爆炸能量计算

爆炸能量的计算 爆炸能量的计算 爆炸能量的计算 　　气瓶的爆炸事故可能有两种情况。其一是化学性爆炸，这可能是由可燃性气体气瓶中混入了氧或其它助燃性气体，或者是助燃性气体气瓶中混入可燃性气体，或者是某些气体气瓶中混入某种物质而发生剧烈的化学反应，也可能是由于某些气体在一定的条件下发生了分解、聚合反应等情况，使得气瓶内的压力骤增，以至气瓶爆破。从爆破气瓶喷出的通常是燃烧着的可燃气体混合物，并在气瓶的爆破碎片上通常留有碳黑。这种情况下的爆破能量很大。有时可与炸药的爆炸能量相当，并可将气瓶炸成碎片，碎片将以很高的速度向四周飞散，造成人员的伤亡或撞坏周围的设备等。而且更为严重的是燃烧产生的强大的冲击波，除可直接伤人外，还可摧毁建筑物等。但化学爆炸的能量受瓶内气体的性质、状态、混入介质的性质和数量、环境温度等诸多因素的影响。因此，这种爆炸是很难用数学的方法进行计算的。所以，本节所讨论的爆炸能量的计算，仅是下述的另一种爆炸情况的部分计算。其次是物理性爆炸，物理性爆炸可能是由气瓶过量充装、温度升高使瓶内压力超过气瓶的强度引起气瓶的爆破，或是由腐蚀等原因造成气瓶强度下降，以至气瓶不能承受介质的压力而爆破。气瓶内的高压气体或液化气体解除了外壳的约束，迅即进行膨胀并以很高的速度释放出内在的能量。虽达不到化学性爆炸的程度，但当压力较高、容积较大时，其爆炸的能量也是很大的。如果气瓶内的介质是可燃气体或可燃液化气体，当气瓶破裂后，气体的迅速扩散或蒸发与周围的空气形成可爆性混合气体，遇到由气瓶碎片撞击产生的火花或由于高速气流所产生的静电作用，会立即发生化学性爆炸。即通常所说的“二次爆炸”，其后果往往是灾难性的。 　　一、永久气体的爆炸能量计算 　　在气瓶的爆破时，瓶内气体膨胀所释放的能量(即爆炸能量)不但与气体的压力和容积有关，而且与气体在瓶内的状态有关。因为，永久气体和液化气体的爆炸过程是不一样的，所以爆破所产生的能量也不相同。永久气体气瓶的爆破，不发生状态的变化，仅是气体由气瓶爆破前的压力降至大气压力的降压膨胀过程。由于这一过程所经历的时间很短，而瓶内气体的温度也多与环境温度相同，所以这一爆炸过程可认为是与大气是没有热量交换的，即气体的膨胀过程是在绝热状态下进行的。爆炸的热力过程是绝热过程。所以永久气体的爆炸能量也就是气体绝热膨胀所作之功。其达式为 式中： 　　Ug——-气体膨胀所作之功，MJ； 　　Po——环境的绝对压力，MPa； 　　P——气瓶内气体的绝对压力，MPa； 　　V——容器的容积，m3； 　　k——气体的绝热指数。 式中的气体绝热指数可以按它的分子组成确定其近似值。如双原子气体，k=1．4；三原子和四原子气体，k=1. 2～1．3。常用的瓶装气体绝热指数的精确值可从表10—3查得。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表10-3　常用瓶装气体的绝热指数 气体名称 空气 氮 氧 氢 甲烷 乙烷 一氧化碳 二氧化碳 绝热指数 1.4 1.4 1.39 1.412 1.315 1.18 1.393 1.295 由表10—3可以看出，空气、氮、氧、氢、一氧化碳等常用气体的绝热指数均为1．4或近似1．4代入式10—1则气体的爆炸能量为： 　　Ug＝2．5FV(1—0．52(P)-0.2857) (10．2)令 　　Cg＝2．5P(1—0．52(P)-0.2857) 　　则式10．2可简化为： 　　Ug＝CgV 　　　　　　　　　　　(10．