事故后果模拟分析方法
1 简 述
火灾、爆炸、中毒是常见的重大事故，经常造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失，影响社会安定。这里重点介绍有关火灾、爆炸和中毒事故(热辐射、爆炸波、中毒)后果分析，在分析过程中运用了数学模型。通常一个复杂的问题或现象用数学模型来描述，往往是在一个系列的假设前提下按理想的情况建立的，有些模型经过小型试验的验证，有的则可能与实际情况有较大出入，但对辨识危险性来说是可参考的。
2 泄 漏
由于设备损坏或操作失误引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物质的释放，将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生。因此，事故后果分析由泄漏分析开始。
2．1 泄漏情况分析
1)泄漏的主要设备
根据各种设备泄漏情况分析，可将工厂(特别是化工厂)中易发生泄漏的设备归纳为以下10类：管道、挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应器、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器及火炬燃烧装置或放散管等。
(1)管道。它包括管道、法兰和接头，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20％～100％、20％和20％～100％。
(2)挠性连接器。它包括软管、波纹管和铰接器，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：
①连接器本体破裂泄漏，裂口尺寸取管径的20％～100％；
②接头处的泄漏，裂口尺寸取管径的20％；
③连接装置损坏泄漏，裂口尺寸取管径的100％。
(3)过滤器。它由过滤器本体、管道、滤网等组成，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20％～100％和20％。
(4)阀。其典型泄漏情况和裂口尺寸为：
①阀壳体泄漏，裂口尺寸取管径的20％～100％；
②阀盖泄漏，裂口尺寸取管径的20％；
③阀杆损坏泄漏，裂口尺寸取管径的20％。
(10)火炬燃烧器或放散管。它们包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器和分离罐等，泄漏主要发生在简体和多通接头部位。裂口尺寸取管径的20％～100％。
2)造成泄漏的原因
从人－机系统来考虑造成各种泄漏事故的原因主要有4类。
(1)设计失误。
①基础设计错误，如地基下沉，造成容器底部产生裂缝，或设备变形、错位等；
②选材不当，如强度不够，耐腐蚀性差、规格不符等；
③布置不合理，如压缩机和输出管没有弹性连接，因振动而使管道破裂；
④选用机械不合适，如转速过高、耐温、耐压性能差等；
⑤选用计测仪器不合适；
⑥储罐、贮槽未加液位计，反应器(炉)未加溢流管或放散管等。
(2)设备原因。
①加工不符合要求，或未经检验擅自采用代用材料；
②加工质量差，特别是不具有操作证的焊工焊接质量差；
③施工和安装精度不高，如泵和电机不同轴、机械设备不平衡、管道连接不严密等；
④选用的标准定型产品质量不合格；
⑤对安装的设备没有按<机械设备安装工程及验收规范)进行验收；
⑥设备长期使用后未按规定检修期进行检修，或检修质量差造成泄漏；
⑦计测仪表未定期校验，造成计量不准；
⑧阀门损坏或开关泄漏，又未及时更换；
⑨设备附件质量差，或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等。
(3)管理原因。
①没有制定完善的安全操作规程；
②对安全漠不关心，已发现的问题不及时解决；
③没有严格执行监督检查制度；
④指挥错误，甚至违章指挥；
⑤让未经培训的工人上岗，知识不足，不能判断错误；
⑥检修制度不严，没有及时检修已出现故障的设备，使设备带病运转。
3)泄漏后果
泄漏一旦出现，其后果不单与物质的数量、易燃性、毒性有关，而且与泄漏物质的相
态、压力、温度等状态有关。这些状态可有多种不同的结合，在后果分析中，常见的可能结合有4种：
·常压液体；
·加压液化气体；
·低温液化气体；
·加压气体。
泄漏物质的物性不同，其泄漏后果也不同。
(1)可燃气体泄漏。可燃气体泄漏后与空气混合达到燃烧极限时，遇到引火源就会发生燃烧或爆炸。泄漏后起火的时间不同，泄漏后果也不相同。
