Experimental study on fracture mechanism of coal caused by supercritical CO2 explosion
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摘要: 为提高超临界CO2气爆低渗透煤层增透技术的应用水平，进一步研究超临界CO2气爆煤体致裂机理，利用自主研发的超临界CO2气爆装置，在多通道电液伺服相似材料试验台上，对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO2气爆实验，用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息，并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知，距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区，其形成机理为：超临界CO2冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波，介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏，形成粉碎区；应力波传播能量逐步衰减，不足以使介质产生压缩破坏，然而脆性材料抗压不抗拉，其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙，应力波之后具有准静态加载作用的高压CO2气体进入裂隙形成气楔，促使裂隙进一步发育和扩展，形成裂隙区；裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动，未发生明显破坏，即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减，裂隙的高速扩展发生在粉碎区，低速扩展发生在裂隙区；距离气爆孔越远，测点的峰值应变越小，相同距离内节理裂隙等结构面越复杂，峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。Abstract: In this study we carried out a series of experiments on large specimens (1 m×1 m×0.5 m) of coal and concrete using an explosive device and similar material test bench with multi-channel electro hydraulic servo to improve the application of the supercritical CO2 gas explosion in the low permeability coal seam and study the fracture mechanism of gas explosion. The internal deformation and failure information were recorded using a dynamic strain gauge, and fractures distribution in the blasting hole were observed using an industrial speculum. The gas explosion stress waves and the damage morphology after blasting show that damage areas from near to far are divided into a crushing zone, a cracking zone and a seismic zone. It is the corresponding formation mechanism that the supercritical CO2 impacts on the medium surrounding explosion hole, thereby forming the spherical wave, whose compressive strength is higher than that of the medium. Under the action of the radial compressive stress, the medium undergoes crushing destruction, and the crushing zone is thus formed. With the stress wave propagating, progressive attenuation of energy is not strong enough to cause the medium's compression failure. Brittle material is only good at resisting compression, but fails under tension. Circumferential stress generated by the stress waves still cause radial cracks. The high pressure CO2 gas with quasi-static loading action enters into fracture and forms a gas wedge that leads to the fracture's further development, called the forming of the cracking zone. Outside the cracking zone, the medium only vibrates under the low energy stress wave and no obvious damage occurs, and thus it is called the vibration area. The curve of the crack expansion velocity and distance from the gas explosion hole are in accordance with the "S" curve. High speed crack expansion occurs in the crushing zone, while the low velocity expansion occurs in the cracking zone. The farther away from the explosion hole, the smaller the peak strain of the measuring points, and the more complex the jointed fissure in the structure within the same distance; the greater the magnitude of the peak strain that decreases, the more different the strain waves.
