爆破危害与防止

2024/1/241第四章压力容器爆破危害与防止

主要内容第一节、爆炸分类及压力容器爆破的特点第二节、压力容器爆破能量估算第三节、压力容器爆炸的危害第四节、防止压力容器爆炸事故的措施2024/1/242第一节爆炸分类及压力容器爆破的特点一、爆炸及其分类爆炸——物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量、产生巨大声响的现象。

气体或蒸汽在瞬间剧烈膨胀的现象。

本质是压力的急剧上升。2024/1/243一、爆炸及其分类

根据爆炸传播的速度分轻爆：每秒n×100cm~n×100m〔n=0~9〕爆炸：每秒10m~n×102m〔n=0~9〕爆轰：每秒1000m~7000m根据爆炸的原因及机理分物理性爆炸：物质因状态或压力发生突变而发生的爆炸现象。化学性爆炸：由于物质发生极其迅速的化学反响，产生高温、高压而引起的爆炸现象。2024/1/244二、压力容器爆破的特点

炸药爆炸：3000~5000℃高温，数十万大气压；压力容器爆炸：容器开裂，形成碎片以较高的速度、能量向四周飞散气体膨胀对周围空气做功，形成冲击波有毒物质向周围扩散，大气污染介质为液化气体，介质蒸发与周围空气混合形成可爆炸混合气体，遇火花、静电发生化学爆炸，“二次爆炸〞。形成大面积火灾和中毒。2024/1/245第二节压力容器爆破能量的估算压力容器爆炸能量不仅与压力容器的压力和容积有关，而且还与介质在器内的物性状态〔物理或化学反响〕有关。一、压缩气体和水蒸气的爆破能量容器破裂时产生瞬间的降压膨胀，可以认为来不及与周围环境发生热量交换，因而，这一过程可视为一绝热过程。由此可知压缩气体容器的能量就是气体绝热膨胀所做的功。爆炸能量可按理想气体作绝热膨胀时所释放的能量来计算。2024/1/246第二节压力容器爆破能量的估算一、压缩气体和水蒸气的爆破能量Ug=pV/(k-1)[1-(0.1013/p)k-1/k]×106式中Ug－气体的爆炸能量，J;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。2024/1/247

气体的绝热指数可以按它的分子组成确定其近似值。双原子气体,k=1.4,而三原子和四原子气体,k=1.2～1.3。压力容器中常用的压缩气体绝热指数可由表1查得。表1常用压缩气体的绝热指标气体名称空气氮气甲烷一氧化碳绝热指标1.41.41.3151.395气体名称氧气氢气乙烷二氧化碳绝热指标1.3971.4121.181.295第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/248

从表1可以看出,空气、氧、氮、氢、及一氧化碳等常用气体的绝热指数k均为1.4或近似1.4，用1.4代入上式即得这些气体容器的爆破能量为

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

令Cg=2.5p[1-(0.1/p)0.2857]106

由此，公式可以简化成

Ug=CgV

式中Cg——压缩气体爆破能量系数,J/m3.第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/249

压缩气体爆炸能量系数随它的绝对压力而定,即Cg是P的函数。各种常用压力(绝对)下压缩气体的爆破能量系数见表2。表2常用压力下的二原子压缩气体(k=1.4)的爆炸能量系数Cg值绝对压力P(MPa)0.30.50.70.91.1能量系数Cg(J/m3)2.02×1054.61×1057.46×1051.05×1061.36×106绝对压力P(MPa)1.72.64.15.16.5能量系数Cg(J/m3)2.36×1063.94×1066.70×1068.60×1061.13×107绝对压力P(MPa)15.132.140.1能量系数Cg(J/m3)2.88×1076.48×1078.22×107第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/2410水蒸气的绝热指数k与水蒸气的干度及是否过热有关，过热蒸汽k=1.3，干饱和蒸汽k=1.135，湿饱和蒸汽的k=1.035+0.1x〔x为蒸汽干度〕Ug=CsV表3常用压力〔绝〕下干饱和蒸汽爆炸能量系数Cs绝对压力p(MPa)0.40.60.91.42.6能量系数Cs(J/m3)4.5×1058.5×1051.5×1062.8×1066.2×106绝对压力p(MPa)3.1能量系数Cs(J/m3)7.7×106第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/2411二、液化气体与高温饱和水的爆炸能量介质为液化气体的压力容器,破裂时的情况与压缩气体不尽相同,它所释放的能量包括两局部,即〔1〕气相绝热膨胀的爆炸能量〔2〕处于过热状态的液相急剧蒸发的爆沸爆炸能量。

