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万吨轮推进器爆破拆解技术

2006-11-17

 
 

万吨轮推进器爆破拆解技术

 

完成时间19859月~19908

完成单位:福建高能建设工程有限公司(原福建省高能爆破公司)

项目主持人及参加人员:陈绍潘、曹宁健、杨一航、郑育祥、程大华、郑荫文、林锋华、柯钦龙

稿 :陈绍潘

 

1.引言

 

    万吨轮推进器单体重量达十几吨至几十吨不等,大多为铜合金铸成,其拆卸及解体是船体拆解工作的重要组成部分。拆卸推进器曾用过人工锤击法,还有直接采用气割枪割断尾轴,工效都很低。铜质螺旋桨的解体,仍然采用手工方法解体。一只铜质螺旋桨手工解体的周期长达12个月,并且劳动强度大,效率低。因此,过去万吨轮推进器的快速、高效拆卸与解体是我国拆船业普遍存在的一个难题。

20世纪80年代初,我们在金属钻孔爆破切割及金属动力脆性断裂研究和论证的基础上,研究出聚能爆破切割与水压力爆破拆解铜质螺旋桨的方案,先后在福建的福州、东山、霞浦、漳浦、厦门、莆田等6个拆船厂成功拆解26个推进器,取得了良好效果。而后又通过若干拆船点实际现场技术推广,均获得成功。爆破拆解法与人工火焰切割法相比,可降低成本10倍,周期加快15倍,此外,还能提高解体质量,减少铜耗。

 

2.爆炸拆解铜质螺旋桨的基本原理

 

由于万吨轮巨型推进器很难用人工火焰切割拆解,人们大多会想到爆破解体,而一些研究所和拆船企业往往选择采用同岩石爆破一样的钻孔爆破。但是金属爆破解体和切割与非金属材料有本质的不同,因为金属强度要比非金属强度大几百倍,量变引起质变。并且钻孔和接触爆破的应力强度因子 。刚体相应应力强度因子KID也成倍增加。因此,简单采用钻孔爆破,在原理上就不成立。

同时,金属钻孔本身施工成本高,而且存在铜耗大、空气冲击波强度大及爆破飞片不易控制等问题。就像一个炮弹,覆盖防护设施等问题很难解决。

为此,我们将其作为一项新技术攻关项目加以研究。在充分研究金属材料聚能切割爆破、金属动力脆断特性及水下爆炸理论的基础上,研制出“聚能爆炸切割水压力惯性约束解体螺旋桨”新技术,开拓爆破工程新领域。它的基本原理可归结为:

  (1)利用聚能爆炸金属射流与切割原理,进行工件的预切割。

  (2)利用能量守恒原理提出使导流帽、螺旋桨脱落所需的炸药量。

  (3)水是良好的传能介质,通过水将炸药的能量传递给解体的工件,使工件在冲量作用下解体。

    (4)通过水压力缓冲炸药接触爆炸的加载速率,使金属体动力应力强度因子接近于静态应力强度因子,并且遵循金属脆断原理。

    (5)通过水作为良好的消波介质和覆盖体,确保施爆安全。

因此,推进器拆卸及螺旋桨的解体均在潮水上涨将其淹没时施爆。

 

3推进器拆卸方法及药量计算

 

    推进器是由导流帽、螺旋桨、截锥形的尾轴及尾轴螺帽等组成的。

3.1推进器导流帽爆破拆除药量计算

    根据能量守恒原则:

 

式中Q----爆破切除导流帽的药量;

    U----炸药比能;

    x----炸药的能量利用率;

    F----导流帽固紧螺栓直径;

    t----导流帽固紧螺栓抗剪强度;

    n----导流帽固紧螺栓个数。

    根据按上式计算的能量,将炸药固定于导流帽檐的一侧,在涨潮或海水淹没1m以上时,进行起爆切除,一般均能一次性切除成功。

3.2推进器的脱轴爆破药量计算

    根据能量守恒原则,炸药爆轰波能量应大于等于使推进器产生移动(最小初速度波)的动能:

 

式中 Q----推进器爆破脱轴药量;

     G----推进器的质量;

     g-----重力加速度;

     U----炸药的比能;

     v----推进器移动的最小初速度。

    根据按上式计算的药量,对药包做好防水处理后,置于螺旋桨与尾轴套之间,在涨潮后,进行起爆脱轴,均能获得满意的完全脱轴效果。

    例如:在福建爆炸拆船时,拆卸一个35t重的推进器,采用上式计算,药量为14.5kg

 

4螺旋桨一次性聚能切割、水压力惯性约束爆破解体技术

 

    螺旋桨材质一般为铜合金,也有铸钢件或不锈钢件,以上都是用氧一乙炔切割枪难以切割或不能切割的材料。但采用聚能爆炸水压力解体螺旋桨是一种成功的方法。

(1)     聚能管侵彻药包。它用于侵彻金属工件的预切口,其结构见图1

 

 

聚能管侵彻药包

 

    金属圆管的上半圆相当于金属罩,半圆形聚能穴的半径为R,下半圆的距离相当于炸高h0。圆管的壁厚d=0.07R,其两端密封防水,以便形成聚能稳定射流。

聚能切割药包和中心解体药包在螺旋桨推进器中的布置见图2

 

 

螺旋桨爆破解体药包布置

 

  (2)根据冲量公式,计算解体脆断药量:

 

式中  d----药包圆管壁厚;

H----药包高度;

N----推进器叶片数量;

      KID----推进器的动态应力强度因子;

      B----炸药冲量系数;

      CP----推进器材料的波速;

      a----预切口计算深度。

    经计算,爆炸解体的药量为:Q=2.95kg,实际爆炸时,取3蝇。

    (3)利用接触爆炸(将炸药紧压在预切口上),并且在桨心中央外加一个1kg的炸药包,以加长预切口的深度。每次爆破切口深度大约为0.10.15m

  (4)进行数次爆炸,即可将螺旋桨解体。

 

5爆炸灾害波及范围的验算

 

    与工程爆破相似,爆炸灾害大体上有空气冲击波、飞片及爆炸地震波三种,其波及范围计算如下。

5.1 空气冲击波波及范围

    爆炸水压力解体作业,属于浅水层爆破。

    当螺旋桨解体爆炸药量为3kg,工件没在水下0.5m深度时,经计算,距离爆源50m处,大气中的空气冲击波超压为AP=6×102Pa

5.2爆炸地震波强度

    爆炸切割水压力约束爆破解体时,引起的地表振动速度,可按振动冲量计算:

 

式中 v----垂直振动速度;

     I----爆炸振动冲量;

     R----爆点爆炸波及距离;

     KID----系数,对于岸坡水饱和土壤,取KB=6080

5.3螺旋桨飞片波及范围

    由于叶片附加质量很大,又是在水中爆破,飞片速度几乎趋近于零。所以,不必考虑其波及范围。

 

6结语

 

    19851990年的5年间,我们应用爆破拆船新技术共爆破23个推进器,合计612t铜合金以及船体的大型铜铸件1600t,均获得较好的爆破效果,未发生任何事故。