Safety Assessment and Protection
Measures for Explosion Welding

Duan Weidong
(Beijing Institute of Technology) 　　Abstract　　According to characteristics of the explosion welding, the safety problems of vibration,hazardous gases and noise involved in the process are analyzed,and a calculation equation is provided.Respective safty protection measures are given to different hazards.
　　Key words：　Explosion welding　Safety distance　Oxygen balance　Superpressure 1　引　言
　　爆炸焊接是利用炸药的能量，将两件（或多件）复合材料，在爆轰波作用下，实现高速斜碰撞而焊接在一起［1］。爆炸焊接作为一种特种焊接技术，在国防、航空、航天、石油、化工、机械制造等许多领域得到了广泛的应用。爆炸焊接最突出的特点是：可将性能差异极大、用通常方法很难熔焊在一起的金属焊接在一起；爆炸焊接结合面的强度很高，往往比母体金属中强度较低的母体材料的强度还高。但爆炸焊接与其他爆破工程一样，因为是以炸药为能源，所以也存在有爆炸地震波、爆破毒气、爆破噪音等安全方面的问题。作者结合爆炸焊接的特点，对这些安全问题作一些分析和探讨，并分别提出相应的安全防护措施。
　　
2　爆炸焊接中地震波的安全校核和安全防护
　　爆炸震动是爆炸的主要危害之一。爆炸焊接一次起爆药量大，因此，对爆炸焊接地震波的校核和防护就显得格外重要。
　　
2.1　爆炸焊接震动安全距离的计算
　　根据萨道夫斯基公式［2］，爆破震动的安全距离R为：

式中，R—安全距离，m；v—质点允许最大震动速度，cm/s；W—爆炸焊接的一次用药量，kg；k,α—与地质条件有关的系数，介质为岩石时k=30～70,为土质时k=150～250,一般取α=1.5；
　　
2.2　爆炸焊接震动的安全防护措施
　　为了减小爆炸焊接中爆破震动对周围环境的危害，通常情况下，主要采取两种措施：
　　1)　在爆炸焊接作业点挖一、二米左右深的基坑，在基坑中填以松土和细沙，将基板置于松土和细沙之上。爆炸焊接时，基复板向下运动的能量将有较大一部分被松土和细沙所吸收，使之不能向外传播；同时，细沙和松土对表面波的传播也不利，可以降低表面波的传播能量。
　　2)　在距爆炸焊接施工点20米的范围处挖设宽1米、深2.5米左右的防震沟。为防止爆炸焊接时将沟震塌，可在沟中填以稻草、废旧泡沫塑料等低密度、高空隙率的物质。防震沟可截断一部分地震波、特别是表面波的传播通道，明显地降低爆破地震波对周围环境的影响。
　　
3　爆炸焊接中的毒气及其防护措施
　　因为爆炸焊接是裸露爆破，爆炸产生的毒气不受阻碍地向四周传播，所以在进行连续爆炸焊接作业时，必须考虑毒气对周围环境的影响。
　　
3.1　爆炸焊接毒气产生的原因
　　1)　炸药为非零氧平衡炸药：当炸药为负氧平衡时，由于氧量不足，CO2易被还原成CO； 当炸药为正氧平衡时，多余的氧原子在高温、高压下易同氮原子结合生成氮氧化物。
　　2)　爆炸反应的不完全性：由于炸药组成成分的配比是按反应完全的情况确定的，而当炸药受潮或混合不均匀时，实际炸药爆轰往往有部分反应不完全，爆轰产物偏离预期的结果，这样必将产生较多的有毒气体。
　　3)　炸药与其他组分的作用：爆炸焊接时，一般用硬纸板、塑料板或木板做成装药框；另外，为了保护复板表面，常常用油毡、橡胶、黄油等作缓冲层，盖涂在复板表面，以使其不直接与炸药接触。当炸药爆炸时，这些可燃物质就会与爆轰产物作用而产生有毒气体。
　　4)　毒气的种类：爆炸焊接产生毒气的种类与炸药的种类、炸药的受潮程度、药框及缓冲层的材料等有关。当使用硝铵类炸药时，一般会生成：NO、NO2、N2O3、H2S、CO和少量的HCl等有毒气体。

3.2　爆炸毒气的传播规律
　　爆炸毒气的扩散可视为瞬时点源的扩散,其物理模型如图1所示。以爆源为中心，设一直角坐标系，取风向为x轴方向，则下风向任一位置处有毒气体的浓度为［3］：

式中，x, y, z—测点的坐标，m；C(x,y,z)—测点有毒气体的浓度，L/m3；u—沿x轴方向的平均风速，m/s；t—扩散时间，s；σx ,σy ,σz—扩散系数，m；ζ—爆破毒气释放系数；b—每公斤炸药产生的有毒气体量(折合CO), L/kg。

