2024年6月10日发(作者：户英博)
消防理论研究
爆炸冲击波伤害破坏作用定量分析
傅智敏,黄金印,臧 娜
(中国人民武装警察部队学院,河北廊坊065000)
摘 要:针对爆炸事故后果定量分析中存在的模糊认识,
对冲击波超压估算方法和爆炸能量计算模型进行了系统论述。
冲击波的破坏伤害作用主要取决于峰值超压的大小,立方根比
例定律是定量估算冲击波超压最常用的方法。物理性爆炸产生
的能量大小与容器内介质的状态和容器的容积有关,化学性爆
炸能量的大小主要取决于参与爆炸性燃烧反应的可燃物质的
量和燃烧热。蒸气云爆炸能量的估算方法主要有TNT法和
TNO法两种,蒸气云爆炸及爆轰的破坏伤害作用既可使用立
方根比例定律进行分析,也可以直接使用相关经验模型。
关键词:爆炸;冲击波;峰值超压;立方根比例定律;蒸气
云爆炸
中图分类号:X932,TQ564 文献标志码:A
文章编号:1009-0029(2009)06-0390-06
表1 1000kgTNT地面爆炸时冲击波超压对建筑物的破坏作用
Δp
/
kPa
5～6
6～15
15～20
20～30
40～50
60～70
70～100
100～200
200～300
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
墙裂大缝,屋瓦掉落
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
表2 冲击波超压对人员的伤害作用
Δp/kPa
<19.6
冲击波破坏效应
能保证人员安全
人体受到轻微损伤
损伤人的听觉器官或产生骨折
严重损伤人的内脏或引起死亡
大部分人员死亡
研究表明,爆炸的破坏作用主要是由冲击波产生
的。无论是化学性爆炸还是物理性爆炸都会形成冲击
波。冲击波的破坏作用可用峰值超压、持续时间和冲量
三个特征参数衡量。冲击波破坏伤害准则主要有超压
准则、冲量准则和超压—冲量准则等,其中最常用的是
超压准则。定量分析爆炸冲击波的伤害破坏作用,先要
确定爆炸产生的冲击波超压与爆炸能量间的关系,进
而分析不同爆炸情形下产生的能量及伤害破坏作用。
1 冲击波破坏伤害作用的估算
冲击波是一种介质状态(压力、密度、温度等)突跃
变化的强扰动传播,最常见的形式是空气冲击波,其传
播速度大于声速。多数情况下,冲击波的破坏伤害作用
是由超压引起的。超出周围压力的最大压力称为峰值
超压Δp,一般情况下超压意味着侧向超压,即压力是
在压力传感器与冲击波相垂直的条件下测量得到的。
1.1 冲击波超压的破坏伤害作用
峰值超压Δp可以达到数个甚至数十个大气压。冲
击波超压对建筑物的破坏作用和对人员的伤害作用如
表1和表2所示。
冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有
关。在其他条件相同的情况下,爆炸能量越大,冲击波
强度越大,波阵面上的超压也越大。爆炸产生的冲击波
是立体冲击波,它以爆炸点为中心,以球面或半球面向
外扩展传播。随着半径增大,波阵面表面积增大,超压
逐渐减弱。
390
19.6～29.4
29.4～49.0
49.0～98.0
>98.0
1.2 立方根比例定律
立方根比例定律又称为
Hopkinson
-
Cranz
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。Hopkinson-Cranz比例距离见式(1)所示。
z=R/E
式中:
R
为冲击距离,
m
;
E
为爆炸能量,
kJ
。
1.2.1 当量比例距离法
1973年,Baker提出用TNT当量比例距离估算超
压。即冲击波超压可由TNT当量m
TNT
,以及距地面上
爆炸源点的距离
R
来估算,见式(2)所示。
1/3
(2)
z
e
=
R
/
m
TNT
式中:
m
TNT
=
E
/
Q
TNT
,
Q
TNT
为
TNT
的爆炸当量能量,
1/3
(1)
一般取平均值4686
kJ
/
kg
。
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如图1所示,其曲线关系可
用式(3)描述。
Δp
=
p
a
16161+
1+
z
e
0.048
2
z
e
4.5
z
e
0.32
2
2
1+1+
z
e
1.35
2
(3)
FireScienceandTechnology,June2009,Vol28,No.6
式中:
p
a
为周围环境压力。
在确定出
TNT
当量比例距离
z
e
后,即可由图1直
接查得爆炸产生的冲击波峰值超压,或根据式(3)计算
求得。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。
表3 1000
kgTNT
空中爆炸时的冲击波超压
R
0
/
m
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
20
25
30
35
Δp/MPa
2.94
2.06
1.67
1.27
0.95
0.76
0.50
0.330
0.235
0.170
0.126
0.079
0.057
0.043
R
0
/
m
40
45
50
55
60
65
70
75
90
109
144
166
201
Δp/MPa
0.0330
0.0270
0.0235
0.0205
0.0180
0.0160
0.0143
0.0130
0.0100
0.0075
0.0050
0.0040
0.0030
图1 平坦地面上TNT爆炸的侧向峰值超压与z
e
间的关系
1.2.2 模拟比法
根据立方根比例定律和BakerTNT当量比例距
离可以得出式(4)。
R
=
R
0
3
R=
K·m
TNT
3175
2
1+
m
TNT
1/3
1/6
(5)
m
TNT
= =
0
m
TNT
0
TΔpΔp
(4)
式中:
R
为冲击波作用下的房屋破坏半径,
m
;
K
为破
坏常数,与房屋破坏程度有关,其取值参见表4。
在精度不太高的财产损失计算中,根据B级破坏
状况求出的半径可作为财产损失半径,并假定此半径
内没有损失的财产与此半径外损失的财产相互抵消;
也可以假定此半径范围内的财产全部损失,此半径外
的财产完全没有损失。
表4 房屋破坏程度
破坏
等级
A
B
C
b
C
a
D
破坏常数
K
3.8
4.6
9.6
28
56
破坏状况
房屋几乎被完全摧毁
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
