Gexcon 氣體爆炸手冊(cè)

GEXCON

氣體爆炸手冊(cè)

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DagBjerketvedt

JanRoarBakke

Keesvan

GGexcon讓世界變得更安全

GEXCON

氣體爆炸手冊(cè)（1992）

序言

最初的《氣體爆炸手冊(cè)》是由CMR（后來(lái)的CMRGexcon）在1992年編寫(xiě)的，并作為一

套HTML文件分發(fā)。我們最近決定發(fā)行可打印的PDF版本，并更新了首頁(yè)和序言，以便

于打印和在內(nèi)容中搜索。除了這些改變外，內(nèi)容與1992年的HTML版本完全相同。

顯然，自從25年前這本手冊(cè)出版以來(lái)，人們對(duì)各種類(lèi)型的爆炸現(xiàn)象進(jìn)行了更多的研究,

以前的一些見(jiàn)解可能已經(jīng)改變或經(jīng)過(guò)了改進(jìn)。然而，所描述的主要機(jī)制和大部分內(nèi)容

在今天仍然同樣有效，該手冊(cè)應(yīng)該仍然是今天理解爆炸現(xiàn)象的一個(gè)有用的起點(diǎn)。

基斯-范-溫格登博士

高級(jí)副總裁

GexconAS（以前的CMRGexcon）

2019年2月，挪威卑爾根

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?GexconAS.此處包含的信息由接收者僅用于提供信息的目的。未經(jīng)Gexcon

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Christian氣體

Michelsen

Research爆炸手冊(cè)

作者DagBjerketvedt

JanRoarBakke

KeesvanWingerden

目錄

?序言

.1.氣體爆炸簡(jiǎn)介

.2.定義

?3.爆炸性氣體云的形成

4燃L空氣混合物的燃燒特性

然

5燥八、、

?6.爆轟

?7.沖擊波

.8結(jié)構(gòu)的反應(yīng)

.9.容器、管道、渠道和隧道中的氣體爆炸

10.艙室、建筑4物和海上模塊的氣體爆炸

11.加工區(qū)和非三囪閉區(qū)的氣體爆炸

12.flacs;慎擬

.13.UFLACS模擬

.14.事故調(diào)查

.15.術(shù)語(yǔ)和表達(dá)式清單

.動(dòng)畫(huà)片

.蛔

?參考文獻(xiàn)

?意見(jiàn)表

免責(zé)聲明：

ChristianMichelsenResearch

AS對(duì)不合格地使用或誤用本書(shū)的后果或其任何結(jié)果不承擔(dān)任何法律責(zé)任或義務(wù)。

頁(yè)碼2

如何閱讀本手冊(cè)

手冊(cè)的目標(biāo)

前百CMR的氣體爆炸活動(dòng)

本手冊(cè)是作為ChristianMichelsenResearch（CMR）的研究計(jì)劃"1990-1992年氣

體安全計(jì)劃"（GSP90-92）的一部分而編寫(xiě)的。該計(jì)劃的參與者是英國(guó)石油公

司挪威有限公司、德國(guó)聯(lián)邦科學(xué)與技術(shù)部、科諾克挪威公司、挪威埃爾夫石油

公司、挪威埃索公司、法國(guó)天然氣公司、健康與安全管理局、挪威美孚勘探公

司、挪威海德魯公司、挪威石油局、荷蘭天然氣公司、挪威菲利普斯石油公司

和挪威國(guó)家石油公司。

本手冊(cè)的目的是根據(jù)我們目前對(duì)該主題的了解以及我們將這些知識(shí)應(yīng)用于行業(yè)

中的實(shí)際問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)氣體爆炸安全進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。由于本手冊(cè)旨在簡(jiǎn)潔明

了，所提供的信息在某些情況下可能被極度簡(jiǎn)化和/或不完整。對(duì)于各種主題

的深入信息，讀者可以參考參考文獻(xiàn)中描述的文獻(xiàn)。

本手冊(cè)的使用者是工藝、設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)工程師，但本手冊(cè)對(duì)安全工程師也應(yīng)該是

有用的。

如何閱讀本手冊(cè)

該手冊(cè)分為15章。各個(gè)章節(jié)可以分為四類(lèi)：i）導(dǎo)言，ii）背景和基礎(chǔ)知識(shí)，iii）

實(shí)用方面，iv）工具和分析。每個(gè)類(lèi)別的章節(jié)如圖1所示。

前言

簡(jiǎn)介1.氣體爆炸簡(jiǎn)介

2.定義

3爆.炸性氣體云的形成

4燃.料-空氣混合物的燃燒特性

背景和基礎(chǔ)知識(shí)5爆.燃

6爆.炸

7沖.擊波

8結(jié).構(gòu)的反應(yīng)

實(shí)用方面9.容器、管道、通道和隧道中的氣體爆炸

頁(yè)碼3

10.艙室、建筑和海上模塊的氣體爆炸

11.加工區(qū)和非封閉區(qū)的氣體爆炸

12.FLACS模擬

[3.uF]acs模擬

14.事故調(diào)查

15.術(shù)語(yǔ)和表達(dá)式列表

動(dòng)畫(huà)

鳴謝

參考文獻(xiàn)

圖L本手冊(cè)的組織結(jié)構(gòu)。

第一類(lèi)“簡(jiǎn)介”中的章節(jié)包含了氣體爆炸現(xiàn)象的描述和物理學(xué)、定義和損失經(jīng)驗(yàn)。

在”背景和基礎(chǔ)知識(shí)”部分，介紹了云的形成、氣體爆炸、爆炸波和結(jié)構(gòu)反應(yīng)。

實(shí)用方面"部分將"背景和基礎(chǔ)知識(shí)”中的信息與不同的工業(yè)情況聯(lián)系起來(lái)。特

別是描述了FLACS和|jFlacs準(zhǔn)則，以及如何應(yīng)用這些工具來(lái)預(yù)測(cè)工業(yè)環(huán)境中氣

體爆炸的后果。

在編寫(xiě)這本手冊(cè)時(shí)，我們的意圖是，讀者可以直接從“實(shí)用方面”或“工具和分

析"下所列的某一章開(kāi)始學(xué)習(xí)，并使用其他章節(jié)作為補(bǔ)充信息。然而，如果讀

者對(duì)氣體爆炸領(lǐng)域是陌生的，我們建議將第1章和第2章作為該主題的第一個(gè)介

紹。第15章包含一個(gè)術(shù)語(yǔ)和表達(dá)方式的清單。

為了避免過(guò)多的交叉引用，從而使手冊(cè)的使用更加繁瑣，前兩部分和后兩部分

所包含的內(nèi)容有一定程度的重合。這使得兩部分中的每一部分都更加自成一體,

因此，該手冊(cè)可以作為參考書(shū)使用，而不必全部閱讀。

手冊(cè)的目標(biāo)

今天，在關(guān)于氣體爆炸的科學(xué)論文和報(bào)告中，有很多信息。然而，在大多數(shù)情

況下，這些信息的實(shí)際意義是很難提取的。因此，我們發(fā)現(xiàn)有必要編寫(xiě)一本更

簡(jiǎn)單地介紹現(xiàn)有信息的手冊(cè)，以便在行業(yè)中使用。

頁(yè)碼4

本手冊(cè)總結(jié)了我們以前關(guān)于氣體爆炸安全的研究計(jì)劃和咨詢活動(dòng)的主要成果和

經(jīng)驗(yàn)(Bakke等人，1991)。我們的重點(diǎn)是氣體爆炸時(shí)的壓力積聚。沒(méi)有涉及

氣體爆炸安全的重要領(lǐng)域，如如何防止泄漏和什么是點(diǎn)火概率。在本手冊(cè)中，

我們假設(shè)預(yù)混可燃?xì)怏w已經(jīng)產(chǎn)生并被點(diǎn)燃。討論了火焰?zhèn)鞑ズ蛪毫Ψe聚的現(xiàn)象。

指出了影響壓力積聚的重要因素，并提出了一些簡(jiǎn)單的指導(dǎo)方針。還包括使用

數(shù)值準(zhǔn)則(FLACS和NFlacs)來(lái)模擬工業(yè)環(huán)境中的氣體爆炸。

儆.手冊(cè)、NFlacs和FLACS構(gòu)成了一套互補(bǔ)的工具。

該手冊(cè)是CMR提供的用于分析氣體爆炸的三個(gè)工具之一。其他兩個(gè)工具是FLACS

和田lacs。FLACS是這兩個(gè)工具中最先進(jìn)的準(zhǔn)則。FLACS用于詳細(xì)的分析，而

葉lacs是一個(gè)PC篩選工具，不需要像FLACS那樣的詳細(xì)輸入和資源。我們的目

標(biāo)是將手冊(cè)、FLACS和用lacs作為輔助工具一起用于氣爆分析。使用哪種工具

將取決于分析的階段和所需信息的細(xì)節(jié)。

我們的意圖是，CMR氣體爆炸手冊(cè)是一份〃活的〃文件，當(dāng)有新的信息時(shí)將會(huì)

