一种阀厅封堵新型结构及抗爆校核方法
技术领域
本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种阀厅封堵新型结构及抗爆校核方法。
背景技术
换流变均采用与阀厅毗邻的布置方式，在换流变与阀厅之间设置防火墙，换流变阀侧套管通过开设在防火墙上的洞口插入阀厅内。换流变压器安装就位后，需要对该洞口进行封堵，以满足阀厅运行要求。
换流变主动火灾成因一般是换流变内部故障温升造成，特别是电弧发热，温度可达到上千度，绝缘油被裂解成可燃气体，绝缘油的温升和裂解出来的可燃气体在换流变油箱本体内部形成较大的应力，造成换流变充油外壳破裂，绝缘油外泄燃烧。充油外壳破裂会造成物理爆炸；绝缘油裂解出的可燃气体也会随绝缘油一起外泄，当空气中可燃气体浓度达到爆炸浓度时，便会发生化学燃爆。
目前，原有单层防火板结构未专门设置防爆炸力的结构，实际火灾案例中也已表明，目前单层防火板结构无法低抗这些爆炸冲击力。这些爆炸通常与换流变火灾同时产生，因此单层防火板结构有可能在火灾发生时便在爆炸力的破坏下损坏而失去防火能力。
故需要设计一种新型的防火防爆新型封堵结构以及检验其抗爆的校核方法。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明目的之一是提供一种阀厅封堵新型结构，该结构断裂强度高，在爆炸力的冲击下封堵结构变形量小，爆炸冲击载荷条件下仍能保护内部，同时，本发明另一目的则是提供一种抗爆校核方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种阀厅封堵新型结构，用于加强换流变与阀厅之间的防火墙的防火防爆能力，阀厅封堵新型结构包括第一封堵和第二封堵，换流变侧的换流变套管穿过所述第一封堵伸出到阀厅侧，所述换流变套管与所述第一封堵的接触面设置有所述第二封堵；
所述第一封堵包括从换流变侧到阀厅侧依次连接的缓冲吸能层、防爆钢板层和防火层，
所述缓冲吸能层为含空包结构的缓冲吸能低磁导金属板；
所述防爆钢板层为不锈钢防爆板；
所述防火层包括龙骨架和多层硅酸铝板，所述龙骨架将多层所述不锈钢面层防爆板固定成一矩形体，该矩形体的右端面通过所述龙骨架与所述防火墙固定连接，该矩形体的外端面通过所述龙骨架与所述不锈钢防爆板固定连接，矩形体的右端面与外端面相邻；
所述第二封堵包括用于套设在所述换流变套管上的陶瓷化硅橡胶防水密封套筒以及填充在所述换流变套管与所述第一封堵的接触面之间的硅酸铝纤维针刺毯。
如上所述的阀厅封堵新型结构，进一步的，还包括分别设置在所述第一封堵前后端面的包边结构，所述包边结构用于将第一封堵与防火墙之间的连接部分与外界隔离防护，所述包边结构包括硅酸铝板以及依次包覆在所述硅酸铝的多层防火结构，所述多层防火结构包括硅酸铝针刺毯、防火防水胶、无磁化不锈钢和防火涂料，其中，所述硅酸铝针刺毯用于包覆在所述硅酸铝上，所述防火防水胶覆盖于所述硅酸铝针刺毯上并固化形成保护层，所述无磁化不锈钢对固化后形成的保护层进行包边，所述防火涂料用于喷涂在所述无磁化不锈钢的与外界接触的表侧。
如上所述的阀厅封堵新型结构，进一步的，还包括有钢板，所述钢板与所述包边结构之间焊接固定且所述钢板通过弹性连接件固定在所述防火墙上。
如上所述的阀厅封堵新型结构，进一步的，所述龙骨架采用H型镀锌钢，硅酸铝板、不锈钢防爆板、缓冲吸能低磁导板之间均采用双面卡口连接且各连接缝隙采用压型钢板专用密封胶密封。
一种抗爆校核方法，用于如上所述的阀厅封堵新型结构的抗爆校核，所述方法包括设计校核和样板试验，综合考虑设计校核和样板试验的结果评估结构的抗爆性能：
所述设计校核包括：建立爆炸冲击下的防爆板弯曲变形量极限值以及许用应力强度极限值的数学模型，代入样本的各项实际测量参数到所述数学模型中进行验证，评估防爆板弯曲变形量和许用应力强度是否超过极限值；
所述样本试验包括：