①立即起火。可燃气体从容器中往外泄出时即被点燃，发生扩散燃烧，产生喷射性火焰或形成火球，它能迅速地危及泄漏现场，但很少会影响到厂区的外部。
②滞后起火。可燃气体泄出后与空气混合形成可燃蒸气云团，并随风飘移，遇火源发生爆炸或爆轰，能引起较大范围的破坏。
(2)有毒气体泄漏。有毒气体泄漏后形成云团在空气中扩散，有毒气体的浓密云团将笼罩很大的空间，影响范围大。
(3)液体泄漏。一般情况下，泄漏的液体在空气中蒸发而生成气体，泄漏后果与液体的
性质和贮存条件(温度、压力)有关。
①常温常压下液体泄漏。这种液体泄漏后聚集在防液堤内或地势低洼处形成液池，液体由于池表面风的对流而缓慢蒸发，若遇引火源就会发生池火灾。
②加压液化气体泄漏。一些液体泄漏时将瞬时蒸发，剩下的液体将形成一个液池，吸收周围的热量继续蒸发。液体瞬时蒸发的比例决定于物质的性质及环境温度。有些泄漏物可能在泄漏过程中全部蒸发。
③低温液体泄漏。这种液体泄漏时将形成液池，吸收周围热量蒸发，蒸发量低于加压液化气体的泄漏量，高于常温常压下液体的泄漏量。
无论是气体泄漏还是液体泄漏，泄漏量的多少都是决定泄漏后果严重程度的主要因素，而泄漏量又与泄漏时间长短有关。
2．2 泄漏量的计算
当发生泄漏的设备的裂口是规则的，而且裂口尺寸及泄漏物质的有关热力学、物理化学性质及参数已知时，可根据流体力学中的有关方程式计算泄漏量。当裂口不规则时，可采取等效尺寸代替；当遇到泄漏过程中压力变化等情况时，往往采用经验公式计算。
1)液体泄漏量
液体泄漏速度可用流体力学的柏努利方程计算，其泄漏速度为：
(1)
式中 Q0——液体泄漏速度，kg／s；
Cd——液体泄漏系数，按表1选取；
A——裂口面积，m2；
ρ——泄漏液体密度，kg/m3；
p——容器内介质压力，Pa；
p0——环境压力，Pa；
g——重力加速度，9．8m／s2；
h——裂口之上液位高度，m。
对于常压下的液体泄漏速度，取决于裂口之上液位的高低；对于非常压下的液体泄漏速度，主要取决于窗口内介质压力与环境压力之差和液位高低。
当容器内液体是过热液体，即液体的沸点低于周围环境温度，液体流过裂口时由于压力减小而突然蒸发。蒸发所需热量取自于液体本身，而容器内剩下的液体温度将降至常压沸点。在这种情况下，泄漏时直接蒸发的液体所占百分比F可按下式计算：
(2)
式中 cp——液体的比定压热容，J／(kg·K)；
T——泄漏前液体的温度，K；
T0——液体在常压下的沸点，K；
H——液体的气化热，J／kg。
按式(2)计算的结果，几乎总是在0～1之间。事实上，泄漏时直接蒸发的液体将以细小烟雾的形式形成云团，与空气相混合而吸收热蒸发。如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发，由一些液体烟雾将凝结成液滴降落到地面，形成液池。根据经验，当F＞0．2时，一般不会形成液池；当F＜0．2时，F与带走液体之比有线性关系，即当F=0时，没有液体带走(蒸发)；当F=0．1时，有50％的液体被带走。
2)气体泄漏量
气体从裂口泄漏的速度与其流动状态有关。因此，计算泄漏量时首先要判断泄漏时气体流动属于音速还是亚音速流动，前者称为临界流，后者称为次临界流。
当式(3)成立时，气体流动属音速流动：
(3)
当式(4)成立时，气体流动属亚音速流动：
(4)
式中 p——容器内介质压力，Pa；
p0——环境压力，Pa；
k——气体的绝热指数，即比定压热容cp与比定容热容cV之比。
气体呈音速流动时，其泄漏量为：
(5)
气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：
(6)
上两式中，Cd——气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1．00，三角形时取0．95，
长方形时取0．90；
Y——气体膨胀因子，它由下式计算：
(7)
M——分子量；
ρ——气体密度，kg/m3；
R——气体常数，J／(mol·K)；
T——气体温度，K。
当容器内物质随泄漏而减少或压力降低而影响泄漏速度时，泄漏速度的计算比较复杂。如果流速小或时间短，在后果计算中可采用最初排放速度，否则应计算其等效泄漏速度。
3)两相流动泄漏量
在过热液体发生泄漏时，有时会出现气、液两相流动。均匀两相流动的泄漏速度可按下式计算：
(8)
式中 Q0——两相流泄漏速度，kg／s；
Cd——两相流泄漏系数，可取0．8；
A——裂口面积，m2；
p——两相混合物的压力，Pa；
Pc——临界压力，Pa，可取pc=0．55Pa；
ρ——两相混合物的平均密度，kg／m3，
ρ1——液体蒸发的蒸气密度，kg／m3；