更新。我們希望收到更多關(guān)于改進(jìn)該手冊(cè)的意見(jiàn)和建議。手冊(cè)中包括一份意見(jiàn)

表。

CMR的氣體爆炸活動(dòng)

在60年代末和70年代，在北海發(fā)現(xiàn)了大型油氣田。人們認(rèn)識(shí)到，氣體爆炸可能

會(huì)對(duì)北海的鉆探和生產(chǎn)裝置構(gòu)成危害，而關(guān)于工業(yè)環(huán)境中氣體爆炸的知識(shí)是有

限的。在Chr.Michelsen研究所的科學(xué)和技術(shù)部(CMI-DST,從1992年6月起為

ChristianMichelsenResearch-CMR),氣體爆炸研究于1970年代末開(kāi)始，

是"SikkerhetPaSokkelen”計(jì)劃的一部分。從那時(shí)起，氣爆研究一直是

CMI/CMR的一項(xiàng)重要活動(dòng)，如圖3所示。氣體爆炸研究是粉塵爆炸研究工作的延

續(xù)。Eckhoff(1991)對(duì)粉塵爆炸的研究工作進(jìn)行了描述。

頁(yè)碼5

圖3.CMR的爆炸研究計(jì)劃和咨詢活動(dòng)。

在1980-1990年期間，CMI開(kāi)展了兩項(xiàng)關(guān)于氣體爆炸的主要研究計(jì)劃。總共80人

年的研究為工業(yè)環(huán)境中的氣體擴(kuò)散和氣體爆炸提供了新的見(jiàn)解。這項(xiàng)工作的主

要目標(biāo)是為最大限度地減少意外爆炸的影響提供技術(shù)和工具。CMI的策略是將

大型和小型的實(shí)驗(yàn)工作與先進(jìn)的流體動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)則的開(kāi)發(fā)相結(jié)合。

在GEP80-86中，研究了由障礙物產(chǎn)生的湍流導(dǎo)致的火焰加速引起的壓力發(fā)展。

這一機(jī)制被認(rèn)為是在海上平臺(tái)上典型的復(fù)雜幾何形狀中發(fā)生爆炸的主要原因。

對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了小規(guī)模和大規(guī)模的研究（0.2米3和50米3）,其幾何布局

越來(lái)越復(fù)雜。最復(fù)雜的布局是一個(gè)比例為1:5的海上模塊。研究了不同的氣體

和點(diǎn)火強(qiáng)度，以及點(diǎn)火位置和通風(fēng)安排。

這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有兩個(gè)目的：它們提供了關(guān)于復(fù)雜幾何形狀下的火焰加速的新

見(jiàn)解，也為驗(yàn)證為爆炸超壓預(yù)測(cè)而開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)準(zhǔn)則提供了數(shù)據(jù)。這些準(zhǔn)則被

命名為FLACS（火焰加速模擬器），是在建?；顒?dòng)中開(kāi)發(fā)的，集中在可壓縮、

湍流反應(yīng)流的建模和由此產(chǎn)生的偏微分方程組的數(shù)值解。研究的一些結(jié)果已經(jīng)

發(fā)表在公開(kāi)文獻(xiàn)中（Bakke等人，1986,1987；Hjertager等人，1988a,

1988b）o

在1986年結(jié)束的七年計(jì)劃之后，1987年啟動(dòng)了一個(gè)為期三年的計(jì)劃，重點(diǎn)是復(fù)

雜幾何形狀下的氣體擴(kuò)散和陸上工廠的爆炸問(wèn)題。該計(jì)劃的目標(biāo)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)提

供更多的知識(shí)，并應(yīng)用這些知識(shí)來(lái)評(píng)估一個(gè)增強(qiáng)的FLACS準(zhǔn)則，同時(shí)考慮到不

同燃料與空氣混合時(shí)的氣體擴(kuò)散和爆炸。

GexCon是CMR的氣爆咨詢公司，成立于1987年。GexCon是一個(gè)獨(dú)立的單位，

與CMR的氣體爆炸和工藝安全部門(mén)緊密合作，在庫(kù)珀蒂諾運(yùn)作。通過(guò)GexCon,

CMR的研究已經(jīng)對(duì)工程實(shí)踐產(chǎn)生了影響。CMR的人員被業(yè)界積極用作氣體爆

炸安全方面的顧問(wèn)。我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)施被用來(lái)測(cè)試暴露在預(yù)先確定強(qiáng)度的氣體爆

炸中的設(shè)備和結(jié)構(gòu)的完整性和功能。FLACS準(zhǔn)則被廣泛用于提供有關(guān)海上和陸

上意外爆炸的壓力負(fù)荷的定量信息。自1989年以來(lái)，已經(jīng)為特定的工廠和裝置

進(jìn)行了40多個(gè)項(xiàng)目。這些工作包括安全分析、使用FLACS進(jìn)行爆炸模擬、實(shí)驗(yàn)

研究和氣體爆炸課程，包括實(shí)際爆炸的演示。

頁(yè)碼6

1990年，一個(gè)新的大型多贊助方方案開(kāi)始實(shí)施。該計(jì)劃的目標(biāo)是改善氣體安全

o這可以通過(guò)提供知識(shí)、預(yù)測(cè)技術(shù)和測(cè)試程序/設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)向工業(yè)界轉(zhuǎn)

讓成果，使設(shè)計(jì)和操作方面的日常工作程序、規(guī)則和條例能夠適當(dāng)考慮到最新

的知識(shí)。目前的許多研發(fā)課題具有普遍性，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮＃碧?生產(chǎn)/儲(chǔ)存/

運(yùn)輸）和陸上（運(yùn)輸/儲(chǔ)存/加工/利用）都很重要。以下是對(duì)這些課題的簡(jiǎn)要描

述。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

這一部分的目標(biāo)是提供直接適用于工程工作的知識(shí)，為模擬準(zhǔn)則

的驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)，也為設(shè)備和爆炸安全概念提供測(cè)試。例如，在開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行

了工作：

?關(guān)于真實(shí)工藝流（燃料混合物）如何爆炸的知識(shí)

.用于防爆的水沖刷系統(tǒng)的使用指南

?了解如何通過(guò)評(píng)估結(jié)構(gòu)件和設(shè)備的負(fù)荷來(lái)確保重要設(shè)備的完整性

?關(guān)于小型復(fù)雜工藝設(shè)備對(duì)爆炸影響的知識(shí)

?關(guān)于霧狀爆炸與大規(guī)模幾何形狀下的氣體爆炸的比較數(shù)據(jù)

增強(qiáng)FLACS的功能

重點(diǎn)是改進(jìn)FLACS的接口（包括與用戶和其他軟件的接口），以方便其使用，

并提高FLACS的預(yù)測(cè)能力。因此，這部分計(jì)劃的目標(biāo)是：

?為綜合安全分析和設(shè)計(jì)提供一個(gè)全面的模擬包，使用一個(gè)共同的框架

和用戶界面。該仿真包將是CASD/FLACS的擴(kuò)展和改進(jìn)。

?通過(guò)改進(jìn)物理子模型和數(shù)字求解方案，提高準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性和可靠性

