2.2內(nèi)裝液體介質(zhì)裝置爆炸分析

　　對(duì)于液相介質(zhì)，如果液體本身為過(guò)熱狀態(tài)，則會(huì)因?yàn)槠湓谡－h(huán)境下不穩(wěn)定的性質(zhì)而具有相對(duì)較高的危險(xiǎn)性。過(guò)熱液體的儲(chǔ)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(xiǎn)性是不同的，所以分開(kāi)考慮。

　　對(duì)于高壓常溫下的過(guò)熱液體，如果因外熱源、容器強(qiáng)度下降等原因，使得容器內(nèi)壓力相對(duì)容器本身的承載能力下降，則可能會(huì)導(dǎo)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(guò)熱狀態(tài)，液體立刻全面沸騰，產(chǎn)生高于原始?jí)毫?shù)倍的高壓，立即破壞容器，產(chǎn)生爆炸效應(yīng)，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(tuán)如果立刻遇到點(diǎn)火源，則會(huì)形成所謂的沸騰液體擴(kuò)展蒸氣云爆炸；如果在空中的氣團(tuán)沒(méi)有立刻遇到點(diǎn)火源，則會(huì)按照一定的模式進(jìn)行擴(kuò)散。如果蒸氣屬于重氣，則按照重氣模型進(jìn)行擴(kuò)散；如果是非重氣，則按照高斯煙團(tuán)模型進(jìn)行擴(kuò)散。不管是何種擴(kuò)散模型，在遇到點(diǎn)火源的情況下，都可能會(huì)導(dǎo)致氣云爆炸的發(fā)生。對(duì)于在正常環(huán)境下不可燃的蒸氣，如液氮等，則要考慮其擴(kuò)散引起的毒性和窒息作用。在容器周圍形成的液池在點(diǎn)燃源或由氣云爆炸引起的熱量的作用下，會(huì)引發(fā)池火災(zāi)事故。
　　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(zāi)害事故，對(duì)于小裂口情況，則災(zāi)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(huì)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(diǎn)火源，則會(huì)引發(fā)噴射火事故，這樣的噴射火往往會(huì)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(shí)沒(méi)有遇到點(diǎn)火源，則噴出的氣體會(huì)在空中擴(kuò)散，發(fā)生與上述情形類似的擴(kuò)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(diǎn)火源，同樣會(huì)導(dǎo)致噴射火事故，遇不到點(diǎn)火源，除了在空中揮發(fā)，還有一部分液體可能會(huì)形成液池，這樣的情況前面也已經(jīng)討論過(guò)。

　　對(duì)于常壓低溫的過(guò)熱液體，往往不會(huì)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?，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(shí)一般并不能有很快的速度，所以，過(guò)熱液體一般不會(huì)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(guò)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(yù)測(cè)見(jiàn)圖2。

　　2.3內(nèi)裝氣體介質(zhì)裝置爆炸分析

　　對(duì)于氣相介質(zhì)，其危害性主要分為氣體外泄后引起的擴(kuò)散、毒害、火災(zāi)、爆炸事故和容器內(nèi)發(fā)生氣云爆炸。這幾種災(zāi)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(fù)壓的情況下才會(huì)發(fā)生器內(nèi)氣云爆炸事故，當(dāng)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?xì)怏w充入器內(nèi)可燃?xì)怏w環(huán)境中，這時(shí)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(diǎn)火源，則會(huì)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(yīng)器或者儲(chǔ)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(huì)發(fā)生器內(nèi)事故。對(duì)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(chǔ)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?yàn)閮?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(guò)快，則可能會(huì)引起容器超壓爆炸。如果發(fā)生局部裂口，則正壓的氣體會(huì)從裂口噴出，如果此時(shí)恰好遇到點(diǎn)火源，則會(huì)發(fā)生噴射火災(zāi)，如果沒(méi)有遇到點(diǎn)火源，則泄漏出來(lái)的氣體會(huì)根據(jù)其物性的不同而發(fā)生不同形式的擴(kuò)散，可燃的氣體在空氣中擴(kuò)散，遇到點(diǎn)火源，則會(huì)引起氣云爆炸事故，在考慮氣體的爆炸危險(xiǎn)性時(shí)，同時(shí)應(yīng)該考慮擴(kuò)散氣體引起的毒害影響。具體見(jiàn)圖3。
　　3? 破壞效應(yīng)計(jì)算模型分析