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Key words:
- Supercritical-CO2 /
- gas explosion /
- fracture mechanism /
- shock wave
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锆是一种具有极强耐腐蚀性能的稀有金属, 其耐蚀性能优于不锈钢、钛和镍合金, 可用于硝酸、盐酸、过氧化氢以及氯化乙烯等化工产品的生产和存储装置。由于锆的价格昂贵, 所以通常将锆与钢复合后使用, 目前主要通过爆炸焊接技术来制备大面积的锆/钢复合板[1-2]。爆炸焊接是一种高能率固相焊接方法, 它是利用炸药爆轰驱动复板与基板高速撞击来实现焊接的。焊接后, 在复板与基板的结合面处会产生准正弦波形状的波纹, 称为界面波[3]。界面波是判断爆炸焊接结合强度的一个标准, 细小而规则的界面波表示基复板结合强度高, 无界面波或界面波过大, 则表示结合强度较差[4-5]。
锆与钢直接复合时, 容易形成脆硬的金属间化合物, 降低复合板的结合强度。因此复合时, 需要在锆与钢之间添加过渡层[6]。钛、锆为同族元素, 材料冶金性能相近, 两者爆炸复合不会产生金属间化合物, 而钛与钢的爆炸复合工艺成熟, 可充分保证结合质量, 所以本文选用钛作为锆/钢复合板的过渡层。
本文中, 拟对锆/钢和锆/钛/钢进行小倾角法爆炸焊接实验, 测量各结合界面的波形参数和剪切强度, 分析过渡层及退火处理对剪切强度的影响。另外, 采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)法模拟锆/钛/钢三层爆炸焊接, 计算碰撞速度和碰撞角, 获得锆/钛/钢最佳结合质量对应的最优爆炸焊接动态参数。
1. 小倾角爆炸焊接实验
小倾角法爆炸焊接实验是将复板和基板预置一定的角度, 一般为2°~6°, 使复板与基板的间距连续变化, 从而在不同加速距离下获得连续变化的碰撞速度和碰撞角[7], 实验装置如图 1所示。小倾角法可在一次实验中实现多组不同碰撞速度和碰撞角下的爆炸焊接, 适合进行爆炸焊接动态参数的优化。实验中采用的复板为Zr-3锆板, 基板为Q345钢板, 过渡层为TA1钛板。复板尺寸为400 mm×160 mm×3 mm, 基板尺寸为360 mm×160 mm×10 mm, 过渡层尺寸为360 mm×160 mm×2 mm。采用的炸药为改性铵油炸药, 装药密度0.84 g/cm3, 爆速2.6 km/s。
图 1 三层小倾角法爆炸焊接装置示意图Figure 1. The equipment of three-layer explosive welding at small angle锆/钢双层实验预置倾角为3°, 最大间距为19 mm, 装药厚度35 mm。锆/钛/钢三层实验的复板与过渡层间的预置倾角为3°, 最大间距为19 mm。过渡层与基板平行放置, 架高为8 mm。装药厚度为40 mm。各板间结合面均经抛光处理, 复板与炸药接触表面涂抹黄油防止烧蚀。
爆炸焊接后得到的锆/钢及锆/钛/钢复合板无空鼓和开裂, 表面无烧蚀, 经超声波检测其结合率为100%。在每块复合板上沿长度方向切割出360 mm×20 mm的长条, 再截断成40 mm长的小试样, 用于金相及剪切强度检测。
2. 结果与分析
2.1 波形参数
金属板爆炸焊接时会在结合界面形成界面波, 界面波的大小与爆炸复合板的结合强度有关。一般界面波细小时, 结合强度高, 无界面波或界面波粗大时, 结合强度低。界面波的大小可由波形参数来表示, 波形参数包括波长s、波高h和比波长s/h。
锆/钢复合板9个试样的界面波如图 2所示。可以看出, 试样1的结合界面平直无波纹, 试样2的左半部无波纹, 右半部开始出现细小波纹, 其他7个试样的结合界面都有波纹产生, 而且沿爆轰波传播方向界面波越来越明显。试样9的右半部没有界面波, 这是受爆炸焊接末端稀疏效应的影响所致。
为了测量各试样的波形参数, 在每个试样的中间位置, 对结合界面进行金相显微观察, 如图 3所示。可以看出, 试样1基本无界面波, 其余8个试样的界面波形状相似, 波长逐渐增大。在图 3中测量出界面波的波长和波高, 具体波形参数见表 1。图中的位置表示界面波波峰至起爆点的距离, 在距离起爆点60 mm处界面波的波长、波高和比波长均发生了突变, 说明开始产生界面波。此后随着远离起爆点, 波长和波高逐渐增加, 比波长先减小后增加。
表 1 复合板的波形参数Table 1. The interfacial wave parameters of the clad plates试样编号 s/mm h/mm s/h s/mm h/mm s/h s/mm h/mm s/h 锆/钢界面 锆/钛界面 钛/钢界面 1 0.189 0.011 17.18 0 0 0 0.500 0.111 4.50 2 0.511 0.133 3.84 0.120 0.110 1.09 0.889 0.200 4.45 3 1.056 0.278 3.80 0.222 0.167 1.33 0.833 0.189 4.41 4 1.444 0.411 3.51 0.389 0.278 1.40 1.111 0.222 5.00 5 1.944 0.711 2.73 0.445 0.333 1.34 1.278 0.278 4.60 6 2.111 0.833 2.53 0.556 0.389 1.43 1.444 0.333 4.34 7 2.333 0.722 2.23 0.611 0.444 1.38 1.611 0.333 4.84 8 2.444 0.822 2.97 0.667 0.500 1.33 1.667 0.333 5.00 9 2.833 0.777 3.64 0.844 0.510 1.65 1.889 0.333 5.67 采用同样方法测量锆/钛/钢试样的界面波波形参数。锆/钛/钢复合板包含2个界面, 锆/钛界面和钛/钢界面, 所以分别对2个界面进行金相显微观察, 然后将同一位置2个界面的图像合成在一起, 如图 4所示。由于篇幅所限, 只列举了1、6和9号试样。锆/钛界面在20 mm处无界面波, 在60 mm开始出现微小界面波, 此后波长和波高逐渐增加, 比波长为1.4左右。钛/钢界面在20 mm处就形成了界面波, 此后波长逐渐增加, 波高增加到0.333 mm后, 就不再变化, 其比波长值为5.0左右。锆/钛/钢复合板的波形参数见表 2。
