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火灾爆炸事故定量分析


第三章 火灾爆炸事故后果定量分析
第一节 火灾热量释放速率 第二节 火灾事故后果定量分析 第三节 爆炸事故后果定量分析

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第三节 爆炸事故后果定量分析
一、爆炸冲击波及其伤害-破坏作用 二、物理性爆炸能量的计算 三、蒸气云爆炸事故后果分析 四、有毒液化气体容器破裂爆炸时 毒害区域的估算

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一、爆炸冲击波及其 伤害-破坏作用
1. 冲击波超压的伤害-破坏作用 2. 冲击波超压的估算

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1. 冲击波超压的伤害-破坏作用
(1)冲击波的形成 温度、 压力和 密度突 跃变化 的过程 冲击波的球形传递过程

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1. 冲击波超压的伤害-破坏作用
(2)冲击波的特征参量 峰值超压 持续时间 冲量



冲击波的压力–时间曲线

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1. 冲击波超压的伤害-破坏作用
(2)冲击波的特征参量

图 爆炸后不同瞬间的压力–距离曲线

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1. 冲击波超压的伤害-破坏作用
(3)冲击波伤害-破坏准则 1)超压准则 2)冲量准则 3)超压-冲量准则

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1. 冲击波超压的伤害-破坏作用
冲击波超压对人体的伤害作用 超压 Δp / MPa 0.02-0.03 伤害作用 轻微损伤 超压 Δp / MPa 0.05-0.10 > 0.10 伤害作用 内脏严重损 伤或死亡 大部分人员 死亡

听觉器官损 0.03-0.05 伤或骨折

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冲击波超压对建筑物的破坏作用
超压Δp / MPa 0.005 ~ 0.006 0.006 ~ 0.015 0.015 ~ 0.02 0.02 ~ 0.03 0.04 ~ 0.05 破坏作用 门窗玻璃 部分破碎 受压面的门窗 玻璃大部分破碎 窗框损坏 墙裂缝 墙大裂缝, 屋瓦掉下 超压Δp / MPa 0.06 ~ 0.07 0.07 ~ 0.10 0.10 ~ 0.20 0.20 ~ 0.30 破坏作用 木建筑厂房房柱 折断,房架松动 砖墙倒塌 防震钢筋混凝土 破坏,小房屋倒塌 大型钢架结构破坏

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1000 kgTNT空中爆炸时的冲击波超压
距离 R0 / m 5 6 2.06 18
0.17

7 1.67 20

8 1.27 25

9

10

12 0.50 40

14 0.33 45

超压 2.94 Δp0 / MPa 距离 R0 / m 16

0.95 0.76 30 35

超压 0.235 Δp0 / MPa 距离 R0 / m 50

0.126 0.081 0.057 0.043 0.033 0.027

55

60 0.018

65
0.016

70 0.0143

75
0.013

超压 0.0235 0.0205 Δp0 / MPa

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2. 冲击波超压的估算
立方根比例定律 两个几何相似但尺寸不同的同种炸药在 相同的大气环境条件下爆炸,必然在相 同的比例距离产生相似的冲击波。

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2. 冲击波超压的估算
(1)用梯恩梯(TNT)当量比例距离 z e 估算超压 冲击波超压可由TNT当量(kgTNT),以及距地面 上爆炸源点的距离R(m)来估算

R ze = 1/3 mTNT
mTNT = E QTNT

E——爆炸能量,kJ QTNT——TNT的爆炸当量能量, 取平均值4686 kJ·kg–1

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2. 冲击波超压的估算
发生在平坦地面上的TNT爆炸产生的侧向峰值超压 与比例距离间的关系 ? ? z ?2 ?
?p = pa 1616?1 + ? e ? ? ? ? ? ? 4.5 ? ?
2

? ze ? 1+ ? ? ? 0.048 ?

? ze ? 1+ ? ? ? 0.32 ?

2

? ze ? 1+ ? ? ? 1.35 ?

