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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。
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、,如用κ=(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=)
如将κ=(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
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。
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=[(H