3) 式中： Ug ——气体的爆炸能量，MJ： 　　V——气体的体积，m3； 　　Cg——永久气体爆炸能量系数，MJ／m3。 　　常用气体在常用压力下(绝压)的爆炸能量列于表10-4。 　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　表10-4　常用压力下的气体爆炸能量系数（k=1.4时） 绝对压力MPa 0.3 0.5 0.7 1.1 1.7 2.6 4.0 5.0 6.5 15 32 40 爆炸能量系数Cg 0.200 0.458 0.742 1.358 2.351 3.927 6.501 8.396 11.300 28.504 65.545 81.874 　　二、液化气体爆炸能量计算 　　液化气体气瓶爆破时，其能量要比永久气体大得多。这是因为，它不仅有气体的迅速膨胀过程，而且由于瓶内的液化气体的临界温度大多低于环境温度，气瓶破裂时，液化气体的液相部分要迅速而激烈地蒸发，并对气瓶产生很高的压力(10MPa以上)的冲击，促使气瓶进一步破碎。这种由于压力突然下降使处于过热状态的液体，在大气压力下的迅速沸腾蒸发、体积激烈膨胀而显示出的一种爆炸现象称为爆沸或蒸气爆炸。气瓶发生这种爆炸时，气瓶的破裂断面有时还会显示出受冲击的脆性破裂的特征。液化气体气瓶爆破时，其瓶内气相部分与永久气体相似，而液相部分的爆炸能量要比气相大得多。所以在计算爆炸能量时可忽略气相部分的爆炸能量计算。其计算可按下式： 　　Uf＝17．5((i1一i2)-(s1-s2)T1)W (10．4) 式中： U——液化气体的爆炸能量，MJ； 　　i1——在气瓶爆破前的压力或温度下液化气体的焓，MJ／kg； 　　i2——在大气压力下液化气体的焓，MJ／kg； 　　sl——在气瓶爆破前的压力或温度下液化气体的熵，MJ／kg·K； 　　s2——在大气压力下液化气体的熵，MJ／ks·K； 　　W——液化气体的重量，kg； 　　T1——气瓶内介质在大气压力下的沸点，K。 　　三、可燃气体的二次爆炸及爆炸能量 　　当盛装可燃气体的气瓶爆破时，除了气瓶内的气体膨胀所释放的能量外，在爆炸后的空间往往还会产生二次爆炸，并放出更大的能量。气瓶爆破时，气瓶内的可燃气体大量流出，并迅速与外面的空气相混合形成一团可爆性混合气体，由于气体高速流出产生的静电或气瓶爆破的碎片与其它物体的撞击产生的火花为这团可爆性混合气体提供了起爆条件，于是在气瓶爆破后很快又发生化学性爆炸，这就是通常所说的二次爆炸。这两次爆炸往往是相继发生的，中间的间隔时间很短，以至往往不能从音响上加以辨别，而且第二次化学爆炸的能量常常要比第一次气体膨胀的能量大得多。但是，要准确地计算这部分爆炸性混合气体的爆炸能量是比较困难的。虽然气瓶内可燃气体的量是已知的，而且在气瓶爆破时又几乎全部流出，但由于这些气体一般以球状或其它形状的形式在大气空间扩散，只有外围一部分可燃气体与大气中的氧混合形成爆炸性气体，所以并不是全部可燃气体都参加反应的。而参加反应的可燃气体量的多少则与许多因素有关，如气瓶周围的气流情况、气体的爆炸极限范围、出现火源的时间等。因此一般只能估算，即假定参与爆炸反应的气体所占的百分比，然后按这些可燃气体的燃烧热计算其爆炸能量，当然这样的估算是欠准确的，有时候只用以确定一个大致的破坏范围。 　　四、破坏力的估算 　　气瓶爆炸的能量一般消耗于三个方面：撕裂容器、将碎片抛出和产生冲击波。