ρ2——液体密度，kg／m3；
Fv——蒸发的液体占液体总量的比例，
cp——两相混合物的比定压热容，J／(kg·K)；T——两相混合物的温度，K；
(9)
(10)
Tc——临界温度，K；
H——体的气化热，J／kg。
当F>1时，表明液体将全部蒸发成气体，这时应按气体泄漏公式计算；如果Fv很小，则可近似按液体泄漏公式计算。
2．3 泄漏后的扩散
如前所述，泄漏物质的特性多种多样，而 且还受原有条件的强烈影响，但大多数物质从容器中泄漏出来后，都可发展成弥散的气团向周围空间扩散。对可燃气体若遇到引火源会着火。这里仅讨论气团原形释 放的开始形式，即液体泄漏后扩散、喷射扩散和绝热扩散。关于气团在大气中的扩散属环境保护范畴，在此不予考虑。
1)液体的扩散
液体泄漏后立即扩散到地面，一直流到低洼处或人工边界，如防火堤、岸墙等，形成液池。液体泄漏出来不断蒸发，当液体蒸发速度等于泄漏速度时，液池中的液体量将维持不变。
如果泄漏的液体是低挥发度的，则从液池 中蒸发量较少，不易形成气团，对厂外人员没有危险；如果着火则形成池火灾；如果渗透进土壤，有可能对环境造成影响，如果泄漏的是挥发性液体或低温液体，泄 漏后液体蒸发量大，大量蒸发在液池上面后会形成蒸气云，并扩散到厂外，对厂外人员有影响。
(1)液池面积。如果泄漏的液体已达到人工边界，则液池面积即为人工边界围成的面积。
如果泄漏的液体未达到人工边界，则从假设液体的泄漏点为中心呈扁圆柱形在光滑平面上扩散，这时液池半径r用下式计算：
瞬时泄漏(泄漏时间不超过30s)时，
(11)
连续泄漏(泄漏持续10min以上)时，
(12)
式中 r——液池半径，m；
m——泄漏的液体质量，kg；
g——重力加速度，9．8m／s2；
p——设备中液体压力，Pa；
t——泄漏时间，s。
(2)蒸发量。液池内液体蒸发按其机理可分为闪蒸、热量蒸发和质量蒸发3种，下面分别介绍。
①闪蒸。过热液体泄漏后，由于液体的自身热量而直接蒸发称为闪蒸。发生闪蒸时液
体蒸发速度Qt可由下式计算：
(13)
式中 Fv——直接蒸发的液体与液体总量的比例；
m——泄漏的液体总量，kg；
t——闪蒸时间，s。
②热量蒸发。当Fv＜1或Qt＜m时，则液体闪蒸不完全，有一部分液体在地面形成液池，并吸收地面热量而气化，称为热量蒸发。热量蒸发速度Qt按下式计算：
(14)
式中A1——液池面积，m2；
T0——环境温度，K；
Tb——液体沸点，K；
H——液体蒸发热，J／kg；
L——液池长度，m；
α——热扩散系数，m2／s，见表2；
K——导热系数，J／(m·K)，见表2；
t——蒸发时间，s；
Nu——努塞尔(Nusselt)数。
③质量蒸发。当地面传热停止时，热量蒸发终止，转而由液池表面之上气流运动使液体蒸发，称为质量蒸发。其蒸发速度Q1为：
(15)
式中 α——分子扩散系数，m2／s；
Sh——舍伍德(Sherwood)数；
A——液池面积，m2；
L——液池长度，m；
ρ1——液体的密度，kg／m3。
2)喷射扩散
气体泄漏时从裂口喷出，形成气体喷射。大多数情况下气体直接喷出后，其压力高于周围环境大气压力，温度低于环境温度。在进行气体喷射计算时，应以等价喷射孔口直径计算。等价喷射的孔口直径按下式计算：
(16)
式中D——等价喷射孔径，m；
D0——裂口孔径，m；
ρ0——泄漏气体的密度，kg／m3；
ρ——周围环境条件下气体的密度，kg／m3。
如果气体泄漏能瞬时间达到周围环境的温度、压力状况，即ρ0=ρ，则D=D0。
(1)喷射的浓度分布。在喷射轴线上距孔口x处的气体的质量浓度C(x)为：
(17)
式中 b1，b2——分布函数，b1=50．5+48．2ρ—9．95ρ2，b2=23+41ρ。
其余符号意义同前。
如果把式(17)改写成x是C(x)的函数形式，则给定某质量浓度值C(x)，就可算出具有浓度的点至孔口的距离x。
在过喷射轴线上点x且垂直于喷射轴线的平面内任一点处的气体质量浓度为：
(18)
式中 C(x，y)——距裂口距离x且垂直于喷射轴线的平面内y点的气体浓度，kg／m3；
C(x)——喷射轴线上距裂口x处的气体的质量浓度，kg／m3；
b2——分布参数，同前；
y——目标点到喷射轴线的距离，m。
(2)喷射轴线上的速度分布。喷射速度随着轴线距离增大而减少，直到轴线上的某一点
喷射速度等于风速为止，该点称为临界点。临界点以后的气体运动不再符合喷射规律。沿喷射轴线上的速度分布由下式得出：
(19)
式中 ρ0——泄漏气体的密度，kg／m3；
ρ——周围环境条件下气体的密度，kg／m3；
D——等价喷射孔径，m；
b1——分布参数，同前；