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
房屋隔板从接头上脱落,房屋结构至多受到轻
微破坏
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
式中:R
0
为试验爆炸时目标与爆炸中心的距离,m;
m
TNT
0
为试验爆炸时
TNT
炸药量,
kg
;
Δp
为实际爆炸
时目标处的超压,
kPa
;
Δp
0
为试验爆炸时目标处的超
压,kPa;T为实际爆炸与试验爆炸的无量纲模拟比。
式(4)表明,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。利用式(4)
就可以根据某些已知炸药量的试验所测得的超压来确
定在各种相应距离下任意炸药量(当量)爆炸时的超
压。表3为1000kgTNT发生空中爆炸时,在与爆炸中
心不同距离处测得的冲击波超压。大多数爆炸都被认
为是发生在地面上的,由表3所得到的超压值应乘以
2。如果已知距离爆炸中心
R
处冲击波的破坏伤害作
用,还可以反推爆炸中心的爆炸能量。
1.3 冲击波对房屋的破坏
爆炸冲击波能不同程度地破坏周围的房屋和建筑
设施,造成直接经济损失。房屋的破坏程度不仅与爆炸
源性质、爆炸能量、冲击距离等因素有关,而且与房屋
本身的结构有关。1968年
Jarrett
对100次爆炸事故
(涉及
TNT
、硝化甘油、硝化棉和铝末混合炸药等爆炸
物类型,药量从136.1
kg
到2.4×10
6
kg
)系统调查研
究的结果进行了归纳总结,得出了英式砖石结构房屋
破坏程度与药量、距离间的关系,见式(5)所示。
消防科学与技术2009年6月第28卷第6期
2 物理性爆炸能量的计算
物理性爆炸如压力容器破裂时,爆炸能量与介质
在容器内的物性相态和容器的容积有关。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
高温饱和水、液氨、液氯等液化气体。容积与压力相同
而相态不同的介质,在容器破裂时的爆炸过程不同,爆
炸产生的能量也不同。
2.1 气体介质压力容器的爆炸能量
盛装气体的压力容器在破裂时,气体膨胀所释放
391
的能量与压力容器的压力和容积有关。其爆炸过程是
容器内的气体由容器破裂前的压力降至大气压力的一
个简单膨胀过程,所以历时一般都很短,不管容器内介
质的温度与周围大气存在多大的温差,都可以认为容
器内的气体与大气无热量交换,即此时气体介质的膨
胀是一个绝热膨胀过程。因此其爆炸能量亦即为气体
介质膨胀所做的功,见式(6)所示。
pV
E
g
=
κ-1
1-
0.1013
p
κ-1
κ
对于干饱和水蒸气,κ=1.135,其爆炸能量可用式
(8)计算。
(8)
E
v
=
C
v
·
V
式中:
E
v
为干饱和水蒸气介质压力容器的爆炸能量,
3
kJ
;
C
v
为干饱和水蒸气的爆炸能量系数,
kJ
/
m
。
C
v
=7.5p1-
0.1013
p
0.1189
×10
3
,常用压力下干
1.135)
×10
3
(6)
饱和水蒸气的爆炸能量系数如表7所示。
表7 常用压力下干饱和水蒸气及饱和水的爆炸能量系数(
κ
=
p/MPa
0.4
0.6
0.9
1.4
2.6
3.1
C
v
/kJ·m
-3
4.5×10
2
8.5×10
2
1.5×10
3
2.8×10
3
6.2×10
3
7.7×10
3
C
w
/kJ·m
-3
9.6×10
3
1.7×10
4
2.7×10
4
4.1×10
4
6.7×10
4
7.7×10
4
式中:E
g
为压缩气体介质压力容器的爆炸能量,kJ;p
为爆炸前气体的绝对压力,
MPa
;
V
为压力容器的容
积,m;κ为气体的绝热指数,可按气体分子的组成近
似确定,如双原子分子κ为1.4,三原子和四原子分子κ
为1.2～1.3。常用气体绝热指数见表5。
绝热指数为1.4或接近1.4的空气、氮气、氧气、氢
气和一氧化碳等双原子气体的爆炸能量见式(7)所示。
E
双
=C
双
·V
C
双
为压缩气体的爆炸能量系数,kJ/m
。
C
双
=2.5p1-
0.1013
p
0.2857
3
3
(7)
2.2 气液两相介质压力容器的爆炸能量
液化气体和高温饱和水一般在容器内以气液两相
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质量的绝大
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
释放的能量可按式(9)计算。
E
gL
=[(H
1
-H
2
)-(S
1
-S
2
)T
b
]·m(9)
式中:E
双
为双原子气体介质压力容器的爆炸能量,kJ;
3
×10
C
双
是气体绝对压力p的函数,常用压力下压缩气
体爆炸能量系数见表6。
表5 常用气体的绝热指数
气 体
空 气
氮 气
氧 气
氢 气
氯 气
甲 烷
二氧化碳
一氧化二氮
一氧化氮
二氧化氮
二氧化硫
氨
κ
1.400
1.400
1.397
1.412
1.350
1.315
1.295
1.274
1.400
1.310
1.250
1.320
气 体
乙 烷
丙 烷
正丁烷
乙 烯
丙 烯
一氧化碳
硫化氢
氰化氢
氯甲烷
氯乙烷
干饱和水蒸气
过热水蒸气
κ
1.180
1.130
1.100
1.220
1.150
1.395
1.320
1.310
1.280
1.190
1.135
1.300
式中:E
gL
为液化气体介质压力容器的爆炸能量,kJ;
H
1
为爆炸前液化气体的焓,kJ/kg;H
2
为大气压力下
液化气体的焓,kJ/kg;S
1
为爆炸前液化气体的熵,kJ/
(kg·K);S
2
为大气压力下液化气体的熵,kJ/(kg·
K
);
T
b
为大气压力下液化气体的沸点,
K
;
m
为液化气
体的质量,kg。
高温饱和水发生物理爆炸时,爆炸能量可由式
(10)计算。
(10)
E
w
=
C
w
·
V
式中:
E
w
为高温饱和水介质压力容器的爆炸能量,
kJ
;
3
C
w
为高温饱和水的爆炸能量系数,
kJ
/
m
,参见表7;
V
表6 常用压力下压缩气体的爆炸能量系数(κ=1.4时)
p
/
MPa
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.7
·
m
-3
C
双
/
kJ
2.0×10
2
4.6×10
2
7.5×10
2
1.1×10
3
1.4×10
3
2.4×10
