爆炸后果分析

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、化學變化，也是大量能量在短時間內(nèi)迅速釋放或急劇轉(zhuǎn)化成機械功的現(xiàn)象。它通常借助于氣體的膨脹來實現(xiàn)。從物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式來看，爆炸就是物質(zhì)劇烈運動的一種表現(xiàn)。物質(zhì)運動急劇增速，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：(1)爆炸過程進行得很快；(2)爆炸點附近壓力急劇升高，產(chǎn)生沖擊波；(3)發(fā)出或大或小的響聲；(4)周圍介質(zhì)發(fā)生震動或鄰近物質(zhì)遭受破壞。一般將爆炸過程分為兩個階段：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)閺妷嚎s能；第二階段強壓縮能急劇絕熱膨脹對外做功，引起作用介質(zhì)變形、移動和破壞。按爆炸性質(zhì)可分為物理爆炸和化學爆炸。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爆炸就是物質(zhì)由一種化學結構迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N化學結構，在瞬間放出大量能量并對外做功的現(xiàn)象。例如可燃氣體、蒸氣或粉塵與空氣混合形成爆炸性混合物的爆炸?；瘜W爆炸的特點是：爆炸發(fā)生過程中介質(zhì)的化學性質(zhì)發(fā)生了變化，形成爆炸的能源來自物質(zhì)迅速發(fā)生化學變化時所釋放的能量?；瘜W爆炸有3個要素：反應的放熱性、反應的快速性和生成氣體產(chǎn)物。從工廠爆炸事故來看，有以下幾種化學爆炸類型：(1)蒸氣云團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；(2)受限空間內(nèi)可燃混合氣體的爆炸；(3)化學反應失控或工藝異常造成壓力容器爆炸；(4)不穩(wěn)定的固體或液體爆炸?？傊?，發(fā)生化學爆炸時會釋放出大量的化學能，爆炸影響范圍較大，而物理爆炸僅釋放出機械能，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，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，而且與介質(zhì)在容器內(nèi)的物性相態(tài)有關。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，其能量計算公式也不同。1．1壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量當壓力容器中介質(zhì)為壓縮氣體，即以氣態(tài)形式存在而發(fā)生物理爆炸時，其釋放的爆破能量為：(1)式中Eg——氣體的爆破能量，kJ；p——容器內(nèi)氣體的絕對壓力，MPa；V——容器的容積，m3；κ——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)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κ=1．4代入式(1)中，得到氣體的爆破能量為：(2)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)(κ=1．4時)如將κ=1．135代入式(1)，可得干飽和蒸汽容器爆破能量為：(4)用式4計算有較大的誤差，因為沒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)而直接計算，對危險性評價可提供參考。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)1．2介質(zhì)全部為液體時的爆破能量通常用液體加壓時所做的功作為常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，計算公式如下：(6)式中EL——常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，kJ；p——液體的壓力(絕)，Pa；V——容器的體積，m3；βt——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，當容器破裂發(fā)生爆炸時，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，一般計算時不考慮氣體膨脹做的功。過熱狀態(tài)下液體在容器破裂時釋放出爆破能量可按下式計算：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·℃)；S2——在大氣壓力下飽和液體的熵，kJ／(kg·℃)；T1——介質(zhì)在大氣壓力下的沸點，℃；W——飽和液體時質(zhì)量，kg。飽和水容器的爆破能量按下式計算：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)2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，爆破能量在向外釋放時以沖擊波能量、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，是波陣面以突進形式在介質(zhì)中傳播的壓縮波。容器破裂時，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，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介質(zhì)的聲速，這種擾動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，空氣壓力會隨時間迅速發(fā)生而懸殊的變化。開始時，壓力突然升高，產(chǎn)生一個很大的正壓力，接著又迅速衰減，在很短時間內(nèi)正壓降至負壓。如此反復循環(huán)數(shù)次，壓力漸次衰減下去。開始時產(chǎn)生的最大正壓力即是沖擊波波陣面上的超壓△p。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△p可以達到數(shù)個甚至數(shù)十個大氣壓。沖擊波傷害一破壞作用準則有：超壓準則、沖量準則、超壓一沖量準則等。為了便于操作，下面僅介紹超壓準則。超壓準則認為，只要沖擊波超壓達到一定值時，便會對目標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表6沖擊波超壓對建筑物的破壞作用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，同時也與距離爆炸中心的遠近有關。沖擊波的超壓與爆炸中心距離的關系：△p∝R—n(9)式中△p——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；當超壓在數(shù)個大氣壓以內(nèi)時，n=2；小于1atm(0．1MPa)時，n=1．5。實驗數(shù)據(jù)表明，不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時，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——目標與爆炸中心距離，m；R0——目標與基準爆炸中心的相當距離，m；q0——基準爆炸能量，TNT，kg；q——爆炸時產(chǎn)生沖擊波所消耗的能量，TNT，kg；△p——目標處的超壓，MPa；△p0——基準目標處的超壓，MPa；α——炸藥爆炸試驗的模擬比。式10也可寫成為：△p(R)=△p0(R／α)(11)利用式11就可以根據(jù)某些已知藥量的試驗所測得的超壓來確定在各種相應距離下任意藥量爆炸時的超壓。表7是1000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時所產(chǎn)生的沖擊波超壓。表71000k8TNT爆炸時沖擊波超壓綜上所述，計算壓力容器爆破時對目標的傷害／破壞作用，可按下列程序進行。(1)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計算出其爆破能量正。(2)將爆破能量q換算成TNT當量q0，因為1kgTNT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，故其關系為：q=E／qINT=E／4500(12)(3)按式10求出爆炸的模擬比α，即：α=(q／q0)1/3=(q／1000)1/3=0．1q1/3(13)(4)求出在1000kgTNT爆炸試驗中的相當距離R0，即R0=R／α。(5)根據(jù)R0值在表7中找出距離為R0處的超壓△p0(中間值用插入法)，此即所求距離為R處的超壓。(6)根據(jù)超壓△p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)泄漏后遇到延遲點火或氣態(tài)儲存時泄漏到空氣中遇到火源，則可能發(fā)生蒸氣云爆炸。導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?！澳堋敝饕问绞菈嚎s能、化學能或熱能。一般說來，只有壓縮能和熱能才能單獨導致形成蒸氣云。根據(jù)荷蘭應用科研院(TNO(1979))建議，可按下式預測蒸氣云爆炸的沖擊波損害半徑：R=Cs(NE)1/3