重大事故后果分析方法：爆炸

重大事故后果分析方法：爆炸爆炸是物質(zhì)的一種非常急劇的物理、化學(xué)變化，也是大量能量在短時(shí)間內(nèi)迅速釋放或急劇轉(zhuǎn)化成機(jī)械功的現(xiàn)象。它通常借助于氣體的膨脹來實(shí)現(xiàn)。從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式來看，爆炸就是物質(zhì)劇烈運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)急劇增速，由一種狀態(tài)迅速地轉(zhuǎn)變成另一種狀態(tài)，并在瞬間內(nèi)釋放出大量的能。一般說來，爆炸現(xiàn)象具有以下特征：爆炸過程進(jìn)行得很快；爆炸點(diǎn)附近壓力急劇升高，產(chǎn)生沖擊波；發(fā)出或大或小的響聲；周圍介質(zhì)發(fā)生震動(dòng)或鄰近物質(zhì)遭受破壞。一般將爆炸過程分為兩個(gè)階段：第一階段是物質(zhì)的能量以一定的形式(定容、絕熱)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)壓縮能；第二階段強(qiáng)壓縮能急劇絕熱膨脹對外做功，引起作用介質(zhì)變形、移動(dòng)和破壞。按爆炸性質(zhì)可分為物理爆炸和化學(xué)爆炸。物理爆炸就是物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)(溫度、壓力、體積)迅速發(fā)生變化，在瞬間放出大量能量并對外做功的現(xiàn)象。物理爆炸的特點(diǎn)是：在爆炸現(xiàn)象發(fā)生過程中，造成爆炸發(fā)生的介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化，發(fā)生變化的僅是介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。例如鍋爐、壓力容器和各種氣體或液化氣體鋼瓶的超壓爆炸?；瘜W(xué)爆炸就是物質(zhì)由一種化學(xué)結(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N化學(xué)結(jié)構(gòu)，在瞬間放出大量能量并對外做功的現(xiàn)象。例如可燃?xì)怏w、蒸氣或粉塵與空氣混合形成爆炸性混合物的爆炸?；瘜W(xué)爆炸的特點(diǎn)是：爆炸發(fā)生過程中介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，形成爆炸的能源來自物質(zhì)迅速發(fā)生化學(xué)變化時(shí)所釋放的能量。化學(xué)爆炸有3個(gè)要素：反應(yīng)的放熱性、反應(yīng)的快速性和生成氣體產(chǎn)物。從工廠爆炸事故來看，有以下幾種化學(xué)爆炸類型：蒸氣云團(tuán)的可燃混合氣體遇火源突然燃燒，是在無限空間中的氣體爆炸；受限空間內(nèi)可燃混合氣體的爆炸；化學(xué)反應(yīng)失控或工藝異常造成壓力容器爆炸；不穩(wěn)定的固體或液體爆炸?？傊l(fā)生化學(xué)爆炸時(shí)會釋放出大量的化學(xué)能，爆炸影響范圍較大，而物理爆炸僅釋放出機(jī)械能，其影響范圍較小。1物理爆炸的能量物理爆炸如壓力容器破裂時(shí)，氣體膨脹所釋放的能量(即爆破能量)不僅與氣體壓力和容器的容積有關(guān)，而且與介質(zhì)在容器內(nèi)的物性相態(tài)有關(guān)。有的介質(zhì)以氣態(tài)存在，如空氣、氧氣、氫氣等，有的以液態(tài)存在，如液氨、液氯等液化氣體、高溫飽和水等。容積與壓力相同而相態(tài)不同的介質(zhì)，在容器破裂時(shí)產(chǎn)生的爆破能量也不同，爆炸過程也不完全相同，其能量計(jì)算公式也不同。1．1壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量當(dāng)壓力容器中介質(zhì)為壓縮氣體，即以氣態(tài)形式存在而發(fā)生物理爆炸時(shí)，其釋放的爆破能量為：式中Eg——?dú)怏w的爆破能量，kJ；p——容器內(nèi)氣體的絕對壓力，MPa；V——容器的容積，m3；氣體的絕熱指數(shù)，即氣體的定壓比熱與定容比熱之比。常用氣體的絕熱指數(shù)數(shù)值如表1所示。表1常用氣體的絕熱指數(shù)代體需稱空f*氫甲烷乙規(guī)乙烯內(nèi)a1.41.4121JR1.22LJ31.^5二凰ft啟-ftitft二Hit熬ft吒ftH施和蒸汽K值1.2951.41.31L321.351.31.135L31從表1可看出，空氣、氮、氧、氫及一氧化氮、一氧化碳等氣體的絕熱指數(shù)均為1.4或近似1.4,如用K=1.4代入式(1)中，得到氣體的爆破能量為：x103(2)令C嚴(yán)-(匕罟』廣鋼殘叭則式6-43叮簡化為：Eg=CgV(3)式中Cg——常用壓縮氣體爆破能量系數(shù)，kJ/m3。壓縮氣體爆破能量系數(shù)Cg是壓力p的函數(shù)，各種常用壓力下的氣體爆破能量系數(shù)如表2所示。表2常用壓力下的氣體容器爆破能量系數(shù)(K=1.4時(shí))