图1　毒气的瞬时点源扩散模型

3.3　爆炸焊接毒气的防护
　　在不采取任何措施的情况下，爆炸焊接产生的灰尘和气体呈蘑菇状，可以冲起二、三十米高，随风飘出一、二千米之外。对爆炸焊接产生毒气的防护方法有：
　　1)　采用混合均匀的零氧平衡炸药，使爆炸产生的有毒气体量降低到最少。
　　2)　避免使用受潮的炸药，同时采用高能炸药（如TNT、RDX等）作起爆药柱，加强起爆能，确保炸药反应完全。
　　3)　在爆炸焊接作业点安装自动喷雾洒水装置。在爆炸焊接完成的瞬间，立即进行喷雾洒水，能大大抑制爆炸毒气及灰尘的产生和扩散。
　　
4　爆炸焊接中的噪音及其防护
　　在爆炸焊接时，炸药裸露空气在中爆炸，无覆盖，故产生的噪音远比同当量地下药包大。
　　
4.1　爆炸焊接噪音的评估
　　噪音的声压级与声压的关系为［2］：

式中，LP—噪音的声压级，dB；p0—基准声压，p0=2×10-5pa；p—有效声压，pa ；对p有［2］：

式中，t—时间，s；τ—某定点处超压的持续时间，s；Δp(t)—某定点处超压随时间的关系，pa；
　　对τ有［4］：

　　对Δp(t)有［4］：

式中，λ—衰减系数，—某固定点处的最大超压，pa。
　　对Δpφ有［2］：

式中，——折合距离，对有［4］：

式中，R—测点距爆心的距离，m；W—爆炸焊接一次用药量，kg。
　　若给出一次爆炸焊接的用药量W和测点距离R，由公式(8)、(7)可以求得和，代入(5)可求得τ，将τ和代入（6）式可求得Δp(t)的表达式，将Δp(t)代入(4)式可以求出P，再将有效声压P代入（3）式就可以求出测点处爆炸焊接产生的噪音的大小。
　　
4.2　爆炸焊接噪音的防护
　　爆炸焊接是裸露爆破，且用药量大而集中，故其防护比较困难，通常采用的防护措施有：
　　1)　安排合理的作业时间，避免在早晨或深夜进行爆炸焊接作业，以减少扰民和大气效应所引起的噪声增加。
　　2)　对因工作需要，不可能撤离爆炸点很远的现场工作人员，可戴耳塞或耳罩进行防护。
　　3)　必要时，可挖设一深坑，将爆炸焊接装置置于坑中，装药完成后，用废旧胶等将坑封口，胶带上覆盖以湿土或湿沙（注意土或沙中不能夹杂小石子）。
　　
5　爆炸焊接过程中的冲击波和飞石
　　爆炸焊接作业地点通常都选在远离居民区的偏远地带，当考虑了噪音的影响，也考虑了冲击波的效应后，一般不再重复考虑冲击波的效应。唯一应注意的是：起爆时，所有施工人员都应撤离到以冲击波安全距离所确定的警戒线之外，以免发生冲击波伤人事故。
　　由于爆炸焊接时，炸药是裸露在空气中的，且与装药下表面接触的为金属复板，因此爆炸焊接中，一般不会产生飞石，但应注意，切忌用碎石或铁丝等堆积、缠绕在装药框周围，否则这些固体硬物可能飞出，造成伤人、毁物之恶果。
　　
6　结　论
　　爆炸焊接作为一种特种焊接技术，其装药形式和一般土石方爆破有很大的区别，其爆破时对周围环境产生的危害也有自己的特点。若与土石方爆破相比较，则爆炸焊接的毒气、噪音、地震波危害较大而飞石危害较小。因此，在选择爆炸焊接作业点或进行爆炸焊接的安全性校核时，首先要用一次爆炸焊接的最大用药量对地震波、毒气、噪音进行计算，并与《爆破安全规程》中国家标准的允许值相比较。必要时就需采取种种防护措施。

作者简介：段卫东，博士
作者单位：北京理工大学爆炸与安全科学国家实验室
作者地址：北京理工大学爆炸与安全科学国家实验室；邮编：100081 参考文献

　　1　邵丙璜、张　凯. 爆炸焊接原理及其应用. 大连: 大连工学院出版社, 1987:3～5.
　　2　钟冬望、林大泽等. 爆炸安全技术. 武汉: 武汉工业大学出版社, 1992:33～67.
　　3　钟冬望，段卫东等. 露天爆破毒气传播规律探讨. 工程爆破，1999,5(1):63～66.
　　4　J.亨利奇著, 熊建国等译. 爆炸动力学及其应用. 北京: 科学出版社, 1987:129～133.