第四章 爆破危害與防止

2023/2/11第四章壓力容器爆破危害與防止

主要內容第一節(jié)、爆炸分類及壓力容器爆破的特點第二節(jié)、壓力容器爆破能量估算第三節(jié)、壓力容器爆炸的危害第四節(jié)、防止壓力容器爆炸事故的措施2023/2/12第一節(jié)爆炸分類及壓力容器爆破的特點一、爆炸及其分類爆炸——物質由一種狀態(tài)迅速轉變成另一種狀態(tài)，并在瞬間放出大量能量、產生巨大聲響的現(xiàn)象。

氣體或蒸汽在瞬間劇烈膨脹的現(xiàn)象。

本質是壓力的急劇上升。2023/2/13一、爆炸及其分類

根據(jù)爆炸傳播的速度分輕爆：每秒n×100cm~n×100m（n=0~9）爆炸：每秒10m~n×102m（n=0~9）爆轟：每秒1000m~7000m根據(jù)爆炸的原因及機理分物理性爆炸：物質因狀態(tài)或壓力發(fā)生突變而發(fā)生的爆炸現(xiàn)象?；瘜W性爆炸：由于物質發(fā)生極其迅速的化學反應，產生高溫、高壓而引起的爆炸現(xiàn)象。2023/2/14二、壓力容器爆破的特點

炸藥爆炸：3000~5000℃高溫，數(shù)十萬大氣壓；壓力容器爆炸：容器開裂，形成碎片以較高的速度、能量向四周飛散氣體膨脹對周圍空氣做功，形成沖擊波有毒物質向周圍擴散，大氣污染介質為液化氣體，介質蒸發(fā)與周圍空氣混合形成可爆炸混合氣體，遇火花、靜電發(fā)生化學爆炸，“二次爆炸”。形成大面積火災和中毒。2023/2/15第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算壓力容器爆炸能量不僅與壓力容器的壓力和容積有關，而且還與介質在器內的物性狀態(tài)（物理或化學反應）有關。一、壓縮氣體和水蒸氣的爆破能量容器破裂時產生瞬間的降壓膨脹，可以認為來不及與周圍環(huán)境發(fā)生熱量交換，因而，這一過程可視為一絕熱過程。由此可知壓縮氣體容器的能量就是氣體絕熱膨脹所做的功。爆炸能量可按理想氣體作絕熱膨脹時所釋放的能量來計算。2023/2/16第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算一、壓縮氣體和水蒸氣的爆破能量Ug=pV/(k-1)[1-(0.1013/p)k-1/k]×106式中Ug－氣體的爆炸能量，J;P－容器內氣體的絕對壓力，MPa;V－容器的容積，m3;k－氣體的絕熱指數(shù)。2023/2/17

氣體的絕熱指數(shù)可以按它的分子組成確定其近似值。雙原子氣體,k=1.4,而三原子和四原子氣體,k=1.2～1.3。壓力容器中常用的壓縮氣體絕熱指數(shù)可由表1查得。表1常用壓縮氣體的絕熱指標氣體名稱空氣氮氣甲烷一氧化碳絕熱指標1.41.41.3151.395氣體名稱氧氣氫氣乙烷二氧化碳絕熱指標1.3971.4121.181.295第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/18

從表1可以看出,空氣、氧、氮、氫、及一氧化碳等常用氣體的絕熱指數(shù)k均為1.4或近似1.4，用1.4代入上式即得這些氣體容器的爆破能量為

Ug=2.5pV[1-(0.1/p)0.2857]106

令Cg=2.5p[1-(0.1/p)0.2857]106

由此，公式可以簡化成

Ug=CgV

式中Cg——壓縮氣體爆破能量系數(shù),J/m3.第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/19