3
p
/
MPa
2.6
4.1
5.1
6.5
15.1
32.1
·
m
-3
C
双
/
kJ
3.9×10
3
6.7×10
3
8.6×10
3
1.1×10
4
2.7×10
4
6.5×10
4
为压力容器内饱和水的体积,m
。
2.3 液体介质压力容器的爆炸能量
介质为常温液体的压力容器发生物理性爆炸时,
所释放的能量等于液体加压时所做的功,见式(11)。
(p-p
0
)VT
t
E
L
=
2
2
3
(11)
式中:E
L
为液体介质压力容器的爆炸能量,J;p为爆
炸前液体的绝对压力,
Pa
;
p
0
为大气压力,
Pa
;
V
为压
392
FireScienceandTechnology,June2009,Vol28,No.6
力容器的容积,
m
3
;
a
t
为压力
p
、温度
t
时液体的压缩系
数,
Pa
-1
。
3 化学性爆炸与蒸气云爆炸事故后果分析
化学性爆炸通常发生在容器、装置内部或某一局
部空间,它是由于剧烈的化学反应(主要是燃烧反应)
产生大量气体和热量所致的爆炸。
3.1 化学性爆炸能量的理论计算
爆炸性混合气体爆炸所放出的能量,可根据参与
反应的可燃气体量和气体的燃烧热(高热值)直接计算
求得,见式(12)所示。
E=V·ΔH
c
(12)
脂肪烃,通常推荐值是3%;对于某些烯烃,观察到的值
大约是6%。含氧燃料趋向于高的效率因子,可以达到
16%～18%。表8列出了一些物质的爆炸效率因子。
表8 一些物质的爆炸效率因素
爆炸
效率
因子
乙 醛
丙 酮
乙 烷
乙 醇
甲 烷
甲 醇
物质名称
乙酸丙酯
丙 烯
二氯丙烷
苯乙烯
氰
甲基异丙基苯
癸 烷
二氯苯
二氯乙烷
二甲醚
氢氰酸
氢
硫化氢
异丁醇
异辛烷
戊 烷
石油醚
邻苯二甲酸酐
丙烷
丙 醇
异丙醇
异丁烯
二甲苯
萘
丙烯腈乙酸乙酯乙酸甲酯
乙酸戊酯
戊 醇
3%苯
乙 胺甲 胺
乙 苯甲基丁基酮四氟乙烯
氯乙烷氯甲烷甲 苯
式中:
E
为化学性爆炸时的爆炸能量,
kJ
;
V
为参与爆
3
炸反应的可燃气体(蒸气)在标准状态下的体积,Nm;
·
Nm
-3
。
ΔH
c
为可燃气体(蒸气)的体积燃烧热,
kJ
3.2 蒸气云爆炸事故后果分析
作为化学性爆炸的一种,蒸气云爆炸(VCEs,
VaporCloudExplosions)是由于气体或易于挥发的液
体可燃物的大量快速泄漏,与周围空气混合形成覆盖
范围很大的“预混云”,在某一有限空间遇点火源而导
致的爆炸。蒸气云爆炸主要因冲击波造成破坏和伤害。
根据蒸气云爆炸冲击波预测模型的特点和复杂
性,可将其分成数值模型、物理模型和相关模型三种。
数值模型大多数是基于CFD(ComputationalFluid
Dynamics
)方法,由于其需要高性能的计算机以及模
拟计算时间长等缺点,使得此方法在蒸气云模拟方面
的应用和推广受到限制;物理模型属于简化模型,物理
模型用简化的方法来描述蒸气云的物理过程,能够预
测大范围内的爆炸超压,但由于其简化了蒸气云的爆
炸过程,因而此类模型的模拟与预测精度受到影响。相
关模型也就是缩放比率模型,是依靠实验结果而建立
起来的,典型的蒸气云相关模型包括TNT当量模型、
TNO模型、ME模型和CAM模型等。比较而言,相关
模型更易应用于火灾风险评价领域,笔者重点讨论蒸
气云爆炸的TNT当量法和TNO多能法。
3.2.1 TNT当量法估算蒸气云爆炸能量
TNT
当量法是把蒸气云爆炸的破坏作用转化成
TNT爆炸的破坏作用,可燃蒸气云爆炸时的TNT当
量m
TNT
计算见式(13)所示。
T·m·ΔH
c
m
TNT
=
Q
TNT
(13)
6%
丁二烯甲酸乙酯甲基乙基酮乙酸乙烯酯
丁 烷丙酸乙酯甲酸甲酯
丁 烯
乙酸丁酯
一氧化碳
丙烯醛
二硫化碳
糠 醇甲硫醇
氯乙烯
偏氯乙烯
水煤气庚 烷甲基丙基酮
己 烷
乙 醚乙 烯甲基乙烯酯环己烷环氧丙烷
乙烯醚亚硝酸乙酯
丙 炔乙烯基乙炔乙 炔硝酸乙酯硝酸异丙酯硝基甲烷
19%
亚乙基氧联 氨
求出可燃蒸气云爆炸时的TNT当量后,由式(2)
及图1或式(3)、式(4)及表3即可估算出冲击波超压大
小及其破坏伤害作用。TNT当量法适用于很强的蒸气
云爆炸且用以模拟爆炸远场时偏差较小,模拟爆炸近
场时可能会高估蒸气云爆炸产生的超压。
3.2.2 TNO多能法估算蒸气云爆炸能量
TNO多能法由荷兰国家应用科学研究院(The
NetherlandsOrganizationforAppliedScience
Research
,
TNO
)于1985年在大量的实验和数值研究
基础上提出并逐步完善起来的,是目前模拟预测蒸气
云爆炸的常用方法。
TNO
多能法以半球形蒸气云为模型,假设中心点
火,火焰以恒定的速度传播。通过数值模拟,得到如图
2和图3所示的爆炸冲击波特性曲线。图2和图3分别
给出了Sachs比拟侧向峰值超压Δp
s
(Δp/p
a
)与Sachs
R
比拟距离R(
1/3
及冲击波无量纲正相比拟距离R
E/p
a
)
间的关系曲线。其中,Δp为侧向峰值超压,kPa;p
a
为
周围环境压力,kPa;R为目标到蒸气云中心的距离,
m;E为可燃蒸气云的爆炸能量,kJ;t
+
为冲击波正相
持续时间,
s
;
c
0
为周围环境的音速,
m
/
s
。
在图2和图3中,爆炸冲击波初始强度是一个可变
参数,取值为1到10之间的任一整数。1代表最弱的初
始强度,10代表最强的初始强度,即气体爆轰产生的
爆炸强度。实线表示高强度的爆炸冲击波,虚线表示
393
式中:
T
为可燃蒸气云爆炸效率因子,统计平均值为
0.04;m为蒸气云中可燃物的质量,kg。
爆炸效率因子是爆炸事故后果分析中最重要也是
最难准确知道的参数,其范围为2%～20%。对于多数
消防科学与技术2009年6月第28卷第6期
低强度的爆炸冲击波。由图2和图3可以看出,在初始
强度大于6或7的情况下,如果冲击距离大于某个临界
值,爆炸强度几乎与初始强度无关。爆炸冲击波初始强
度的大小与蒸气云所处空间的受限程度有关,其所处
空间受限程度越大,对增加气云湍流度越有利,初始强
度等级越高。根据前人的实际应用经验,在工程上应用
多能法模拟计算蒸气云爆炸时,爆炸冲击波初始强度
的选取依据如下:对于敞开空间区域,初始强度等级为
1;对于敞开空间且有少量树木存在的区域,初始强度
等级为2;对于敞开空间但一开始就存在湍流或由于喷
射泄漏产生的湍流,初始强度等级为3;对于储罐库区
等一定程度受限的空间,初始强度等级为7;对于工艺
装备,初始强度等级为10。因此,对于一般的蒸气云爆
炸,选取爆炸冲击波初始强度等级为7。选取爆炸冲击