第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/2412当容器破裂时,器内的气体首先迅速膨胀,使容器内的压力瞬时降至大气压力。此时器内的饱和液处于过热状态,也就是说它的温度高于它在大气压力下的沸点。气液两相失衡,液体瞬时大量蒸发,内部处处充满气泡,体积剧烈膨胀,并很快充满整个容器空间。容器壳体受到很高的压力冲击,促使其进一步破裂。这种由于压力突然下降,使原来处于平衡状态的饱和液在大气压力下过热而迅速沸腾蒸发,体积剧烈膨胀而显示出的一种爆炸现象称为爆沸或蒸气爆炸。第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/2413发生蒸气爆炸时,延性好的材料制成的容器,壳体的整个形状都会发生改变,圆筒体甚至会反向卷曲;延性差的材料,破裂断面有时会显示出受冲击的脆性破裂的特征。不过,在大多数情况下,这类容器内的饱和液要占绝大局部,它的能量要比饱和蒸气大得多,所以计算时后者往往可忽略不计。蒸气爆炸一般在很短的时间内完成,也是一个绝热过程。因此,处于过热状态下液体的爆炸能量,可以按公式计算。第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/2414第二节压力容器爆破能量的估算盛装液化气体与高温饱和水的爆破能量UL=W[(I1-I2)–T1(S1-S2)]UL－过热状态下液体的爆炸能量，J;I1－在容器破裂前的压力或温度下饱和液体的焓，J/kg;I2－在大气压力下饱和液体的焓，J/kg;S1－在容器破裂前的压力或温度下饱和液体的熵，J/(kg·K);S2－在大气压力下饱和液体的熵，J/(kg·K);T1－介质在大气压力下的沸点，K；W－饱和液体的质量，kg2024/1/2415第二节压力容器爆破能量的估算当液体为高温饱和水时I2=419060J/kg，S2=1306.9J/(kg·K)，T1=100+273=373KUW=[(I1-419060)–373(S1-1306.9)]WUW=CWVUW－饱和水的爆炸能量，J;V－容器内饱和水所占体积，m3;CW－饱和水的爆炸能量系数，J/m3;2024/1/2416第二节压力容器爆破能量的估算当液体为高温饱和水时单位饱和水的爆炸能量系数为干饱和蒸汽的12~23倍汽包内干饱和蒸汽和饱和水各占一半的体积，干饱和蒸汽的爆炸能量也仅占全爆炸能量的4%~7.7%表4常压下高温饱和水爆炸能量系数绝对压力P(MPa)0.40.60.91.42.63.1爆炸前饱和水的焓I1(103J/kg)604.87670.67742.90830.24971.671017.00爆炸前饱和水的熵S1[103J/(kg·K)]1.7771.93152.0952.2842.5742.662爆炸能量系数CW(106J/m3)10.46218.63429.87846.72779.98392.4882024/1/2417第二节压力容器爆破能量的估算三、常温压缩液体的爆炸能量通常用液体加压时所作的功作为常温液体压力容器爆炸时释放的能量，US=0.5(p-0.1)2Vβt×106US－常温液体压力容器爆炸能量，J;p－液体的绝对压力，MPa;V－容器内液体的体积，m3;βt－液体在绝对压力p和温度t下的压缩指数，MPa-1，对常温下p≤50MPa的水，βt=4.4×10-4MPa-12024/1/2418四、可燃气体器外二次爆炸能量及影响范围介质为可燃气体的压力容器破裂时,除了器内高压气体膨胀释放能量以外,往往还会发生化学爆炸,即通常所说的器外二次爆炸。当容器破裂时,器内的可燃气体大量流出,并迅速与外面的空气相混合,形成一团可爆性混合气体。由于气体高速流出产生的静电或容器碎片撞击产生的火花,为这团可爆性气体提供了起爆条件。