壓縮氣體爆炸能量系數(shù)隨它的絕對壓力而定,即Cg是P的函數(shù)。各種常用壓力(絕對)下壓縮氣體的爆破能量系數(shù)見表2。表2常用壓力下的二原子壓縮氣體(k=1.4)的爆炸能量系數(shù)Cg值絕對壓力P(MPa)0.30.50.70.91.1能量系數(shù)Cg(J/m3)2.02×1054.61×1057.46×1051.05×1061.36×106絕對壓力P(MPa)1.72.64.15.16.5能量系數(shù)Cg(J/m3)2.36×1063.94×1066.70×1068.60×1061.13×107絕對壓力P(MPa)15.132.140.1能量系數(shù)Cg(J/m3)2.88×1076.48×1078.22×107第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/110

水蒸氣的絕熱指數(shù)k與水蒸氣的干度及是否過熱有關，過熱蒸汽k=1.3，干飽和蒸汽k=1.135，濕飽和蒸汽的k=1.035+0.1x（x為蒸汽干度）Ug=CsV表3常用壓力（絕）下干飽和蒸汽爆炸能量系數(shù)Cs絕對壓力p(MPa)0.40.60.91.42.6能量系數(shù)Cs(J/m3)4.5×1058.5×1051.5×1062.8×1066.2×106絕對壓力p(MPa)3.1能量系數(shù)Cs(J/m3)7.7×106第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/111

二、液化氣體與高溫飽和水的爆炸能量介質為液化氣體的壓力容器,破裂時的情況與壓縮氣體不盡相同,它所釋放的能量包括兩部分,即（1）氣相絕熱膨脹的爆炸能量（2）處于過熱狀態(tài)的液相急劇蒸發(fā)的爆沸爆炸能量。

第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/112當容器破裂時,器內的氣體首先迅速膨脹,使容器內的壓力瞬時降至大氣壓力。此時器內的飽和液處于過熱狀態(tài),也就是說它的溫度高于它在大氣壓力下的沸點。氣液兩相失衡,液體瞬時大量蒸發(fā),內部處處充滿氣泡,體積激烈膨脹,并很快充滿整個容器空間。容器殼體受到很高的壓力沖擊,促使其進一步破裂。這種由于壓力突然下降,使原來處于平衡狀態(tài)的飽和液在大氣壓力下過熱而迅速沸騰蒸發(fā),體積激烈膨脹而顯示出的一種爆炸現(xiàn)象稱為爆沸或蒸氣爆炸。第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/113

