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　　【摘　要】從工業(yè)生產(chǎn)中的介質(zhì)類型出發(fā)，通過對內(nèi)裝固體介質(zhì)、液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)裝置可能發(fā)生的爆炸事故和破壞效應進行分析預測，編制了相應的分析流程圖。結(jié)果表明無論從哪種介質(zhì)出發(fā)進行分析，最終的爆炸事故模式只有凝聚相爆炸、氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣云爆炸及各類形式的容器爆炸。簡要分析了幾種事故模式破壞效應的最佳計算模型。最后應用實例，證明了所做的分析預測和編制的流程圖可以很好的應用于事故模式中爆炸源性質(zhì)及其破壞效應的判斷，是對爆源的一個定性分析，是爆炸能量計算的重要依據(jù)。筆者的研究對企業(yè)的安全生產(chǎn)及爆炸事故的預防也具有較好的指導意義。

　　【關(guān)鍵詞】工業(yè)過程；爆炸事故；爆炸模式；破壞效應

　　0引言

　　2004年4月15日晚，重慶天原化工總廠發(fā)生氯氣泄漏，后在搶險過程中廠方違規(guī)操作，讓工人用機器從氯罐向外抽氯氣以加快排放速度，結(jié)果導致罐內(nèi)溫度升高，引發(fā)爆炸，造成9人失蹤死亡，3人受傷，15萬名群眾被疏散。2005年11月3日，中石化吉林石化公司雙苯廠苯胺裝置硝化單元Ｐ-102塔發(fā)生堵塞，因處理不當引發(fā)著火爆炸，造成數(shù)十人死傷，數(shù)萬人緊急疏散，松花江水體被污染，哈爾濱市停水數(shù)天，引起了巨大的社會恐慌。2006年7月28日，江蘇射陽縣氟源化工廠一車間在投料調(diào)試過程中反應釜發(fā)生爆炸，造成22人死亡、29人受傷、7000多人緊急疏散。

　　此類惡性事故不勝枚舉［1—3］。因此，對工業(yè)過程爆炸事故模式及其破壞效應進行研究，分析裝置內(nèi)不同介質(zhì)在不同的觸發(fā)條件下可能發(fā)生的災害，提取最終的爆炸事故模式，研究與不同爆炸模式相對應的破壞效應計算模型，對于今后指導安全生產(chǎn)，防止此類事故的再次發(fā)生具有重要意義。另外，該研究還可以為爆炸事故評估調(diào)查、抗爆和抗沖擊設(shè)計中爆炸源性質(zhì)的判斷（例如：高級炸藥、爆裂的壓力容器、蒸氣云霧、爆炸性粉塵等），爆炸能量的計算、爆炸事故分析等提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

　　1爆炸源的基本形式及特點

　　爆炸是物質(zhì)的一種急劇的物理、化學變化。在變化過程中伴有物質(zhì)所含能量的快速釋放，變?yōu)閷ξ镔|(zhì)本身、變化產(chǎn)物或周圍介質(zhì)的壓縮能或運動能，具有很大的破壞作用。根據(jù)爆炸源本身的體積對爆炸過程的影響程度，可將爆炸源分為理想爆源和非理想爆源。

　　1.1理想爆源

　　所謂理想爆源是指點爆炸源。它具有3個顯著特征［4］：

　　1）能量密度大，爆源體積可忽略不計，可視為點源。

　　2）爆炸過程中，能量的釋放是瞬時的，即點火后的瞬間爆炸壓力就達到其最大值。

　　3）爆源區(qū)壓力高，爆炸產(chǎn)生的沖擊波初始壓力可達50MPa量級，爆炸破壞的主要形式是由空氣沖擊波造成的，其破壞作用范圍可達50倍對比距離以上。

　　 （1）

　　式中，——對比距離；——離爆心的距離，m；——爆源的質(zhì)量，kg。

　　理想爆源的爆炸場可用相似理論計算。凝聚相炸藥爆炸和核爆炸是人們最熟悉的理想爆源的爆炸形式。

　　1.2非理想爆炸源

　　不符合理想爆炸源特點的爆源統(tǒng)稱為非理想爆源。非理想爆源的能量密度遠遠低于凝聚相炸藥，爆源半徑R0與爆炸源特征長度L0之比約為0.1～0.5數(shù)量級［5］，能量釋放速率也遠遠小于凝聚相炸藥。這種爆炸不能再用點源爆炸模型進行研究，而必須采用與凝聚相炸藥爆炸不同的研究方法和實驗手段研究［5—6］。