應(yīng)用安全技術(shù)

許多較小的工業(yè)公司無(wú)法獲得今天安全研究小組中通常存在的大量知識(shí)和專(zhuān)門(mén)

領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。此外，技術(shù)轉(zhuǎn)讓經(jīng)常被認(rèn)為是研究項(xiàng)目的最終活動(dòng)。在該計(jì)

劃中，向工業(yè)界的技術(shù)轉(zhuǎn)讓從一開(kāi)始就是一項(xiàng)重要的持續(xù)努力，并構(gòu)成該計(jì)劃

的三個(gè)主要部分之一。

在過(guò)去的十年中，研究的重點(diǎn)是發(fā)展知識(shí)，現(xiàn)在已經(jīng)到了可以制定指導(dǎo)方針和

實(shí)際結(jié)果的階段。現(xiàn)在有大量的數(shù)據(jù)可以被分析和系統(tǒng)化。目前，CMR正沿著

這些方向努力的領(lǐng)域包括：

?氣體爆炸手冊(cè)

?用于氣體爆炸分析的PC工具（pFlacs）

?安全墻的設(shè)計(jì)考慮到了工作環(huán)境、氣體擴(kuò)散（自然通風(fēng)）和氣體爆炸

安全（這三個(gè)方面可能不兼容?。?/p>

?用于減輕爆炸的水噴射系統(tǒng)。

頁(yè)碼7

第一章1.1什么是氣體爆炸

1.2損失經(jīng)驗(yàn)

1.3氣體爆炸安全的分

氣體爆炸簡(jiǎn)介析和管理

我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)意外的氣體爆炸以及它們可能導(dǎo)致的破壞。幸運(yùn)的是，我們大多

數(shù)人不會(huì)經(jīng)歷意外爆炸。但要防止它們發(fā)生，就必須充分了解什么是氣體爆炸

，以及如何才能減少此類(lèi)事件的發(fā)生頻率和后果。

本章的目標(biāo)是：

i）對(duì)氣體爆炸領(lǐng)域進(jìn)行介紹

ii）概述損失情況

iii）以顯示我們?nèi)绾卫梦覀兊闹R(shí)來(lái)改善安全。

本章簡(jiǎn)要介紹了氣體爆炸的這些方面。它旨在作為該領(lǐng)域的首次介紹，應(yīng)在首

次使用該手冊(cè)時(shí)閱讀。

1.1什么是氣體爆炸

我們將氣體爆炸定義為預(yù)混氣體云的燃燒過(guò)程，即燃料-空氣或燃料/氧化劑的

燃燒導(dǎo)致壓力迅速上升。氣體爆炸可能發(fā)生在工藝設(shè)備或管道內(nèi)、建筑物或離

岸模塊內(nèi)、開(kāi)放的工藝區(qū)或非封閉區(qū)域內(nèi)。當(dāng)我們把氣體爆炸作為一個(gè)事件來(lái)

討論時(shí)，它是一個(gè)更廣泛的術(shù)語(yǔ)。那么通常包括氣體爆炸過(guò)程前后的事件，見(jiàn)

下圖。

頁(yè)碼8

圖LL事件樹(shù)顯示可燃?xì)怏w或蒸發(fā)液體意外釋放到大氣中的典型后果。

圖1.1顯示了如果可燃?xì)怏w或蒸發(fā)的液體被意外地釋放到大氣中會(huì)發(fā)生什么。如

果釋放后形成的氣體云不在可燃性限度內(nèi)，或者缺乏點(diǎn)火源，氣體云可能被稀

釋并消失。點(diǎn)火可能立即發(fā)生，也可能延遲到數(shù)十分鐘，這一切都取決于情況。

如果立即點(diǎn)燃（即在與空氣或氧化劑混合之前），將發(fā)生火災(zāi)。

如果形成并點(diǎn)燃了大量可燃的預(yù)混燃料空氣云，將出現(xiàn)最危險(xiǎn)的情況。從釋放

開(kāi)始到點(diǎn)燃的時(shí)間可以從幾秒鐘到幾十分鐘。燃料的數(shù)量可以從幾公斤到幾噸。

燃燒波產(chǎn)生的壓力將取決于火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，以及壓力如何才能擴(kuò)大到遠(yuǎn)離氣

體云的地方（由封閉性決定）。氣體爆炸的后果從沒(méi)有損害到完全毀滅不等。

氣體爆炸導(dǎo)致的壓力增加會(huì)損害人員和材料，或者導(dǎo)致火災(zāi)和BLEVE（多米諾骨

牌效應(yīng)）等事故?；馂?zāi)是氣體爆炸后非常常見(jiàn)的事件。

當(dāng)云被點(diǎn)燃時(shí)，火焰可以通過(guò)云的可燃部分以兩種不同的模式傳播。這些模式是:

i）爆燃

ii）弓I爆

頁(yè)碼9

火焰?zhèn)鞑サ谋寄Ｊ绞亲畛Ｒ?jiàn)的。爆燃相對(duì)于未燃燒的氣體以亞音速傳播，典

型的火焰速度（即相對(duì)于靜止的觀察者）為1至1000米/秒。爆炸壓力可能達(dá)到

幾巴格的數(shù)值，這取決于火焰速度（見(jiàn)第5.1節(jié)）0

爆炸波是一種超音速（相對(duì)于波前未燃燒的氣體的音速）的燃燒波。在這種情

況下，沖擊波和燃燒波是耦合的。在燃料-空氣云中，爆燃波將以1500-2000米

/秒的速度傳播，其峰值壓力通常為15至20巴。

在碳?xì)浠衔?空氣云的意外氣體爆炸中（由弱源-火花點(diǎn)燃），火焰通常以緩

慢的層狀火焰開(kāi)始（見(jiàn)2.12和4.10節(jié)）,速度約為3-4米/秒。如果云是真正的

無(wú)限制和無(wú)障礙的（即沒(méi)有設(shè)備或其他結(jié)構(gòu)被云吞噬），火焰不可能加速到超

過(guò)20-25米/秒的速度，如果云沒(méi)有被限制，超壓將是可以忽略的。

圖12有加工設(shè)備的部分密閉區(qū)域的氣體爆炸。

在建筑物中或在有加工設(shè)備的海上模塊中，如圖L2所示的示意圖，火焰可能加

速到每秒幾百米。當(dāng)氣體燃燒時(shí)，溫度會(huì)升高，氣體會(huì)以高達(dá)8或9的倍數(shù)膨脹。

因此，未燃燒的氣體被推到火焰的前面，并產(chǎn)生一個(gè)湍流場(chǎng)。當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ酵?/p>

流流場(chǎng)時(shí)，有效燃燒率將增加，火焰前方的流速和湍流進(jìn)一步增加。這種強(qiáng)大

的正反饋機(jī)制正在導(dǎo)致火焰加速和高爆炸壓力，并在某些情況下過(guò)渡到引爆。

在密閉情況下，如封閉容器，高火焰速度不是產(chǎn)生壓力的要求。在密閉容器中，

沒(méi)有或很少有爆炸壓力的釋放（即排放），因此即使是緩慢的燃燒過(guò)程也會(huì)產(chǎn)

生壓力（恒定體積燃燒，見(jiàn)4.9節(jié)）0

燃?xì)獗ǖ暮蠊麑⑷Q于：

?燃料和氧化劑的類(lèi)型

?可燃物云的大小和燃料濃度

?著火點(diǎn)的位置

頁(yè)碼10

?點(diǎn)火源的強(qiáng)度

?泄爆區(qū)的大小、位置和類(lèi)型

?結(jié)構(gòu)件和設(shè)備的位置和尺寸

?緩解計(jì)劃

氣體爆炸可能對(duì)這些因素的變化非常敏感。因此，估計(jì)氣體爆炸的后果并不是

一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

1.2損失經(jīng)驗(yàn)