發(fā)生蒸氣爆炸時,延性好的材料制成的容器,殼體的整個形狀都會發(fā)生改變,圓筒體甚至會反向卷曲;延性差的材料,破裂斷面有時會顯示出受沖擊的脆性破裂的特征。不過,在大多數(shù)情況下,這類容器內的飽和液要占絕大部分,它的能量要比飽和蒸氣大得多,所以計算時后者往往可忽略不計。蒸氣爆炸一般在很短的時間內完成,也是一個絕熱過程。因此,處于過熱狀態(tài)下液體的爆炸能量,可以按公式計算。第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/114第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算盛裝液化氣體與高溫飽和水的爆破能量UL=W[(I1-I2)–T1(S1-S2)]UL－過熱狀態(tài)下液體的爆炸能量，J;I1－在容器破裂前的壓力或溫度下飽和液體的焓，J/kg;I2－在大氣壓力下飽和液體的焓，J/kg;S1－在容器破裂前的壓力或溫度下飽和液體的熵，J/(kg·K);S2－在大氣壓力下飽和液體的熵，J/(kg·K);T1－介質在大氣壓力下的沸點，K；W－飽和液體的質量，kg2023/2/115第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算當液體為高溫飽和水時I2=419060J/kg，S2=1306.9J/(kg·K)，T1=100+273=373KUW=[(I1-419060)–373(S1-1306.9)]WUW=CWVUW－飽和水的爆炸能量，J;V－容器內飽和水所占體積，m3;CW－飽和水的爆炸能量系數(shù)，J/m3;2023/2/116第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算當液體為高溫飽和水時單位飽和水的爆炸能量系數(shù)為干飽和蒸汽的12~23倍汽包內干飽和蒸汽和飽和水各占一半的體積，干飽和蒸汽的爆炸能量也僅占全爆炸能量的4%~7.7%表4常壓下高溫飽和水爆炸能量系數(shù)絕對壓力P(MPa)0.40.60.91.42.63.1爆炸前飽和水的焓I1(103J/kg)604.87670.67742.90830.24971.671017.00爆炸前飽和水的熵S1[103J/(kg·K)]1.7771.93152.0952.2842.5742.662爆炸能量系數(shù)CW(106J/m3)10.46218.63429.87846.72779.98392.4882023/2/117第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算三、常溫壓縮液體的爆炸能量通常用液體加壓時所作的功作為常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，US=0.5(p-0.1)2Vβt×106US－常溫液體壓力容器爆炸能量，J;p－液體的絕對壓力，MPa;V－容器內液體的體積，m3;βt－液體在絕對壓力p和溫度t下的壓縮指數(shù)，MPa-1，對常溫下p≤50MPa的水，βt=4.4×10-4MPa-12023/2/118四、可燃氣體器外二次爆炸能量及影響范圍介質為可燃氣體的壓力容器破裂時,除了器內高壓氣體膨脹釋放能量以外,往往還會發(fā)生化學爆炸,即通常所說的器外二次爆炸。當容器破裂時,器內的可燃氣體大量流出,并迅速與外面的空氣相混合,形成一團可爆性混合氣體。由于氣體高速流出產生的靜電或容器碎片撞擊產生的火花,為這團可爆性氣體提供了起爆條件。

第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/119

要準確計算這部分爆炸性混合氣體的爆炸能量是比較困難的。雖然容器內的可燃氣體量是已知的,容器破裂時又幾乎全部流出,但由于這些可燃氣體一般以球狀或其他形狀向四周擴散,所以,只有外圍的一部分可燃氣體可以與大氣中的氧混合形成爆炸性氣體。因而,準確計算的困難在于參與反應的可燃氣體量的多少與許多因素有關。盡管如此,我們還是可以估算其爆炸能量范圍,即最大的能量是全部可燃氣體的燃燒熱,最小爆炸能量則是這種可燃氣體在它的爆炸上限條件下的燃燒熱。第二節(jié)壓力容器爆破能量的估算2023/2/120第三節(jié)壓力容器爆炸的危害震動：在遍及破壞作用的區(qū)域內，有一個能使物體震動、松散的力量。沖擊波：隨著爆炸的出現(xiàn)，沖擊波最先出現(xiàn)正壓，然后又出現(xiàn)負壓。碎片的沖擊：容器爆炸后產生的碎片飛出去會在很大的范圍內造成傷害，并且在容器爆炸造成的傷害中，這種原因的傷害往往占很大比例。100~500m毒害或腐蝕：毒氣：氯氨、氫氰酸、氫氟酸、二氧化硫、硫化氫等；腐蝕介質：硫酸，鹽酸等。2023/2/121一、沖擊波超壓的破壞作用壓力容器破裂時,氣體爆炸的能量除了很少一部分消耗于進一步將容器撕裂并將容器或其碎片拋出以外,大部分產生沖擊波。沖擊波是介質受到外界的作用，振動、沖擊、敲打等而產生的一種介質狀態(tài)突躍變化的傳播,或者簡稱為強擾動的傳播。容器破裂時,器內的高壓氣體突然大量噴出,使它周圍的空氣受到沖擊而發(fā)生擾動,這種擾動在空氣中傳播就成為沖擊波?？諝鉀_擊波中狀態(tài)的突躍變化,最明顯的表現(xiàn)在壓力上。在離爆炸中心有一定距離的地方,空氣壓力會隨時間發(fā)生迅速而懸殊的變化。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/122

