2019精品气体爆炸基本理论与安全文档
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Dust Explosion Prevention and Protection, A Practical Guide. John Barton. Gulf Professional Publishing. 2002.
Enclosure Fire. Bjorn Karlsson and James G. Quintiere. CRC Press. 2001.
Understanding Explosion. Daniel A. Crowl. Center for Chemical Process Safety of the American Institute for Chemical Engineers. NY 2003.
Explosion Hazards in the Process Industries. Rolf K. Eckhoff, Gulf Publishing Com[any, Houston, Texas. 2005.
爆轰：超音速燃烧波，激波与燃烧波耦合 在一起传播。在燃料空气云中，爆轰波传 播的速度在1500-2000m/s范围，典型的峰 值压力为15-20bar。
气云爆炸的典型过程 图1.2 在有加工设备的部分约束区域的气体爆炸。
影响气体爆炸严重度的因素
燃料和氧化剂种类 可燃气云的规模和燃料浓度 点火源位置 点火源强弱 泄压面积大小、位置和类型。 结构物和设备所处位置与尺寸大小 所采用的爆炸抑制方法
2.15沸腾液体膨胀汽化爆炸（ BLEVEs ）：盛 装有高蒸汽压可燃液体的容器失效破裂时引起的 爆炸，容器失效破裂通常是由于外部火灾引起， 主要危害包括压力波、破片抛射等，如果泄漏物 质是燃料，则引起巨大的火球。
2.16 激波：气体激波是充分发展的压缩波（叠 加形成），具有陡峭的压力剖面，激波阵面两侧 密度、压力和质点速度变化极大，一般激波厚度 只有几个平均分子自由程大小，可将激波视为间 断面。
2.8 火焰速度与燃烧速度 火焰速度S：火焰相对于静止观察者的速度，
即相对于地面或其他固定的坐标系； 燃烧速度U：火焰阵面相对于火焰前方未燃
气体的速度。
两者关系： S = U + u
注：u是紧靠火焰前方未燃气体的速度。对 具有化学当量浓度的碳氢空气混合物，S的 量级为 8*U
2.9 燃烧速率： 单位时间内燃烧消耗的燃料量 [kg/s]，是衡量爆炸过程中能量释放速率的大小， 也可以是单位时间单位体积内消耗的燃料质量。
2.11爆轰 ：相对于火焰前方的未燃气体以超声速传播 的燃烧波，即爆轰速度D大于未燃气体中的声速C。
爆轰模型 ZND模型：火焰紧跟在激波后方，通过激波压缩作用
使气体加热并触发燃烧的阵面结构形式； C—J模型：反应速率极高的没有厚度的间断面。
图2.6 爆轰波阵面结构
典型的爆轰参数：爆轰速度2000 m/s ，爆轰压力接近 20bar。 形成爆轰波的方式：直接起爆形成爆轰；通过DDT过程 形成爆轰。
气体爆炸基本理论与安全
气体爆炸基本概念 可爆气云的形成 燃料空气混合物的燃烧特性 爆燃、爆轰与爆炸波 结构物的爆炸载荷响应 容器、管道或坑道中的气体爆炸 加工过程中的气体爆炸或无约束爆炸 气体爆炸模拟 事故调查
阅读
Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapor Cloud Explosions, Flash Fires, and BLEVEs. Center for Chemical Process Safety of the American Institute for Chemical Engineers, New York, 1994.
2.10 爆燃：相对于火焰前方未燃气体以亚音速 传播的燃烧波，即燃烧速度U小于未燃气体的声 速C，火焰前方未燃气体的速度是由燃烧产物发 生膨胀引起的。
在气云爆炸事故通常为爆燃，火焰速度S在 1m/s 到 500-1000m/s 的 量 级 范 围 ， 相 应 的 爆 炸 压力在即mbar到几bar的范围，对强爆燃，爆燃 （即火焰）的前方可能存在激波。
第一章 气体爆炸简介
此类事故的防治要求对气体爆炸现象有很好的理解， 以降低这类事故发生的频率，减轻事故造成的损失。 本章的目的包括：
i)简要介绍气体爆炸场 ii) 事故损失与教训 iii) 如何利用现有的知识改善安全状况
1.1 什么是气体爆炸？
气体爆炸：预混气云（即燃料空气或燃料 氧化剂混合物）燃烧引起压力快速上升的 过程。
An introduction to Mathematical Fire Modeling. Marc L. Janssens Technomic Publishing Company. Inc. 2000.