如果我們回顧一下《損失預(yù)防公告》（IChemE）中的年度事故清單，就會(huì)發(fā)現(xiàn)

每年都有許多嚴(yán)重的爆炸事件。此外，還有大量的輕微爆炸或差點(diǎn)發(fā)生的事故

從未被報(bào)告。

Garrison（1988年）回顧了1957年至1986年期間碳?xì)浠衔锛庸すI(yè)的一百次

最大損失（見(jiàn)圖L3）。他發(fā)現(xiàn)，這些事故中有42%是由蒸汽云爆炸引起的。在

他的分類(lèi)中，蒸汽云爆炸包括建筑物內(nèi)以及室外的氣體爆炸（非封閉式爆炸）。

被歸類(lèi)為爆炸的事件占22猊這些爆炸可能是逃逸反應(yīng)、固體爆炸、BLEVE's、

安全殼丟失以及工藝設(shè)備內(nèi)部的氣體爆炸。

□

□Vapoxixcloudexpbsuons

□FUM

■Explceioxtf

Wind

圖13.1957年至1986年,碳?xì)浠衔锛庸ば袠I(yè)100大損失的損失類(lèi)型分布（

Garrison,1988年）。

當(dāng)我們研究已經(jīng)發(fā)生的個(gè)別意外爆炸的細(xì)節(jié)時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)爆炸的規(guī)模和損失

經(jīng)歷有很大的不同。從事故記錄中我們可以得知，氣體爆炸有在類(lèi)似條件下重

復(fù)發(fā)生的趨勢(shì)。因此，調(diào)查事故、在公開(kāi)文獻(xiàn)中報(bào)告調(diào)查結(jié)果并采取糾正措施

是很重要的。

Flixborough,1974

1974年6月1日位于Flixborough的Nypro工廠的爆炸是化學(xué)工業(yè)歷史上最嚴(yán)重的

事故之一。在弗利克斯堡，工廠被完全摧毀，現(xiàn)場(chǎng)有28人死亡，36人受傷。在

工廠外，據(jù)報(bào)道有53人受傷，1.821所房屋和167家商店受到損害。損失超過(guò)1億

美元（Theodore等人，1989）。弗利克斯堡爆炸的原因是大約50噸環(huán)己烷的釋

放，可能是由于一個(gè)臨時(shí)管道的故障。釋放后大約1分鐘左右，易燃云被點(diǎn)燃。

發(fā)生了非常劇烈的爆炸。爆炸相當(dāng)于約16噸TNT的爆炸。弗利克斯堡氣體爆炸

頁(yè)碼11

的特點(diǎn)是，密集的燃料(環(huán)己烷)能夠形成巨大的可燃?xì)怏w云，而且工廠內(nèi)的

封閉性和阻塞性導(dǎo)致了高爆炸壓力。從Flixborough事件中，我們可以了解到：i)

如果庫(kù)存較少，可燃?xì)怏w云就會(huì)較少，即減少庫(kù)存；ii)控制工廠和修改工藝

很重要；iii)使用抗爆控制室和建筑物。

布拉赫加丹，1983

1983年3月3日，在斯德哥爾摩的一條露天街道上發(fā)生了一起氫氣爆炸事件(Per

sson,1984)。事件發(fā)生時(shí)，從一輛卡車(chē)上卸下氣瓶，氫氣突然開(kāi)始泄漏。氫

氣被儲(chǔ)存在一個(gè)由18個(gè)氣瓶組成的庫(kù)中，其中含有大約10公斤的氫氣。爆炸產(chǎn)

生的沖擊波打破了大約90米范圍內(nèi)的窗戶。有16人受傷。

從Brahegatan事件中我們可以了解到，氫氣的反應(yīng)性很強(qiáng)，即使在開(kāi)放區(qū)域，

氫氣的爆炸也會(huì)非常劇烈。

西部先鋒報(bào)，1985年

1985年10月7日晚，WestVanguard鉆井平臺(tái)在挪威區(qū)的Haltenbanken鉆井時(shí)發(fā)生

了井噴(NOU1986:16)。泄漏的氣體被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)室，發(fā)生了非常劇烈的氣

體爆炸。機(jī)房的側(cè)墻被炸開(kāi)，一名男子被炸死。作為此類(lèi)事故的典型，爆炸后

發(fā)生了火災(zāi)。幸運(yùn)的是，鉆井平臺(tái)的主要完整性沒(méi)有受到嚴(yán)重破壞，其余的船

員也獲救了。從WestVanguard事件中我們可以了解到，泄漏的氣體可以通過(guò)通

風(fēng)管道被吸入或擴(kuò)散到密閉區(qū)域。因此，進(jìn)氣口的位置應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。

冰淇淋工廠

在一家冰淇淋工廠里，含有氨的制冷系統(tǒng)在一次火災(zāi)中發(fā)生了泄漏。突然間，

整個(gè)地下室爆炸了，建筑物被部分摧毀。從這一事件中我們可以了解到，即使

像氨這樣燃燒非常緩慢的物質(zhì)，如果在密閉的區(qū)域內(nèi)爆炸，也會(huì)引起嚴(yán)重的氣

體爆炸。

Devnya,1986

1986年，保加利亞Devnya的一家PVC工廠發(fā)生了非常嚴(yán)重的爆炸和火災(zāi)(NTB,

1986)o該事故是由管道故障引起的。該管道沒(méi)有經(jīng)過(guò)X光檢查。17人在這次

事故中死亡，其中有8名在實(shí)驗(yàn)室工作的婦女。從Devnya事件中，我們可以了

解到：i)檢查是安全操作的關(guān)鍵因素；ii)所有不是工廠運(yùn)行絕對(duì)必要的活動(dòng)

(如實(shí)驗(yàn)室工作)都應(yīng)該從潛在的危險(xiǎn)區(qū)域移開(kāi)。

"BergeIstra”

1975年12月30日，石油/礦石運(yùn)輸船M/S"BergeIstra"(Solberg,1981)在摩鹿加海

沉沒(méi)。兩名船員被救起。他們報(bào)告說(shuō)，一連發(fā)生了三次巨大的爆炸，隨后船舶

立即沉沒(méi)。1979年10月，姐妹船M/S"BergeVanga”號(hào)在大西洋上消失了。關(guān)于

這一事件幾乎一無(wú)所知。沒(méi)有人獲救。

BergeIstra”號(hào)的迅速沉沒(méi)表明，該船雙層底部的氣體爆炸將船舶結(jié)構(gòu)撕開(kāi)，水

淹沒(méi)了雙層甲板和機(jī)房。

頁(yè)碼12

從"BergeIstra"事件中，我們可以了解到：i)氣體爆炸可以破壞大型建筑的完

整性，如超級(jí)油輪；ii)可燃?xì)怏w云在一個(gè)密閉的空間，如船舶的雙層底部，將

很容易產(chǎn)生破壞性的壓力。

道路交通事故

兩個(gè)人開(kāi)著車(chē)，車(chē)上有一個(gè)裝滿氧氣/乙煥的塑料袋。4到5公里后，袋子爆炸

了。車(chē)上的兩個(gè)人相當(dāng)幸運(yùn)，他們唯一的傷害是耳鼓破裂和一些頭發(fā)被燒掉。

車(chē)子的損失為6萬(wàn)挪威克朗。這兩個(gè)人打算通過(guò)制造“爆炸〃來(lái)找點(diǎn)樂(lè)子。其

中一個(gè)人是汽車(chē)修理工，他在工作時(shí)順便把乙煥火炬的乙快和氧氣裝在一個(gè)塑

料袋里。這一事件聽(tīng)起來(lái)似乎并不罕見(jiàn)，但事實(shí)并非如此。在挪威，在過(guò)去的

五年中，我們聽(tīng)說(shuō)過(guò)另外兩起爆炸事件，原因是人們攜帶或試圖以類(lèi)似于車(chē)內(nèi)