開始時,壓力突然升高,產生一個很大的正壓力,接著又迅速衰減,在很短的時間內正壓降到零,隨后又迅速地下降至小于大氣壓力的負壓。在反復循環(huán)的過程中,壓力的變化逐漸減小。開始時產生的最大正壓力就是沖擊波波陣面上的超壓△p。在多數(shù)情況下,沖擊波的破壞作用主要與這波陣面上的超壓△p的大小有關。與炸藥爆炸一樣,在壓力容器爆炸中心附近所產生的空氣沖擊波陣面上的超壓△p可以達到幾個甚至幾十個大氣壓力。在這樣高的壓力沖擊下,建筑物將被摧毀,設備、管道等均會遭到嚴重破壞。即使是在大氣壓力以內的沖擊波超壓也具有很大的破壞作用。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/123沖擊波超壓對建筑物的破壞作用超壓△P，MPa破壞情況0.005--0.006門窗玻璃部分破碎0.006--0.01受壓面的門窗玻璃大部分破碎0.015--0.02窗框損壞0.02--0.03墻裂縫0.04--0.05墻大裂縫，屋瓦掉下0.06--0.07木建筑廠房屋柱折斷，房架松動0.07--0.10磚墻倒塌0.1--0.2防震鋼筋混凝土破壞，小房倒塌0.2--0.3大型鋼架結構破壞第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/124

沖擊波除了破壞建筑物以外,還會直接危害在它所波及范圍內的人身安全。表5是沖擊波超壓對人體的傷害作用。表5沖擊波超壓對人體的傷害作用超壓△P，MPa傷害作用0.02--0.03輕微損傷0.03--0.05聽覺器官損傷或骨折0.05--0.10內臟嚴重損傷或死亡＞0.10大部分人員死亡第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/125

壓力容器氣體爆炸沖擊波的超壓估算

壓力容器爆炸時所產生沖擊波波陣面上超壓的大小首先與產生沖擊波的能量有關。在其他條件相同的情況下，氣體爆炸能量越大，沖擊波強度越大，波陣面上的超壓也越大。另外，爆炸氣體產生的沖擊波是立體沖擊波，它以爆炸點為中心，以球面形狀向外擴展。隨著半徑的增大，波陣面的表面積也不斷增大，所以波陣面的超壓是隨著傳播距離的增加而衰減。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/126

壓力容器氣體爆炸沖擊波超壓估算是一個復雜的問題,涉及很多因素。因此,壓力沖擊波超壓計算目前只能用炸藥爆炸相類比的方法估算。表6是100kgTNT炸藥在空氣中爆炸時，在與爆炸中心不同的距離處所測得的沖擊波超壓。表中的數(shù)據(jù)表明，超壓隨著距離增大而迅速衰減，特別是在超壓處于較大的數(shù)值范圍內時。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害距離，R(m)151620超壓，△P(MPa)0.090.0750.051距離，R(m)253035超壓，△P(MPa)0.0320.0190.0126表6與爆炸中心距離的沖擊波超壓2023/2/127

炸藥爆炸時，在一定距離范圍內，超壓的大小主要決定于藥量的多少與距離的遠近，亦即超壓△p是藥量q和距離R的函數(shù)。

當已知某一次爆炸的藥量q時，想求出它在距離中心為R的沖擊波超壓，可以采用表7中1000kgTNT爆炸時所測得的數(shù)據(jù)，先求得模擬比a=(q/1000)1/3，然后從表中查出距離為R/a處的超壓△p，即為所求值。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/128

表71000kg梯恩梯爆炸時所測得的數(shù)據(jù)距離Ro(m)56789101214超壓△P(MPa)2.942.061.671.270.950.760.500.33距離Ro(m)1618202530354045超壓△P(MPa)0.2350.1700.1260.0700.0570.0430.0330.027距離Ro(m)505560657075超壓△P(MPa)0.0230.0200.0180.0160.0140.013第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/129例：64Kg的TNT炸藥，求12m處的超壓△p。解：1、先求得模擬比a=(q/1000)