　　2工業(yè)過程爆炸事故模式及其傷害程度分析

　　工業(yè)生產(chǎn)大致可分為生產(chǎn)、儲存和運輸3個部分。根據(jù)工藝要求，各部分會存在不同程度的危險，通常可能發(fā)生的主要災害事故有火災、爆炸和泄漏擴散，相應存在的傷害模式為熱輻射傷害、沖擊波傷害、毒物傷害。這幾種傷害模式可以單獨作用也可混合作用，主要取決于事故模式和介質(zhì)類型。筆者以介質(zhì)類型作為基準進行事故模式的分類，從而得到相應的傷害模式及其危害程度［4,7—9］。

　　工業(yè)生產(chǎn)中的介質(zhì)類型一般分為固體、液體和氣體，當也可能存在氣液、氣固、固液、氣液固共存的情況，這些情況的處理辦法通常采用折算或取影響最大的介質(zhì)狀態(tài)考慮，當然也可以將各種介質(zhì)分開考慮其危險性。筆者把介質(zhì)分為固、液、氣三態(tài)進行研究。

　　2.1內(nèi)裝固體介質(zhì)裝置爆炸分析

　　對于固體介質(zhì)而言，首先判斷介質(zhì)是否屬于易爆物質(zhì)，包括單體分解爆炸性物質(zhì)和混合爆炸性物質(zhì)。對于這類爆炸性物質(zhì)，如果在操作過程中，出現(xiàn)高溫、明火、振動、撞擊等不同形式的觸發(fā)條件，則會引發(fā)易爆化合物的爆炸；如果在整個操作過程中確保不會出現(xiàn)各類觸發(fā)條件，則裝置是安全的。

　　如果經(jīng)判斷固體物質(zhì)并非爆炸性物質(zhì)，則看固體物質(zhì)是否呈顆粒粉末狀。如果是，則需要繼續(xù)判斷這種粉末狀物質(zhì)在操作過程中是否會因為壓力突變、高速流動等原因而飛揚起來，即是否受到擾動，形成粉塵。若形成粉塵，且此時操作空間存在一定濃度的助燃性氣體，則在一定的點火條件（如明火、靜電等）下會發(fā)生粉塵爆炸；如果粉塵不可燃，則判斷是否被人員吸入，如果吸入，則會導致粉塵傷害。如果粉末狀物質(zhì)在操作過程中沒有遇到任何擾動條件，則跟非粉末固體一樣判斷其是否可燃，如果可燃，則在助燃氣體和點火源的情況下會引發(fā)火災。具體分析預測見圖1。

　　2.2內(nèi)裝液體介質(zhì)裝置爆炸分析

　　對于液相介質(zhì)，如果液體本身為過熱狀態(tài)，則會因為其在正常環(huán)境下不穩(wěn)定的性質(zhì)而具有相對較高的危險性。過熱液體的儲存一般分為兩種情況，即高壓常溫和常壓低溫，這兩種情況所具有的危險性是不同的，所以分開考慮。

　　對于高壓常溫下的過熱液體，如果因外熱源、容器強度下降等原因，使得容器內(nèi)壓力相對容器本身的承載能力下降，則可能會導致容器破裂，這樣的破裂通常發(fā)生在氣相部分。如果氣相裂口很大，則容器內(nèi)的高壓迅速下降，使得容器內(nèi)的液相介質(zhì)迅速處于低壓過熱狀態(tài)，液體立刻全面沸騰，產(chǎn)生高于原始壓力數(shù)倍的高壓，立即破壞容器，產(chǎn)生爆炸效應，即所謂的平衡破壞型蒸氣爆炸。爆炸發(fā)生后有可能部分液體不能蒸發(fā)，形成液池；也有可能所有的液體都變成氣態(tài)彌散在空中。在空中的氣團如果立刻遇到點火源，則會形成所謂的沸騰液體擴展蒸氣云爆炸；如果在空中的氣團沒有立刻遇到點火源，則會按照一定的模式進行擴散。如果蒸氣屬于重氣，則按照重氣模型進行擴散；如果是非重氣，則按照高斯煙團模型進行擴散。不管是何種擴散模型，在遇到點火源的情況下，都可能會導致氣云爆炸的發(fā)生。對于在正常環(huán)境下不可燃的蒸氣，如液氮等，則要考慮其擴散引起的毒性和窒息作用。在容器周圍形成的液池在點燃源或由氣云爆炸引起的熱量的作用下，會引發(fā)池火災事故。

 