2

pa ——周围环境压力 对于发生在敞开空间的远高于地面 的爆炸,所得到的超压值应乘以0.5

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2. 冲击波超压的估算
(2)用爆炸模拟比估算超压 不同数量的TNT炸药发生爆炸时,如果目标与爆炸 中心的距离之比等于TNT炸药量的三次方根之比, 则所产生的冲击波超压相同

mTNT R =3 = α ? ?p = ?p 0 R0 mTNT 0
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2. 冲击波超压的估算
mTNT R =3 = α ? ?p = ?p 0 R0 mTNT 0
R0——试验爆炸时目标与爆炸中心的距离,m
mTNT0 ——试验爆炸时的TNT炸药量,kgTNT

?p ——实际爆炸时目标处的超压,kPa

α ——实际爆炸与试验爆炸的无量纲模拟比

?p0 ——试验爆炸时目标处的超压,kPa

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计算压力容器爆破时冲击波对目标伤害/破坏作用的步骤 ① 首先根据容器内所装介质的特性,计算爆炸能量E ② 将爆破能量L换算成TNT当量mTNT ③ 求出爆炸模拟比α

mTNT = E / QTNT
0

α = (mTNT / mTNT

)

1/ 3

= (mTNT / 1000 )

1/ 3

1/3 = 0.1mTNT

④ 求出在1 000 kgTNT爆炸试验中的相当距离R0,即 R0 = R/α ⑤ 根据R0值找出距离为R0处的超压 (中间值用插入 法),此即所求距离为R处的超压。 ⑥ 根据超压值找出对人员和建筑物的伤害-破坏作用

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2. 冲击波超压的估算
冲击波对房屋的破坏
R=
13 K ? mTNT

? ? 3175 ? ?1 + ? ? ?m ? ? ? ? TNT ?

2

? ? ? ?

16

R——冲击波作用下的房屋破坏半径,m K——破坏常数,与房屋破坏程度有关

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表 房屋破坏程度
破坏 破坏 破坏状况 等级 常数 A 3.8 房屋几乎被完全摧毁 B Cb Ca D 4.6 房屋50 ~ 75%的外部砖墙被摧毁,或不能继续 安全使用,必须推倒 9.6 屋顶部分或完全坍塌,1 ~ 2个外墙部分被摧 毁,承重墙严重破坏,需要修复 28 房屋隔板从接头上脱落,房屋结构至多受到轻 微破坏 56 屋顶和盖瓦受到一定程度的破坏,10%以上的 窗玻璃破裂,房屋经过修复可继续居住

二、物理性爆炸能量的计算
1.压缩气体与水蒸气介质容器爆炸能量计算 2.液体介质容器爆炸能量计算 3.液化气体和高温饱和水介质爆炸能量计算

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1. 压缩气体与水蒸气介质容器 爆炸能量计算
压力容器中介质以气态形式存在而发生物理爆炸 时,爆炸能量 κ ?1 ? ? pV ? ? 0.1013 ? κ ? 3 ? ? 1? ? × 10 Eg = ? ? ? κ ?1 p ? ? ? ? ? ?

Eg —— 气体的爆炸能量,kJ

p —— 容器内气体的绝对压力,MPa V —— 容器的容积,m3

κ —— 气体绝热指数
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1. 压缩气体与水蒸气介质容器 爆炸能量计算
双原子气体的绝热指数均为1.4或近似1.4,则气体 的爆炸能量 ? ? 0.1013 ? 0.2857 ?
3 ? ? × 10 E双 = 2.5 pV ?1 ? ? ? p ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.1013 ? 0.2857 ? 3 令 C双 = 2.5 p ?1 ? ? ? ? × 10 ? p ? ? ? ? ? ? ?