1/3＝(64／1000)1/32、求出相當于1000Kg的TNT炸藥R0處的超壓?！鱬0（R0）=△p0（R／a)=△p0（12／0.0641/3)=△p0(30)即，相當于1000Kg的TNT炸藥在30米處的△p0。查表7得：△p0(30)＝0.057MPa第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/130二、碎片的破壞作用壓力容器爆炸時，有些殼體可能裂成大小不等的碎片向四周飛散。這些具有較高速度或較大質量的碎片，在飛出過程中具有較大的動能，也可能造成較大的危害。碎片對人的傷害程度主要決定于它的動能。據(jù)羅勒的研究，碎片擊中人體時，如果它的動能在26J以上,可致外傷；動能達60J以上時，可致骨部輕傷；超過200J時，可造成人體骨部重傷；超過300J時，可造成死亡。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/131

碎片所具有的動能與它質量及速度的平方成正比。

E=0.5mV2

式中E－碎片的動能，J;m－碎片的質量，kg;V－碎片的速度，m/s。壓力容器碎片在離開殼體時常具有80～120m/s的初速，即使在飛離較遠的地方也有20～30m/s的速度。在此速度下，質量為1kg的碎片動能即可達200～450J，足以致人重傷或死亡。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/132

容器爆炸時產生的碎片，還可能損壞附近的設備或管道，引起連續(xù)爆炸或釀成火災，造成更大的危害。對于被擊物為鋼板等一類塑性材料，碎片的穿透能力按下式計算，即

S=KU3/A

式中S－碎片對材料的穿透能力，mm;U3

－碎片所具有的動能，J；

A－碎片穿透方向的截面積，mm2；

K－材料的穿透系數(shù)，對鋼板，K=1；對木材，K=40；對鋼筋混凝土，K=10。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/133三、爆炸能量與現(xiàn)場破壞能量之間的關系U1–建筑物破壞能量,J；U2–拋出碎片能量,J；U氣體爆炸總能量,J。一般情況U1+∑U2<U如果U1+∑U2>U

對于僅有液體，發(fā)生了氣體爆炸對于氣體或液化氣體，拋出碎片或容器及破壞建筑物的能量已超過單純的物理性氣體爆炸所提供的能量，意味著發(fā)生了化學爆炸，甚至器外的二次爆炸。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/134四、有毒液化氣體容器破裂后的毒害區(qū)一部分容器破裂后立即汽化，另外一部分從周圍環(huán)境中吸熱而汽化。一般常溫下破裂的容器，大多數(shù)液化氣體爆炸生成的蒸汽體積約為液體體積的100~250倍。無風時，近似半球形向周圍擴散，有風時則順著氣流方向擴散第三節(jié)壓力容器爆炸的危害名稱氨氯二氧化硫硫化氫三氧化氮氮氰酸吸入5~10min致死濃度/%0.50.090.050.08-0.10.050.027吸入0.5~1h致死濃度/%-0.0035-0.0050.053-0.0650.042-0.060.032-0.0530.011-0.014吸入0.5~1h致重傷濃度/%-0.0014-0.00210.015-0.0190.032-0.050.011-0.0210.01有毒氣體的危險濃度2023/2/135

五、可燃氣體容器破裂時的燃燒區(qū)范圍盛裝可燃液化氣體貯罐破裂時，由于一部分液體被蒸發(fā)成氣體在空中爆炸，使其他散落在空氣中未被蒸發(fā)而以霧狀存在的液滴也隨著與周圍的空氣混合而著火燃燒。所以這類容器一旦破裂，并在器外發(fā)生二次爆炸時，器內的液化氣體幾乎是全部被燒凈。爆炸燃燒后生成的高溫燃氣（水蒸氣、二氧化碳等）與空氣中的氮氣升溫膨脹，形成體積巨大的高溫燃氣團，向四周擴散，使附近的地區(qū)變成火海。下面以液化石油氣體（按丙烷考慮）貯罐為例，討論這種容器破裂時所產生的高溫燃氣的體積及其燃燒范圍。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/136