圖1內(nèi)裝固體介質(zhì)裝置爆炸事故分析預測流程圖

　　上面討論的是由外因或內(nèi)因破壞產(chǎn)生大裂口的情況下的災害事故，對于小裂口情況，則災害事故又不相同。產(chǎn)生的小裂口由于面積不夠大，器內(nèi)壓力不能迅速釋放，所以不會產(chǎn)生平衡破壞型蒸氣爆炸。如果裂口出現(xiàn)在氣相部分，則高壓的氣體從裂口噴出，若遇到點火源，則會引發(fā)噴射火事故，這樣的噴射火往往會成為周圍容器的外熱源，引起周圍容器發(fā)生如上分析的破壞事故。如果在噴射時沒有遇到點火源，則噴出的氣體會在空中擴散，發(fā)生與上述情形類似的擴散―爆炸模式。如果裂口發(fā)生在液相，由于液體的揮發(fā)，遇到點火源，同樣會導致噴射火事故，遇不到點火源，除了在空中揮發(fā)，還有一部分液體可能會形成液池，這樣的情況前面也已經(jīng)討論過。

　　對于常壓低溫的過熱液體，往往不會發(fā)生平衡破壞型蒸氣爆炸，如果因外因或內(nèi)因?qū)е氯萜髌屏眩�介質(zhì)外泄，相似于高壓低溫液體，發(fā)生蒸發(fā)以及形成液池。這種情況下，由于傳熱發(fā)生時一般并不能有很快的速度，所以，過熱液體一般不會發(fā)生大規(guī)模的整體蒸氣爆炸。但如果外泄的介質(zhì)遇到穩(wěn)定的大面積的熱載體，如液化氣泄漏在海面上，在一定的溫差范圍內(nèi)，由于核沸騰與表面沸騰之間轉(zhuǎn)變的不穩(wěn)定性，使得過熱液體發(fā)生迅速的蒸發(fā)，引發(fā)所謂的傳熱形蒸氣爆炸。這樣，發(fā)生的情形與前面高壓常溫的情況相似，不再贅述。具體分析預測見圖2。

　　2.3內(nèi)裝氣體介質(zhì)裝置爆炸分析

　　對于氣相介質(zhì)，其危害性主要分為氣體外泄后引起的擴散、毒害、火災、爆炸事故和容器內(nèi)發(fā)生氣云爆炸。這幾種災害形式的關(guān)鍵主要在于氣體在容器中的壓力狀態(tài)，一般只有容器內(nèi)介質(zhì)處于負壓的情況下才會發(fā)生器內(nèi)氣云爆炸事故，當然也有可能由于操作上的原因?qū)е缕鲀?nèi)爆炸環(huán)境的形成，如誤操作引起助燃氣體充入器內(nèi)可燃氣體環(huán)境中，這時候如果在器內(nèi)發(fā)生靜電、金屬物撞擊火花以及明火等點火源，則會引起容器內(nèi)的氣云爆炸事故。

　　工業(yè)生產(chǎn)中，一般使用氣體作為介質(zhì)的反應器或者儲存容器均采用正壓參數(shù)，所以在固定作業(yè)中，發(fā)生器外事故的可能性遠遠超過器內(nèi)事故，但在非固定作業(yè)中，如檢修、清洗等作業(yè)中，往往由于氣體介質(zhì)的殘留會發(fā)生器內(nèi)事故。對于器外事故，其發(fā)生的前提是物質(zhì)的外泄，即需要容器上出現(xiàn)出氣口，一般出氣口可以分為人為排氣口和事故裂口。人為排氣口如儲罐上的呼吸閥，氣瓶上的爆破片等人為設(shè)置的為防止容器內(nèi)壓超高的安全裝置。事故裂口則包括因為內(nèi)壓升高、容器腐蝕、受損等原因引起的事故性裂口，如果內(nèi)壓上升過快，則可能會引起容器超壓爆炸。如果發(fā)生局部裂口，則正壓的氣體會從裂口噴出，如果此時恰好遇到點火源，則會發(fā)生噴射火災，如果沒有遇到點火源，則泄漏出來的氣體會根據(jù)其物性的不同而發(fā)生不同形式的擴散，可燃的氣體在空氣中擴散，遇到點火源，則會引起氣云爆炸事故，在考慮氣體的爆炸危險性時，同時應該考慮擴散氣體引起的毒害影響。具體見圖3。

 

圖2內(nèi)裝液體介質(zhì)裝置爆炸事故分析預測流程圖

　　3  破壞效應計算模型分析

　　從上面的事故模式分析和圖1～圖3的分析預測流程圖可以看出，無論從哪種介質(zhì)出發(fā)，工業(yè)過程最終的爆炸事故模式只有幾種，即凝聚相爆炸、氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣云爆炸以及各類形式的容器爆炸。對于這幾種爆炸事故模式的破壞效應，前人已經(jīng)作了比較詳盡的研究［4,6—8］，下面對這幾種爆炸模式破壞效應的計算模型作簡要的分析。