试验样本与预处理：制作规定尺寸的阀厅封堵新型结构样本，并将样本分为至少三组，其中第一组在第一温度下冷处理设定持续时间，第二组在第二温度下热处理设定持续时间，第三组不做处理，其中，第一温度低于第二温度，冷处理和热处理的设定持续时间相同；
搭建试验平台：将爆破装置的爆破口紧贴于样本的一侧面，将碰撞记录器置于样本的相对另一侧面的一定距离，其中，该距离根据爆炸冲击下的防爆板弯曲变形量极限值设定，爆破装置的爆破口朝向样本直径逐渐增大，冲击波记录器设置于爆破口的外侧面；
试验过程与防爆性能评价：三组样本分别进行如下试验，
第一次起爆：T0时刻对冲击波波形记录仪复位，T0+2S炸药电子遥控点火，待爆炸的余震消失后，进行以下检查：
检查碰撞记录器是否有玻璃柱断裂或破损，当碰撞记录器有玻璃柱断裂或破损，则更换破损的玻璃柱；
第二次起爆：检查第一次起爆效果后，T1时刻对冲击波波形记录仪复位，T1+2S炸药电子遥控点火，待爆炸的余震消失后，进行以下检查：
检查碰撞记录器是否有玻璃柱断裂或破损，当碰撞记录器有玻璃柱断裂或破损，则更换破损的玻璃柱；
拆下样本，并检查样本正面、背面是否开裂或变形，若开裂则记录开裂长度，若变形，则测量变形点的面积和深度；
用X光探伤仪，检查样本是否有内部裂纹，并记录裂纹长度；
用X光探伤仪，检查样本的空包结构是否破裂，并记录破裂个数；
评估：根据检查结果，设定试验通过标准并评估样本的抗爆性能。
如上所述的抗爆校核方法，进一步的，爆炸冲击下防爆板弯曲变形导致防火结构失效计算方法如下：
非线性瞬态力学的控制方程如式(1)：
其中[M]为结构总体质量矩阵；[C]为结构总体阻尼矩阵；[K]为结构总体刚度矩阵；{F}为外载荷矢量矩阵；
定义时间积分步，在两个临近的时间点增量Δt＝tn-tn-1，采用隐式方法Newmark和HHT来求解瞬态问题，
Newmark法使用有限差分法，在一个时间间隔内有：
对于下一时刻的位移un+1，则tn+1时刻的控制方程为
将式(2)、(3)代入式(4)中得
式(7)中α、δ为计算参量，联立(4)、(5)、(6)得
其中求解方法无条件稳定条件需满足：
Newmark参数如下，其中γ为阻尼衰减系数；
但是数值阻尼的计算方法，会对计算造成干扰；为在高频下数值阻尼不降低求解精度，在低频下不产生过多的数值阻尼；在完全瞬态分析中，引入HHT时间积分法，αm、αf为质量、频率计算参量；
α、δ、αm、αf应满足下列约束条件；
如上所述的抗爆校核方法，进一步的，防爆板的许用应力计算方法为：
vε为应变能量密度，σi为应力，εi为应变；三向应力状态下的应变能密度为:
根据广义胡可定律，其中E为弹性模量，μ为泊松比：
将式(14)代入式(13)得：
设三个棱边相等的正立方单元体的三个主应力不想等，分别为σ1、σ2、σ3，对应的主应变为ε1、ε2、ε3，单位体积的改变为θ；由于ε1、ε2、ε3不相等，立方单元体三个棱边的变形不同，它由立方体变成长方体；由此，单元体的变形一方面体现为体积的增加或减小；另一方面表现为形状的改变，即正方体变为长方体；故，应变能密度vε可认为由两部分组成：(1)因体积变化面存储的应变能密度νV；体积变化是指单元体的棱边变形相等，变形后仍为正方体，只是体积发生了变化；νV称为体积改变能密度；(2)体积不变，但由于正方体改面变成长方体而存储的应变能密度νd；νd称为畸变能密度；由此，
vε＝νV+νd (16)
若在单元体上以平均应力
代替三个主应力，单位体积的改变θ与σ1、σ2、σ3作用时仍然相等；但以σm替换原来的主应力后，由于各棱边变形相同，所以只有体积变化面积不变；因此，该情况下的应变能密度等于体积改变能密度νV；则有：
由广义胡克定律，
联立式(18)、式(19)得到：
将式(20)、(15)代入(16)得到：
在单向应力作用下式有：
联立(21)、(22)得到屈服准则方程：
从而得到强度条件：
其中，[σ]为许用应力强度，n为安全系数；当冲击达到许用应力强度极限值时，封堵结构将失效。