兩人的方式制造〃爆炸”。從這起道路事故中，我們可以了解到：i)不應(yīng)該玩

弄預(yù)混的可燃?xì)怏w；它非常危險(xiǎn)；ii)大多數(shù)人絲毫不知道如果不小心處理可

燃?xì)怏w會(huì)有多危險(xiǎn)。

PiperAlpha/988

PiperAlpha是近海工業(yè)中的”弗利克斯堡事故"。在PiperAlpha,一個(gè)壓縮

機(jī)模塊的相當(dāng)小的氣體爆炸引起火災(zāi)，隨后導(dǎo)致立管破裂。該平臺(tái)的主要部分

被燒毀。167人死亡。根據(jù)FLACS準(zhǔn)則(LordCullen,1990)的計(jì)算,最可能

的氣體云的氣體爆炸超壓約為0.3巴。從PiperAlpha事件中我們可以了解到，

氣體爆炸很容易導(dǎo)致多米諾骨牌效應(yīng)和失去控制。裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)避免多米諾骨

牌效應(yīng)。

除臭劑工廠

由于環(huán)境問(wèn)題，作為除臭劑霧化器驅(qū)動(dòng)氣體的氟利昂被改為丁烷。在短時(shí)間的

生產(chǎn)之后，工廠的主要部分被氣體爆炸摧毀(Anon1986)。從除臭劑工廠的

事故中，我們可以了解到必須控制工藝的改變。

頁(yè)碼13

密蘇里州哈德遜港，1970年

在這次事件中，液態(tài)丙烷從管道中釋放出來(lái)。氣體云流入一個(gè)山谷，在釋放開(kāi)

始后約20分鐘，氣體云發(fā)生了劇烈爆炸。爆炸可能是一次引爆。爆炸開(kāi)始于一

個(gè)泵房的內(nèi)部爆炸，這引發(fā)了非封閉云的引爆。從哈德遜港我們可以了解到，

密閉區(qū)域的爆炸可以啟動(dòng)引爆，造成非密閉區(qū)域的高壓。

Rafnes,1988

1988年發(fā)生在挪威Rafnes的事件被稱為一場(chǎng)大火。然而，第一次事件實(shí)際上是

一次氣體爆炸。坐在抗爆控制室里的人，感覺(jué)到整個(gè)建筑都在搖晃。爆炸沒(méi)有

造成重大損失，也沒(méi)有人受傷。爆炸的壓力可能在100毫巴左右。

拉夫內(nèi)斯的工廠在設(shè)計(jì)上采用了抗爆建筑。如果在拉夫內(nèi)斯發(fā)生的釋放是發(fā)生

在一個(gè)老式的工廠里，那么氣體爆炸的后果很可能會(huì)完全不同。這是一個(gè)保護(hù)

措施如期發(fā)揮作用的例子。從Rafnes事件中，我們可以學(xué)到：i）控制室和建

筑物應(yīng)該是抗爆的，ii）火災(zāi)是爆炸后的常見(jiàn)事件，iii）可以建立一個(gè)防爆

屏障，以減輕和保護(hù)氣體爆炸的后果。

1.3氣體爆炸安全的分析和管理

損失經(jīng)驗(yàn)表明，僅僅通過(guò)減少意外釋放、形成爆炸云和點(diǎn)火的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)預(yù)防氣體

爆炸是不夠的。氣體爆炸的頻率仍然不低，而且氣體爆炸的后果可能是巨大的。

因此，我們必須在我們的設(shè)施中建立一個(gè)防止氣體爆炸的最后屏障。這可以通

過(guò)進(jìn)行安全分析和遵循良好的工程實(shí)踐來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這樣做，氣體爆炸的風(fēng)險(xiǎn)

可以大大降低。本節(jié)的目的是討論我們?nèi)绾螒?yīng)用氣體爆炸的知識(shí)和預(yù)測(cè)此類(lèi)事

件的工具來(lái)使這最后一道屏障有效。

Pappas（1990）討論了挪威的一個(gè)離岸開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的安全管理模式。

Pappas提出的安全管理活動(dòng)的一些例子，如圖1.4所示。

頁(yè)碼14

1.主要布局已經(jīng)確定，并檢查了負(fù)載方面的分離情況。

2.模塊形狀已定/爆炸通風(fēng)。

概念性研究3.估計(jì)事故載荷。

4.度開(kāi)放-封閉墻/與暖通空調(diào)一致。

1.最終計(jì)算爆炸載荷，用于事故載荷規(guī)范。

2.確保爆炸載荷包括在相關(guān)規(guī)格中，如暖通空調(diào)

包、防火墻、格柵、封閉甲板等。

詳細(xì)工程3.從一個(gè)模塊排出的爆炸物可能會(huì)影響到其他模塊。檢

查相互連接的承包商。

1.檢查制造承包商是否已經(jīng)理解了設(shè)計(jì)和功能要求的

原因。

2.檢查防爆板的規(guī)格和安裝。

3.檢查通風(fēng)板的規(guī)格和安裝，即重量、緊固機(jī)制和開(kāi)

制造和安裝口區(qū)域的封鎖。

4.檢查墻體的變形是否會(huì)對(duì)未計(jì)劃的管道產(chǎn)生不可接

受的后果

圖14海上開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中的安全管理活動(dòng)實(shí)例。（Pappas,1990）。

在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，從第一天起就應(yīng)該考慮到氣體爆炸的危險(xiǎn)性。在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的早

期階段（即概念研究），要做出重大決定，如不同區(qū)域的位置、區(qū)域的分隔和

整體布局（這將影響通風(fēng)口的安排和工藝本身）。在詳細(xì)工程階段，氣體爆炸

負(fù)荷的最終計(jì)算是一項(xiàng)重要活動(dòng)。在制造和安裝階段，檢查設(shè)計(jì)是否得到遵循

是一項(xiàng)主要活動(dòng)。在所有這些階段，重要的是對(duì)氣體爆炸危險(xiǎn)有良好的理解，

并應(yīng)用簡(jiǎn)單的準(zhǔn)則和良好的工程實(shí)踐。

估計(jì)氣體爆炸的后果和負(fù)荷通常是風(fēng)險(xiǎn)分析的一部分。如圖1.5所示，一個(gè)典型

的風(fēng)險(xiǎn)分析由5個(gè)要素組成。風(fēng)險(xiǎn)由事件的頻率和后果組成。（風(fēng)險(xiǎn)=頻率*后果）。

頁(yè)碼15

圖1.5.風(fēng)險(xiǎn)分析(Ramsay1990)。

后果評(píng)估的要素如圖1.6所示。當(dāng)我們使用FLACS來(lái)模擬氣體爆炸時(shí)，F(xiàn)LACS模

擬是后果評(píng)估的一個(gè)部分。情景的定義（即氣體云的大小，點(diǎn)火位置，通風(fēng)口

的安排等）是后果分析的一個(gè)非常重要的部分。情景的定義也與頻率的估計(jì)有

關(guān)。一個(gè)例子是，氣體云越大，其發(fā)生的頻率就越低。在氣體爆炸分析中，氣

體爆炸模擬的結(jié)果對(duì)某些參數(shù)非常敏感。其中之一是點(diǎn)火點(diǎn)的位置。在某些情

況下，通過(guò)移動(dòng)點(diǎn)火點(diǎn)并保持其他參數(shù)不變，爆炸的壓力可能會(huì)有數(shù)量級(jí)的變

化。在進(jìn)行后果和風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，應(yīng)認(rèn)識(shí)到這一事實(shí)。