　　凝聚相爆炸和容器爆炸。凝聚相爆炸物的體積相對于其爆炸影響范圍是比較小的，所以可以當作點爆源處理，工程上通常采用TNT當量法來衡量其爆炸的破壞效果。一般容器的爆炸，通常也是具有相對小的爆源體積，所以對于容器一類的爆炸，也可以采用TNT當量法來衡量其爆炸的破壞效應，包括容器內(nèi)的氣云爆炸、容器的超壓爆炸等。

　　對于氣云爆炸，由于其爆炸機理與一般的炸藥差別很大，通常不可以采用TNT當量法來預測爆炸的破壞效應，目前存在的模型應用較為成功的有TNO模型、多能模型，以及現(xiàn)今流行的CFD（計算流體力學）方法。但綜合考慮使用的簡便性以及結(jié)果的準確性，多能模型是比較合理的一個選擇。

　　對于沸騰液體蒸氣云爆炸，宇德明在研究了目前存在的幾個傷害模型后，綜合了各模型的優(yōu)點，摒棄了各模型的不足，提出了一個相對較好的沸騰液體擴展蒸氣云爆炸事故傷害模型。

 

圖3內(nèi)裝氣體介質(zhì)裝置爆炸事故分析預測流程圖

　　4例子

　　以某廠氫氣罐充裝過程中發(fā)生爆炸為例考慮可能的事故和破壞效應。氫氣罐的規(guī)格為2m3,滿罐壓力為15MPa，實際充裝壓力為13MPa。因為氫氣為氣體介質(zhì)，所以根據(jù)圖3的流程進行判斷。因為罐內(nèi)為正壓狀態(tài)，故接著判斷是否為外因破裂。當不是外因破裂時，則考慮為內(nèi)壓超高導致破裂，此時的爆炸為容器爆炸。因為氫氣可燃，爆炸后如遇點火源可形成火球。當為局部破裂時，由于氫氣密度小（非重氣），擴散速度較快，在空中形成蒸氣云的可能性很小，最終的破壞形式也為容器爆炸或噴射火災。容器爆炸存在物理爆炸和化學爆炸兩種可能。物理爆炸即單純的超壓爆炸，爆炸能量較小；化學爆炸是由于氣瓶或氣罐中混入空氣或氧氣，形成預混合氣體，爆炸能量較大。當進行爆炸評估、抗爆、抗沖擊設(shè)計時，一般要考慮爆炸的最大破壞作用，則該爆炸可考慮為高壓容器化學爆炸，爆炸能量的計算包括兩個部分：即氫氣從罐中向外膨脹所釋放的能量和氫氣與空氣混合成燃爆性氣體并發(fā)生爆炸所釋放的能量。這個例子通過上述分析得到的的最終爆炸能量的計算和文獻［9］中的計算方法具有很好的一致性。

　　5結(jié)論

　　筆者從工業(yè)生產(chǎn)中的介質(zhì)類型出發(fā)進行分析，預測了可能發(fā)生的爆炸事故模式和破壞效應，結(jié)果表明：

　　1）無論裝置中為何種介質(zhì)，在不同的觸發(fā)條件下，工業(yè)過程最終的爆炸事故模式只有凝聚相爆炸、氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣云爆炸以及各類形式的容器爆炸。中間過程可能產(chǎn)生的火災事故模式有噴射火災和池火災；泄漏擴散模式有重氣模式、瞬時重氣模式、高斯煙羽模型、高斯煙團模型；其他傷害有窒息、粉塵傷害、毒害等。

　　2）對于這幾種爆炸模式破壞效應的計算模型，凝聚相爆炸和容器爆炸可用TNT當量法來計算爆炸能量；對于氣云爆炸，應用多能模型計算爆炸能量較為適合；對于沸騰液體蒸氣云爆炸，宇德明［7］的沸騰液體擴展蒸氣云爆炸事故傷害模型最為合理。

　　3）筆者的研究是對爆炸事故模式中爆炸源的一個定性分析，是爆炸能量計算的前提和基礎(chǔ)，可以為爆炸事故評估調(diào)查和抗爆、抗沖擊設(shè)計提供理論依據(jù)。該研究對企業(yè)的安全生產(chǎn)及預防此類事故的發(fā)生具有較好的指導意義，對于該領(lǐng)域今后的研究具有一定的參考價值。

　　參考文獻：

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