　　從上面的事故模式分析和圖1～圖3的分析預(yù)測(cè)流程圖可以看出，無(wú)論從哪種介質(zhì)出發(fā)，工業(yè)過(guò)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(kuò)展蒸氣云爆炸以及各類形式的容器爆炸。對(duì)于這幾種爆炸事故模式的破壞效應(yīng)，前人已經(jīng)作了比較詳盡的研究［4,6—8］，下面對(duì)這幾種爆炸模式破壞效應(yīng)的計(jì)算模型作簡(jiǎn)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(duì)于其爆炸影響范圍是比較小的，所以可以當(dāng)作點(diǎn)爆源處理，工程上通常采用TNT當(dāng)量法來(lái)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(duì)小的爆源體積，所以對(duì)于容器一類的爆炸，也可以采用TNT當(dāng)量法來(lái)衡量其爆炸的破壞效應(yīng)，包括容器內(nèi)的氣云爆炸、容器的超壓爆炸等。

　　對(duì)于氣云爆炸，由于其爆炸機(jī)理與一般的炸藥差別很大，通常不可以采用TNT當(dāng)量法來(lái)預(yù)測(cè)爆炸的破壞效應(yīng)，目前存在的模型應(yīng)用較為成功的有TNO模型、多能模型，以及現(xiàn)今流行的CFD（計(jì)算流體力學(xué)）方法。但綜合考慮使用的簡(jiǎn)便性以及結(jié)果的準(zhǔn)確性，多能模型是比較合理的一個(gè)選擇。

　　對(duì)于沸騰液體蒸氣云爆炸，宇德明在研究了目前存在的幾個(gè)傷害模型后，綜合了各模型的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了各模型的不足，提出了一個(gè)相對(duì)較好的沸騰液體擴(kuò)展蒸氣云爆炸事故傷害模型。
　　4例子

　　以某廠氫氣罐充裝過(guò)程中發(fā)生爆炸為例考慮可能的事故和破壞效應(yīng)。氫氣罐的規(guī)格為2m3,滿罐壓力為15MPa，實(shí)際充裝壓力為13MPa。因?yàn)闅錃鉃闅怏w介質(zhì)，所以根據(jù)圖3的流程進(jìn)行判斷。因?yàn)楣迌?nèi)為正壓狀態(tài)，故接著判斷是否為外因破裂。當(dāng)不是外因破裂時(shí)，則考慮為內(nèi)壓超高導(dǎo)致破裂，此時(shí)的爆炸為容器爆炸。因?yàn)闅錃饪扇?，爆炸后如遇點(diǎn)火源可形成火球。當(dāng)為局部破裂時(shí)，由于氫氣密度?。ǚ侵貧猓?，擴(kuò)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(zāi)。容器爆炸存在物理爆炸和化學(xué)爆炸兩種可能。物理爆炸即單純的超壓爆炸，爆炸能量較??；化學(xué)爆炸是由于氣瓶或氣罐中混入空氣或氧氣，形成預(yù)混合氣體，爆炸能量較大。當(dāng)進(jìn)行爆炸評(píng)估、抗爆、抗沖擊設(shè)計(jì)時(shí)，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(xué)爆炸，爆炸能量的計(jì)算包括兩個(gè)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(gè)例子通過(guò)上述分析得到的的最終爆炸能量的計(jì)算和文獻(xiàn)［9］中的計(jì)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(jìn)行分析，預(yù)測(cè)了可能發(fā)生的爆炸事故模式和破壞效應(yīng)，結(jié)果表明：

　　1）無(wú)論裝置中為何種介質(zhì)，在不同的觸發(fā)條件下，工業(yè)過(guò)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(kuò)展蒸氣云爆炸以及各類形式的容器爆炸。中間過(guò)程可能產(chǎn)生的火災(zāi)事故模式有噴射火災(zāi)和池火災(zāi)；泄漏擴(kuò)散模式有重氣模式、瞬時(shí)重氣模式、高斯煙羽模型、高斯煙團(tuán)模型；其他傷害有窒息、粉塵傷害、毒害等。

　　2）對(duì)于這幾種爆炸模式破壞效應(yīng)的計(jì)算模型，凝聚相爆炸和容器爆炸可用TNT當(dāng)量法來(lái)計(jì)算爆炸能量；對(duì)于氣云爆炸，應(yīng)用多能模型計(jì)算爆炸能量較為適合；對(duì)于沸騰液體蒸氣云爆炸，宇德明［7］的沸騰液體擴(kuò)展蒸氣云爆炸事故傷害模型最為合理。

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

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