一种刚柔复合结构密闭防爆装置

1.本发明涉及一种防爆装置，具体涉及一种基于刚柔复合材料的密闭防爆装置，属于防护装备技术领域。


背景技术：

2.爆炸会产生高压冲击波、高速破片、高温火焰和有害烟雾等多种危害性作用。防爆容器通过限制爆炸影响范围，保护周围人员、设备及环境安全，在危爆品处置和运输、城市安防建设等领域得到了广泛的应用。
3.小型便携式防爆容器多采用一体单层式结构，其主体抗力材料多为钢、铝合金等质硬金属，也有部分会在外侧采用喷涂高分子聚合物、缠绕纤维等方式，增加整体结构的抗爆性能。典型结构如专利申请201710004000.2中提出的，通过螺栓将泡沫铝、防护筒和端盖连接为一体，形成三明治吸能防护结构，同时在金属内衬外围缠绕高强度纤维，形成纤维-金属复合防护壳体，但是此种结构在过爆载荷或意外贴壁爆炸的情况下容易造成局部结构破损，冲击波泄漏，形成纤维和金属飞片，造成二次损伤。此外上述结构没有设计烟雾和火焰防护材料，无法对高温火焰和有害烟雾形成有效抑制。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种刚柔复合结构密闭防爆装置，具有防爆能力强、密封性能好的特点，且可以熄焰降温，抑制火焰和烟雾的溢出，此外还可有效防止偏心爆炸引起的结构破坏。
5.本发明的技术方案为：一种刚柔复合结构密闭防爆装置，包括：上端盖、外壳体、内壳体、防爆液体模块以及底部复合缓冲结构；
6.所述外壳体为顶部开口的筒状结构，上端盖密封安装在其顶部开口处；
7.所述内壳体为顶部开口，底部通过半球壳密封的筒状结构；所述内壳体同轴设置在所述外壳体内部；
8.在所述内壳体圆筒结构的内壁面上沿轴向设置有一个以上防爆液体单元，防爆液体单元由沿内壳体的周向均匀间隔分布的两个以上内部填充有防爆液体的防爆液体模块。
9.优选的：还包括：中层纤维防护层；四块中层阻隔板围成矩形结构形成所述中层纤维防护层，将所述内壳体包围在其内部。
10.优选的，四块中层阻隔板所围成的矩形结构的四个直角拐角处各安装一块中层补强板，中层补强板固接。
11.优选的，四块中层阻隔板分别与所述内壳体外壁面相切。
12.优选的，所述防爆液体模块为内部填充有防爆液体的薄壳结构；
13.所述防爆液体模块具有头部和尾部；其中所述头部为扁平状的矩形结构，其一侧偏平面的中心设置尾部，用于和内壳体内壁面相连；所述防爆液体模块安装在内壳体内壁面后，其偏平面的长度方向与内壳体的轴向平行，宽度方向沿内壳体的轴向；
14.所述头部的上端面为向尾部所在侧倾斜的斜面，由此形成头部边缘尖角。
15.优选的，所述防爆液体模块的尾部为矩形块，其长度是宽度的1～1.5倍，高度是宽度的2～4倍。
16.优选的，所述内壳体包括内壳主体和内壳体缠绕层；
17.所述内壳主体为顶部开口，底部半球壳密封的筒状结构，即所述内壳主体包括圆筒段和半球段；
18.所述内壳体缠绕层为缠绕在内壳主体外部的纤维层；
19.在所述内壳主体圆筒段的内壁面设置开孔泡沫铝形成内壳体内层；
20.所述内壳主体的圆筒段和半球段之间设置内壳体隔层，所述内壳体隔层具有中心孔，且所述内壳体隔层采用四周高、中心低，具有设定倾角的pe纤维层压板。
21.优选的，所述内壳主体半球段的内部设置底部复合缓冲结构，所述底部复合缓冲结构为与内壳体下方的半球壳匹配的半球形壳体结构，包括：半球形夹心层和半球形内层；所述半球形夹心层采用蜂窝结构的聚脲弹性体；所述半球形内层设置在所述半球形夹心层内壁面，采用高强度脆性钢材。
22.优选的，所述上端盖为多层结构，从上往下依次为：顶板、吸能板、中部隔板、防爆液体层和底部隔板；
23.所述顶板上半部分的外圆周加工有齿，用于和外壳体啮合对接；
24.所述吸能板、中部隔板和防爆液体层所形成的整体为锥台形，该锥台形的外圆周由刚性板包覆；
25.所述底部隔板与刚性板底部轮廓焊接，与防爆液体层底部直接接触；所述底部隔板为多孔结构；
26.所述上端盖安装在内壳体上方开口处后，所述底部隔板嵌入内壳体中。
