重大事故后果分析方法：爆炸

重大事故后果分析方法：爆炸

爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象。它通常借助于气体的膨胀来实现。

从物质运动的表现形式来看，爆炸就是物质剧烈运动的一种表现。物质运动急剧增速，由一种状态迅速地转变成另一种状态，并在瞬间内释放出大量的能。

一般说来，爆炸现象具有以下特征： (1)爆炸过程进行得很快；

(2)爆炸点附近压力急剧升高，产生冲击波； (3)发出或大或小的响声；

(4)周围介质发生震动或邻近物质遭受破坏。

一般将爆炸过程分为两个阶段：第一阶段是物质的能量以一定的形式(定容、绝热)转变为强压缩能；第二阶段强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起作用介质变形、移动和破坏。

按爆炸性质可分为物理爆炸和化学爆炸。物理爆炸就是物质状态参数(温度、压力、体积)迅速发生变化，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。物理爆炸的特点是：在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不发生变化，发生变化的仅是介质的状态参数。例如锅炉、压力容器和各种气体或液化气体钢瓶的超压爆炸。化学爆炸就是物质由一种化学结构迅速转变为另一种化学结构，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。例如可燃气体、蒸气或粉尘与空气混合形成爆炸性混合物的爆炸。化学爆炸的特点是：爆炸发生过程中介质的化学性质发生了变化，形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量。化学爆炸有3个要素：反应的放热性、反应的

快速性和生成气体产物。

从工厂爆炸事故来看，有以下几种化学爆炸类型：

(1)蒸气云团的可燃混合气体遇火源突然燃烧，是在无限空间中的气体爆炸；

(2)受限空间内可燃混合气体的爆炸；

(3)化学反应失控或工艺异常造成压力容器爆炸； (4)不稳定的固体或液体爆炸。

总之，发生化学爆炸时会释放出大量的化学能，爆炸影响范围较大，而物理爆炸仅释放出机械能，其影响范围较小。

1 物理爆炸的能量

物理爆炸如压力容器破裂时，气体膨胀所释放的能量(即爆破能量)不仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态有关。有的介质以气态存在，如空气、氧气、氢气等，有的以液态存在，如液氨、液氯等液化气体、高温饱和水等。容积与压力相同而相态不同的介质，在容器破裂时产生的爆破能量也不同，爆炸过程也不完全相同，其能量计算公式也不同。

1．1 压缩气体与水蒸气容器爆破能量

当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：

(1)

式中 Eg——气体的爆破能量，kJ； p——容器内气体的绝对压力，MPa； V——容器的容积，m3；

κ——气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比。 常用气体的绝热指数数值如表1所示。

表1 常用气体的绝热指数

从表1可看出，空气、氮、氧、氢及一氧化氮、一氧化碳等气体的绝热指数均为1．4或近似1．4，如用κ=1．4代入式(1)中，得到气体的爆破能量为：

(2)

Eg=CgV (3) 式中 Cg——常用压缩气体爆破能量系数，kJ／m3。

压缩气体爆破能量系数Cg是压力p的函数，各种常用压力下的气体爆破能量系数如表2所示。

表2 常用压力下的气体容器爆破能量系数(κ=1．4时)

如将κ=1．135代入式(1)，可得干饱和蒸汽容器爆破能量为：

(4)

用式4计算有较大的误差，因为没有考虑蒸汽干度的变化和其他一些影响，但可以不用查明蒸汽热力性质而直接计算，对危险性评价可提供参考。

对于常用压力下的干饱和蒸汽容器的爆破能量可按下式计算：

Es=CsV (5)

式中 Es——水蒸气的爆破能量，kJ； V——水蒸气的体积，m3；

Cs——干饱和水蒸气爆破能量系数，kJ／m3。

各种常用压力下的干饱和水蒸气容器爆破能量系数如表3所示。

表3 常用压力下干饱和水蒸气容器爆破能量系数

1．2 介质全部为液体时的爆破能量

通常用液体加压时所做的功作为常温液体压力容器爆炸时释放

的能量，计算公式如下：

(6)

式中 EL——常温液体压力容器爆炸时释放的能量，kJ； p——液体的压力(绝)，Pa； V——容器的体积，m3；

βt——液体在压力卢和温度T下的压缩系数，Pa—1。

1．3 液化气体与高温饱和水的爆破能量

液化气体和高温饱和水一般在容器内以气液两态存在，当容器破裂发生爆炸时，除了气体的急剧膨胀做功外，还有过热液体激烈的蒸发过程。在大多数情况下，这类容器内的饱和液体占有容器介质重量的绝大部分，它的爆破能量比饱和气体大得多，一般计算时不考虑气体膨胀做的功。过热状态下液体在容器破裂时释放出爆破能量可按下式计算：

E=[(H1—H2)—(S1—S2)T1]W (7)

式中 E——过热状态液体的爆破能量，kJ； H1——爆炸前液化液体的焓，kJ／kg； H2——在大气压力下饱和液体的焓，kJ／kg； S1——爆炸前饱和液体的，熵，kJ／(kg·℃)； S2——在大气压力下饱和液体的熵，kJ／(kg·℃)； T1——介质在大气压力下的沸点，℃； W——饱和液体时质量，kg。 饱和水容器的爆破能量按下式计算：