前两项所消耗的能量约占爆炸能量的3～15％，其中将气瓶进一步撕裂所消耗的能量是极小的。气瓶爆炸时飞出的碎片具有较大的动能，可造成人员伤亡和设备的损坏。碎片对人体的伤害程度主要取决于它动能。根据蜀勒(Rhore)的研究，碎片动能在25．5J以上，可致人外伤；58．8J以上时，可致骨部轻伤1超过196J时，骨部重伤。碎片离开壳体时常具有80～120米／秒的初速度，即使在飞离气瓶较远的地方也常有20～30米／秒的速度，在此速度下，重量为lkg的碎片就能致人重伤甚至死亡。气瓶爆炸，高压气体大量冲出，使周围空气受到冲击而发生扰动，即使其压力、密度、温度等产生突跃变化，这种振动在空气中传播就成为冲击破。空气冲击波中状态的突跃变化最明显的表现在压力上，气压随着时间发生迅速而悬殊的变化。开始时，压力突然升高，产生一个很大的正压力，接着又迅速减小，在几毫秒内降至为零，并继续下降至小于大气压，如此反复循环数次，压力衰减，在爆炸中心附近，空气冲击波波阵面上最大正压力可达几个MPa，导致建筑物、设备、管道等的严重破坏。气瓶爆炸绝大部分能量变成空气冲击波。因此，气瓶爆炸的破坏力主要表现为爆炸的冲击波对周围的物品和建筑物的破坏。但是要确定其破坏力的大小却是比较复杂的，或是无法做到的。所以目前对气瓶爆炸的破坏力一般用一定数量的TNT炸药进行爆炸实验，观察和测量9a炸范围建筑物的损坏情况。根据实验数据用相似原理，估算气瓶爆炸的威力相当于TNT炸药的数量。下面就介绍 　　一下这种估算方法。 　　(一)以冲击波的气浪压力(正压)作为破坏基准的估算。适用玻璃、木板、窗框类的破坏情况 式中； L——气瓶爆炸时产生冲击波能量的TNT当量，kg； 　　R——被破坏物与爆炸中心的距离，m； 　　R'——1 000kgTNT地面爆炸实验数据，由表10—5选定。 　　例1．一液气瓶发生爆炸，距爆炸中心100m的房屋玻璃破损，拭估算其爆炸力。 　　解:由表10—5查得1 000kgTNT地面爆炸造成玻璃破损的距离R'=201m，现知R＝100M，将R'、R代入式10．5得: 此爆炸力相当于123kg TNT。 表10-5　1000 kg TNT　地面爆炸时的建筑物破坏情况与距离 建筑物的破坏情况 气体压力MPa 离爆炸中心距离m 窗户玻璃损坏 0.006 201 受压窗户玻璃大部损坏 0.008-0.010 166-144 窗框及木版套窗破损 0.015-0.020 109-90 窗框及木版套窗大部分损坏 0.025-0.030 -75 房瓦掉下、隔板墙破裂 0.040-0.050 56-49 房架松动，柱梁折断 0.060-0.060 44-39 小平房倒塌 0.150 27-48 　　(二)以冲击波的冲击力作为破坏基准的经验公式，适用于砖墙等破坏作用时间较长的情况 式中： L——气瓶爆炸时产生冲击波能量的TNT当量，kg； 　　L'——实验用TNT数量，kg； 　　R——被破坏物与爆炸中心距离，m； 　　R'——实验测得数据，见表10—6，m。 式中： L——气瓶爆炸是产生的冲击波能量的TNT当量，kg。 　　R——被破坏物与爆炸中心距离，m； 　　E——计算产生冲击波能量的系数，查表10—6。 表10-6　钢筋混凝土的破坏距离 TNT,L'kg 墙厚，cm 破坏距离，m 开裂的最大距离，m 20 12 5＞L'＞3.5 5 20 L'＜1.75 3.5 46 20 5＞L'＞3.5 6 30 2.5 3 表10-7　计算产生冲波能量的系数　E