第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/2419要准确计算这局部爆炸性混合气体的爆炸能量是比较困难的。虽然容器内的可燃气体量是的,容器破裂时又几乎全部流出,但由于这些可燃气体一般以球状或其他形状向四周扩散,所以,只有外围的一局部可燃气体可以与大气中的氧混合形成爆炸性气体。因而,准确计算的困难在于参与反响的可燃气体量的多少与许多因素有关。尽管如此,我们还是可以估算其爆炸能量范围,即最大的能量是全部可燃气体的燃烧热,最小爆炸能量那么是这种可燃气体在它的爆炸上限条件下的燃烧热。第二节压力容器爆破能量的估算2024/1/2420第三节压力容器爆炸的危害震动：在普及破坏作用的区域内，有一个能使物体震动、松散的力量。冲击波：随着爆炸的出现，冲击波最先出现正压，然后又出现负压。碎片的冲击：容器爆炸后产生的碎片飞出去会在很大的范围内造成伤害，并且在容器爆炸造成的伤害中，这种原因的伤害往往占很大比例。100~500m毒害或腐蚀：毒气：氯氨、氢氰酸、氢氟酸、二氧化硫、硫化氢等；腐蚀介质：硫酸，盐酸等。2024/1/2421一、冲击波超压的破坏作用压力容器破裂时,气体爆炸的能量除了很少一局部消耗于进一步将容器撕裂并将容器或其碎片抛出以外,大局部产生冲击波。冲击波是介质受到外界的作用，振动、冲击、敲打等而产生的一种介质状态突跃变化的传播,或者简称为强扰动的传播。容器破裂时,器内的高压气体突然大量喷出,使它周围的空气受到冲击而发生扰动,这种扰动在空气中传播就成为冲击波。空气冲击波中状态的突跃变化,最明显的表现在压力上。在离爆炸中心有一定距离的地方,空气压力会随时间发生迅速而悬殊的变化。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2422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,在很短的时间内正压降到零,随后又迅速地下降至小于大气压力的负压。在反复循环的过程中,压力的变化逐渐减小。开始时产生的最大正压力就是冲击波波阵面上的超压△p。在多数情况下,冲击波的破坏作用主要与这波阵面上的超压△p的大小有关。与炸药爆炸一样,在压力容器爆炸中心附近所产生的空气冲击波阵面上的超压△p可以到达几个甚至几十个大气压力。在这样高的压力冲击下,建筑物将被摧毁,设备、管道等均会遭到严重破坏。即使是在大气压力以内的冲击波超压也具有很大的破坏作用。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2423冲击波超压对建筑物的破坏作用超压△P，MPa破坏情况0.005--0.006门窗玻璃部分破碎0.006--0.01受压面的门窗玻璃大部分破碎0.015--0.02窗框损坏0.02--0.03墙裂缝0.04--0.05墙大裂缝，屋瓦掉下0.06--0.07木建筑厂房屋柱折断，房架松动0.07--0.10砖墙倒塌0.1--0.2防震钢筋混凝土破坏，小房倒塌0.2--0.3大型钢架结构破坏第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2424冲击波除了破坏建筑物以外,还会直接危害在它所涉及范围内的人身平安。表5是冲击波超压对人体的伤害作用。表5冲击波超压对人体的伤害作用超压△P，MPa伤害作用0.02--0.03轻微损伤0.03--0.05听觉器官损伤或骨折0.05--0.10内脏严重损伤或死亡＞0.10大部分人员死亡第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2425压力容器气体爆炸冲击波的超压估算压力容器爆炸时所产生冲击波波阵面上超压的大小首先与产生冲击波的能量有关。在其他条件相同的情况下，气体爆炸能量越大，冲击波强度越大，波阵面上的超压也越大。另外，爆炸气体产生的冲击波是立体冲击波，它以爆炸点为中心，以球面形状向外扩展。随着半径的增大，波阵面的外表积也不断增大，所以波阵面的超压是随着传播距离的增加而衰减。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2426压力容器气体爆炸冲击波超压估算是一个复杂的问题,涉及很多因素。因此,压力冲击波超压计算目前只能用炸药爆炸相类比的方法估算。表6是100kgTNT炸药在空气中爆炸时，在与爆炸中心不同的距离处所测得的冲击波超压。表中的数据说明，超压随着距离增大而迅速衰减，特别是在超压处于较大的数值范围内时。第三节压力容器爆炸的危害距离，R(m)151620超压，△P(MPa)0.090.0750.051距离，R(m)253035超压，△P(MPa)0.0320.0190.0126表6与爆炸中心距离的冲击波超压2024/1/2427炸药爆炸时，在一定距离范围内，超压的大小主要决定于药量的多少与距离的远近，亦即超压△p是药量q和距离R的函数。当某一次爆炸的药量q时，想求出它在距离中心为R的冲击波超压，可以采用表7中1000kgTNT爆炸时所测得的数据，先求得模拟比a=(q/1000)1/3，然后从表中查出距离为R/a处的超压△p，即为所求值。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2428