表 2 复合板结合界面的剪切强度Table 2. The interfacial shear strength of clad plate试样编号 σs/MPa 锆/钛界面 钛/钢界面 锆/钢界面 爆炸态 退火态 爆炸态 退火态 爆炸态 退火态 1 57 41 63 185 47 160 2 77 68 124 180 110 160 3 103 94 150 193 138 166 4 115 101 163 163 147 132 5 142 121 155 191 144 157 6 155 131 164 217 148 179 7 124 110 158 183 143 165 8 84 78 166 156 146 131 9 51 46 133 131 115 112 2.2 剪切强度
爆炸复合板的结合强度是评价复合板质量的重要参数, 通常用剪切强度σs来表示。复合板的剪切强度一般根据GB/T 6396-2008[8]进行检测。按照该标准对锆/钢和锆/钛/钢试样进行加工, 复合板剪切强度检测装置及剪切后的试样如图 5所示。
各试样结合界面的剪切强度见表 2, 其中退火态是指经过退火处理消除了加工应力的试样, 退火温度为580 ℃, 保温1小时。爆炸态为没有经过退火处理的试样。从表 2可以看出, 退火后复合板结合界面的剪切强度降低约20%。
根据锆/钢复合板行业标准YST 777-2011[9]得知, 退火态锆/钢复合板结合界面的剪切强度应高于140 MPa。由表 2可以看出:在没有过渡层的情况下, 锆/钢复合板不同试样的退火态剪切强度均低于140 MPa; 而增加了过渡层后, 锆/钛/钢复合板的5、6和7号试样的锆/钛界面和钛/钢界面的剪切强度均高于140 MPa, 其中锆/钛/钢试样6在2个界面上的剪切强度均为最大值, 锆/钛界面的剪切强度为148 MPa, 钛/钢界面的剪切强度为179 MPa。这表明钛作为过渡层可提高锆/钢复合板的剪切强度, 使之达到行业标准要求。另外, 对比表 1可知:当锆/钛界面波波长约为0.5 mm, 钛/钢界面波波长约为1.5 mm时, 结合界面的剪切强度较高。
3. 数值模拟
为了获得小倾角实验的碰撞速度和碰撞角, 采用SPH法对锆/钛/钢三层爆炸焊接进行数值模拟。SPH法是一种拉格朗日无网格方法, 采用带有各种物理量的粒子构成离散计算域。任意粒子i的物理量fi可以通过其周围粒子插值得到。SPH法不用定义接触, 各材料的粒子就可实现相互作用。材料的变形不依赖网格, 能够避免有限元法的网格畸变, 因此被广泛应用于爆轰、侵彻等各种大变形问题的计算[10-11]。李晓杰等[12]和Wang Xiao等[13]将该方法用于爆炸焊接研究, 经与实验结果比较, 证明计算精度较高。
采用SPH法对锆/钛/钢小倾角法爆炸焊接进行数值模拟, 质点模型由5部分组成(见图 6):炸药、锆板、钛板、钢板和刚性壁, 其中刚性壁模拟爆炸焊接时钢板下方的垫板。爆炸焊接时架高的阻力可忽略不计, 所以模型中省略了架高。起爆点位于炸药左上角。由于是对整个爆炸焊接过程进行宏观模拟, 质点间距较大, 所以没有模拟出界面波。按照表 1中各试样的中点位置, 在锆板和钛板下表面依次各取9个点, 间隔均为40 mm, 计算得到各点的碰撞速度v和碰撞角β, 见表 3。
图 6 锆/钛/钢爆炸焊接的SPH模型Figure 6. The SPH model of explosive welding for Zr/Ti/steel clad plate表 3 锆/钛/钢界面的碰撞参数Table 3. Impact parameters for Zr/Ti/steel interface试样 v/(m·s-1) β/(°) v/(m·s-1) β/(°) 锆/钛界面 钛/钢界面 1 325 5.2 485 3.3 2 501 10.1 554 8.5 3 602 13.5 684 14.2 4 680 17.0 755 16.8 5 734 19.8 803 19.5 6 774 20.4 871 20.2 7 805 20.8 904 20.5 8 823 21.2 923 20.9 9 850 21.5 939 21.3 通过模拟, 得出了锆/钛/钢5、6和7号试样的碰撞速度和碰撞角。由此得到一组合理的锆/钛/钢碰撞参数, 即锆/钛界面的v为734~805 m/s, β为19.8°~20.8°; 钛/钢界面的碰撞速度为803~904 m/s, 碰撞角为19.5°~20.5°。
4. 结论
通过对锆/钛/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验及数值模拟, 得出如下结论:(1)钛板作为过渡层, 可显著提高锆/钢复合板的剪切强度。(2)小倾角实验可获得波长连续变化的界面波, 当锆/钛界面波波长约为0.5 mm, 钛/钢界面波波长约为1.5 mm时, 结合界面的剪切强度较高。(3)当锆/钛界面的碰撞速度为734~805 m/s, 碰撞角为19.8°~20.8°, 钛/钢界面的碰撞速度为803~904 m/s, 碰撞角为19.5°~20.5°时, 锆/钛/钢三层复合板的锆/钛和钛/钢界面的剪切强度都能高于140 MPa。
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图 10 裂纹扩展速度与到气爆孔距离关系
Figure 10. Curve of crack propagation velocity and distance to gas explosion hole
表 1 试件物理力学参数
Table 1. Physical mechanics parameters of samples
试件 E/GPa σt/MPa σc/MPa ρ/(kg·m-3) μ 原煤 3.2 0.52 4.57 1200 0.25 混凝土 5.2 0.45 4.32 2200 0.27 
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