工业热安全工程 杨立中 中国科学技术大学出版社 2001.
Theoretical and Numerical Combustion. Thierry POINSOT and Denis VEYNANTE, R.T Edwards , Inc. 2005.
教训：i）减少燃料的泄漏量；ii）对工厂及 其工艺过程的完善非常重要；iii）采用具有 抗爆性能的控制室和建筑物。
Piper Alpha事故, 1988：是海洋石油工业 中的“Flixborough事故”，事故由压缩机 单元的小型气体爆炸事故引起火灾并导致 立管破裂，整个钻井平台的主体部分被烧 坏，事故造成167人死亡。FALCS气体爆炸 超压达到约0.3bar。
风险分析与控制
图1.5 风险分析 （Ramsay1990）
图1.6 气体爆炸后果计算
在正式的风险评价研究中进行风险评价 对设计与实际工艺进行改进 决策支持 相关知识的传承 成本效益 安全
第二章 定义
2.1爆炸：引起压力快速增加的事件。压力 增加可以由下述原因引起：核反应、高压 容器破坏、猛炸药、金属-水蒸气爆炸、反 应失控、粉尘或气雾或气体（包括蒸气） 在空气或其他氧化剂中燃烧。
发生地点：封闭或敞开区域均可发生。封 闭区域如加工设备、管道及其连接系统内。
可燃物质泄漏可能产生的各种后果（事故 情形）
影响爆炸压力的因素：火焰传播速度、封 闭程度。
气体爆炸中火焰传播模式：爆燃、爆轰。
图1.1 可燃气体或液体蒸汽泄漏引起事故的事件树
爆燃：最常见的模式，爆燃相对于未燃烧 气体以音速传播，典型的火焰传播速度 （相对静止观察者的速度）为1-1000m/s量 级。其爆炸压力可以达到几bar的压力。
2.2燃烧 ：气体、液体或固体等燃料被氧化 的燃烧过程涉及到热量的释放，并通常存 在有光辐射。
两种燃烧方式： 扩散燃烧：燃烧过程中，燃料和氧气进行
混合通常表现为火灾； 预混燃烧：燃料和空气（或其他氧化剂）
预先混合，且燃料浓度处于可燃极限范围 内，一般表现为爆炸；
图2.1 喷射火灾与气体爆 炸示意图
1. 2. 3. 4.
解决主体设计问题 /载荷的单独校验 解决单元形状问题/爆炸泄压 事故爆炸载荷预估 墙体的打开或闭合程度 / 与HVAC的一 致性
详细工程设计
1. 用于规定偶然爆炸事故载荷的爆炸载荷 最终计算
2. 确保相关文档中包括对如HVAC单元、 防火墙、格栅和封闭试甲板等相关区域 的爆炸载荷情况叙述和说明。
2.3气体爆炸
2.4约束气体爆炸 ：指发生在储存容器、工艺 设备、管道、管路、下水道系统、密闭房间和 地下设施等内部的爆炸。约束爆炸也可以称为 内部爆炸（internal explosions）。
图2.2 储罐内发生的 约束爆炸
2.5 部分约束气体爆炸：燃料偶然泄漏在部 分敞开的建筑物内，如压缩机房和海洋钻 井单元，这些建筑物对爆炸具有一定的约 束作用。当发生爆炸时，由于建筑物墙体 上开口在很低的压力下打开而形成的泄爆 作用，使爆炸压力能得以释放。
图2.9 Taylor不稳定性：左图稳定，右图是非稳定。 注：如果火焰阵面出现在从重气体（即燃料空气）压向 轻气体（即燃烧产物）传播的压缩波区域，或火焰阵面 出现在与传播方向与前者相反的稀疏波区域，则火焰阵 面会发生褶皱（即火焰阵面不稳定），因而燃烧速率增 加。
2.14闪燃 ：预混完全无约束气云在无障碍情况 下发生的慢速爆燃现象，其产生的超压可以忽略 不计，主要危害是热效应。
Computational Fluid Dynamics in Fire Engineering, Theory , Modeling and Pracatice. Guan Heng Yeoh and Kwok kit Yuen. Elsevier Inc. 2009.
