blast at 200 ms

對于測點位置處的位移，將模擬計算時程曲線與試驗數據進行比較，如圖12所示。從測點位移曲線的對比可知，無論是有涂層還是無涂層，ALE計算方法得到的兩次爆炸罐體測點位移峰值與試驗值均較為接近，具體數據對照見表5。

表5 測點位移計算結果與試驗數據對照Table 5 Comparation between calculating results and test data of test points

從表5中可以看出，采用ALE法計算得到的測點位移響應與試驗值較為接近，最大誤差不超過20%，相比用LBE法模擬得到的結果[18]，準確性更高，具有一定的應用價值。模擬計算結果中，有涂層在4 m時對于罐體測點位移的降低幅度為34.1%，3.2 m時降低幅度為21.2%，與試驗得到的32.9%和30.4%較為符合，說明模擬計算中采用的聚脲材料參數與實際值貼近度較好，計算得到的結果具有較高的參考價值。但從圖12中也能看到，模擬計算得到的測點殘余位移較大，遠高于試驗值，說明雖然罐體位移大致相同，但計算模型中的鋼材塑性變形程度更深，材料的屈服強度較實際情況偏小，具體原因還需要通過進一步的材料測試分析得到。

圖12 爆炸模擬測點位移結果與試驗數據對比Fig.12 Comparison between simulating results and test data of test point displacement

進一步比較聚脲涂層對罐體最大位移響應的影響，兩次測試模擬結果見圖13及表6。與測點位移結果相似，聚脲涂層也能顯著地降低罐體最大位移，4 m時可降低20.5%，3.2 m時可降低24.0%。

表6 罐體最大位移計算值對照Table 6 Comparison between the calculated maximum displacement of tank

圖13 模擬計算罐體最大位移時程曲線Fig.13 Time-history curves of max displacement of tank in simulated calculation

比較模擬計算結果和試驗測值可知，采用ALE法對鋼罐體在TNT爆炸荷載作用下的響應進行模擬具有一定的精確度，模擬得到的測點位移峰值與試驗結果基本一致，但殘余位移值大于試驗結果。模擬計算結果表明，聚脲涂層能夠較為明顯地降低鋼罐體在爆炸荷載下的位移響應，降低幅度約為20%～35%。

2.3 變參數分析

2.3.1 粘接設置對涂層防護效果的影響 常規的涂層與鋼板連接方式模擬可以用帶有失效模式的TIEBREAK接觸，也可以不考慮連接失效，采用TIED綁定接觸，甚至直接將兩者單元共節點處理。區別在于，TIED綁定接觸無法考慮涂層與鋼板連接失效，而單元共節點既不能考慮連接失效，也不能體現涂層和鋼板的相對位置，它的優點在于設置簡單，同時，節點數量的縮減也可以節省計算資源。

前文根據涂層鋼板實測數據，采用TIEBREAK接觸形式進行模擬，接下來進行兩組試算，比較3種不同接觸形式對模擬產生的影響。對照工況選用響應較為明顯的3.2 m爆炸工況，分別考查測點位移曲線與最大位移曲線，結果見圖14。

從圖14中可以 看 出，TIEBREAK和TIED接觸對于位移結果幾乎沒有影響，兩條曲線峰值幾乎完全重合，在后期往復震蕩時才有少許偏差。相對而言，共節點方式和前兩者的位移峰值差距小于3%，尚可接受，但在隨后的振蕩中，差距不斷放大，最大可達30%。

圖14 不同接觸形式下最大位移時程曲線對照Fig.14 Comparison between time-history curves of maximum displacement of tank under different contact types

試驗結果中，雖然鋼板存在較大的位移與殘余變形，但涂層與鋼板連接良好，并無脫膠情況發生，說明以現有的噴涂技術，可以保證即使鋼結構有輕微破壞，也很難發生連接失效。所以，在缺少實測數據的情況下，可以先假定兩者連接不會失效而采用TIED綁定接觸進行模擬，這并不會影響結果的精確程度。共節點連接方式僅能用來考查峰值位移，并不推薦在其他情況下應用。