圖16氣體爆炸的后果評(píng)估。

我們可以從后果分析中獲得的好處是：

?在正式的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估

?改進(jìn)設(shè)計(jì)和操作

?支持決策

?知識(shí)的轉(zhuǎn)讓

?成本效益

?安全

頁(yè)碼16

2.1爆炸

第二章2.2燃燒

2.3氣體爆炸

2.4密閉氣體爆炸

2.5部分封閉的氣體爆炸

2.6非密閉氣體爆炸

2.7蒸氣云爆炸（VCE）

2.8火焰速度和燃燒速度

2.9燃燒率

2.10爆燃

2.11爆轟

定義2.12湍流

2.13水力不穩(wěn)定性

2.14閃燃

2.15BLEVEs

2.16沖擊波

2.17爆炸波

2.18壓力

“燃燒術(shù)語(yǔ)的重災(zāi)區(qū)"是Bradley和Weinberg（1991）的一篇論文的標(biāo)題。他們

指出，燃燒術(shù)語(yǔ)處于一種不和諧的混亂狀態(tài)。像‘燃燒速度'、’火焰速度‘、'可燃'、

‘易燃‘、‘不可燃‘、‘爆燃'和'引爆’這樣的詞經(jīng)常被錯(cuò)誤地使用。這也是我們的經(jīng)

驗(yàn)。

這種缺乏連貫性的術(shù)語(yǔ)，使那些想在工業(yè)界的實(shí)際安全工作中使用氣體爆炸研

究結(jié)果的人感到非常困難。甚至我們所討論的現(xiàn)象也有幾個(gè)名稱："氣體爆炸"、

"氣態(tài)爆炸"、"非封閉蒸汽云爆炸"、"蒸汽云爆炸"或"燃料-空氣爆炸"。在本

手冊(cè)中，我們決定使用‘氣體爆炸'這個(gè)術(shù)語(yǔ)。我們認(rèn)為這個(gè)術(shù)語(yǔ)最簡(jiǎn)單，最不

容易混淆，也是預(yù)混燃料-空氣或燃料-氧化劑在氣相中燃燒引起的爆炸的最通

用術(shù)語(yǔ)。

本章的目的是介紹本手冊(cè)中使用的定義。你可能會(huì)在其他文獻(xiàn)中找到不同的定

義。如果你不同意我們的任何定義，請(qǐng)使用我們的選論表。

2.1爆炸

我們將爆炸定義為導(dǎo)致壓力迅速增加的事件。這種壓力增加可由以下因素引起

：核反應(yīng)、高壓容器的失密、高爆炸物、金屬水蒸氣爆炸、逃逸反應(yīng)、空氣中

或其他氧化劑中的灰塵、霧氣或氣體（包括蒸汽）的燃燒。

頁(yè)碼17

2.2燃燒

燃料被氧化的氣體、液體或固體的燃燒涉及到熱量的釋放，通常還有光的發(fā)射

o甲烷（CH4）在空氣中的燃燒可以用化學(xué)方程式描述：

CH4+2（02+3.76N2）-82+2H20+2（3.76N2）+Energy

碳?xì)浠衔锶剂贤耆紵蟮幕瘜W(xué)產(chǎn)物主要是二氧化碳和水（蒸汽）。燃燒過(guò)

程中，由于化學(xué)結(jié)合的能量轉(zhuǎn)化為熱量，將導(dǎo)致溫度升高。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，上

述公式構(gòu)成了對(duì)真實(shí)燃燒過(guò)程的強(qiáng)烈簡(jiǎn)化。

氣態(tài)燃料在空氣中的燃燒可以以兩種不同的模式發(fā)生。一種是火，在燃燒過(guò)程

中，燃料和氧氣混合。在另一種情況下，燃料和空氣（或另一種氧化劑）是預(yù)

混合的，燃料濃度必須在可燃性限度內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，預(yù)混合的情況可以使燃料

燃燒得更快，即在單位時(shí)間內(nèi)消耗更多燃料。

Air

(Oxygen)

FireGasexplosion

圖2.1.噴射火災(zāi)和氣體爆炸的說(shuō)明。

2.3氣體爆炸

我我們將氣體爆炸定義為預(yù)混氣體云（即燃料-空氣或燃料-氧化劑）的燃燒

導(dǎo)致壓力迅速上升的過(guò)程。氣體爆炸可能發(fā)生在工藝設(shè)備或管道內(nèi)、建筑物

或海上模塊內(nèi)、開(kāi)放式工藝區(qū)或非封閉區(qū)。

頁(yè)碼18

氣體爆炸的后果將取決于氣體云所處的環(huán)境或氣體云所吞噬的環(huán)境。因此，通

常從爆炸發(fā)生的環(huán)境對(duì)氣體爆炸進(jìn)行分類(lèi)：i）容器、管道、通道或隧道內(nèi)的密

閉氣體爆炸；ii）隔間、建筑物或離岸模塊內(nèi)的部分密閉氣體爆炸；iii）加工

廠和其他非密閉區(qū)域的非密閉氣體爆炸。應(yīng)該指出的是，這些術(shù)語(yǔ)沒(méi)有嚴(yán)格的

定義。在一個(gè)意外事件中，可能很難對(duì)爆炸進(jìn)行分類(lèi)。例如，加工廠的非封閉

式爆炸也可能涉及氣體云泄漏到的隔間中的部分封閉式爆炸。

2.4密閉氣體爆炸

密閉氣體爆炸是指在儲(chǔ)罐、加工設(shè)備、管道、涵洞、污水處理系統(tǒng)、封閉房間

和地下設(shè)施中發(fā)生的爆炸。密閉爆炸也被稱為內(nèi)部爆炸。

圖2.2.罐內(nèi)的密閉爆炸。

這種爆炸的典型特征是，燃燒過(guò)程不需要很快，就能造成嚴(yán)重的壓力積聚。第

螳更詳細(xì)地介紹了容器、管道、通道和隧道內(nèi)的氣體爆炸。

2.5部分封閉的氣體爆炸

當(dāng)燃料在部分開(kāi)放的建筑物內(nèi)意外釋放時(shí)，就會(huì)發(fā)生部分密閉的爆炸。典型案

例是壓縮機(jī)房和海上模塊。建筑物將限制爆炸，而爆炸壓力只能通過(guò)防爆口區(qū)

域來(lái)釋放，即墻壁上的開(kāi)放區(qū)域或在低超壓時(shí)迅速打開(kāi)的輕質(zhì)泄壓墻。正如第

地童中所討論的，爆炸排放區(qū)的大小和位置對(duì)產(chǎn)生的爆炸壓力都很重要。

Ventopening

圖23.有加工設(shè)備的部分密閉區(qū)域內(nèi)的氣體爆炸。

頁(yè)碼19

2.6非密閉氣體爆炸

非封閉一詞被用來(lái)描述開(kāi)放區(qū)域的爆炸，如加工廠。大規(guī)模試驗(yàn)表明，由弱點(diǎn)

火源點(diǎn)燃的真正無(wú)封閉、無(wú)遮擋的氣體云在燃燒時(shí)只會(huì)產(chǎn)生很小的超壓（閃

燃）。因此，應(yīng)謹(jǐn)慎使用無(wú)壓氣體爆炸這一術(shù)語(yǔ)。在加工廠中，有一些局部區(qū)

域是部分封閉和受阻的。在發(fā)生爆燃的情況下，正是這些區(qū)域造成了高爆炸壓

力。

圖24工藝區(qū)的氣體爆炸。

然而，如果非封閉云爆炸，其爆炸壓力將非常高，約為20barg,原則上與封閉

和障礙物無(wú)關(guān)。第11章將進(jìn)一步討論非密閉氣體的爆炸。

頁(yè)碼20

2.7蒸氣云爆炸（VCE）

蒸氣云爆炸與部分密閉或非密閉氣體爆炸之間沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。在本手冊(cè)中，我