x——喷射轴线上距裂口某点的距离，m；
——喷射轴线上距裂口x处一点的速度，m／s；
——喷射初速，等于气体泄漏时流出裂口时的速度，m／s，
(20)
Q0——气体泄漏速度，kg／s；
Cd——气体泄漏系数；
D0——裂口直径，m。
当临界点处的浓度小于允许浓度(如可燃气体的燃烧下限或者有害气体最高允许浓度)时，只需按喷射来分析；若该点浓度大于允许浓度时，则需要进一步分析泄漏气体在大气中扩散的情况。
3)绝热扩散
闪蒸液体或加压气体瞬时泄漏后，有一段快速扩散时间，假定此过程相当快以致在混合气团和周围环境之间来不及热交换，则称此扩散为绝热扩散。
根据TNO(1979年)提出的绝热扩散模式，泄漏气体(或液体闪蒸形成的蒸气)的气团呈半球形向外扩散。根据浓度分布情况，把半球分成内外两层，内层浓度均匀分布，且具有50％的泄漏量；外层浓度呈高斯分布，具有另外50％的泄漏量。
绝热扩散过程分为两个阶段，第一阶段气团向外扩散至大气压力，在扩散过程中，气团获得动能，称为“扩散能”；第二阶段，扩散能再将气团向外推，使紊流混合空气进入气团，从而使气团范围扩大。当内层扩散速度降到一定值时，可以认为扩散过程结束。
(1)气团扩散能。在气团扩散的第一阶段，扩散的气体(或蒸气)的内能一部分用来增加动能，对周围大气做功。假设该阶段的过程为可逆绝热过程，并且是等熵的。
①气体泄漏扩散能。根据内能变化得出扩散能计算公式如下：
E=cV(T1—T2)—0．98p0(V2—V1) (21)
式中 E——气体扩散能，J；
cV——比定容热容，J／(kg·K)；
T1——气团初始温度，K；
T2——气团压力降至大气压力时的温度，K；
p0——环境压力，Pa；
V1——气团初始体积，m3；
V2——气团压力降至大气压力时的体积，m3。
②闪蒸液泄漏扩散能。蒸发的蒸气团扩散能可以按下式计算：E=[H1—H2—Tb(S1一S2)]W—0．98(p1—p0)V1 式中 E——闪蒸液体扩散能，J；
H1——泄漏液体初始焓；J／kg；
H2——泄漏液体最终焓；J／kg；
Tb —液体的沸点，K；
(22)
S1——液体蒸发前的熵，J／(kg·K)；
S2——液体蒸发后的熵，J／(kg·K)；
W——液体蒸发量，kg；
p1——初始压力，Pa；
p0——周围环境压力，Pa；
V1——初始体积，m3。
(2)气团半径与浓度。在扩散能的推动下气团向外扩散，并与周围空气发生紊流混合。
①内层半径与浓度。气团内层半径R，和浓度C是时间函数，表达如下：
(23)
(24)
式中 t——扩散时间，s；
V0——在标准温度、压力下气体体积，m3；
Kd——紊流扩散系数，按下式计算：
(25)
如上所述，当中心扩散速度(dR／dt)降到一定值时，第二阶段才结束。临界速度的选择是随机的且不稳定的。设扩散结束时扩散速度为1 m／s，则在扩散结束时内层半径R1和浓度C可按下式计算：
(26)
(27)
②外层半径与浓度。第二阶段末气团外层的大小可根据试验观察得出，即扩散终结时外层气团半径R2由下式求得：
R2=1．456R1 (28)
式中 R2，R1——分别为气团内层、外层半径，m。
外层气团浓度自内层向外呈高斯分布。
3 火 灾
易燃、易爆的气体、液体泄漏后遇到引火源就会被点燃而着火燃烧。它们被点燃后的燃烧方式有池火、喷射火、火球和突发火4种。
3．1 池 火
可燃液体(如汽油、柴油等)泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆盖水面，遇到火源燃烧而成池火。
1)燃烧速度
当液池中的可燃液体的沸点高于周围环境温度时，液体表面上单位面积的燃烧速度dm／dt为：
(29)
式中 dm／dt——单位表面积燃烧速度，kg／(m2·s)；
Hc——液体燃烧热；J／kg；
cp——液体的比定压热容；J／(kg·K)；
Tb——液体的沸点，K；
T0——环境温度，K；
H——液体的气化热，J／kg。
当液体的沸点低于环境温度时，如加压液化气或冷冻液化气，其单位面积的燃烧速度dm／dt为：
(30)
式中符号意义同前。
燃烧速度也可从手册中直接得到。表3列出了一些可燃液体的燃烧速度。
表3 一些可燃液体的燃烧速度
2)火焰高度
设液池为一半径为r的圆池子，其火焰高度可按下式计算：
(31)
式中h——火焰高度；m；
r——液池半径；m；
ρ0——周围空气密度，kg／m3；
g——重力加速度，9．8m／s2；
dm／dt——燃烧速度，kg／(m2·s)。
3)热辐射通量
当液池燃烧时放出的总热辐射通量为：
(32)
式中 Q——总热辐射通量，W；
η——效率因子，可取0．13～0．35；