波初始强度等级为10进行蒸气云爆炸模拟计算是最
保守的处理方法。
见式(14)。
ln
Δp
=-0.9126-1.5058
ln
2
R
-0.032
ln
3
R
p
s
(14)
R
。
1/3
≤12
(E/p
a
)
3.2.4 蒸气云爆轰伤害作用区域
其适用范围为:0.3≤
R
=
假设化学计量比的丙烷—空气混合物在低空发生
爆轰,冲击波的伤害破坏作用区域分别估算如下,其计
算精确度为95%。
(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R
1
的计算见式(15)。
R
1
=1.980m
p
0.447
(15)
式中:R
1
为死亡半径,m;m
p
为蒸气云中可燃气体的丙
T·m·ΔH
c
烷当量,kg;m
p
=,其中Q
p
为丙烷的燃烧
Q
p
热,一般取50290
kJ
·
kg
-1
。
(2)重伤区域半径。重伤区域半径R
2
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
。
R
2
的计算见式(16)。
1/3
R
2
=9.187
m
p
(16)
(3)轻伤区域半径。轻伤区域半径R
3
是指人在冲
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17kPa。R
3
的计算见式(17)。
R
3
=17.877m
p
1/3
(17)
3.2.5 蒸气云爆炸的冲击波损害半径
1979年,TNO根据真实气体蒸气云爆炸实验数
据提出了计算蒸气云爆炸冲击波损害半径的经验公
式,见式(18)。与丙烷当量模型相比,该模型计算结果
相对保守,偏于安全。
R=C(NE)
1/3
(18)
式中:R为冲击波损害半径,m;C为经验常数,取0.03
～0.4,见表9;
N
为效率因子,与可燃蒸气云持续扩散
所造成的浓度下降和燃烧效率有关,可近似取10%;E
为可燃蒸气云的爆炸能量,kJ,E的计算方法与化学性
爆炸能量的理论计算方法相同。
表9 损害等级与经验常数
损害等级C建筑物、设备破坏人员伤害
1%人员死亡、人员肺部伤害、
50%以上的人员耳膜破裂、
50%以上的人员被碎片击伤
1%人员耳膜破裂、1%人员被
碎片击伤
人员被碎玻璃击伤
根据蒸气云爆炸初始强度和爆炸能量的不同选用
爆炸冲击波特性曲线,就可以确定蒸气云爆炸产生的
冲击波特性参数,再根据冲击波特性参数的大小估计
目标的破坏伤害程度。
3.2.3 蒸气云爆轰产生的冲击波超压
蒸气云爆轰时,产生的冲击波正相超压满足关系
394
1
建筑物、设备破坏
0.03
严重
0.06
建筑物外部可修
复性破坏
2
3
4
0.15玻璃破碎
0.4010%玻璃破碎
FireScienceandTechnology,June2009,Vol28,No.6
4 结束语
在爆炸火灾事故中,爆炸冲击波往往会造成强烈
的伤害破坏作用。进行爆炸冲击波伤害破坏作用分析
需要首先估算爆炸能量的大小,然后选择合适的冲击
波破坏伤害准则进行定量分析判断。冲击波的破坏伤
害作用主要取决于超压的大小,立方根比例定律是定
量估算冲击波超压最常用的方法。无论是物理性爆炸
还是化学性爆炸,都有可能会形成冲击波。物理性爆炸
能量与介质在容器内的物性相态和容器的容积有关,
分为气体介质压力容器的爆炸能量、气液两相介质压
力容器的爆炸能量和液体介质压力容器的爆炸能量三
类。化学性爆炸能量的大小主要取决于参与爆炸性燃
烧反应的可燃物质的量和燃烧热;蒸气云爆炸能量的
估算方法主要有TNT法和TNO法,蒸气云爆炸及爆
轰的破坏伤害作用既可使用立方根比例定律进行分
析,也可以直接使用相关经验模型。依据这些模型进行
爆炸事故后果定量分析,可以为消防重大危险源的确
定与分级、重大爆炸火灾事故的预防、灭火救援预案的
制订以及爆炸火灾事故救援决策提供科学依据与理论
指导,最大限度地降低爆炸火灾事故发生的可能性和
事故的危害性,减少事故处置过程中可能造成的次生
损失和影响。
参考文献:
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Quantitativeanalysisforconsequence
ofexplosionshockwave
FUZhi-min,HUANGJin-yin,ZANGNa
(ChinesePeople'sArmedPoliceForceAcademy,Hebei
Langfang
065000,
China
)
:
BothphysicalexplosionandchemicalexplosionmayAbstract
imating
methodsforshockwaveoverpressureandcalculatingmodels
forsystemataciallyto
quantitativelyanalyzethedamageofshockwave
.
Thedamage
ofshockwavemainlydependsonpeakoverpressureandscaled
cuberootdistanceisthemostcommonmethodtoestimatethe
shockwaveoverpressure
.
Energyreleasedbyphysical
explosionisrelatedtophaseofmaterialandvolumeofthe
releasedbychemicalexplosiondependson
aretwomethodsofTNTequivalentmethodandTNOmulti
-
energymethodtocalculatetheenergyofvaporcloud
ageofvaporcloudexplosionanddetonation
canbeanalyzedbyeitherscaledcuberootlaworrelevant
experiencemodels
.
Quantitativeanalysisonconsequenceof
explosionaccidentsisofgreatpracticalsignificancefor
identificationandclassificationoffiremajorhazard,mapping
outfire
-
fighting&rescuepreplananddecisionmakingfor
explosion&fireaccidentsrescue
.