們將使用氣體爆炸這一術(shù)語(yǔ)，我們將不區(qū)分蒸汽云爆炸和氣體爆炸。

2.8火焰速度和燃燒速度

火焰速度，s,定義為火焰相對(duì)于靜止觀察者的速度，即地面或其他固定框架。

燃燒速度，u,是指火焰前端相對(duì)于火焰前方未燃燒的氣體的速度。因此，火

焰速度S和燃燒速度U之間的關(guān)系是：

S=U+u

其中U是火焰正前方未燃燒的氣體的速度。對(duì)于按比例計(jì)算的（見(jiàn)第4.3節(jié)）碳

氫化合物-空氣混合物，S是8*U的數(shù)量級(jí)。

BurnedGasUnbumedGas

圖25.火焰在管內(nèi)的傳播?；鹧嫠俣?S,被定義為火焰相對(duì)于地面或其他固定

框架的速度。u是火焰前方未燃燒氣體的速度。

2.9燃燒率

燃燒率［kg/s］是指每一時(shí)間單位內(nèi)燃燒過(guò)程所消耗的燃料量。燃燒率是對(duì)爆炸中

能量釋放速度的一種衡量。燃燒率也可定義為每單位時(shí)間和體積所消耗的燃料

質(zhì)量。

2.10爆燃

爆燃被定義為相對(duì)于緊靠火焰前方的未燃燒氣體以亞音速傳播的燃燒波，即燃

燒速度U小于未燃燒氣體中的音速C?；鹧媲胺轿慈紵臍怏w的速度是由燃燒產(chǎn)

物的膨脹產(chǎn)生的。

頁(yè)碼21

在意外的氣體爆炸中，爆燃是火焰?zhèn)鞑サ某Ｒ?jiàn)模式。在這種模式下，火焰速度

S從1米/秒到500-1000米/秒不等，對(duì)應(yīng)的爆炸壓力在幾毫巴和幾巴之間。

對(duì)于強(qiáng)爆燃，沖擊波可能會(huì)在爆燃（即火焰）的前面?zhèn)鞑ァ?/p>

2.11爆轟

爆轟被定義為相對(duì)于火焰前方的未燃燒氣體以超音速傳播的燃燒波，即爆炸速

度D大于未燃燒氣體中的音速C。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，爆轟波可以被描述為緊隨火焰的沖擊波（ZND理論）。沖擊壓縮加

熱了氣體并引發(fā)了燃燒。然而，實(shí)際的爆轟波是一個(gè)三維的沖擊波，后面是反

應(yīng)區(qū)。

^2.6.爆轟波可以被描述為緊接著火焰的沖擊波（ZND理論）。

對(duì)于環(huán)境壓力下的燃料空氣混合物，爆轟速度可高達(dá)2000米/秒，產(chǎn)生的最大

壓力接近20巴。

爆轟可以是：i）通過(guò)引爆高爆炸藥直接引發(fā)，或者ii）當(dāng)爆轟由于障礙物和限

制而加速并過(guò)渡到爆炸時(shí)產(chǎn)生。

2.12湍流

在流體力學(xué)中，我們把流動(dòng)分為層流和湍流兩種狀態(tài)。層流是指流體以層狀或

層狀流動(dòng)，而湍流的特點(diǎn)是強(qiáng)加于平均（時(shí)間平均）流速的不規(guī)則隨機(jī)波動(dòng)。

圖2.7顯示了顆粒在層流和湍流中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

頁(yè)碼22

LaminarTurbulent

圖2.7.層流和湍流中顆粒軌跡的說(shuō)明。

流動(dòng)是層流還是湍流，主要取決于流速u(mài)、幾何體的特征尺寸L和運(yùn)動(dòng)粘度u。

雷諾數(shù)Re,定義為：：

uL

&=—

是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，用于描述流態(tài)是層流還是湍流。

圖2.8顯示了不同Re條件下橫流中圓柱體周?chē)牧鲌?chǎng)。這個(gè)幾何形狀的特征長(zhǎng)度

尺度L是圓柱體的直徑。對(duì)于低Re和低流速，圓柱體周?chē)牧鲃?dòng)是層狀的。對(duì)

于較高的Re,圓柱體的尾部會(huì)出現(xiàn)渦流，體積內(nèi)的流動(dòng)將是湍流。

Re>400000

圖2.8.不同雷諾數(shù)Re下橫流中的圓柱體

湍流對(duì)于火焰在預(yù)混氣體云中的傳播速度非常重要。湍流會(huì)使火焰前沿起皺,

增加熱量和質(zhì)量的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致更高的燃燒率。

2.13水力不穩(wěn)定性

如果流體在正的密度梯度方向上加速，輕重氣體之間的界面是穩(wěn)定的。然而,

如果流體在另一個(gè)方向上加速，界面是不穩(wěn)定的。

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LightHeavy

Aiieelcratinn

圖29說(shuō)明泰勒不穩(wěn)定性的密度梯度的加速度。左邊是穩(wěn)定的,右邊是不

穩(wěn)定的。

這種流體力學(xué)的不穩(wěn)定性現(xiàn)象也發(fā)生在氣體爆炸中。如果火焰前沿受到從重氣

體（即燃料空氣）向輕氣體（即燃燒氣體）傳播的壓縮波或向相反方向傳播的

稀疏波的影響，火焰前沿就會(huì)變得皺巴巴的（不穩(wěn)定），燃燒速度也會(huì)增加。

這種不穩(wěn)定現(xiàn)象被稱為“泰勒不穩(wěn)定

2.14閃燃

閃燃是指預(yù)混的、真正無(wú)壓的、無(wú)遮擋的氣體云的緩慢爆燃，產(chǎn)生可忽略的超

壓。

熱效應(yīng)是主要的危險(xiǎn)。

2.15BLEVEs

沸騰的液體膨脹的蒸汽爆炸的縮寫(xiě)。BLEVE是當(dāng)裝有高蒸氣壓物質(zhì)的容器發(fā)生

故障時(shí)，由于液體閃動(dòng)而引起的爆炸。容器的失效通常是由外部火災(zāi)引起的,

如圖2.10所示。

TankCarRupture

^2.10.可能導(dǎo)致BLEVE的一種情況。

頁(yè)碼24

如果釋放的物質(zhì)是一種燃料，BLEVE可以導(dǎo)致非常大的火球?；鸺隣钊萜饕彩?/p>

與BLEVEs有關(guān)的危險(xiǎn)。圖2.10和2.11顯示了油罐車(chē)事故中的BLEVE和火球，但

BLEVE也可能發(fā)生在加工區(qū)或海上模塊中。

Verystrong

radiation

ofheat

Rocketing

圖2.1L火球和火箭船往往是BLEYE的主要危害。

2.16沖擊波

氣體中的沖擊波可以定義為大振幅的充分發(fā)展的壓縮波，在這一波中，密度、

壓力和粒子速度發(fā)生了巨大的變化(McGraw-Hill,1978)。

沖擊波的厚度是平均自由路徑的數(shù)量級(jí)，可以被視為不連續(xù)。

圖2.12.沖擊波之后是稀疏波。

頁(yè)碼25

沖擊波的傳播速度相對(duì)于緊鄰沖擊波的氣體來(lái)說(shuō)是超音速的，也就是說(shuō)，前方

的氣體沒(méi)有受到?jīng)_擊波的干擾。沖擊波的傳播速度取決于沖擊波的壓力比。壓

力的增加會(huì)帶來(lái)更高的傳播速度。

2.17爆炸波

爆炸波可以被定義為由爆炸引發(fā)的空氣波（McGraw-Hill,1978）。

術(shù)語(yǔ)爆炸波包括聲波壓縮波、沖擊波和稀薄波。圖2.14從原則上說(shuō)明了不同類(lèi)

型的爆炸波。我們可以有i）沖擊波后有稀薄波，ii）沖擊波后有聲波壓縮波，然

后有稀薄波，iii）聲波壓縮波和稀薄波。爆炸波的類(lèi)型取決于爆炸中能量釋放

的方式和時(shí)間以及與爆炸區(qū)的距離。對(duì)于強(qiáng)爆炸來(lái)說(shuō)，i）類(lèi)是典型的。弱爆炸

最初給出的是iii）類(lèi)，但當(dāng)波從爆炸處傳播開(kāi)來(lái)時(shí)，可以震蕩起來(lái)，并以i）類(lèi)