材料的动力学行为，Marc Andre Meyers 著（张庆明等译）国防工业出版社. 2006
2.12层流与湍流：层流是流体以层状方式流动， 湍流的特征是在平均流动速度（时平均速度） 的基础上存在不规则的随机脉动。图2.7表示 层流和湍流中一Βιβλιοθήκη Baidu流体质点的流动轨迹。
燃烧中湍流的作用：导致火 焰阵面发生褶皱，使热量和 质量的扩散速率增加，从而 产生很高的燃烧速率。
2.13 流体力学不稳定性：如果流体加速方向与正的 密度梯度方向一致，则密度较小的气体和密度较大 的气体之间的界面是稳定的。但如果流体加速方向 与此相反，则界面是处于不稳定。
1.2 气体爆炸损失与经验教训
图1.3 1975-1986期间发生在碳氢加工业中的事故损失最大的100起事故 的分布情况
典型事故案例
Flixborough爆炸, 1974： Nypro工厂临时 管道破裂造成大约50吨环己烷发生泄漏而 引起的。泄漏后，所形成的可燃气云大约 在1分钟后发生点火，造成非常猛烈的爆炸。 所形成的爆炸波相当于16吨TNT爆炸。
3. 从某个单元的爆炸泄压可能导致对其他 单元造成影响。对各合同商之间相互衔 接进行检查核实。
建筑与安装
1. 核实建筑合同方已理解相关的设计理由 和功能要求
2. 核实爆炸泄压板的相关说明与安装方法 3. 核实泄压板的相关说明与安装方法，即
泄压板重量、固定方法和阻止进入的泄 压区等 4. 核实墙体变形是否对未采取措施管线造 成不可接受的后果
教训：气体爆炸很容易形成多米诺效应， 从而使事故的发展失控。装置、设施等应 设计为具有避免多米诺效应。
其他教训
氢气的反应性非常强，即使在敞开空间，氢气爆 炸也可能非常猛烈；
泄漏的可燃气体可能通过通风管道被吸入或扩散 进入封闭空间，发生剧烈爆炸；
如氨这种燃烧过程缓慢的物质，当其处在约束空 间时，也可能发生猛烈的爆炸；
问题：如何使防爆设施充分发挥作用？
加强安全管理：在项目的整个生 命周期内考虑风险问题
概念设计阶段：不同功能区域的划分、区域之 间的分割措施和总体设计等；
详细设计阶段：气体爆炸载荷的计算；
建筑和安装阶段：设计校验
挪威关于海洋石油开发项目的安全管理模型， 如图1.4。
Pappas (1990)讨论了挪威关于海洋石油开 发项目的安全管理模型。图1.4中所示为 Pappas提出的部分安全管理活动例子。 概念设计
控制和掌握工艺过程的变化；
封闭区域的爆炸可能发展为爆轰，非封闭区域也 可能形成很高的压力；
设置相应的阻爆设施，从而当发生气体爆炸时对 其进行抑制，具有防护效果。
1.3气体爆炸安全的分析与管理
风险：事故发生概率与后果严重度的乘积。
事故经验表明：仅通过降低泄漏风险、防 止形成爆炸性气云和点火来防止气体爆炸 是不够的，还需设置相应的防爆设施来进 行气体爆炸防护，降低气体爆炸的危险。
图2.3 有加工 设备的部分 约束区域内 的气体爆炸
2.6 无约束气体爆炸：指加工厂等敞开区域 的爆炸，完全无约束无障碍条件下，弱点 火源点火形成的燃烧实际上是一种闪燃 flash fire，超压很低几乎可以忽略。但实际 上这种情况很少。
图2.4 加工区域的气 体爆炸
2.7 气云爆炸(VCE) ：气云爆炸与部分约束 或无约束气体爆炸之间没有本质的区别通 称为气体爆炸或气云爆炸。
Enclosure Fire. Bjorn Karlsson and James G. Quintiere. CRC Press. 2001.