表71000kg梯恩梯爆炸时所测得的数据距离Ro(m)56789101214超压△P(MPa)2.942.061.671.270.950.760.500.33距离Ro(m)1618202530354045超压△P(MPa)0.2350.1700.1260.0700.0570.0430.0330.027距离Ro(m)505560657075超压△P(MPa)0.0230.0200.0180.0160.0140.013第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2429例：64Kg的TNT炸药，求12m处的超压△p。解：1、先求得模拟比a=(q/1000)1/3＝(64／1000)1/32、求出相当于1000Kg的TNT炸药R0处的超压。△p0〔R0〕=△p0〔R／a)=△p0〔12／0.0641/3)=△p0(30)即，相当于1000Kg的TNT炸药在30米处的△p0。查表7得：△p0(30)＝0.057MPa第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2430二、碎片的破坏作用压力容器爆炸时，有些壳体可能裂成大小不等的碎片向四周飞散。这些具有较高速度或较大质量的碎片，在飞出过程中具有较大的动能，也可能造成较大的危害。碎片对人的伤害程度主要决定于它的动能。据罗勒的研究，碎片击中人体时，如果它的动能在26J以上,可致外伤；动能达60J以上时，可致骨部轻伤；超过200J时，可造成人体骨部重伤；超过300J时，可造成死亡。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2431

碎片所具有的动能与它质量及速度的平方成正比。

E=0.5mV2

式中E－碎片的动能，J;m－碎片的质量，kg;V－碎片的速度，m/s。压力容器碎片在离开壳体时常具有80～120m/s的初速，即使在飞离较远的地方也有20～30m/s的速度。在此速度下，质量为1kg的碎片动能即可达200～450J，足以致人重伤或死亡。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2432

容器爆炸时产生的碎片，还可能损坏附近的设备或管道，引起连续爆炸或酿成火灾，造成更大的危害。对于被击物为钢板等一类塑性材料，碎片的穿透能力按下式计算，即

S=KU3/A

式中S－碎片对材料的穿透能力，mm;U3

－碎片所具有的动能，J；

A－碎片穿透方向的截面积，mm2；

K－材料的穿透系数，对钢板，K=1；对木材，K=40；对钢筋混凝土，K=10。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2433三、爆炸能量与现场破坏能量之间的关系U1–建筑物破坏能量,J；U2–抛出碎片能量,J；U气体爆炸总能量,J。一般情况U1+∑U2<U如果U1+∑U2>U