結(jié)束。

圖2.14.爆炸波。

頁(yè)碼26

來(lái)自TNT爆炸和其他軍事試驗(yàn)的爆炸波通常根據(jù)峰值超壓劃分為不同的范圍。

為了避免混淆，我們應(yīng)該對(duì)氣體爆炸的爆炸波使用相同的分類(lèi)。該分類(lèi)在表2.1

中給出。然而，應(yīng)該注意的是，這種分類(lèi)并不完全一致，因?yàn)楦鶕?jù)下面的定義,

遠(yuǎn)場(chǎng)壓力可以說(shuō)是發(fā)生在例如0.5巴超壓的氣體爆炸內(nèi)部。因此，人們應(yīng)確保該

范圍分類(lèi)僅適用于足夠強(qiáng)的氣體爆炸，并且僅在云層之外。

表2.L近距離、中距離和遠(yuǎn)距離爆炸波的分類(lèi)(Shepherd等人,1991)

?分類(lèi)?|峰值超壓

近距離范圍>10psi>0.69E

中距離0.5-10psi0.034-0.69巴

遠(yuǎn)距離<0.5psi<0.034巴

在本手冊(cè)中，我們將使用自由場(chǎng)爆炸這一術(shù)語(yǔ)，作為爆炸云外傳播的半球形爆炸波的

定義。

2.18壓力

壓力是一種在各個(gè)方向上均勻施加的壓力，其衡量標(biāo)準(zhǔn)是單位面積上施加的

力(McGraw-Hill,1978)。

在流體動(dòng)力學(xué)中，我們經(jīng)常使用的術(shù)語(yǔ)有：i)靜壓，ii)動(dòng)壓和iii)停滯壓力。

靜壓就是我們通常所說(shuō)的壓力。靜壓的嚴(yán)格定義是：a)如果沒(méi)有聲波存在，

介質(zhì)中某一點(diǎn)會(huì)存在的壓力，或者b)應(yīng)力的法向分量，單位面積的力，施

加在隨流體運(yùn)動(dòng)的表面上，特別是位于流動(dòng)方向的表面上(McGraw-Hill,

1978)o

動(dòng)壓是指運(yùn)動(dòng)的流體在壓力梯度下被等燧流動(dòng)帶到靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的壓力增加

(McGraw-Hill,1978)□動(dòng)壓也可以用流速u(mài)和密度,p:

停滯壓力是指運(yùn)動(dòng)的流體在壓力梯度作用下被等端流動(dòng)帶到靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的壓力

(McGraw-Hill,1978)。停滯壓力是靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力之和。

Psux=PstM+P1>*

對(duì)于爆炸波和沖擊波，我們使用側(cè)向壓力和反射壓力兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。側(cè)向壓力是在

垂直于波的傳播方向上測(cè)量的。側(cè)向壓力是沖擊波背后的靜態(tài)壓力。反射壓力

是在沖擊波正面撞到墻壁等物體時(shí)測(cè)量的。由于反射不是一個(gè)各向同性的過(guò)程,

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所以停滯壓力和反射壓力之間存在差異。圖2.15中說(shuō)明了這些側(cè)向壓力和反射

壓力的定義。

^2.15.側(cè)向壓力和反射壓力。

頁(yè)碼28

.3.1噴射釋放和蒸發(fā)池

第三章.3.21:5比例的海上模塊中

的氣體擴(kuò)散測(cè)試

?3.3使用FLACS進(jìn)行氣體擴(kuò)

散模擬

爆炸氣體云的形成.3.4氣體云和點(diǎn)火

?3.5廂內(nèi)通風(fēng)

.3.6準(zhǔn)則

當(dāng)可燃?xì)怏w或蒸發(fā)的液體被意外釋放到大氣中時(shí)，可能會(huì)形成可燃燃料-空氣云。

圖31顯示了在意外釋放情況下可能發(fā)生的事件。

圖3.L事件樹(shù)顯示可燃?xì)怏w或蒸發(fā)液體意外釋放到大氣中的典型后果。

如果釋放形成的氣體云在可燃濃度范圍之外（即低于LFL或高于UFL,見(jiàn)生工

T），或缺乏點(diǎn)火源，則不會(huì)發(fā)生燃燒。隨后，氣體云將稀釋并消失。如果立

即被點(diǎn)燃，就會(huì)發(fā)生火災(zāi)。然而，最危險(xiǎn)的情況是，如果形成并點(diǎn)燃了大量的

可燃預(yù)混燃料-空氣云，就會(huì)出現(xiàn)。這時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的爆炸。

本章的目的是：

i）描述噴射式釋放和蒸發(fā)池之間的區(qū)別。

ii）描述在一個(gè)1:5比例的海上模塊模型中噴射釋放的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

iii）描述FLACS模擬氣體散布的準(zhǔn)則設(shè)施。

iv）討論可燃?xì)怏w云的形成和點(diǎn)火問(wèn)題。

頁(yè)碼29

3.1噴射釋放和蒸發(fā)池

釋放的物質(zhì)可以是氣體、蒸發(fā)的液體或氣液（兩相）流。來(lái)源將被描述為噴射

式釋放（即氣體、兩相或蒸發(fā)的液體），或擴(kuò)散式釋放，即蒸發(fā)的水池。圖3.2

中顯示了噴射釋放和擴(kuò)散源。

圖32.射流釋放和蒸發(fā)池。

這兩個(gè)來(lái)源具有相當(dāng)不同的特點(diǎn)。由于額外的空氣夾帶，射流釋放將具有很高

的動(dòng)量并建立一個(gè)強(qiáng)大的流場(chǎng)。在氣體濃度可以達(dá)到可燃水平的地方可能會(huì)產(chǎn)

生再循環(huán)區(qū)。對(duì)于建筑物或海上模塊中的噴射釋放，再循環(huán)可能會(huì)導(dǎo)致大型可

燃云的堆積。蒸發(fā)的水池將作為一個(gè)擴(kuò)散的釋放源，風(fēng)的力量和浮力將控制分

散過(guò)程。流動(dòng)速度將比噴射釋放的速度低得多。如果蒸發(fā)的液體形成致密的氣

體，則可能在地面上或較低的隔間中形成可燃?xì)怏w層。同樣，在一個(gè)開(kāi)放區(qū)域,

濃密的氣體云會(huì)有侵入密閉空間的趨勢(shì)，如建筑物。可燃?xì)怏w侵入此類(lèi)密閉或

半密閉空間會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題。正如第5、6章和第9至11章所討論的，密閉一般

會(huì)導(dǎo)致高爆炸壓力。

頁(yè)碼30

3.21:5比例的海上模塊中的氣體擴(kuò)散測(cè)試

Bjorkhaug和Bjerketvedt（1990年）在一個(gè)1:5比例的海上模塊中進(jìn)行了氣體散布

笈驗(yàn)。

氣態(tài)甲烷和丙烷通過(guò)各種噴嘴（直徑420毫米）在一個(gè)模塊內(nèi)釋放。儲(chǔ)存器是

一個(gè)3立方米的罐子，初始?jí)毫?-20巴。艙內(nèi)有強(qiáng)制通風(fēng)，體積流速為0米/

秒至1.0米/秒。

0J-

ca-

l02

uJ.

c

u

o

wr0,1-

』

U二

l

O0.0-

A

0306090120150

Time(sec)

圖3.3.兩個(gè)不同地點(diǎn)的濃度測(cè)量。

這項(xiàng)測(cè)試的目的之一是確定模塊中云的均勻程度。圖3.3顯示了同一水平上兩個(gè)

不同位置的濃度與時(shí)間的關(guān)系。向上的釋放在20秒時(shí)開(kāi)始。在早期階段，濃度

有差異，但在大約10秒之后，曲線就很相似。

圖3.4顯示了在同一地點(diǎn)但在不同高度的兩個(gè)類(lèi)似測(cè)試中的濃度。

-

nu

u.

oj

U

.2-

8

￡

s

u

m

'As

306090120ISO

Time(sec)

圖34兩次試驗(yàn)中不同高度的濃度測(cè)量。

在這些試驗(yàn)中，濃度的變化相對(duì)較小。

此外，還研究了強(qiáng)制通風(fēng)的影響。圖3.5顯示了在三次測(cè)試中，在同一來(lái)源下,

不同風(fēng)速（即散流）通過(guò)模塊時(shí)的濃度。

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ind

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