如上所述的抗爆校核方法，进一步的，若符合标准，代表该组试验通过；若三组样本均通过，则该试验通过，其中，所述标准为：
玻璃细柱断裂破损数之和少于0根；
表面开裂长度之和小于0mm；
表面变形面积之和小于6mm2；
表面变形深度之和小于5mm。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)提升防火性能：大封堵采用由外往里多层防火构造，有效阻止火势蔓延。封堵结构内外两侧均设置结构岩棉复合防火板。
(2)提升隔热性能：龙骨架填充硅酸铝板，耐温高达950-1400℃，延伸性好，抗震性强，火灾发生时能有效隔热及延长传热时间，保证封堵结构的隔热性能。
(3)提升抗爆性能：缓冲吸能层和不锈钢防爆板共同形成封堵的防爆结构，抵抗换流变爆燃时产生的爆炸冲击力，提升封堵结构整体的抗爆能力。
(4)改进大封堵包边：大封堵包边采用五层结构，起到阻火、隔热、防潮的作用，有效的防止阀厅户外火源的蔓延，同时保证大封堵包边的密封性。
(5)提高结构性能:采用弹性连接与焊接的混合的固定形式，增加爆炸载荷的缓冲吸能性能，确保主固定结构在爆炸冲击下不脱落。
附图说明
图1为本发明实施例的阀厅封堵新型的示意图；
图2为本发明实施例的缓冲吸能低磁导金属板与不锈钢面层防爆板的示意图；
图3为本发明实施例的使用的抗爆校核实验平台；
图4为本发明实施例的带有玻璃柱的碰撞记录器的示意图。
其中：1、砼防火墙；2、第一包边结构；3、不锈钢防爆板；4、缓冲吸能低磁导金属板；5、硅酸铝纤维针刺毯；6、换流变套管；7、弹性连接件；8、钢板；9、焊接点；10、第二包边结构；11、龙骨架；12、多层硅酸铝板；13、爆破装置；131、爆破室；132、过渡段；133、冲击波整形段；134、试验段；15、样本；16、碰撞记录器；17、玻璃柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见图1，图1为本发明实施例的新型防火封堵结构的示意图，示意图是从上方往下方的观察获得，一种阀厅封堵新型结构，用于加强换流变与阀厅之间的防火墙的防火防爆能力，本防火封堵结构在原单层防火板结构的基础上，进一步考虑防爆、耐火、安装、包边密封结构以及方便拆卸，同时对大封堵和小封堵结构进行改进。
图示中，砼防火墙1为原本设置在换流变与阀厅之间的分隔墙体，阀厅封堵新型结构设置在左右砼防火墙1之间，换流变侧的换流变套管6穿过第一封堵伸出到阀厅侧，第一封堵包括从换流变侧到阀厅侧依次连接的缓冲吸能层、防爆钢板层和防火层，缓冲吸能层为含空包结构的缓冲吸能低磁导金属板4；防爆钢板层为不锈钢防爆板3；防火层包括不锈钢龙骨架11和多层不锈钢面层防爆板12，不锈钢龙骨架11将多层不锈钢面层防爆板12固定成一矩形体，该矩形体的右端面通过不锈钢龙骨架11与砼防火墙1固定连接，该矩形体的外端面通过不锈钢龙骨架11与不锈钢防爆板3固定连接，矩形体的右端面与外端面相邻；第二封堵包括用于套设在换流变套管6上的陶瓷化硅橡胶防水密封套筒以及填充在换流变套管6与第一封堵的接触面之间的硅酸铝纤维针刺毯5。第一封堵的前后端面分别设置有第一包边结构2和第二包边结构10，包边结构用于将第一封堵与砼防火墙1之间的连接部分与外界隔离防护，钢板8与包边结构之间焊接点9固定，钢板8通过弹性连接件7固定在砼防火墙1上。
具体示例地，大封堵由户外(换流变侧)向户内(阀厅侧)依次为：第一层(缓冲吸能层)、第二层(防爆钢板层)、第三层(防火层，具体为10层硅酸铝防火抗爆板)。具体地，缓冲吸能层为50mm含空包结构的缓冲吸能低磁导金属板，如内部带有空包的铝板或近似材料，防爆钢板层为35mm厚不锈钢防爆板，如可选用00Cr20Ni18Mo6CuN或近似材料，防火层为180mm厚不锈钢龙骨架+内嵌在不锈钢龙骨架内的硅酸铝板、单层19mm的硅酸铝防火抗爆板(共十层)。