对于仅有液体，发生了气体爆炸对于气体或液化气体，抛出碎片或容器及破坏建筑物的能量已超过单纯的物理性气体爆炸所提供的能量，意味着发生了化学爆炸，甚至器外的二次爆炸。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2434四、有毒液化气体容器破裂后的毒害区一局部容器破裂后立即汽化，另外一局部从周围环境中吸热而汽化。一般常温下破裂的容器，大多数液化气体爆炸生成的蒸汽体积约为液体体积的100~250倍。无风时，近似半球形向周围扩散，有风时那么顺着气流方向扩散第三节压力容器爆炸的危害名称氨氯二氧化硫硫化氢三氧化氮氮氰酸吸入5~10min致死浓度/%0.50.090.050.08-0.10.050.027吸入0.5~1h致死浓度/%-0.0035-0.0050.053-0.0650.042-0.060.032-0.0530.011-0.014吸入0.5~1h致重伤浓度/%-0.0014-0.00210.015-0.0190.032-0.050.011-0.0210.01有毒气体的危险浓度2024/1/2435五、可燃气体容器破裂时的燃烧区范围盛装可燃液化气体贮罐破裂时，由于一局部液体被蒸发成气体在空中爆炸，使其他散落在空气中未被蒸发而以雾状存在的液滴也随着与周围的空气混合而着火燃烧。所以这类容器一旦破裂，并在器外发生二次爆炸时，器内的液化气体几乎是全部被烧净。爆炸燃烧后生成的高温燃气〔水蒸气、二氧化碳等〕与空气中的氮气升温膨胀，形成体积巨大的高温燃气团，向四周扩散，使附近的地区变成火海。下面以液化石油气体〔按丙烷考虑〕贮罐为例，讨论这种容器破裂时所产生的高温燃气的体积及其燃烧范围。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2436下面以液化石油气体〔按丙烷考虑〕贮罐为例，讨论这种容器破裂时所产生的高温燃气的体积及其燃烧范围。设容器内所装液化丙烷为Wkg，容器破裂后一局部蒸发成气体，并产生器外爆炸燃烧；另一局部以雾状的液滴散落在空气中，也同时被烧掉。假设燃烧完全每千克丙烷所需空气量为3.64/0.21＝17.3kg由此得Wkg丙烷完全燃烧后生成燃气的质量为〔17.3＋1〕W＝18.3Wkg第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2437丙烷的燃烧热值为4.6X107J/kg,设燃气比热为1.26x103J/kg,那么燃气的温度可升高约4.6x104＝20000C。第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2438

燃气在标准状态下的密度约为1.25kg/m3,由此可计算出Wkg丙烷完全燃烧生成的燃气在20000C时的体积为第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2439设这些燃气以半球状向地面扩散，那么高温燃气的扩散半径为

也就是说，1kg的液化丙烷燃烧时，以容器为中心，在直径为7.8m，高为3.9m的范围内，所有可燃物都将着火燃烧，在此范围内人员也被烧伤。按上式可粗略算出，一个民用液化气气瓶〔15kg〕破裂爆炸时，其燃烧范围可达19.2m；一个1000kg的液化石油气贮罐破裂爆炸，燃烧范围可达78m。

第三节压力容器爆炸的危害2024/1/2440

六、高温饱和水和饱和蒸气容器爆炸时影响范围锅炉汽包等盛装高温饱和水和饱和蒸汽的容器发生爆炸属于物理爆炸，其介质在爆炸后迅速向四周扩散，也会使附近人员烫伤。

Vs=GWVW+GgVg

Vs－汽化后的蒸汽体积，m3;VW,Vg

－汽包内饱和水、饱和蒸汽的体积，m3;GW,Gg－饱和水、饱和蒸汽的体积增大系数;第三节压力容器爆炸的危害饱和压力/MPa0.40.50.60.80.91.11.41.72.73.1GW122141158185196215237255294309Gs3.374.094.86.196.878.210.212.117.921各种饱和压力下饱和水与饱和蒸汽的体积增大系数2024/1/2441一、设计与平安1、与设计有关的主要事故因素〔材料、强度和结构〕2、防止事故的措施〔重视设计中材料、强度和结构等问题〕二、制造与平安压力容器的制造单位必须严格执行有关规程、规定、标准和技术要求,保证产品制造质量。与制造质量有关的事故原因很多,其主要原因如下:(1)材料误用或材料的混淆;(2)焊接预热温度缺乏;(3)焊条吸湿和焊后热处理实施不当;第四节防止压力容器爆炸事故的措施2024/1/2442(4)残留氢及焊接施工不良;(5)未按正规手续擅自进行修补焊接;(6)超标缺陷漏检等等。

容器的破坏事故可由其中一个或几个原因造成。

焊接质量对压力容器平安性至关重要。施工过程中必须严格遵守焊接工艺及操作标准,并在合理的管理条件下进行焊接。焊接工艺及操作标准必须根据经验或通过试验,证明正确无误。第四节防止压力容器爆炸事故的措施2024/1/2443容器如果存在角变形、错位、不圆度等一