Keywords:explosion;shockwave;peakoverpressure;scaled
cuberootlaw;vaporcloudexplosion
explosionenergyarestudied
作者简介:傅智敏(1968-),女,中国人民武装警
察部队学院消防工程系防火工程教研室主任,教授,博
士,主要从事消防工程专业教育、工业企业防火、火灾
风险分析技术、易燃易爆危险品消防以及灭火剂方面
的教学、科研和管理工作,河北省廊坊市,065000。
收稿日期:2009-02-25
395
2024年6月10日发(作者：户英博)
消防理论研究
爆炸冲击波伤害破坏作用定量分析
傅智敏,黄金印,臧 娜
(中国人民武装警察部队学院,河北廊坊065000)
摘 要:针对爆炸事故后果定量分析中存在的模糊认识,
对冲击波超压估算方法和爆炸能量计算模型进行了系统论述。
冲击波的破坏伤害作用主要取决于峰值超压的大小,立方根比
例定律是定量估算冲击波超压最常用的方法。物理性爆炸产生
的能量大小与容器内介质的状态和容器的容积有关,化学性爆
炸能量的大小主要取决于参与爆炸性燃烧反应的可燃物质的
量和燃烧热。蒸气云爆炸能量的估算方法主要有TNT法和
TNO法两种,蒸气云爆炸及爆轰的破坏伤害作用既可使用立
方根比例定律进行分析,也可以直接使用相关经验模型。
关键词:爆炸;冲击波;峰值超压;立方根比例定律;蒸气
云爆炸
中图分类号:X932,TQ564 文献标志码:A
文章编号:1009-0029(2009)06-0390-06
表1 1000kgTNT地面爆炸时冲击波超压对建筑物的破坏作用
Δp
/
kPa
5～6
6～15
15～20
20～30
40～50
60～70
70～100
100～200
200～300
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
墙裂大缝,屋瓦掉落
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
表2 冲击波超压对人员的伤害作用
Δp/kPa
<19.6
冲击波破坏效应
能保证人员安全
人体受到轻微损伤
损伤人的听觉器官或产生骨折
严重损伤人的内脏或引起死亡
大部分人员死亡
研究表明,爆炸的破坏作用主要是由冲击波产生
的。无论是化学性爆炸还是物理性爆炸都会形成冲击
波。冲击波的破坏作用可用峰值超压、持续时间和冲量
三个特征参数衡量。冲击波破坏伤害准则主要有超压
准则、冲量准则和超压—冲量准则等,其中最常用的是
超压准则。定量分析爆炸冲击波的伤害破坏作用,先要
确定爆炸产生的冲击波超压与爆炸能量间的关系,进
而分析不同爆炸情形下产生的能量及伤害破坏作用。
1 冲击波破坏伤害作用的估算
冲击波是一种介质状态(压力、密度、温度等)突跃
变化的强扰动传播,最常见的形式是空气冲击波,其传
播速度大于声速。多数情况下,冲击波的破坏伤害作用
是由超压引起的。超出周围压力的最大压力称为峰值
超压Δp,一般情况下超压意味着侧向超压,即压力是
在压力传感器与冲击波相垂直的条件下测量得到的。
1.1 冲击波超压的破坏伤害作用
峰值超压Δp可以达到数个甚至数十个大气压。冲
击波超压对建筑物的破坏作用和对人员的伤害作用如
表1和表2所示。
冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有
关。在其他条件相同的情况下,爆炸能量越大,冲击波
强度越大,波阵面上的超压也越大。爆炸产生的冲击波
是立体冲击波,它以爆炸点为中心,以球面或半球面向
外扩展传播。随着半径增大,波阵面表面积增大,超压
逐渐减弱。
390
19.6～29.4
29.4～49.0
49.0～98.0
>98.0
1.2 立方根比例定律
立方根比例定律又称为
Hopkinson
-
Cranz
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。Hopkinson-Cranz比例距离见式(1)所示。
z=R/E
式中:
R
为冲击距离,
m
;
E
为爆炸能量,
kJ
。
1.2.1 当量比例距离法
1973年,Baker提出用TNT当量比例距离估算超
压。即冲击波超压可由TNT当量m
TNT
,以及距地面上
爆炸源点的距离
R
来估算,见式(2)所示。
1/3
(2)
z
e
=
R
/
m
TNT
式中:
m
TNT
=
E
/
Q
TNT
,
Q
TNT
为
TNT
的爆炸当量能量,
1/3
(1)
一般取平均值4686
kJ
/
kg
。
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如图1所示,其曲线关系可
用式(3)描述。
Δp
=
p
a
16161+
1+
z
e
0.048
2
z
e
4.5
z
e
0.32
2
2
1+1+
z
e
1.35
2
(3)
FireScienceandTechnology,June2009,Vol28,No.6
式中:
p
a
为周围环境压力。
在确定出
TNT
当量比例距离
z
e
后,即可由图1直
接查得爆炸产生的冲击波峰值超压,或根据式(3)计算
求得。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。
表3 1000
kgTNT
空中爆炸时的冲击波超压
R
0
/
m
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
20
25
30
35
Δp/MPa
2.94
2.06
1.67
1.27
0.95
0.76
0.50
0.330
0.235
0.170
0.126
0.079
0.057
0.043
R
0
/
m
40
45
50
55
60
65
70
75
90
109
144
166
201
Δp/MPa
0.0330
0.0270
0.0235
0.0205
0.0180
0.0160
0.0143
0.0130
0.0100
0.0075
0.0050
0.0040
0.0030
图1 平坦地面上TNT爆炸的侧向峰值超压与z
e
间的关系
1.2.2 模拟比法
根据立方根比例定律和BakerTNT当量比例距
离可以得出式(4)。
R
=
R
0
3
R=
K·m
TNT
3175
2
1+
m
TNT
1/3
1/6
(5)
m
TNT
= =
0
m
TNT
0
TΔpΔp
(4)
式中:
R
为冲击波作用下的房屋破坏半径,
m
;
K
为破
坏常数,与房屋破坏程度有关,其取值参见表4。
在精度不太高的财产损失计算中,根据B级破坏
状况求出的半径可作为财产损失半径,并假定此半径
内没有损失的财产与此半径外损失的财产相互抵消;
也可以假定此半径范围内的财产全部损失,此半径外
的财产完全没有损失。