E双 = C双 ? V

C 双 ——常用压缩气体爆炸能量系数,kJ·m–3

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1. 压缩气体与水蒸气介质容器 爆炸能量计算
对于干饱和蒸汽(绝热指数为1.135),则其爆炸能量为
? ? 0.1013 ? 0.1189 ? 3 ? ? Ev = 7.4 pV ?1 ? ? × 10 ? p ? ? ? ? ? ? ?

Ev = Cv ? V
C v ——常用压缩气体爆破能量系数, kJ·m–3

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2. 液体介质容器爆炸能量计算
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
EL

( p ? p0 )2Vα t =
2

EL—— 常温液体压力容器爆炸时释放的能量,J p —— 液体的压力(绝),Pa V —— 容器的体积,m3 αt —— 液体在压力p和温度T下的压缩系数,Pa ?1

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3. 液化气体和高温饱和水介质 爆炸能量计算
过热状态下液体在容器破裂时释放出的爆破能量

L = [(H 1 ? H 2 ) ? (S1 ? S 2 )T1 ] ? W

L —— 过热状态液体的爆破能量,kJ H1—— 爆炸前液化液体的焓,kJ·kg–1 H2—— 在大气压力下饱和液体的焓,kJ·kg–1 S1 —— 爆炸前饱和液体的熵,kJ·kg–1·℃–1 S2 —— 在大气压力下饱和液体的熵,kJ·kg–1·℃–1 T1 —— 介质在大气压力下的沸点,℃ W —— 饱和液体的质量,kg

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3. 液化气体和高温饱和水介质 爆炸能量计算
饱和水容器的爆破能量

Ew = Cw ? V
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·m–3

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二、物理性爆炸能量的计算
例题1 求压力为1 MPa,容积为1 m3压缩空气容 器发生爆炸时的破坏作用? 例题2 一锅炉汽包,直径为2 m,长为5 m,运 行中(表压力为0.8 MPa)发生爆炸,爆炸前 水位在汽包中心上约0.2 m处,试计算该锅炉 汽包发生爆炸时的破坏作用?

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二、物理性爆炸能量的计算
例题3 某钢铁厂轧钢车间一除磷高压水罐,容积为 20 m3,工作压力为20 MPa,在常温下,高压水 罐受损而发生爆炸,试计算该高压水罐发生爆炸 时的破坏作用?已知在常温下,10 MPa以下, 水的压缩系数为4.52×10–4 MPa–1,10 ~ 50 MPa之间,水的压缩系数为4.4×10–4 MPa–1。

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三、蒸气云爆炸事故后果分析
1. TNT当量法

mTNT =

α ? m ? ?H c
QTNT

mTNT ——蒸气云爆炸TNT当量,kg

m ——蒸气云中可燃物质量,kg ?Hc ——蒸气云中可燃物燃烧热,kJ·kg–1 QTNT ——TNT爆炸释放热量,4686 kJ·kg–1

α ——可燃蒸气云爆炸效率,统计平均值为0.04

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某些气体的高燃烧热值(kJ·m–3)
气体名称 氢 气 氨 气 苯 一氧化碳 硫化氨 生成SO2 生成SO3 甲 烷 乙 烷 高热值 气体名称 高热值 12,770 乙 烯 64,019 17,250 乙 炔 58,985 47,843 丙 烷 101,828 17,250 丙 烯 94,375 25,708 正丁烷 134,026 30,146 异丁烷 132,016 39,860 丁 烯 121,883 70,425

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三、蒸气云爆炸事故后果分析
2. 蒸气云爆轰伤害作用区域 (1)死亡区域半径 人在冲击波作用下50%头部撞击致死的区域半径R1
mp = R1——死亡半径,m mp——蒸气云中可燃气体的丙烷当量,kg Qp——丙烷的燃烧热,一般取50 290 kJ·kg–1
0.447 R1 = 1.980 mp

α ? m ? ?H c
Qp

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三、蒸气云爆炸事故后果分析
2. 蒸气云爆轰伤害作用区域 (2)重伤区域半径 重伤区域半径R2是指人在冲击波作用下50%耳鼓膜 破裂的区域半径,对应的冲击波超压值为44 kPa。
3 R2 = 9.187m1 p