Understanding Explosion. Daniel A. Crowl. Center for Chemical Process Safety of the American Institute for Chemical Engineers. NY 2003.
Explosion Hazards in the Process Industries. Rolf K. Eckhoff, Gulf Publishing Com[any, Houston, Texas. 2005.
爆轰：超音速燃烧波，激波与燃烧波耦合 在一起传播。在燃料空气云中，爆轰波传 播的速度在1500-2000m/s范围，典型的峰 值压力为15-20bar。
气云爆炸的典型过程 图1.2 在有加工设备的部分约束区域的气体爆炸。
影响气体爆炸严重度的因素
燃料和氧化剂种类 可燃气云的规模和燃料浓度 点火源位置 点火源强弱 泄压面积大小、位置和类型。 结构物和设备所处位置与尺寸大小 所采用的爆炸抑制方法
2.15沸腾液体膨胀汽化爆炸（ BLEVEs ）：盛 装有高蒸汽压可燃液体的容器失效破裂时引起的 爆炸，容器失效破裂通常是由于外部火灾引起， 主要危害包括压力波、破片抛射等，如果泄漏物 质是燃料，则引起巨大的火球。
2.16 激波：气体激波是充分发展的压缩波（叠 加形成），具有陡峭的压力剖面，激波阵面两侧 密度、压力和质点速度变化极大，一般激波厚度 只有几个平均分子自由程大小，可将激波视为间 断面。
2.8 火焰速度与燃烧速度 火焰速度S：火焰相对于静止观察者的速度，
即相对于地面或其他固定的坐标系； 燃烧速度U：火焰阵面相对于火焰前方未燃
气体的速度。
两者关系： S = U + u
注：u是紧靠火焰前方未燃气体的速度。对 具有化学当量浓度的碳氢空气混合物，S的 量级为 8*U
2.9 燃烧速率： 单位时间内燃烧消耗的燃料量 [kg/s]，是衡量爆炸过程中能量释放速率的大小， 也可以是单位时间单位体积内消耗的燃料质量。
2.11爆轰 ：相对于火焰前方的未燃气体以超声速传播 的燃烧波，即爆轰速度D大于未燃气体中的声速C。
爆轰模型 ZND模型：火焰紧跟在激波后方，通过激波压缩作用
使气体加热并触发燃烧的阵面结构形式； C—J模型：反应速率极高的没有厚度的间断面。
图2.6 爆轰波阵面结构
典型的爆轰参数：爆轰速度2000 m/s ，爆轰压力接近 20bar。 形成爆轰波的方式：直接起爆形成爆轰；通过DDT过程 形成爆轰。
气体爆炸基本理论与安全
气体爆炸基本概念 可爆气云的形成 燃料空气混合物的燃烧特性 爆燃、爆轰与爆炸波 结构物的爆炸载荷响应 容器、管道或坑道中的气体爆炸 加工过程中的气体爆炸或无约束爆炸 气体爆炸模拟 事故调查
阅读
Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapor Cloud Explosions, Flash Fires, and BLEVEs. Center for Chemical Process Safety of the American Institute for Chemical Engineers, New York, 1994.
2.10 爆燃：相对于火焰前方未燃气体以亚音速 传播的燃烧波，即燃烧速度U小于未燃气体的声 速C，火焰前方未燃气体的速度是由燃烧产物发 生膨胀引起的。
在气云爆炸事故通常为爆燃，火焰速度S在 1m/s 到 500-1000m/s 的 量 级 范 围 ， 相 应 的 爆 炸 压力在即mbar到几bar的范围，对强爆燃，爆燃 （即火焰）的前方可能存在激波。
第一章 气体爆炸简介
此类事故的防治要求对气体爆炸现象有很好的理解， 以降低这类事故发生的频率，减轻事故造成的损失。 本章的目的包括：
i)简要介绍气体爆炸场 ii) 事故损失与教训 iii) 如何利用现有的知识改善安全状况
1.1 什么是气体爆炸？
气体爆炸：预混气云（即燃料空气或燃料 氧化剂混合物）燃烧引起压力快速上升的 过程。
An introduction to Mathematical Fire Modeling. Marc L. Janssens Technomic Publishing Company. Inc. 2000.