表4 房屋破坏程度
破坏
等级
A
B
C
b
C
a
D
破坏常数
K
3.8
4.6
9.6
28
56
破坏状况
房屋几乎被完全摧毁
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
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
房屋隔板从接头上脱落,房屋结构至多受到轻
微破坏
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
式中:R
0
为试验爆炸时目标与爆炸中心的距离,m;
m
TNT
0
为试验爆炸时
TNT
炸药量,
kg
;
Δp
为实际爆炸
时目标处的超压,
kPa
;
Δp
0
为试验爆炸时目标处的超
压,kPa;T为实际爆炸与试验爆炸的无量纲模拟比。
式(4)表明,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。利用式(4)
就可以根据某些已知炸药量的试验所测得的超压来确
定在各种相应距离下任意炸药量(当量)爆炸时的超
压。表3为1000kgTNT发生空中爆炸时,在与爆炸中
心不同距离处测得的冲击波超压。大多数爆炸都被认
为是发生在地面上的,由表3所得到的超压值应乘以
2。如果已知距离爆炸中心
R
处冲击波的破坏伤害作
用,还可以反推爆炸中心的爆炸能量。
1.3 冲击波对房屋的破坏
爆炸冲击波能不同程度地破坏周围的房屋和建筑
设施,造成直接经济损失。房屋的破坏程度不仅与爆炸
源性质、爆炸能量、冲击距离等因素有关,而且与房屋
本身的结构有关。1968年
Jarrett
对100次爆炸事故
(涉及
TNT
、硝化甘油、硝化棉和铝末混合炸药等爆炸
物类型,药量从136.1
kg
到2.4×10
6
kg
)系统调查研
究的结果进行了归纳总结,得出了英式砖石结构房屋
破坏程度与药量、距离间的关系,见式(5)所示。
消防科学与技术2009年6月第28卷第6期
2 物理性爆炸能量的计算
物理性爆炸如压力容器破裂时,爆炸能量与介质
在容器内的物性相态和容器的容积有关。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
高温饱和水、液氨、液氯等液化气体。容积与压力相同
而相态不同的介质,在容器破裂时的爆炸过程不同,爆
炸产生的能量也不同。
2.1 气体介质压力容器的爆炸能量
盛装气体的压力容器在破裂时,气体膨胀所释放
391
的能量与压力容器的压力和容积有关。其爆炸过程是
容器内的气体由容器破裂前的压力降至大气压力的一
个简单膨胀过程,所以历时一般都很短,不管容器内介
质的温度与周围大气存在多大的温差,都可以认为容
器内的气体与大气无热量交换,即此时气体介质的膨
胀是一个绝热膨胀过程。因此其爆炸能量亦即为气体
介质膨胀所做的功,见式(6)所示。
pV
E
g
=
κ-1
1-
0.1013
p
κ-1
κ
对于干饱和水蒸气,κ=1.135,其爆炸能量可用式
(8)计算。
(8)
E
v
=
C
v
·
V
式中:
E
v
为干饱和水蒸气介质压力容器的爆炸能量,
3
kJ
;
C
v
为干饱和水蒸气的爆炸能量系数,
kJ
/
m
。
C
v
=7.5p1-
0.1013
p
0.1189
×10
3
,常用压力下干
1.135)
×10
3
(6)
饱和水蒸气的爆炸能量系数如表7所示。
表7 常用压力下干饱和水蒸气及饱和水的爆炸能量系数(
κ
=
p/MPa
0.4
0.6
0.9
1.4
2.6
3.1
C
v
/kJ·m
-3
4.5×10
2
8.5×10
2
1.5×10
3
2.8×10
3
6.2×10
3
7.7×10
3
C
w
/kJ·m
-3
9.6×10
3
1.7×10
4
2.7×10
4
4.1×10
4
6.7×10
4
7.7×10
4
式中:E
g
为压缩气体介质压力容器的爆炸能量,kJ;p
为爆炸前气体的绝对压力,
MPa
;
V
为压力容器的容
积,m;κ为气体的绝热指数,可按气体分子的组成近
似确定,如双原子分子κ为1.4,三原子和四原子分子κ
为1.2～1.3。常用气体绝热指数见表5。
绝热指数为1.4或接近1.4的空气、氮气、氧气、氢
气和一氧化碳等双原子气体的爆炸能量见式(7)所示。
E
双
=C
双
·V
C
双
为压缩气体的爆炸能量系数,kJ/m
。
C
双
=2.5p1-
0.1013
p
0.2857
3
3
(7)
2.2 气液两相介质压力容器的爆炸能量
液化气体和高温饱和水一般在容器内以气液两相
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质量的绝大
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
释放的能量可按式(9)计算。
E
gL
=[(H
1
-H
2
)-(S
1
-S
2
)T
b
]·m(9)
式中:E
双
为双原子气体介质压力容器的爆炸能量,kJ;
3
×10
C
双
是气体绝对压力p的函数,常用压力下压缩气
体爆炸能量系数见表6。
表5 常用气体的绝热指数
气 体
空 气
氮 气
氧 气
氢 气
氯 气
甲 烷
二氧化碳
一氧化二氮
一氧化氮
二氧化氮
二氧化硫
氨
κ
1.400
1.400
1.397
1.412
1.350
1.315
1.295
1.274
1.400
1.310
1.250
1.320
气 体
乙 烷
丙 烷
正丁烷
乙 烯
丙 烯
一氧化碳
硫化氢
氰化氢
氯甲烷
氯乙烷
干饱和水蒸气
过热水蒸气
κ
1.180
1.130
1.100
1.220
1.150
1.395
1.320
1.310
1.280
1.190
1.135
1.300
式中:E
gL
为液化气体介质压力容器的爆炸能量,kJ;
H
1
为爆炸前液化气体的焓,kJ/kg;H
2
为大气压力下
液化气体的焓,kJ/kg;S
1
为爆炸前液化气体的熵,kJ/
(kg·K);S
2
为大气压力下液化气体的熵,kJ/(kg·
K
);
T
b
为大气压力下液化气体的沸点,
K
;
m
为液化气
体的质量,kg。
高温饱和水发生物理爆炸时,爆炸能量可由式
(10)计算。
(10)
E
w
=
C
w
·
V
式中:
E
w
为高温饱和水介质压力容器的爆炸能量,
kJ
;
3
C
w
为高温饱和水的爆炸能量系数,
kJ
/
m
,参见表7;
V
表6 常用压力下压缩气体的爆炸能量系数(κ=1.4时)
p
/
MPa
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.7
·
m
-3
C
双
/
kJ
2.0×10
2
4.6×10
2
7.5×10
2
1.1×10
3
1.4×10
3