其余符号意义同前。
4)目标入射热辐射强度
假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离池中心某一距离(X)处的入射热辐射强度为：
(33)
式中 I——热辐射强度，w／m2；
Q——总热辐射通量；W；
tc——热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为1；
X——目标点到液池中心距离，m。
3．2 喷射火
加压的可燃物质泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。这里所用的喷射火辐射热计算方法是一种包括气流效应在内的喷射扩散模式的扩展。把整个喷射火看成是由沿喷射中心线上的全部点热源组成，每个点热源的热辐射通量相等。
点热源的热辐射通量按下式计算：
(34)
式中 q——点热源热辐射通量，W；
η——效率因子，可取0．35；
Q0——泄漏速度，kg/s；
Hc——燃烧热，J／kg。
从理论上讲，喷射火的火焰长度等于从泄漏口到可燃混合气燃烧下限(LFL)的射流轴线长度。对表面火焰热通量，则集中在LFL／1．5处。对危险评价分析而言，点热源数n一般取5就可以了。
射流轴线上某点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度为：
(35)
式中 Ii——点热源i至目标点x处的热辐射强度，w／m2；
q——点热源的辐射通量，W；
x——点热源到目标点的距离，m。
某一目标点处的入射热辐射强度等于喷射火的全部点热源对目标的热辐射强度的总和：
(36)
式中 n——计算时选取的点热源数，一般取n=5。
3．3 火球和爆燃
低温可燃液化气由于过热，容器内压增大，使容器爆炸，内容物释放并被点燃，发生剧烈的燃烧，产生强大的火球，形成强烈的热辐射。
1)火球半径
(37)
式中 R——火球半径，m；
M——急剧蒸发的可燃物质的质量，kg。
2)火球持续时间
(38)
式中 t——火球持续时间，s。
3)火球燃烧时释放出的辐射热通量
(39)
式中 Q——火球燃烧时辐射热通量，W；
Hc——燃烧热，J／kg；
η——效率因子，取决于容器内可燃物质的饱和蒸气压p，η=0．27 ；
其他符号同前。
4)目标接受到的入射热辐射强度
(40)
式中 Tc——传导系数，保守取值为1；
x——目标距火球中心的水平距离，m；
其他符号同前。
3．4 固体火灾
固体火灾的热辐射参数按点源模型估计。此模型认为火焰射出的能量为燃烧的一部分，并且辐射强度与目标至火源中心距离的平方成反比，即：
(41)
式中 qr——目标接受到的辐射强度，W／m2；
f——辐射系数，可取f=0．25；
Mc——燃烧速率，kg/s；
Hc——燃烧热，J／kg；
x——目标至火源中心间的水平距离，m。
3．5 突发火
泄漏的可燃气体、液体蒸发的蒸气在空中扩散，遇到火源发生突然燃烧而没有爆炸。
此种情况下，处于气体燃烧范围内的室外人员将会全部烧死；建筑物内将有部分人被烧死。
突发火后果分析，主要是确定可燃混合气体的燃烧上、下极限的边界线及其下限随气团扩散到达的范围。为此，可按气团扩散模型计算气团大小和可燃混合气体的浓度。
3．6 火灾损失
火灾通过辐射热的方式影响周围环境。当火灾产生的热辐射强度足够大时，可使周围的物体燃烧或变形，强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡等。
火灾损失估算建立在辐射通量与损失等级的相应关系的基础上，表4为不同入射通量造成伤害或损失的情况。
表4 热辐射的不同入射通量所造成的损失
从表中可看出，在较小辐射等级时，致人重伤需要一定的时间，这时人们可以逃离现场或掩蔽起来。
4 爆 炸
4．1 简 述
爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象。它通常是借助于气体的膨胀来实现。
从物质运动的表现形式来看，爆炸就是物质剧烈运动的一种表现。物质运动急剧增速，由一种状态迅速地转变成另一种状态，并在瞬间内释放出大量的能。
1)爆炸的特征
—般说来，爆炸现象具有以下特征：
(1)爆炸过程进行得很快；
(2)爆炸点附近压力急剧升高，产生冲击波；
(3)发出或大或小的响声；
(4)周围介质发生震动或邻近物质遭受破坏。
一般将爆炸过程分为两个阶段：第一阶段是物质的能量以一定的形式(定容、绝热)转变为强压缩能；第二阶段强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起作用介质变形、移动和破坏。
