爆炸评价模型及伤害半径计算讲解

AW
Qf
爆炸评价模型及伤害半径计算 1、蒸气云爆炸（VCE）模型分析计算 （1）蒸气云爆炸（VCE）模型 当爆炸性气体储存在贮槽内，一旦泄漏，遇到延迟点火则可能发生蒸气云爆炸，如果遇不到火源，则将扩散并消失掉。用TNT当量法来预测其爆炸严重度。其原理是这样的：假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献，并以TNT当量来表示蒸气云爆炸的威力。其公式如下： WTNT =
W
——蒸气云的TNT当量，kg；
β——地面爆炸系数，取β=1.8；
——蒸气云的TNT当量系数，取值范围为0.02%～14.9%；
——蒸气云中燃料的总质量：kg；
——燃料的燃烧热，kJ/kg；
——TNT的爆热，QTNT=4120～4690kJ/kg。
2）水煤气储罐蒸气云爆炸（VCE）分析计算

（VCE），设其贮量为70%时，则
2.81吨，则其TNT当量计算为：
β=1.8；
TNT当量系数，A=4%；

×1000=2810（kg）；
以CO 30%、H
43%计（氢为1427700kJ/kg,一氧化碳为10193
）：取Q
=616970kJ/kg；
的爆热，取Q
=4500kJ/kg。

= =27739(kg)
R
=13.6(WTNT/1000) 0.37
×27.740.37
×3.42=46.5(m)
R
，由下列方程式求解：
△P
=0.137Z2-3+0.119 Z2-2+0.269 Z2-1-0.019
=R2/(E/P0)1/3
△P
=△PS/P0

P
——引起人员重伤冲击波峰值，取44000Pa；
——环境压力（101300Pa）；
——爆炸总能量（J），E=W
×QTNT。

△P
=0.4344
=1.07
=1.07×（27739×4500×1000/101300）1/3
×107=115(m)
R
，由下列方程式求解：
P
=0.137Z3-3+0.119 Z3-2+0.269 Z3-1-0.019
=R3/(E/P0)1/3 1.8×0.04×2810×616970 4500
△P
=△PS/P0
P
——引起人员轻伤冲击波峰值，取17000Pa。

P
=0.168， Z3=1.95
R
=209（m）
、沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）模型分析计算
1）沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）模型
立即遇到火源就会发生剧烈的燃
产生巨大的火球，形成强烈的热辐射，此种现象称为沸腾液体扩展蒸气爆炸，
BLEVE。
近场以外的压力效应不
ILO）建议的蒸气爆炸模型来估算。
火球半径的计算公式为：
1/3
R——火球半径，m；
——火球中消耗的可燃物质量，kg。
W取罐容量的50%；双罐储存；W取罐容量的70%；多罐储存，
W为罐容量的90%。
2）液氨储罐沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）模型分析计算
（共六只贮罐，其中三只
3，三只100M3）最大库存量为250T。氨比重约0.6，取100M3罐，则
由W=100×0.6×1000×90%=54000（kg）
代入式中，得到：
火球半径R=2.9(54000)1/3=109(m)
火球持续时间按下式计算:
1/3
式中:火球持续时间,单位为S.
将数据代入式中,得到:
×(54000)1/3=17(s)
目标接收到热辐射通量的计算，按下式计算：
(r)=q
R2r(1-0.058 Inr)/(R2+r2)3/2
r——目标到火球中心的水平距离，m；
——火球表面的辐射通量，W/m2。对

柱形罐取270kW/m2，球形罐取
2。
——火球半径，m。R=109m。
有了热辐射q（r），即可求不同伤害、破坏时的热通量及其半径。下面求不

可根据下式计算：
=-36.38+2.56 In(tq14/3)
P
=5
——火球持续时间，取t=17s。
q
=21985W/m2。
可根据下式计算：
=-43.143+3.0188 In(tq24/3)
q
=18693W/m2。
可根据下式计算：
=-39.83+3.0188 In(tq34/3)
q
=8207W/m2。
通过q
、q2、q3可以求得对应的死亡半径R1、重伤半径R2及轻伤半径R3。（由
。
3）小结
109m。将

、液氨泄漏中毒事故的模拟计算
250T，假设有1T泄漏量，对蒸发成蒸气扩散造成

1）液态气体蒸气体积膨胀计算
0℃，1013Mpa），1摩尔气体占有22.4升体积。根据液态气

.22100000
DVV
——膨胀后的体积（升）
——液态气体的体积（升）
——液态气体的相对密度（水=1）
——液态气体的的分子量
D
=0.597，M=17.03得到
.22100000
DVV
07854.221000
.17597.0VV
785倍。
2）液态气体扩散半径模拟计算
在一定泄漏量范围内，且液态气
沿地面能扩散到相当远的地方，可模拟为半椭圆形，其短轴与