27.优选的，所述外壳包括：外壳主体；所述外壳主体为一端开口的筒状结构，材质为高强度钢；所述外壳主体外表面喷涂超弹性聚脲形成外壳体涂层；
28.所述外壳主体内圆周面的上端焊接具有内齿的外壳体齿圈，用于和顶板上的外齿啮合；所述外壳体齿圈与所述外壳主体的焊缝处设置焊缝补强环。
29.有益效果：
30.(1)该防爆装置的内壳体中设置防爆液体模块(轴向长、周向短的蘑菇形液体容器)，在爆炸时可利用冲击波绕射机制起到轴向遮蔽效果，将集中作用一处的冲击波载荷分散，形成较大面积的轴向低压阴影区域，从而减小内壳体的变形；防爆液体模块距离爆心较近，可在爆炸初期起到降温熄焰、吸收烟雾的作用。
31.(2)该防爆装置的内壳体底部设置具有一定倾斜角度的纤维板(即内壳体隔层)，能够有效抑制底部破片，并将危爆品向中心聚拢，减小偏心爆炸风险。
32.(3)该防爆装置的内壳体底部采用复合缓冲半球结构，应力分布均匀，并可有效吸收爆炸能量，提升底部防爆性能。
33.(4)该防爆装置的端盖底部采用多孔隔板和防爆液体复合结构，可有效降低冲击波峰值压力和容器静态压力，并可抑制火焰和烟雾溢出。
34.(5)设置内外双层离散壳体，可有效提高密封性能，内外壳体之间放置高强度纤维板，防止可能碎裂的内壳体损伤外壳体，有效提高防爆罐防爆性能。
附图说明
35.图1为本发明的刚柔复合防爆装置的总体结构示意图；
36.图2为含提手的端盖结构示意图；
37.图3为外壳体部分示意图；
38.图4为中层纤维板粘结示意图；
39.图5为内壳体结构示意图；
40.图6为蘑菇形液体容器的结构示意图；
41.图7为底部复合缓冲结构中半球形夹心层的结构示意图。
42.其中：1-上端盖，2-外壳体，3-中层纤维防护层，4-内壳体，5-防爆液体模块，6-底部复合缓冲结构；
43.1.1-中空提手，1.2-顶板，1.3-吸能板，1.4-刚性板，1.5-中部隔板，1.6-防爆液体层，1.7-底部隔板；
44.2.1-外壳体涂层，2.2-外壳体齿圈，2.3-焊缝补强环，2.4-外壳主体；
45.3.1-中层补强板，3.2-中层阻隔板；
46.4.1-内壳体缠绕层，4.2-内壳主体，4.3-内壳体内层，4.4-内壳体隔层，4.5-半球形内层，4.6-半球形夹心层；
47.5.1-头部边缘尖角，5.2-头部，5.3-尾部；
具体实施方式
48.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
49.实施例1：
50.本实施例提供一种防爆能力强、密封性能好且可有效防止偏心爆炸引起的结构破坏的刚柔复合防爆罐。
51.如图1所示，该刚柔复合防爆罐包括：上端盖1、外壳体2、中层纤维防护层3、内壳体4以及防爆液体模块5。
52.其中内壳体4、防爆液体模块5及底部复合缓冲结构6构成内层防护，上端盖1、外壳体2构成外层防护，由此形成离散双层防爆结构。
53.其中外壳体2为顶部开口的筒状结构，上端盖密封安装在其顶部开口处，用于实现内外层防护结构之间的密封；内壳体4为顶部开口，底部通过半球壳密封的筒状结构(即内壳体4由圆筒和位于圆筒底部的半球两段组成)。
54.内壳体4与外壳体2之间设置中层纤维防护层3，中层纤维防护层3的底部与外壳体2的内底面固接，上端面与内壳体4上端面平齐；如图4所示，中层纤维防护层3包括四块中层阻隔板3.2和四块中层补强板3.1，四块中层阻隔板3.2围成矩形结构将内壳体4包围在其内部；且内壳体4的外壁面与四块中层阻隔板3.2相切；四块中层阻隔板3.2所围成的矩形结构的四个直角拐角处各安装一块中层补强板3.1，中层补强板3.1的高度与四块中层阻隔板3.2的高度一致，两侧边分别与形成该拐角的两块中层阻隔板3.2固接。
55.中层阻隔板3.2和四块中层补强板3.1均采用高强度的pe纤维层压板，pe纤维层压
板具有较强的抗拉强度和较低的密度，因此具有良好的侵彻性能。中层纤维防护层3主要用于抑制偏心、过当量爆炸情况下内壳体破裂形成的二次破片，确保外壳体2的完整性，提高防爆容器整体的密封和防爆性能。