不锈钢防爆板具有阻燃性、抗爆性、抗冲击性、防潮和消防、抗震、抗腐蚀、幅面较大、耐候性能(不随着气温的变化改变)、高电阻、吸音、抗冻、不导磁等多种优良特性。
不锈钢龙骨架和不锈钢面层防爆板共同形成封堵的防爆结构，抵抗换流变爆燃时产生的爆炸冲击力。根据换流变主动火灾行为过程，换流变主动火灾后爆炸力破坏一般早于火灾破坏，因此防爆层设置在防火层外侧，保护防火层免受爆炸力破坏。
硅酸铝板隔热，耐温为950～1400℃，延伸性好，抗震性强，火灾发生时能有效隔热及延长传热时间，尽量延长受火面温升时间间隔。
一些实施例中，为保障强度，所有连接尽可能的使用焊接，确保在高温受热的情况下不会产生熔化熔断现象。大封堵的连接件：大封堵的不锈钢龙骨架和防爆层与砼防火墙四周采用H型镀锌钢固定，H型镀锌钢嵌入砼防火墙进行固定，增强大封堵与砼防火墙连接处抗爆炸力的能力。
具体示例地，防爆层采用高强度弹簧连接与龙骨架相固定，外侧用硅酸铝纤维棉填缝；防火板(硅酸铝板)采用高强度弹簧连接与龙骨架相固定。
具体示例地，防火板(硅酸铝板)、不锈钢防爆板、缓冲吸能低磁导板之间均采用双面卡口连接，固定强度高，结合度和完整性好，板与板之间接缝处采用压型钢板专用密封胶密封，各板之间连接处的密封性。
一些实施例中，大封堵包边(即包边结构)为硅酸铝复合板，由内到外共五层结构，第一层50mm厚的硅酸铝板使用不锈钢螺丝固定于硅酸铝板和砼防火墙上(或于缓冲吸能低磁导板和砼防火墙上)，第二层采用硅酸铝针刺毯进行包裹，第三层采用防火防水胶(如奥斯邦耐高温密封胶或近似材料)覆盖，固化后形成保护层，第四层用1.2mm无磁化不锈钢材料(如18Cr-8Ni或近似材料)进行包边，外部螺丝全部采用耐高温不锈钢，边缘收边采用防水、防火专用封堵胶(如奥斯邦耐高温密封胶或近似材料)。第五层为防火涂料，整体安装结束后在阀厅外侧整个包边外侧喷涂防火涂料进一步保护，有效杜绝火源通过缝隙蔓延。
一些实施例中，换流变套管与结构岩棉复合防火板之间缝隙为小封堵。小封堵采用硅酸铝纤维针刺毯填充，该材料在1200℃的高温条件下不会产生任何变化。
具体示例地，小封堵表面使用陶瓷化硅橡胶防水密封套筒包裹，采用不锈钢自攻自钻螺钉和铝合金压环将陶瓷化硅橡胶防水密封套筒与防火板固定，用不锈钢管卡将陶瓷化硅橡胶防水密封套筒与换流变套管固定。
具体示例地，陶瓷化硅橡胶防水密封套筒采用高温硫化陶瓷硅胶，该材料在800℃高温后立即瓷化，防止火灾蔓延；四周紧固燕尾钉全部采用不锈钢螺丝；四边采用防火防水专用封堵胶，进一步防止火源的蔓延。
参见图3、图4，图3为本发明实施例的使用的抗爆校核实验平台，该实验平台包括爆破装置13、样本15和碰撞记录器16，爆破装置13的爆破口紧贴于样本15的一侧面，碰撞记录器16置于样本15的相对另一侧面的一定距离，爆破装置13的爆破口朝向样本15直径逐渐增大，图中从观察地角度显示是一梯形，在梯形的锐角边上布置冲击波记录器(如成都交博科技-L20-P爆破冲击波记录仪)，冲击波记录器设置于爆破口的外侧面。爆破装置13包括爆破室131、过渡段132、冲击波整形段133和试验段134。碰撞记录器16上设置有玻璃柱17。图4为本发明实施例的带有玻璃柱17的碰撞记录器16的示意图，安装架上安装有数列玻璃柱17，其中，合金钢构成底座，底座长*宽*高＝2300mm*20mm*30mm.。底座上部的中线设有均匀分布的小孔，每个小孔之间间隔6mm。小孔半径3mm，深度20mm的小孔，小孔内可插入半径2.9-3mm空心玻璃柱，玻璃柱的长度与样本高度一致，实验时，底座平放于地面，玻璃柱17垂直于地面且与样本15间距20mm平行布置，当样本15变形或爆炸冲击波渗过样本15会破坏玻璃柱17以达到检测样本15抗爆的作用。
A、设计层面
1、爆炸冲击下防爆板弯曲变形导致防火结构失效计算：
非线性瞬态力学的控制方程如式(1)
其中[M]为结构总体质量矩阵；[C]为结构总体阻尼矩阵；[K]为结构总体刚度矩阵；{F}为外载荷矢量矩阵；
定义时间积分步，在两个临近的时间点增量Δt＝tn-tn-1。