2.4×10
3
p
/
MPa
2.6
4.1
5.1
6.5
15.1
32.1
·
m
-3
C
双
/
kJ
3.9×10
3
6.7×10
3
8.6×10
3
1.1×10
4
2.7×10
4
6.5×10
4
为压力容器内饱和水的体积,m
。
2.3 液体介质压力容器的爆炸能量
介质为常温液体的压力容器发生物理性爆炸时,
所释放的能量等于液体加压时所做的功,见式(11)。
(p-p
0
)VT
t
E
L
=
2
2
3
(11)
式中:E
L
为液体介质压力容器的爆炸能量,J;p为爆
炸前液体的绝对压力,
Pa
;
p
0
为大气压力,
Pa
;
V
为压
392
FireScienceandTechnology,June2009,Vol28,No.6
力容器的容积,
m
3
;
a
t
为压力
p
、温度
t
时液体的压缩系
数,
Pa
-1
。
3 化学性爆炸与蒸气云爆炸事故后果分析
化学性爆炸通常发生在容器、装置内部或某一局
部空间,它是由于剧烈的化学反应(主要是燃烧反应)
产生大量气体和热量所致的爆炸。
3.1 化学性爆炸能量的理论计算
爆炸性混合气体爆炸所放出的能量,可根据参与
反应的可燃气体量和气体的燃烧热(高热值)直接计算
求得,见式(12)所示。
E=V·ΔH
c
(12)
脂肪烃,通常推荐值是3%;对于某些烯烃,观察到的值
大约是6%。含氧燃料趋向于高的效率因子,可以达到
16%～18%。表8列出了一些物质的爆炸效率因子。
表8 一些物质的爆炸效率因素
爆炸
效率
因子
乙 醛
丙 酮
乙 烷
乙 醇
甲 烷
甲 醇
物质名称
乙酸丙酯
丙 烯
二氯丙烷
苯乙烯
氰
甲基异丙基苯
癸 烷
二氯苯
二氯乙烷
二甲醚
氢氰酸
氢
硫化氢
异丁醇
异辛烷
戊 烷
石油醚
邻苯二甲酸酐
丙烷
丙 醇
异丙醇
异丁烯
二甲苯
萘
丙烯腈乙酸乙酯乙酸甲酯
乙酸戊酯
戊 醇
3%苯
乙 胺甲 胺
乙 苯甲基丁基酮四氟乙烯
氯乙烷氯甲烷甲 苯
式中:
E
为化学性爆炸时的爆炸能量,
kJ
;
V
为参与爆
3
炸反应的可燃气体(蒸气)在标准状态下的体积,Nm;
·
Nm
-3
。
ΔH
c
为可燃气体(蒸气)的体积燃烧热,
kJ
3.2 蒸气云爆炸事故后果分析
作为化学性爆炸的一种,蒸气云爆炸(VCEs,
VaporCloudExplosions)是由于气体或易于挥发的液
体可燃物的大量快速泄漏,与周围空气混合形成覆盖
范围很大的“预混云”,在某一有限空间遇点火源而导
致的爆炸。蒸气云爆炸主要因冲击波造成破坏和伤害。
根据蒸气云爆炸冲击波预测模型的特点和复杂
性,可将其分成数值模型、物理模型和相关模型三种。
数值模型大多数是基于CFD(ComputationalFluid
Dynamics
)方法,由于其需要高性能的计算机以及模
拟计算时间长等缺点,使得此方法在蒸气云模拟方面
的应用和推广受到限制;物理模型属于简化模型,物理
模型用简化的方法来描述蒸气云的物理过程,能够预
测大范围内的爆炸超压,但由于其简化了蒸气云的爆
炸过程,因而此类模型的模拟与预测精度受到影响。相
关模型也就是缩放比率模型,是依靠实验结果而建立
起来的,典型的蒸气云相关模型包括TNT当量模型、
TNO模型、ME模型和CAM模型等。比较而言,相关
模型更易应用于火灾风险评价领域,笔者重点讨论蒸
气云爆炸的TNT当量法和TNO多能法。
3.2.1 TNT当量法估算蒸气云爆炸能量
TNT
当量法是把蒸气云爆炸的破坏作用转化成
TNT爆炸的破坏作用,可燃蒸气云爆炸时的TNT当
量m
TNT
计算见式(13)所示。
T·m·ΔH
c
m
TNT
=
Q
TNT
(13)
6%
丁二烯甲酸乙酯甲基乙基酮乙酸乙烯酯
丁 烷丙酸乙酯甲酸甲酯
丁 烯
乙酸丁酯
一氧化碳
丙烯醛
二硫化碳
糠 醇甲硫醇
氯乙烯
偏氯乙烯
水煤气庚 烷甲基丙基酮
己 烷
乙 醚乙 烯甲基乙烯酯环己烷环氧丙烷
乙烯醚亚硝酸乙酯
丙 炔乙烯基乙炔乙 炔硝酸乙酯硝酸异丙酯硝基甲烷
19%
亚乙基氧联 氨
求出可燃蒸气云爆炸时的TNT当量后,由式(2)
及图1或式(3)、式(4)及表3即可估算出冲击波超压大
小及其破坏伤害作用。TNT当量法适用于很强的蒸气
云爆炸且用以模拟爆炸远场时偏差较小,模拟爆炸近
场时可能会高估蒸气云爆炸产生的超压。
3.2.2 TNO多能法估算蒸气云爆炸能量
TNO多能法由荷兰国家应用科学研究院(The
NetherlandsOrganizationforAppliedScience
Research
,
TNO
)于1985年在大量的实验和数值研究
基础上提出并逐步完善起来的,是目前模拟预测蒸气
云爆炸的常用方法。
TNO
多能法以半球形蒸气云为模型,假设中心点
火,火焰以恒定的速度传播。通过数值模拟,得到如图
2和图3所示的爆炸冲击波特性曲线。图2和图3分别
给出了Sachs比拟侧向峰值超压Δp
s
(Δp/p
a
)与Sachs
R
比拟距离R(
1/3
及冲击波无量纲正相比拟距离R
E/p
a
)
间的关系曲线。其中,Δp为侧向峰值超压,kPa;p
a
为
周围环境压力,kPa;R为目标到蒸气云中心的距离,
m;E为可燃蒸气云的爆炸能量,kJ;t
+
为冲击波正相
持续时间,
s
;
c
0
为周围环境的音速,
m
/
s
。
在图2和图3中,爆炸冲击波初始强度是一个可变
参数,取值为1到10之间的任一整数。1代表最弱的初
始强度,10代表最强的初始强度,即气体爆轰产生的
爆炸强度。实线表示高强度的爆炸冲击波,虚线表示
393
式中:
T
为可燃蒸气云爆炸效率因子,统计平均值为
0.04;m为蒸气云中可燃物的质量,kg。
爆炸效率因子是爆炸事故后果分析中最重要也是
最难准确知道的参数,其范围为2%～20%。对于多数
消防科学与技术2009年6月第28卷第6期
低强度的爆炸冲击波。由图2和图3可以看出,在初始
强度大于6或7的情况下,如果冲击距离大于某个临界
值,爆炸强度几乎与初始强度无关。爆炸冲击波初始强
度的大小与蒸气云所处空间的受限程度有关,其所处
空间受限程度越大,对增加气云湍流度越有利,初始强
度等级越高。根据前人的实际应用经验,在工程上应用
多能法模拟计算蒸气云爆炸时,爆炸冲击波初始强度
的选取依据如下:对于敞开空间区域,初始强度等级为
1;对于敞开空间且有少量树木存在的区域,初始强度
等级为2;对于敞开空间但一开始就存在湍流或由于喷
射泄漏产生的湍流,初始强度等级为3;对于储罐库区
等一定程度受限的空间,初始强度等级为7;对于工艺
装备,初始强度等级为10。因此,对于一般的蒸气云爆
炸,选取爆炸冲击波初始强度等级为7。选取爆炸冲击
波初始强度等级为10进行蒸气云爆炸模拟计算是最
保守的处理方法。
见式(14)。
ln
Δp
=-0.9126-1.5058
ln
2
R
-0.032
ln
3
R
p
s
(14)
R
。
1/3
≤12
(E/p
a