如將K=1.135代入式(1),可得干飽和蒸汽容器爆破能量為：心杯"(罟*⑷用式4計(jì)算有較大的誤差,因?yàn)闆]有考慮蒸汽干度的變化和其他一些影響,但可以不用查明蒸汽熱力性質(zhì)而直接計(jì)算,對危險(xiǎn)性評價(jià)可提供參考。對于常用壓力下的干飽和蒸汽容器的爆破能量可按下式計(jì)算：Es=CsV(5)式中Es——水蒸氣的爆破能量，kJ；V——水蒸氣的體積，m3；Cs干飽和水蒸氣爆破能量系數(shù)，kJ/m3。各種常用壓力下的干飽和水蒸氣容器爆破能量系數(shù)如表3所示。表3常用壓力下干飽和水蒸氣容器爆破能量系數(shù)表壓力怙0.30.5U8IJ2.53.0C/kJ/m3)fl,37x831*L0115xfQ^2-75X[Qi6.24X10^7.77X!0a1.2介質(zhì)全部為液體時(shí)的爆破能量通常用液體加壓時(shí)所做的功作為常溫液體壓力容器爆炸時(shí)釋放的能量，計(jì)算公式如下：赳社-頁f—2⑹式中EL——常溫液體壓力容器爆炸時(shí)釋放的能量，kJ；Lp液體的壓力(絕)，Pa；V——容器的體積，m3；0t——液體在壓力盧和溫度T下的壓縮系數(shù)，Pa-1。1．3液化氣體與高溫飽和水的爆破能量液化氣體和高溫飽和水一般在容器內(nèi)以氣液兩態(tài)存在，當(dāng)容器破裂發(fā)生爆炸時(shí)，除了氣體的急劇膨脹做功外，還有過熱液體激烈的蒸發(fā)過程。在大多數(shù)情況下，這類容器內(nèi)的飽和液體占有容器介質(zhì)重量的絕大部分，它的爆破能量比飽和氣體大得多，一般計(jì)算時(shí)不考慮氣體膨脹做的功。過熱狀態(tài)下液體在容器破裂時(shí)釋放出爆破能量可按下式計(jì)算：E=[(H1—H2)—(S1—S2)T1]W(7)式中E——過熱狀態(tài)液體的爆破能量，kJ；H1——爆炸前液化液體的焓，kJ/kg；H2——在大氣壓力下飽和液體的焓，kJ/kg；S1——爆炸前飽和液體的，熵，kJ/(kg?°C)；S2在大氣壓力下飽和液體的熵，kJ/(kg?C)；￡介質(zhì)在大氣壓力下的沸點(diǎn)，C；W——飽和液體時(shí)質(zhì)量，kg。飽和水容器的爆破能量按下式計(jì)算：Ew=CwV(8)式中Ew——飽和水容器的爆破能量，kJ；V——容器內(nèi)飽和水所占的容積，m3；Cw——飽和水爆破能量系數(shù)，kJ/m3，其值如表4所示。表4常用壓力下飽和水爆破能量系數(shù)0-30-50.8—/32.5to能墨系數(shù)2.58k3.25X104635xio-1乳弘hur*L.Ofix|fls2爆炸沖擊波及其傷害－破壞作用2．1沖擊波超壓的傷害－破壞作用壓力容器爆破時(shí)，爆破能量在向外釋放時(shí)以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來。根據(jù)介紹，后二者所消耗的能量只占總爆破能量的3%~15%,也就是說大部分能量是產(chǎn)生空氣沖擊波。沖擊波是由壓縮波迭加形成的，是波陣面以突進(jìn)形式在介質(zhì)中傳播的壓縮波。容器破裂時(shí)，容器內(nèi)的高壓氣體大量沖出，使它周圍的空氣受到?jīng)_擊而發(fā)生擾動(dòng)，使其狀態(tài)（壓力、密度、溫度等）發(fā)生突躍變化，其傳播速度大于擾動(dòng)介質(zhì)的聲速，這種擾動(dòng)在空氣中傳播就成為沖擊波。在離爆破中心一定距離的地方，空氣壓力會隨時(shí)間迅速發(fā)生而懸殊的變化。開始時(shí)，壓力突然升高，產(chǎn)生一個(gè)很大的正壓力，接著又迅速衰減，在很短時(shí)間內(nèi)正壓降至負(fù)壓。如此反復(fù)循環(huán)數(shù)次，壓力漸次衰減下去。開始時(shí)產(chǎn)生的最大正壓力即是沖擊波波陣面上的超壓Ap。多數(shù)情況下，沖擊波的傷害一破壞作用是由超壓引起的。超壓Ap可以達(dá)到數(shù)個(gè)甚至數(shù)十個(gè)大氣壓。沖擊波傷害一破壞作用準(zhǔn)則有：超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、超壓一沖量準(zhǔn)則等。為了便于操作，下面僅介紹超壓準(zhǔn)則。超壓準(zhǔn)則認(rèn)為，只要沖擊波超壓達(dá)到一定值時(shí)，便會對目標(biāo)造成一定的傷害或破壞。超壓波對人體的傷害和對建筑物的破壞作用如表5和表6所示。表5沖擊波超壓對人體的傷害作用怖害柞用|超壓/MPa冊害作用輕磁損飭0.05-0.10內(nèi)臟嚴(yán)霍揚(yáng)暢說死亡0.03-0.05聽覺器官挹佚或脅析>0.20大鄙井人員死亡表6沖擊波超壓對建筑物的破壞作用趙壓A/J^MPa燮壞柞用觀壓A^/MPa談壞作用(1005-G4W6門窗軌聘懈分破琲0.