2VR
V——液态气体膨胀后体积；
——液态气体在空气中的浓度；
——椭圆形短轴与长轴之比，即K=h/R。
（GBZ2-2002）查得：液氨在工
20mg/m3；短时间接触容许浓度30mg/m3，其
ρ=26.3×10-6和ρ=39.5×10-6。
1000kg，其可能发生中毒事故的浓度区域半径计算如

V
=1/0.597=1.68m3
=26.3×10-6 K=0.10

2VR
.0103.26
278568.1
621
1000kg液氨气化成蒸气时可能发生中毒浓度的区
621m，即0.621公里，因此，其扩散时的可能发生中毒浓度的区域面

π×R2=3.14×0.6212=1.21（平方公里）
、水煤气泄漏事故的模拟计算
《工作场所有害因素职业接触限值》（GBZ2-2002）查得：水煤气（即
20mg/m3；短时间接触容许浓度30mg/m3。
ρ=16×10-6和ρ=24×10-6。
5000M3，设若泄漏量为100M3，取ρ=16×10-6，K=0.1

2VR
.01016
2100
（M）
π×R2=3.14×310=301754M2
、天然气泄漏形成喷射火模型分析
2m3、工作压力为25MPa的天然气储气瓶组。当设备
法兰垫片撕裂或接管破裂等条件下，天然气就会在破裂处形成射流，在高
就会在裂口处引燃形成
火灾通过热辐射方式影响周围环境，当热辐射强度足够大时，可使周围
强烈的热辐射可能烧毁设备并造成人员伤亡。喷射火模拟事故模

1）气体泄漏量的计算
10mm的圆口：
＝0.1013×106Pa；P＝25×106Pa；κ=1.314（天然气的绝热指数）
则：
1314.1314.110
254.01314.1212004.0251013.0PPPP


1
)
2(RTMACQd


＝1.00；M＝CNG的分子量，16；R＝8.314J/mol?K；T＝293K（20℃）；ρ＝
， A 为裂口面积，D为储气瓶裂口直径。
＝πD2/4＝0.0000785（m2）

＝8.2×10-4kg/s
2）喷射火热辐射通量

把整个喷射火看成是沿喷射中心线上的几个热源点组成，每个点热源的


HQq0

点热源热辐射量，W
效率因子，可取0.35
泄漏速度，kg /s
燃烧热，J/kg
Hc＝55800kJ/kg，则：
＝0.35×8.2×10-4×55800＝16kW
I到距离该处一点的热源辐射强度为：
xqRIi

点热源i到目标点x处的热辐射强度，W/ m2；
点热源的辐射通量，W；
辐射率，可取0.2；
点热源到目标点的距离，m

iII1

计算时选取的点热源系数，一般取n＝5。
x m的某点总入射热辐射通量的大小，查热辐射
根据可以计算出有代表意义的入射热辐射通量造

qRx4

R―辐射率，取0.2；
5.6-1 不同入射通量所造成的危害范围
（m） 入射通量I （kW/ m2） 对设备的损害 对人的损害
37.5 操作设备全部损坏 1%死亡/10s
死亡/1min
25 在无火焰、长时间辐射
重大损伤/10s 100%死亡/1min
12.5 有火焰时，木材燃烧，
1度烧伤/10s 1%死亡/1min
4.0 20s以上感觉疼痛，未必

1.6 长时间辐射 ，无不舒服

如不采取措施，在计算条件下的喷射火如果发生，距射流
0.082m处的人员在热辐射下10s内1%死亡，1min内100%死亡，另此
距射流轴线热源0.25m，热辐射不会造成人员伤亡；
0.40m以外为安全距离。为了安全生产，企业应积极采取应对措

、天然气泄漏形成蒸气云爆炸模型分析
1个2 m3、操作压力25MPa的天然气储气瓶组全部发生泄漏，则参与爆炸
50 m3，并与空气混合后形成蒸气云，蒸汽云爆炸冲击波的破坏

（ N E ）1/3
－爆炸能量，kJ，E = V·HC
－参与反应的可燃气体的体积，m3；
－可燃气体的燃烧热值；天然气高热值：39.86MJ／N m3；
－效率因子，一般取10％；
－经验常数，取决于损害等级。其具体取值情况见下表：
5.6-2 损害等级表
Cs/m?J-
1/3） 设备损害 人员伤害
0.03 重创建筑物的加工设备 1％死亡于肺部伤害；>50％耳
>50％被碎片击伤
0.06 损害建筑物外表可修复性
1％耳膜破裂；1％被碎片击伤
0.15 玻璃破碎 被碎玻璃击伤
0.4 10%玻璃破碎