下面以液化石油氣體（按丙烷考慮）貯罐為例，討論這種容器破裂時所產生的高溫燃氣的體積及其燃燒范圍。

設容器內所裝液化丙烷為Wkg，容器破裂后一部分蒸發(fā)成氣體，并產生器外爆炸燃燒；另一部分以霧狀的液滴散落在空氣中，也同時被燒掉。若燃燒完全每千克丙烷所需空氣量為3.64/0.21＝17.3kg

由此得Wkg丙烷完全燃燒后生成燃氣的質量為（17.3＋1）W＝18.3Wkg第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/137

丙烷的燃燒熱值為4.6X107J/kg,設燃氣比熱為1.26x103J/kg,

則燃氣的溫度可升高約

4.6x104/18.3x1.26＝20000C。第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/138

燃氣在標準狀態(tài)下的密度約為1.25kg/m3,由此可計算出Wkg丙烷完全燃燒生成的燃氣在20000C時的體積為第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/139

設這些燃氣以半球狀向地面擴散，則高溫燃氣的擴散半徑為

也就是說，1kg的液化丙烷燃燒時，以容器為中心，在直徑為7.8m，高為3.9m的范圍內，所有可燃物都將著火燃燒，在此范圍內人員也被燒傷。按上式可粗略算出，一個民用液化氣氣瓶（15kg）破裂爆炸時，其燃燒范圍可達19.2m；一個1000kg的液化石油氣貯罐破裂爆炸，燃燒范圍可達78m。

第三節(jié)壓力容器爆炸的危害2023/2/140

六、高溫飽和水和飽和蒸氣容器爆炸時影響范圍鍋爐汽包等盛裝高溫飽和水和飽和蒸汽的容器發(fā)生爆炸屬于物理爆炸，其介質在爆炸后迅速向四周擴散，也會使附近人員燙傷。

Vs=GWVW+GgVg

Vs－汽化后的蒸汽體積，m3;VW,Vg

－汽包內飽和水、飽和蒸汽的體積，m3;GW,Gg－飽和水、飽和蒸汽的體積增大系數(shù);第三節(jié)壓力容器爆炸的危害飽和壓力/MPa0.40.50.60.80.91.11.41.72.73.1GW122141158185196215237255294309Gs3.374.094.86.196.878.210.212.117.921各種飽和壓力下飽和水與飽和蒸汽的體積增大系數(shù)2023/2/141

一、設計與安全

1、與設計有關的主要事故因素（材料、強度和結構）

2、防止事故的措施（重視設計中材料、強度和結構等問題）二、制造與安全壓力容器的制造單位必須嚴格執(zhí)行有關規(guī)程、規(guī)定、標準和技術要求,保證產品制造質量。與制造質量有關的事故原因很多,其主要原因如下:(1)材料誤用或材料的混淆;(2)焊接預熱溫度不足;(3)焊條吸濕和焊后熱處理實施不當;第四節(jié)防止壓力容器爆炸事故的措施2023/2/142

(4)殘留氫及焊接施工不良;(5)未按正規(guī)手續(xù)擅自進行修補焊接;(6)超標缺陷漏檢等等。

容器的破壞事故可由其中一個或幾個原因造成。

焊接質量對壓力容器安全性至關重要。施工過程中必須嚴格遵守焊接工藝及操作標準,并在合理的管理條件下進行焊接。焊接工藝及操作標準必須根據(jù)經驗或通過試驗,證明正確無誤。第四節(jié)防止壓力容器爆炸事故的措施2023/2/143

容器如果存在角變形、錯位、不圓度等一類的問