56.此外针对贴壁爆炸的极端情况仿真分析，以模拟实际使用中可能会出现的偏心爆炸情况。该仿真设计了150gtnt紧贴内壳体4爆炸，炸后内壳体4出现花瓣状破孔，破孔尖端速度可达624.5m/s，因此中层阻隔板3.2厚度应大于10mm，本例中中层阻隔板3.2采用15mmpe纤维层压板；内壳体4最大径向变形为78.6mm，考虑到内壳体4外部内壳体缠绕层4.1和中层阻隔板3.2的约束作用，内外壳体之间的间距应大于70mm，为内壳体4破碎和中层阻隔板3.2变形吸能预留充分空间，防止偏心等极端情况下内壳体4破裂击中外壳体2，确保防爆容器的可靠性。
57.在内壳体4圆筒结构的内壁面上沿轴向设置有一个以上防爆液体单元，防爆液体单元由沿内壳体4的周向均匀间隔分布的两个以上内部填充有防爆液体的防爆液体模块5组成。
58.如图6所示，防爆液体模块5为0.5～1mm厚的薄壳结构，可以由聚氯乙烯树脂等易碎材料制成，保证爆炸冲击波到达时可瞬间破碎，使内部防爆液体与爆轰产物充分接触。其内部填充的防爆液体可以采用纯净水、润湿水、剪切增稠液、水系灭火剂中的一种或多种的组合。防爆液体模块5具有头部5.2和尾部5.3；其中头部5.2为扁平状的矩形结构，其一侧偏平面的中心设置尾部5.3，用于和内壳体4内壁面相连；防爆液体模块5安装在内壳体4内壁面后，其偏平面的长度方向与内壳体4的轴向平行，宽度方向沿内壳体4的轴向，由此，防爆液体模块5整体呈轴向长、周向短的蘑菇形状。头部5.2的上端面为向尾部5.3所在侧倾斜的斜面，由此形成头部边缘尖角5.1。
59.在内壳体4内部的爆炸物爆炸时，冲击波首先接触到防爆液体模块5的头部5.2(本例中头部5.2长45mm，宽20mm，厚5mm)，主要通过冲击波绕射效应降低内壳体结构变形。内壳体4内部的爆炸物发生爆炸后，爆炸冲击波会在头部边缘尖角5.1位置发生绕射，在头部边缘尖角5.1下形成“低压阴影区”，此外头部边缘尖角5.1处液体后续运动的遮蔽也会进一步降低“低压阴影区”的冲击波强度，从而将集中的冲击波载荷分散到内壳体内壁面，可以降低内壳体4的最大变形。防爆液体模块5尾部5.3为矩形块，其长度是宽度的1～1.5倍，高度是宽度的2～4倍，本例中尾部5.3长10mm，宽7.5mm，高25mm，主要通过稀疏波效应削弱冲击波峰值。爆炸后头部5.2中的透射冲击波会继续传播到尾部5.3中，由于尾部5.3长度、宽度与高度相对比较小，冲击波波阵面在完全穿透液体之前，侧壁反射形成的稀疏波会持续削弱后续冲击波，从而减小了冲击波传入内壳体4的强度。此外防爆液体模块5距离爆心较近，冲击波打散防爆液体形成的小液滴，可以在爆炸初期起到降温熄焰、吸收烟雾的作用，避免爆炸火焰、减少有害气体溢出防爆容器。
60.防爆液体模块5作为独立模块，可根据实际使用情况调整数量、位置以及所装填的防爆液体种类。
61.实施例2：
62.在上述实施例1的基础上，对上端盖1的结构进行如下具体描述。
63.如图2所示，上端盖1是一个带提手的上宽下窄的锥台状结构，其主要作用是实现内外壳体的密封。上端盖1为多层结构，从上往下依次为：顶板1.2、吸能板1.3、中部隔板
1.5、防爆液体层1.6和底部隔板1.7。
64.其中顶板1.2上半部分的外圆周加工有齿，用于和外壳体2啮合对接，在连接的同时保证密封；顶板1.2上表面安装提手1.1，提手1.1采用中空不锈钢结构，方便人手提起的同时降低结构质量。顶板1.2采用高强度钢，屈服强度大于1180mpa，爆炸冲击下变形小，保证外壳体2的密封性能。吸能板1.3为高密度硬质聚氨酯泡沫，利用泡沫材料应力应变曲线中较长的平台期吸收爆炸能量，降低到达端盖处的冲击波强度，起到缓冲吸能作用。防爆液体层1.6采用聚醚tpu薄膜封装防爆液体，吸能板1.3与防爆液体层1.6之间由中部隔板1.5分隔；吸能板1.3、中部隔板1.5和防爆液体层1.6所形成的整体为锥台形，该锥台形的外圆周由刚性板1.4包覆；中部隔板1.5和刚性板1.4可采用不锈钢材质的薄钢板。