5.6-3 天然气蒸气云爆炸冲击波损害范围表

Cs NE （NE）1/3 损害半径R 设备损坏 人员伤害
m?J-
1/3） J J1/3 m
0.03
1
199.77 5.99 重创建筑物和 加工设备 1%死亡人员肺部伤害 >50%耳膜破裂 >50%被碎片击伤
0.06 11.98 损坏建筑物外表，可修复性破
1%耳膜破裂 1%被碎片击伤
0.15 29.97 玻璃破碎 被碎玻璃击伤
0.4 79.9 10%玻璃破碎
1只2m3、工作压力为25MPa的天
天然气与空气形成爆炸性混合气，发生爆炸后在
5.99m范围内，1%人员死亡及肺部伤害、>50%耳膜破裂、>50%被碎片击

、 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

(1)
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；
κ——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如表1所示。
1 常用气体的绝热指数
从表1可看出，空气、氮、氧、氢及一氧化氮、一氧化碳等气体
1．4或近似1．4，如用κ=1．4代入式(1)中，得到

(2)

(3)
Cg——常用压缩气体爆破能量系数，kJ／m3。
压缩气体爆破能量系数Cg是压力p的函数，各种常用压力下的
2所示。
2 常用压力下的气体容器爆破能量系数(κ=1．4时)
如将κ=1．135代入式(1)，可得干饱和蒸汽容器爆破能量为：
(4)
用式4计算有较大的误差，因为没有考虑蒸汽干度的变化和其他
但可以不用查明蒸汽热力性质而直接计算，对危险性评价

对于常用压力下的干饱和蒸汽容器的爆破能量可按下式计算：
(5)
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如表3所示。
3 常用压力下干饱和水蒸气容器爆破能量系数
1．2 介质全部为液体时的爆破能量
通常用液体加压时所做的功作为常温液体压力容器爆炸时释放

(6)
E
——常温液体压力容器爆炸时释放的能量，kJ；
p——液体的压力(绝)，Pa；
V——容器的体积，m3；
βt——液体在压力卢和温度T下的压缩系数，Pa—1。
1．3 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
除了气体的急剧膨胀做功外，还有过热液体激烈的蒸
在大多数情况下，这类容器内的饱和液体占有容器介质重量
它的爆破能量比饱和气体大得多，一般计算时不考虑气
过热状态下液体在容器破裂时释放出爆破能量可按下

—H2)—(S1—S2)T1]W (7)
E——过热状态液体的爆破能量，kJ；
H
——爆炸前液化液体的焓，kJ／kg；
H
——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·℃)；
S
——在大气压力下饱和液体的熵，kJ／(kg·℃)；
T
——介质在大气压力下的沸点，℃；
W——饱和液体时质量，kg。
饱和水容器的爆破能量按下式计算：
(8)
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，其值如表4所示。
4 常用压力下饱和水爆破能量系数

8、 冲击波超压的伤害－破坏作用
压力容器爆破时，爆破能量

在向外释放时以冲击波能量、碎片能
3种形式表现出来。根据介绍，后二者所消耗
3％～15％，也就是说大部分能量是产生空

冲击波是由压缩波迭加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传
容器内的高压气体大量冲出，使它周围的
(压力、密度、温度等)发生突跃
其传播速度大于扰动介质的声速，这种扰动在空气中传播就成
在离爆破中心一定距离的地方，空气压力会随时间迅速发
开始时产生的最大正压力即是冲击波波阵面上的
p。多数情况下，冲击波的伤害一破坏作用是由超压引起的。
p可以达到数个甚至数十个大气压。
冲击波伤害一破坏作用准则有：超压准则、冲量准则、超压一冲
便会对目标造成一定的伤害或破坏。超
5和表6所示。
5 冲击波超压对人体的伤害作用
6 冲击波超压对建筑物的破坏作用
2．2 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

p∝R—n (9)
△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，在爆炸中心附近内为
．5～3；当超压在数个大气压以内时，n=2；小于1atm(0．1MPa)
n=1．5。
实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果距离爆炸
R之比与炸药量q三次方根之比相等，则所产生的冲击


R——目标与爆炸中心距离，m；
R
——目标与基准爆炸中心的相当距离，m；
q
——基准爆炸能量，TNT，kg；
q——爆炸时产生冲击波所消耗的能量，TNT，kg；
△p——目标处的超压，MPa；
△p
——基准目标处的超压，MPa；
α——炸药爆炸试验的模拟比。
式10也可写成为：
p(R)=△p
(R／α) (11)
利用式11就可以根据某些已知药量的试验所测得的超压来确定