2)爆炸类型
按爆炸性质可分为物理爆炸和化学爆炸。物理爆炸就是物质状态参数(温度、压力、体积)迅 速发生变化，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。其特点是在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不发生变化，发生变化的仅是介质的状态参 数。例如锅炉、压力容器和各种气体或液化气体钢瓶的超压爆炸以及高温液体金属遇水爆炸等。化学爆炸就是物质由一种化学结构迅速转变为另一种化学结构，在瞬 间放出大量能量并对外做功的现象。如可燃气体、蒸气或粉尘与空气混合形成爆炸性混合物的爆炸。化学爆炸的特点是：爆炸发生过程中介质的化学性质发生了变 化，形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量。化学爆炸有3个要素，即反应的放热性、反应的快速性和生成气体产物。
雷电是一种自然现象，也是一种爆炸。
从工厂爆炸事故来看，有以下几种化学爆炸类型：
(1)蒸气云团的可燃混合气体遇火源突然燃烧，是在无限空间中的气体爆炸；
(2)受限空间内可燃混合气体的爆炸；
(3)化学反应失控或工艺异常所造成压力容器爆炸；
(4)不稳定的固体或液体爆炸。
总之，发生化学爆炸时会释放出大量的化学能，爆炸影响范围较大；而物理爆炸仅释放出机械能，其影响范围较小。
4．2 物理爆炸的能量
物理爆炸，如压力容器破裂时，气体膨胀所释放的能量(即爆破能量)不 仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态相关。因为有的介质以气态存在，如空气、氧气、氢气等；有的以液态存在，如液氨、液氯等液化 气体、高温饱和水等。容积与压力相同而相态不同的介质，在容器破裂时产生的爆破能量也不同，而且爆炸过程也不完全相同，其能量计算公式也不同。
1)压缩气体与水蒸气容器爆破能量
当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：
(42)
式中 Eg——气体的爆破能量，kJ；
P——容器内气体的绝对压力，MPa；
V——容器的容积，m3；
k——气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比。
常用气体的绝热指数数值见表5。
表5 常用气体的绝热指数
从表中可看出，空气、氮、氧、氢及一氧化氮、一氧化碳等气体的绝热指数均为1．4或近似1．4．若用k=1．4代入式(42)中。
(43)
令
则式(43)可简化为：
Eg=CgV (44)
式中 Cg——常用压缩气体爆破能量系数，kJ／m3。
压缩气体爆破能量Cg是压力p的函数，各种常用压力下的气体爆破能量系数列于表6中。
表6 常用压力下的气体容器爆破能量系数(k=1．4时)
若将k=1代入式(42)，可得干饱和蒸气容器爆破能量为：
(45)
用上式计算有较大的误差，因为它没有考虑蒸气干度的变化和其他的一些影响，但它可以不用查明蒸气热力性质而直接进行计算，因此可供危险性评价参考。
对于常用压力下的干饱和蒸气容器的爆破能量可按下式计算：
Es=CsV (46)
式中 Es——水蒸气的爆破能量，kJ；
V——水蒸气的体积，m3；
Cs—干饱和水蒸气爆破能量系数，kJ／m3。
各种常用压力下的干饱和水蒸气容器爆破能量系数列于表7中。
表7 常用压力下干饱和水蒸气容器爆破能量系数
2)介质全部为液体时的爆破能量
通常将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，计算公式如下：
(47)
式中 EL——常温液体压力容器爆炸时释放的能量，kg；
p——液体的压力(绝)， ；
V——容器的体积，m3；
——液体在压力p和温度T下的压缩系数， 。
3)液化气体与高温饱和水的爆破能量
液化气体和高温饱和水一般在容器内以气 液两态存在，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，—般计算时考虑气体膨胀做的功。过热状态下液体在容器破裂时释放出的爆破能量可按下式计算：
E=[(H1—H2)—(S1—S2)T1]W (48)
式中 E——过热状态液体的爆破能量，kJ；
H1——爆炸前饱和液体的焓，kJ／kg；
H2——在大气压力下饱和液体的焓，kJ／kg；
S1——爆炸前饱和液体的熵，kJ／(kg·℃)；
S2——在大气压力下饱和液体的熵，kJ／(kg·℃)；