Ew=CwV (8)

式中 Ew——饱和水容器的爆破能量，kJ；

V——容器内饱和水所占的容积，m3；

Cw——饱和水爆破能量系数，kJ／m3，其值如表4所示。

表4 常用压力下饱和水爆破能量系数

2 爆炸冲击波及其伤害－破坏作用

2．1 冲击波超压的伤害－破坏作用

压力容器爆破时，爆破能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量3种形式表现出来。根据介绍，后二者所消耗的能量只占总爆破能量的3％～15％，也就是说大部分能量是产生空气冲击波。

冲击波是由压缩波迭加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传播的压缩波。容器破裂时，容器内的高压气体大量冲出，使它周围的空气受到冲击而发生扰动，使其状态(压力、密度、温度等)发生突跃变化，其传播速度大于扰动介质的声速，这种扰动在空气中传播就成为冲击波。在离爆破中心一定距离的地方，空气压力会随时间迅速发生而悬殊的变化。开始时，压力突然升高，产生一个很大的正压力，接着又迅速衰减，在很短时间内正压降至负压。如此反复循环数次，压力渐次衰减下去。开始时产生的最大正压力即是冲击波波阵面上的超压△p。多数情况下，冲击波的伤害一破坏作用是由超压引起的。超压△p可以达到数个甚至数十个大气压。

冲击波伤害一破坏作用准则有：超压准则、冲量准则、超压一冲

量准则等。为了便于操作，下面仅介绍超压准则。超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值时，便会对目标造成一定的伤害或破坏。超压波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用如表5和表6所示。

表5 冲击波超压对人体的伤害作用

表6 冲击波超压对建筑物的破坏作用

2．2 冲击波的超压

冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关，同时也与距离爆炸中心的远近有关。冲击波的超压与爆炸中心距离的关系：

△p∝R—n (9)

式中 △p——冲击波波阵面上的超压，MPa； R——距爆炸中心的距离，m； n——衰减系数。

衰减系数在空气中随着超压的大小而变化，在爆炸中心附近内为2．5～3；当超压在数个大气压以内时，n=2；小于1atm(0．1MPa)时，n=1．5。

实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果距离爆炸中心的距离R之比与炸药量q三次方根之比相等，则所产生的冲击波超压相同，用公式表示如下：

如

(10)

式中 R——目标与爆炸中心距离，m；

R0——目标与基准爆炸中心的相当距离，m； q0——基准爆炸能量，TNT，kg；

q——爆炸时产生冲击波所消耗的能量，TNT，kg； △p——目标处的超压，MPa； △p0——基准目标处的超压，MPa； α——炸药爆炸试验的模拟比。 式10也可写成为：

△p(R)=△p0(R／α) (11)

利用式11就可以根据某些已知药量的试验所测得的超压来确定在各种相应距离下任意药量爆炸时的超压。

表7是1 000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压。

表7 1 000k8TNT爆炸时冲击波超压

综上所述，计算压力容器爆破时对目标的伤害／破坏作用，可按下列程序进行。

(1)首先根据容器内所装介质的特性，分别选用式2～式8计算出其爆破能量正。

(2)将爆破能量q换算成TNT当量q0，因为1kg TNT爆炸所放出的爆破能量为4230 kJ／kg～4 836kJ／kg，一般取平均爆破为4 500kJ／kg，故其关系为：

q=E／qINT=E／4 500 (12) (3)按式10求出爆炸的模拟比α，即：

α=(q／q0)1/3=(q／1 000) 1/3=0．1q1/3 (13) (4)求出在1 000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0，即R0=R／α。 (5)根据R0值在表7中找出距离为R0处的超压△p0(中间值用插入法)，此即所求距离为R处的超压。

(6)根据超压△p值，从表5和表6中找出对人员和建筑物的伤害一破坏作用。

2．3 蒸气云爆炸的冲击波伤害一破坏半径

爆炸性气体以液态储存，如果瞬态泄漏后遇到延迟点火或气态储存时泄漏到空气中遇到火源，则可能发生蒸气云爆炸。导致蒸气云形成的力来自容器内含有的能量或可燃物含有的内能，或两者兼而有之。“能”主要形式是压缩能、化学能或热能。一般说来，只有压缩能和热能才能单独导致形成蒸气云。

根据荷兰应用科研院(TNO(1979))建议，可按下式预测蒸气云爆炸的冲击波损害半径：

R=Cs(NE)1/3 (14)

式中 R——损害半径，m；

E——爆炸能量，kJ，可按下式取：

E=VHc (15)

V——参与反应的可燃气体的体积m3；

Hc——可燃气体的高燃烧热值，取值情况如表8所示； N——效率因子，其值与燃料浓度持续展开所造成损耗的比例和燃料燃烧所得机械能的数量有关，一般取N=10％；

Cs——经验常数，取决于损害等级，其取值情况如表9所示。

表8 某些气体的高燃烧热值(kJ／m3)

表9 损害等级表

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