)
3.2.4 蒸气云爆轰伤害作用区域
其适用范围为:0.3≤
R
=
假设化学计量比的丙烷—空气混合物在低空发生
爆轰,冲击波的伤害破坏作用区域分别估算如下,其计
算精确度为95%。
(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R
1
的计算见式(15)。
R
1
=1.980m
p
0.447
(15)
式中:R
1
为死亡半径,m;m
p
为蒸气云中可燃气体的丙
T·m·ΔH
c
烷当量,kg;m
p
=,其中Q
p
为丙烷的燃烧
Q
p
热,一般取50290
kJ
·
kg
-1
。
(2)重伤区域半径。重伤区域半径R
2
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
。
R
2
的计算见式(16)。
1/3
R
2
=9.187
m
p
(16)
(3)轻伤区域半径。轻伤区域半径R
3
是指人在冲
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17kPa。R
3
的计算见式(17)。
R
3
=17.877m
p
1/3
(17)
3.2.5 蒸气云爆炸的冲击波损害半径
1979年,TNO根据真实气体蒸气云爆炸实验数
据提出了计算蒸气云爆炸冲击波损害半径的经验公
式,见式(18)。与丙烷当量模型相比,该模型计算结果
相对保守,偏于安全。
R=C(NE)
1/3
(18)
式中:R为冲击波损害半径,m;C为经验常数,取0.03
～0.4,见表9;
N
为效率因子,与可燃蒸气云持续扩散
所造成的浓度下降和燃烧效率有关,可近似取10%;E
为可燃蒸气云的爆炸能量,kJ,E的计算方法与化学性
爆炸能量的理论计算方法相同。
表9 损害等级与经验常数
损害等级C建筑物、设备破坏人员伤害
1%人员死亡、人员肺部伤害、
50%以上的人员耳膜破裂、
50%以上的人员被碎片击伤
1%人员耳膜破裂、1%人员被
碎片击伤
人员被碎玻璃击伤
根据蒸气云爆炸初始强度和爆炸能量的不同选用
爆炸冲击波特性曲线,就可以确定蒸气云爆炸产生的
冲击波特性参数,再根据冲击波特性参数的大小估计
目标的破坏伤害程度。
3.2.3 蒸气云爆轰产生的冲击波超压
蒸气云爆轰时,产生的冲击波正相超压满足关系
394
1
建筑物、设备破坏
0.03
严重
0.06
建筑物外部可修
复性破坏
2
3
4
0.15玻璃破碎
0.4010%玻璃破碎
FireScienceandTechnology,June2009,Vol28,No.6
4 结束语
在爆炸火灾事故中,爆炸冲击波往往会造成强烈
的伤害破坏作用。进行爆炸冲击波伤害破坏作用分析
需要首先估算爆炸能量的大小,然后选择合适的冲击
波破坏伤害准则进行定量分析判断。冲击波的破坏伤
害作用主要取决于超压的大小,立方根比例定律是定
量估算冲击波超压最常用的方法。无论是物理性爆炸
还是化学性爆炸,都有可能会形成冲击波。物理性爆炸
能量与介质在容器内的物性相态和容器的容积有关,
分为气体介质压力容器的爆炸能量、气液两相介质压
力容器的爆炸能量和液体介质压力容器的爆炸能量三
类。化学性爆炸能量的大小主要取决于参与爆炸性燃
烧反应的可燃物质的量和燃烧热;蒸气云爆炸能量的
估算方法主要有TNT法和TNO法,蒸气云爆炸及爆
轰的破坏伤害作用既可使用立方根比例定律进行分
析,也可以直接使用相关经验模型。依据这些模型进行
爆炸事故后果定量分析,可以为消防重大危险源的确
定与分级、重大爆炸火灾事故的预防、灭火救援预案的
制订以及爆炸火灾事故救援决策提供科学依据与理论
指导,最大限度地降低爆炸火灾事故发生的可能性和
事故的危害性,减少事故处置过程中可能造成的次生
损失和影响。
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Quantitativeanalysisforconsequence
ofexplosionshockwave
FUZhi-min,HUANGJin-yin,ZANGNa
(ChinesePeople'sArmedPoliceForceAcademy,Hebei
Langfang
065000,
China
)
:
BothphysicalexplosionandchemicalexplosionmayAbstract
imating
methodsforshockwaveoverpressureandcalculatingmodels
forsystemataciallyto
quantitativelyanalyzethedamageofshockwave
.
Thedamage
ofshockwavemainlydependsonpeakoverpressureandscaled
cuberootdistanceisthemostcommonmethodtoestimatethe
shockwaveoverpressure
.
Energyreleasedbyphysical
explosionisrelatedtophaseofmaterialandvolumeofthe
releasedbychemicalexplosiondependson
aretwomethodsofTNTequivalentmethodandTNOmulti
-
energymethodtocalculatetheenergyofvaporcloud
ageofvaporcloudexplosionanddetonation
canbeanalyzedbyeitherscaledcuberootlaworrelevant
experiencemodels
.
Quantitativeanalysisonconsequenceof
explosionaccidentsisofgreatpracticalsignificancefor
identificationandclassificationoffiremajorhazard,mapping
outfire
-
fighting&rescuepreplananddecisionmakingfor
explosion&fireaccidentsrescue
.
Keywords:explosion;shockwave;peakoverpressure;scaled
cuberootlaw;vaporcloudexplosion
explosionenergyarestudied
作者简介:傅智敏(1968-),女,中国人民武装警
察部队学院消防工程系防火工程教研室主任,教授,博
士,主要从事消防工程专业教育、工业企业防火、火灾
风险分析技术、易燃易爆危险品消防以及灭火剂方面
的教学、科研和管理工作,河北省廊坊市,065000。
收稿日期:2009-02-25
395