T1——介质在大气压力下的沸点，kJ／(kg·℃)；
W——饱和液体的质量，kg。
饱和水容器的爆破能量按下式计算：
Ew=CwV (49)
式中 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／m3，其值见表8。
表8 常用压力下饱和水爆破能量系数
4．3 爆炸冲击波及其伤害、破坏作用
压力容器爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量3种形式表现出来。后二者所消耗的能量只占总爆破能量的3％～15％，也就是说大部分能量是产生空气冲击波。
1)爆炸冲击波
冲击波是由压缩波叠加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传播的压缩波。容器破裂时，器内的高压气体大量冲出，使它周围的空气受到冲击波而发生扰动，使其状态(压力、密度、温度等)发 生突跃变化，其传播速度大于扰动介质的声速，这种扰动在空气中的传播就成为冲击波。在离爆破中心一定距离的地方，空气压力会随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，接着又迅速衰减，在很短时间内正压降至负压。如此反复循环数次，压力渐次衰减下去。开始时产生的最大正压力 即是冲击波波阵面上的超压△p。多数情况下，冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的。超压△p可以达到数个甚至数十个大气压。
冲击波伤害、破坏作用准则有：超压准则、冲量准则、超压—冲量准则等。为了便于操作，下面仅介绍超压准则。超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值，便会对目标造成一定的伤害或破坏。超压波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表9和表10。
表9 冲击波超压对人体的伤害作用
表10 冲击波超压对建筑物的破坏作用
2)冲击波的超压
冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关，同时也与距离爆炸中心的远近有关。冲击波的超压与爆炸中心距离的关系为：
(50)
式中 △p——冲击波波阵面上的超压，MPa；
R——距爆炸中心的距离，m；
n——衰减系数。
衰减系数在空气中随着超压的大小而变化，在爆炸中心附近为2．5～3；当超压在数个大气压以内时，n=2；小于1个大气压，n=1．5。
实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果R与R0之比与q与q0之比的三次方根相等，则所产生的冲击波超压相同，用公式表示如下：
若
则 (51)
式中 R——目标与爆炸中心距离，m；
R0——目标与基准爆炸中心的相当距离，m；
q0——基准炸药量，TNT，kg；
q——爆炸时产生冲击波所消耗的炸药量，TNT，kg；
△p——目标处的超压，MPa；
△p0——基准目标处的超压，MPa；
α——炸药爆炸试验的模拟比。
上式也可写成为：
△p(R)=△p0(R／a) (52)
利用式(52)就可以根据某些已知药量的试验所测得的超压来确定任意药量爆炸时在各种相应距离下的超压。
表11是1000ksTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压。
表11 1 000kgTNT爆炸时的冲击波超压
综上所述，计算压力容器爆破时对目标的伤害、破坏作用，可按下列程序进行。
(1)首先根据容器内所装介质的特性，分别选用式(43)至式(49)计算出其爆破能量E。
(2)将爆破能量q换算成TNT当量q。因为1 kg TNT爆炸所放出的爆破能量为4 230～4 836kJ／kg，一般取平均爆破能量为4 500kJ／kg，故其关系为：
q=E／qTNT=E／4500 (53)
(3)按式(51)求出爆炸的模拟比α，即：
a=(q／q0)1／3=(1／1000) 1／3=0．1q1／3 (54)
(4)求出在1000kg TNT爆炸试验中的相当距离R0，即R0=R／α。
(5)根据R0值在表11中找出距离为R0处的超压△p0 (中间值用插入法)，此即所求距离为R处的超压。
(6)根据超压△p值，从表9、表10中找出对人员和建筑物的伤害、破坏作用。
3)蒸气云爆炸的冲击波伤害、破坏半径