2.3.2 罐體鋼材對涂層防護效果的影響 雖然針對噴涂聚脲涂層對Q235低碳鋼制罐體抗爆能力的提升進行了分析，而工業生產中常常會使用強度更高的鋼材，如Q345低碳合金鋼、45#碳素結構鋼等。針對這3種常用鋼材進行試算比較，考查聚脲涂層對于不同鋼材抗爆能力的影響。

試驗中僅用到Q235鋼材，沒有Q345和45#鋼材的實測數據，在模擬計算中，參考于文靜等[21]和陳剛等[22]的數據對這兩種鋼材進行材料參數設置，具體參數見表7。

表7 鋼板材料參數Table 7 Parameters of steel plates

同樣選取3.2 m爆炸距離作為對照工況，比較不同鋼材罐體在無涂層及噴涂層時的最大位移時程曲線，結果如圖15及表8所示。

表8 不同鋼材罐體最大位移計算值對照Table 8 Comparison between maximum displacements of tanks with different steels

圖15 不同鋼材罐體最大位移時程曲線對照Fig.15 Comparison between time-history curves of maximum displacement of different steel tanks

從無涂層罐體的位移曲線中看出，3種鋼材的強度順序是45#＞Q345＞Q235，而三者噴涂聚脲后的抗爆強度都有一定程度提升，但提升的幅度有所不同。Q235鋼板噴涂聚脲能夠減少24%的最大位移，而同樣的方式下Q345鋼僅減小11.37%，45#鋼僅減小6.45%。隨著鋼材強度的提高，聚脲涂層帶來的強度增益有所減小，但該趨勢是否適用于一般情況，還需進一步試驗研究。

2.3.3 涂層厚度對防護效果的影響 沿用之前的計算模型及參數，僅改變模型涂層厚度，將涂層厚度設為0.5、1.5、2、2.5 mm，分別計算，比較不同模型的最大位移值，并繪制涂層厚度增強效果曲線，結果如表9及圖16所示。

由表9和圖16可以看出，隨著涂層厚度的增大，罐體的抗爆效果雖不斷增強，但曲線斜率逐漸平緩，意味著繼續增大涂層厚度，增益會越來越低。在工程應用中，僅靠增大涂層厚度并不能解決一切問題，反而會使成本大幅增加，根據實際情況選擇合適的涂層厚度才能最大化發揮涂層的作用。

圖16 涂層厚度增強效果曲線Fig.16 Curve of coating thickness enhancement

表9 不同涂層厚度罐體最大位移計算值對照Table 9 Comparison between maximum displacements of tank with different coating thickness

3 結論

針對聚脲涂層對鋼制罐體抗爆能力的影響進行了試驗研究與數值模擬，并將結果進行對比分析，得到以下結論：

1）在2 kg TNT炸藥不同距離的爆炸作用下，噴涂層罐體的測點最大位移與殘余位移均較無涂層罐體有明顯的降低，降幅約為30%，說明聚脲涂層對于鋼罐體結構強度的提升效果較為明顯。

2）利用ALE流固耦合分析方法對鋼罐體及周圍空氣域進行計算，并將計算結果與試驗值進行比較，結果表明，ALE方法能夠較為準確地反映罐體結構響應，測點位移峰值與試驗值較為接近，但該方法得到的殘余位移比試驗值大。從模擬分析結果來看，噴涂聚脲涂層能夠有效地降低罐體測點位移與最大位移，降幅在20%～35%，與試驗結論相符合。

3）將聚脲涂層與鋼罐體采用不同連接形式進行模擬計算，結果表明，TIED綁定接觸和TIEBREAK失效接觸兩種形式得到的結果基本一致，而共節點連接形式只有位移峰值與前兩者較為接近，其他結果均差距明顯。在缺少聚脲涂層與鋼板連接的試驗數據時，可以采用TIED綁定接觸形式，能夠滿足大多數情況，而共節點形式則不推薦采用。

4）對3種常用鋼材制作的罐體進行了模擬分析，結果表明，聚脲涂層對不同材料罐體的抗爆能力均有一定程度的提升，但隨著鋼材強度的提高，聚脲涂層帶來的強度增益有所降低。

5）對不同涂層厚度的罐體進行了模擬分析并比較其增強效果，結果表明，隨著聚脲涂層厚度的增加，罐體抗爆效果也不斷增強，但增加厚度帶來的增益逐漸下降。