<16-0.(17木建氛廠房唐注折斷.審熬松動(dòng)0.006-0.015受壓面的門閔琥璃大部分礦障G.07~0.IO磚K用埸0.015-1.02srsffl壞010~0r2fl防鋼審鹿凝土臟瞅小虜勾倒増0.02-003塔裂饕(1.20?0.30大型轉(zhuǎn)鑒結(jié)構(gòu)臟壞O.O4-G.O5堪大裂2．2沖擊波的超壓沖擊波波陣面上的超壓與產(chǎn)生沖擊波的能量有關(guān)，同時(shí)也與距離爆炸中心的遠(yuǎn)近有關(guān)。沖擊波的超壓與爆炸中心距離的關(guān)系：△p*R-n(9)式中Ap——沖擊波波陣面上的超壓，MPa；R——距爆炸中心的距離，m；n——衰減系數(shù)。衰減系數(shù)在空氣中隨著超壓的大小而變化，在爆炸中心附近內(nèi)為2.5?3；當(dāng)超壓在數(shù)個(gè)大氣壓以內(nèi)時(shí)，n=2；小于latm(0.1MPa)時(shí)，n=1.5。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時(shí)，如果距離爆炸中心的距離R之比與炸藥量q三次方根之比相等，則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同，用公式表示如下：如(10)式中R——目標(biāo)與爆炸中心距離，m；R0——目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的相當(dāng)距離，m；q0——基準(zhǔn)爆炸能量，TNT,kg；q——爆炸時(shí)產(chǎn)生沖擊波所消耗的能量，TNT,kg；△p——目標(biāo)處的超壓，MPa；△p0——基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓，MPa；a——炸藥爆炸試驗(yàn)的模擬比。式10也可寫成為：△p(R)=F0(R/a)(11)利用式11就可以根據(jù)某些已知藥量的試驗(yàn)所測得的超壓來確定在各種相應(yīng)距離下任意藥量爆炸時(shí)的超壓。表7是1000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波超壓。表71000k8TNT爆炸時(shí)沖擊波超壓567891012142.942.061.671.270.950.760.500-33距離14202530354045超壓02350!7012?012600570.04300330.027軍離Ra/m5050606570750.02350.02050.U18o?St?0.0U30.013

綜上所述，計(jì)算壓力容器爆破時(shí)對目標(biāo)的傷害／破壞作用，可按下列程序進(jìn)行。首先根據(jù)容器內(nèi)所裝介質(zhì)的特性，分別選用式2?式8計(jì)算出其爆破能量正。將爆破能量q換算成TNT當(dāng)量q0，因?yàn)?kgTNT爆炸所放出的爆破能量為4230kJ/kg?4836kJ/kg,一般取平均爆破為4500kJ/kg，故其關(guān)系為：q=E/qINT=E/4500(12)按式10求出爆炸的模擬比a,即：a=(q/q0)1/3=(q/1000)1/3=0.iq1/3(13)⑷求出在1000kgTNT爆炸試驗(yàn)中的相當(dāng)距離R0,即R0=R/a。根據(jù)R0值在表7中找出距離為R0處的超壓厶p0(中間值用插入法)，此即所求距離為R處的超壓。根據(jù)超壓Ap值，從表5和表6中找出對人員和建筑物的傷害一破壞作用。2.3蒸氣云爆炸的沖擊波傷害一破壞半徑爆炸性氣體以液態(tài)儲存，如果瞬態(tài)泄漏后遇到延遲點(diǎn)火或氣態(tài)儲存時(shí)泄漏到空氣中遇到火源，則可能發(fā)生蒸氣云爆炸。導(dǎo)致蒸氣云形成的力來自容器內(nèi)含有的能量或可燃物含有的內(nèi)能，或兩者兼而有之。“能”主要形式是壓縮能、化學(xué)能或熱能。一般說來，只有壓縮能和熱能才能單獨(dú)導(dǎo)致形成蒸氣云。根據(jù)荷蘭應(yīng)用科研院(TNO(1979))建議，可按下式預(yù)測蒸氣云爆炸的沖擊波損害半徑：R=Cs(NE)1/3(14)式中R——損害半徑，m；(15)(15)E——爆炸能量，kJ,可按下式取:E=VHcV——參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w的體積m3；He——可燃?xì)怏w的高燃燒熱值，取值情況如表8所示；N——效率因子，其值與燃料濃度持續(xù)展開所造成損耗的比例和燃料燃燒所得機(jī)械能的數(shù)量有關(guān)，一般取N=10%；Cs——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取決于損害等級，其取值情況如