爆炸性气体以液态储存，如果瞬间泄漏后 遇到延迟点火或气态储存时泄漏到空气中，遇到火源，则可能发生蒸气云爆炸。导致蒸气云形成的力来自容器内含有的能量或可燃物含有的内能，或两者兼而有之。 “能”的主要形式是压缩能、化学能或热能。一般说来，只有压缩能和热量才能单独导致形成蒸气云。
根据荷兰应用科研院(TNO(1979))建议，可按下式预测蒸气云爆炸的冲击波的损害半径：
R=Cs(NE)1／3 (55)
式中 R——损害半径，m；
E——爆炸能量，kJ，可按下式取，E=V·Hc (56)
V——参与反应的可燃气体的体积，m3；
Hc——可燃气体的高燃烧热值，kJ／m3，取值情况见表12；
N——效率因子，其值与燃烧浓度持续展开所造成损耗的比例和燃料燃烧所得机械能的数量有关，一般取N=1096；
Cs——经验常数，取决于损害等级，其取值情况见表13。
表12 某些气体的高燃烧热热值 kJ／m3
表13 损 害 等 级 表
5 中 毒
有毒物质泄漏后生成有毒蒸气云，它在空气中飘移、扩散，直接影响现场人员，并可能波及居民区。大量剧毒物质泄漏可能带来严重的人员伤亡和环境污染。
毒物对人员的危害程度取决于毒物的性 质、毒物的浓度和人员与毒物接触时间等因素。有毒物质泄漏初期，其毒气形成气团密集在泄漏源周围，随后由于环境温度、地形、风力和湍流等影响气团飘移、扩 散，扩散范围变大，浓度减小。在后果分析中，往往不考虑毒物泄漏的初期情况，即工厂范围内的现场情况，主要计算毒气气团在空气中飘移、扩散的范围、浓度、 接触毒物的人数等。
5．1 毒物泄漏后果的概率函数法
概率函数法是用人们在一定时间接触一定浓度毒物所造成影响的概率来描述毒物泄漏后果的一种表示法。概率与中毒死亡百分率有直接关系，二者可以互相换算，见表14。概率值在0～10之间。
表14 概率与死亡百分率的换算
概率值Y与接触毒物浓度及接触时间的关系如下：
Y=A+Bln(Cn·t) (57)
式中 A，B，n——取决于毒物性质的常数，表15列出了一些常见有毒物质的有关参数；
C——接触毒物的浓度，10—6；
t——接触毒物的时间，min。
表15 一些毒性物质的常数
使用概率函数表达式时，必须计算评价点的毒性负荷(Cn·t)，因为在一个已知点，其毒物、浓度随着气团的稀释而不断变化，瞬时泄漏就是这种情况。确定毒物泄漏范围内某点的毒性负荷，可把气团经过该点的时间划分为若干区段，计算每个区段内该点的毒物浓度，得到各时间区段的毒性负荷，然后再求出总毒性负荷：
总毒性负荷：∑时间区段内毒性负荷
一般说来，接触毒物的时间不会超过30min。因为在这段时间里人员可以逃离现场或采取保护措施。
当毒物连续泄漏时，某点的毒物浓度在整个云团扩散期间没有变化。当设定某死亡百分率时，由表14查出相应的概率Y值，根据式(57)有：
(58)
由上式可以计算出C值，于是按扩散公式可以算出中毒范围。
如果毒物泄漏是瞬时的，则有毒气团的某点通过时该点处毒物浓度是变化的。这种情况下，考虑浓度的变化情况，计算气团通过该点的毒性负荷，算出该点的概率值Y，然后查表14就可得出相应的死亡百分率。
5．2 有毒液化气体容器破裂时的毒害区估算
液化介质在容器破裂时会发生蒸气爆炸。当液化介质为有毒物质，如液氯、液氨、二氧化硫、硫化氢、氢氰酸等，爆炸后若不燃烧，会造成大面积的毒害区域。
设有毒液化氧化质量为W(单位：kg)，容器破裂前器内介质温度为t(单位：℃)，液体介质比热为C[单位：kJ／(kg·℃)。当容器破裂时，器内压力降至大气压，处于过热状态的液化气温度迅速降至标准沸点t0(单位：℃)，此时全部液体所放出的热量为：
Q=W·C(t—t0) (59)
设这些热量全部用于器内液体的蒸发，如它的气化热为g(单位：kJ／kg)，则其蒸发量：
(60)
如介质的分子量为M，则在沸点下蒸发蒸气的体积Vg(单位：m3)为：
(61)
为便于计算，现将压力容器最常用的液氨、液氯、氢氰酸等的有关物理化学性能列于表16中。关于一些有毒气体的危险浓度见表17。
若已知某种有毒物质的危险浓度，则可求出其危险浓度下的有毒空气体积。如二氧化硫在空气中的浓度达到0．05％时，人吸入5～10min即致死，则Vg的二氧化硫可以产生令人致死的有毒空气体积为：
V=Vg×100／0．05=2000 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为：
(62)
式中 R——有毒气体的半径，m；
Vg——有毒介质的蒸气体积，m3；
C——有毒介质在空气中的危险浓度值，％。
表16 一些有毒物质的有关物化性能
表17 有毒气体的危险浓度
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