采用隐式方法Newmark和HHT来求解瞬态问题。Newmark法使用有限差分法，在一个时间间隔内有：
对于下一时刻的位移un+1，则tn+1时刻的控制方程为
将式(2)、(3)代入式(4)中得
(7)中α、δ为计算参量，联立(4)、(5)、(6)得
其中求解方法无条件稳定条件需满足：
Newmark参数如下，其中γ为阻尼衰减系数。
但是数值阻尼的计算方法，会对计算造成干扰。为在高频下数值阻尼不降低求解精度，在低频下不产生过多的数值阻尼。在完全瞬态分析中，引入HHT时间积分法，αm、αf为质量、频率计算参量。
α、δ、αm、αf应满足下列约束条件。
防爆结构与防火结构间距离为180mm，当爆炸冲击下防爆钢板弯曲变形量小于该数值时，防爆结构方可有效抵御爆炸冲击，避免防火结构受损。
2、防爆板的许用应力计算：
vε为应变能量密度，σi为应力，εi为应变。三向应力状态下的应变能密度为:
根据广义胡可定律，其中E为弹性模量，μ为泊松比：
将式(14)代入式(13)得：
设三个棱边相等的正立方单元体的三个主应力不想等，分别为σ1、σ2、σ3，对应的主应变为ε1、ε2、ε3，单位体积的改变为θ。由于ε1、ε2、ε3不相等，立方单元体三个棱边的变形不同，它由立方体变成长方体。由此，单元体的变形一方面体现为体积的增加或减小；另一方面表现为形状的改变，即正方体变为长方体。故，应变能密度vε可认为由两部分组成：(1)因体积变化面存储的应变能密度νV。体积变化是指单元体的棱边变形相等，变形后仍为正方体，只是体积发生了变化。νV称为体积改变能密度。(2)体积不变，但由于正方体改面变成长方体而存储的应变能密度νd。νd称为畸变能密度。由此，
vε＝νV+νd (16)
若在单元体上以平均应力
代替三个主应力，单位体积的改变θ与σ1、σ2、σ3作用时仍然相等。但以σm替换原来的主应力后，由于各棱边变形相同，所以只有体积变化面积不变。因此，该情况下的应变能密度等于体积改变能密度νV。则有：
由广义胡克定律，
联立式(18)、式(19)得到：
将式(20)、(15)代入(16)得到：
在单向应力作用下式有：
联立(21)、(22)得到屈服准则方程：
从而得到强度条件：
其中，[σ]为许用应力强度，n为安全系数。当冲击达到许用应力强度极限值时，封堵结构将失效。
B、样板试验层面
1、试验的方法
1.1试验样本与预处理
制3000mm*2000*mm*200mm的样本共六块,分为三组，并记为样本1，2，3，4，5，6。200mm为两块金属材料的叠加厚度。其中组一，样本1和2在-20°下冷处理36h。组二，样本3和4在50°下热处理36h。组三样本5和6不做处理。
1.2试验平台
在爆炸室安装炸药，在试验段的上坡面安装冲击记录器，在试验段开口处用耐候防爆螺栓安装样本(并用样本彻底封住开口处)，在离样本190mm位置处安装一碰撞记录器。
1.3试验过程与防爆性能评价
1)第一次起爆。T0时刻对冲击波波形记录仪复位，T0+2S炸药电子遥控点火。待爆炸的余震消失后，检查：1、碰撞记录器是否有玻璃柱断裂或破损(有则更换损害的玻璃柱)。
2)第二次起爆。再检查完第一次起爆效果后，T1时刻对冲击波波形记录仪复位，T1+2S炸药电子遥控点火。待爆炸的余震消失后，检查：1、碰撞记录器是否有玻璃柱断裂或破损(有则更换损害的玻璃柱)；2、拆下样本，并检查样本正面、背面是否开裂或变形(若开裂记录开裂长度、若变形，测量变形点的面积和深度)；3、用X光探伤仪，检查样本是否有内部裂纹，并记录裂纹长度；4、用X光探伤仪，检查样本的空包结构是否破裂，并记录破裂个数。
3)用下一组的两个样本重复1)、2)。直至三组、六个样本全部试验完。
4)评级。
一组样本，若符合以下标准，代表该组试验通过；三组样本均通过，则该试验通过。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