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三、蒸气云爆炸事故后果分析
2. 蒸气云爆轰伤害作用区域 (3)轻伤区域半径 轻伤区域半径R2人在冲击波作用下1 %耳鼓膜破裂的 区域半径,对应的冲击波超压值为17 kPa 。

R3 = 17.877 m

13 p

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三、蒸气云爆炸事故后果分析
例题4 某储罐区有两个丁二烯储罐,每个储罐的储 存量为64 m3,请分别采用当量距离法、爆炸模 拟比法和伤害作用区域法定量分析该储罐区丁二 烯泄漏后发生蒸气云爆炸的破坏和伤害作用范 围。已知液态丁二烯的密度为620 kg·m–3,丁二 烯的燃烧热为46977.26 kJ·kg–1。

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四、有毒液化气体容器破裂爆炸时 毒害区域的估算
设有毒液化气体质量为m(kg),容器破裂前器内 介质温度为t(℃),液体介质比热为c(kJ·kg–1·℃–1, 当容器破裂时,器内压力降至1 atm(0.1 MPa),处于 过热状态的液体温度迅速降至标准沸点t0(℃),此时 全部液体所放出的热量为:

Q = mc (t ? t0 )
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四、有毒液化气体容器破裂爆炸时 毒害区域的估算
设这些热量全部用于器内液体的蒸发,如它的 气化热为Hv (kJ·kg–1),则其蒸发量为 Q m' = = mc(t ? t0 ) / H v Hv 如介质的相对分子质量为M,则在沸点下蒸发 蒸气的体积Vg(m3) 22.4m' 273 + t0
Vg = M 273 22.4mc(t ? t0 ) 273 + t0 = ? M ? Hv 273 ?

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四、有毒液化气体容器破裂爆炸时 毒害区域的估算
如已知某种有毒物质的危险浓度C,则可求出 其危险浓度下的有毒空气体积Vg 假设这些有毒空气以半球形向地面扩散,则可 求出该有毒气体扩散半径R
3

Vg / C 1 4 × π 2 3

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一些有毒物质的有关物化性能
相对分子 沸点 物质 质量 t0 / oC 名称 M 氨 17 -33 氯 71 -34 二氧化硫 64 -10.8 丙烯醛 56.06 52.8 氢氰酸 27.03 25.7 四氯化碳 153.8 76.8 液体平均 汽化热 比热c / Q/ kJ·kg–1·oC–1 kJ·kg–1 4.6 1.37× 103 0.96 2.89× 102 1.76 3.93×102 1.88 5.7×102 3.35 9.75×102 0.85 1.95×102

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有毒气体的危险浓度
吸入5 ~ 10 min 吸入0.5 ~ 1 h 物质 致死的 致死的 名称 浓度 / % 浓度 / % 氨 0.5 氯 0.09 0.0035 ~ 0.005 二氧化硫 0.05 0.053 ~ 0.065 氢氰酸 0.027 0.011 ~ 0.014 硫化氢 0.08 ~ 0.1 0.042 ~ 0.06 二氧化氮 0.05 0.032 ~ 0.053 吸入0.5 ~ 1 h 致重病的 浓度 / %

0.0014 ~ 0.0021 0.015 ~ 0.019 0.01 0.036 ~ 0.05 0.011 ~ 0.021

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四、有毒液化气体容器破裂爆炸时 毒害区域的估算
例题5 500 kg的液氨容器在40 oC时破裂,请估算 使人在5-10 min内死亡或中毒的范围。

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作业与复习思考题
2005年11月13日,吉林省吉林市的中石油 石化公司双苯厂的苯胺装置发生爆炸火灾, 爆炸产生的冲击波,使得300 m范围内的居 民区窗框损坏。简述冲击波的本质及衡量其 破坏作用的特征量,并估算此次爆炸的爆炸 能量。

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