底部隔板1.7与刚性板1.4底部轮廓焊接，与防爆液体层1.6底部直接接触；将上端盖1安装在内壳体4上方开口处后，底部隔板1.7嵌入内壳体4中；底部隔板1.7为多孔结构，单个孔径应大于5mm，避免冲击变形引起大量通孔阻塞。冲击波作用到底部隔板1.7时会产生巨大压力，从而压破防爆液体层1.6外部的聚醚tpu薄膜封装，使得防爆液体层1.6内部的防爆液体从小孔中向下喷射，增大防爆液体与爆炸产物的接触面积和接触时间，利用液体相变吸热原理降低冲击波峰值超压和容器静态压力，进一步，该设计对上部爆炸火焰及烟雾有良好的抑制作用。
65.实施例3：
66.在上述实施例1的基础上，对外壳体2的结构进行如下具体描述。
67.如图3所示，外壳2包括：外壳主体2.4；外壳主体2.4为一端开口的筒状结构；外壳主体2.4材质可采用高强度钢，屈服强度大于1180mpa，在爆炸冲击下仅产生较小变形，保证结构完整性。外壳主体2.4外表面喷涂超弹性聚脲形成外壳体涂层2.1，外壳体涂层2.1能将爆炸产生的破片或飞屑包裹在结构体内，并提高防爆容器表面的防腐耐磨性能。
68.外壳主体2.4内圆周面的上端焊接具有内齿的外壳体齿圈2.2，外壳体齿圈2.2用于和顶板1.2上的外齿啮合。外壳体齿圈2.2与外壳主体2.4的焊缝处设置焊缝补强环2.3；焊缝补强环2.3采用与外壳主体2.4相同的高强度钢，中心正对焊缝区域，焊缝补强环2.3高度大于25mm，厚度大于2.5mm，增加两侧焊接退火区域距离，避免整个区域退火。此外焊缝和焊缝补强环2.3在留有一定焊接空间不发生干涉的前提下，应尽可能靠近上端盖1，本例中，焊缝与上端盖1之间的距离为20～30mm，以增加爆心到薄弱焊缝区域的距离，同时降低加工材料成本。
69.实施例4：
70.在上述实施例1的基础上，对内壳体4的结构进行如下具体描述。
71.如图5所示，内壳主体4.2为顶部开口，底部半球壳密封的筒状结构，即内壳主体4.2包括圆筒段和半球段。
72.内壳主体4.2采用42crmo等高韧性钢材，要求具有较高的动态断裂伸长率。内壳体缠绕层4.1为采用碳纤维、芳纶纤维、pe纤维、玻璃纤维中的一种或几种混杂缠绕在内壳主体4.2外部形成(在内壳主体4.2的圆筒段和半球段的外部均具有内壳体缠绕层4.1)，上述纤维具有较高的拉伸刚度，可减小内壳体4破碎的可能。
73.此外，在内壳主体4.2圆筒段的内壁面设置密度为0.3～0.5g/cm3的开孔泡沫铝形成内壳体内层4.3；并在内壳体内层4.3的相应位置预留防爆液体模块5的安装孔位，在爆炸时液体被打散成小液滴进入开孔泡沫铝内部，液滴与胞壁多次碰撞反射，可耗散大量能量。
74.内壳主体4.2的圆筒段和半球段之间设置内壳体隔层4.4，内壳体隔层4.4具有中心孔，且内壳体隔层4.4采用四周高、中心低，倾角为5～10
°
的pe纤维层压板，pe纤维具有较好的抗侵彻性，有效衰减飞片动能，可对含破片危爆品有效防护，5～10
°
倾角利于危爆品向中心聚拢，减小偏心爆炸风险。
75.内壳主体4.2半球段的内部设置底部复合缓冲结构6，底部复合缓冲结构6为与内壳体4下方的半球壳匹配的半球形壳体结构，包括：半球形夹心层4.6和半球形内层4.5；半球形夹心层4.6采用蜂窝结构的聚脲弹性体，如图7所示，半球形夹心层4.6为均匀间隔分布有六边形孔的聚脲弹性体；中空的蜂窝结构减轻重量的同时，允许弹性体发生较大压缩变形，起到缓振吸能的作用，此外冲击波在聚脲弹性体中传播会产生塑性耗散，进一步削弱冲击波峰值。半球形内层4.5采用高强度脆性钢材，在爆炸载荷作用下内层将会沿着蜂窝结构发生壳体破碎，从而吸收部分底部爆炸能量(即利用自身碎裂吸收冲击波能量)。底部复合缓冲结构6外层的内壳主体4.2材质为高强度钢，利用自身的强度将爆炸载荷约束在内壳体4中。
76.以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。