表7是1 000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压。
7 1 000k8TNT爆炸时冲击波超压
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

(1)首先根据容器内所装介质的特性，分别选用式2～式8计算出

(2)将爆破能量q换算成TNT当量q
，因为1kg TNT爆炸所放出
4230 kJ／kg～4 836kJ／kg，一般取平均爆破为4 500kJ
kg，故其关系为：
／q
=E／4 500 (12)
(3)按式10求出爆炸的模拟比α，即：
=(q／q
)1/3=(q／1 000) 1/3=0．1q1/3 (13)
(4)求出在1 000kgTNT爆炸试验中的相当距离R
，即R0=R／α。
(5)根据R
值在表7中找出距离为R0处的超压△p0(中间值用插
)，此即所求距离为R处的超压。
(6)根据超压△p值，从表5和表6中找出对人员和建筑物的伤害

2．3 蒸气云爆炸的冲击波伤害一破坏半径
爆炸

性气体以液态储存，如果瞬态泄漏后遇到延迟点火或气态储
则可能发生蒸气云爆炸。导致蒸气云形
“能”主要形式是压缩能、化学能或热能。一般说来，只有压缩

根据荷兰应用科研院(TNO(1979))建议，可按下式预测蒸气云爆

1/3 (14)
R——损害半径，m；
E——爆炸能量，kJ，可按下式取：
(15)
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，取值情况如表8所示；
N——效率因子，其值与燃料浓度持续展开所造成损耗的比例
N=10％；
Cs——经验常数，取决于损害等级，其取值情况如表9所示。
8 某些气体的高燃烧热值(kJ／m3)
9 损害等级表
、冲击波计算

当量计算
其能量计算，与瓶内压力、瓶体容积、

（k-1）[1-(0.1013/p)k-1/k] ×103
, 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；
气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比，
1.4；
Cg=2.5P[1-(0.1013/P)0.2857]×103
Eg= Cg·V
, Cg–常用压缩气体破能量系数，kJ/m3，此处取值为1.1
103 kJ/m3；
400个，假设均发生爆炸，则V=16m3；
Eg= Cg·V=1.1×103 kJ/m3×16m3=1.76×104 kJ；
TNT当量W
。因为1kg TNT爆炸所放出的爆
4230～4836 kJ，一般取平均爆破能量为4500kJ，故其关系

×104/4500=0.39㎏，即氧气钢瓶爆炸释放的能量相
0.39kgTNT爆炸所放出的爆破能量。

、爆炸模拟比为a
1/3=(0.39/1000)1/3=0.073
、求出在1000kgTNT爆炸试验中相当距离Ro的相应值
1000kgTNT在空气中爆炸试验中所产生的冲击
Ro/m值计算结果见下表：
F4.1 钢瓶模拟爆炸产生的冲击波超压数值
0.77 0.924 1.078 1.232 1.386 1.54 1.848 2.156
2.94 2.06 1.67 1.27 0.95 0.76 0.50 0.33
2.464 2.772 3.08 3.85 4.62 5.39 6.16 6.93
Δ
0.235 0.17 0.126 0.079 0.057 0.043 0.033 0.027
7.7 8.47 9.24 10.01 10.78 11.55
Δ
0.0235 0.0205 0.018 0.016 0.0143 0.013
、从表F4.2和表F4.3中得到钢瓶爆炸所造成的冲击波对人体
（

F4.2冲击波对人体的伤害作用
ΔPo/MPa 伤害作用 超压ΔPo/MPa 伤害作用
～0.03 轻微损伤 0.05～0.10 内脏严重损伤或死亡
～0.05 听觉器官损伤、骨折 >0.10 大部分人员死亡
F4.3冲击波对建筑物的破坏作用
ΔPo/MPa 破坏情况
0.03 门窗玻璃破碎，建筑物局部破坏或轻微破坏，墙裂缝
～0.05 建筑物中度破坏，墙大裂缝，屋瓦掉下
～0.10 木建筑厂房柱折断，房架松动，墙倒塌
0.10 防震钢筋混凝土建筑物破坏，小房屋倒塌
钢瓶在半径3.08m范围内爆炸产生的冲击波大
0.126MPa，在此范围内大部分人员死亡，小房屋倒塌，钢筋混凝
在半径3.08～4.62m范围内，人员内脏严重损伤或死
4.62～6.16m范围内，人的
6.16～10.1m范围内，人员受到轻微损伤，

建筑物轻度破坏或局部
10.1m以外，基本无人员伤害，无建筑物破坏。