工业热安全工程 杨立中 中国科学技术大学出版社 2001.
Theoretical and Numerical Combustion. Thierry POINSOT and Denis VEYNANTE, R.T Edwards , Inc. 2005.
教训：i）减少燃料的泄漏量；ii）对工厂及 其工艺过程的完善非常重要；iii）采用具有 抗爆性能的控制室和建筑物。
Piper Alpha事故, 1988：是海洋石油工业 中的“Flixborough事故”，事故由压缩机 单元的小型气体爆炸事故引起火灾并导致 立管破裂，整个钻井平台的主体部分被烧 坏，事故造成167人死亡。FALCS气体爆炸 超压达到约0.3bar。
风险分析与控制
图1.5 风险分析 （Ramsay1990）
图1.6 气体爆炸后果计算
在正式的风险评价研究中进行风险评价 对设计与实际工艺进行改进 决策支持 相关知识的传承 成本效益 安全
第二章 定义
2.1爆炸：引起压力快速增加的事件。压力 增加可以由下述原因引起：核反应、高压 容器破坏、猛炸药、金属-水蒸气爆炸、反 应失控、粉尘或气雾或气体（包括蒸气） 在空气或其他氧化剂中燃烧。
发生地点：封闭或敞开区域均可发生。封 闭区域如加工设备、管道及其连接系统内。
可燃物质泄漏可能产生的各种后果（事故 情形）
影响爆炸压力的因素：火焰传播速度、封 闭程度。
气体爆炸中火焰传播模式：爆燃、爆轰。
图1.1 可燃气体或液体蒸汽泄漏引起事故的事件树
爆燃：最常见的模式，爆燃相对于未燃烧 气体以音速传播，典型的火焰传播速度 （相对静止观察者的速度）为1-1000m/s量 级。其爆炸压力可以达到几bar的压力。
2.2燃烧 ：气体、液体或固体等燃料被氧化 的燃烧过程涉及到热量的释放，并通常存 在有光辐射。
两种燃烧方式： 扩散燃烧：燃烧过程中，燃料和氧气进行
混合通常表现为火灾； 预混燃烧：燃料和空气（或其他氧化剂）
预先混合，且燃料浓度处于可燃极限范围 内，一般表现为爆炸；
图2.1 喷射火灾与气体爆 炸示意图
1. 2. 3. 4.
解决主体设计问题 /载荷的单独校验 解决单元形状问题/爆炸泄压 事故爆炸载荷预估 墙体的打开或闭合程度 / 与HVAC的一 致性
详细工程设计
1. 用于规定偶然爆炸事故载荷的爆炸载荷 最终计算
2. 确保相关文档中包括对如HVAC单元、 防火墙、格栅和封闭试甲板等相关区域 的爆炸载荷情况叙述和说明。
2.3气体爆炸
2.4约束气体爆炸 ：指发生在储存容器、工艺 设备、管道、管路、下水道系统、密闭房间和 地下设施等内部的爆炸。约束爆炸也可以称为 内部爆炸（internal explosions）。
图2.2 储罐内发生的 约束爆炸
2.5 部分约束气体爆炸：燃料偶然泄漏在部 分敞开的建筑物内，如压缩机房和海洋钻 井单元，这些建筑物对爆炸具有一定的约 束作用。当发生爆炸时，由于建筑物墙体 上开口在很低的压力下打开而形成的泄爆 作用，使爆炸压力能得以释放。
图2.9 Taylor不稳定性：左图稳定，右图是非稳定。 注：如果火焰阵面出现在从重气体（即燃料空气）压向 轻气体（即燃烧产物）传播的压缩波区域，或火焰阵面 出现在与传播方向与前者相反的稀疏波区域，则火焰阵 面会发生褶皱（即火焰阵面不稳定），因而燃烧速率增 加。
2.14闪燃 ：预混完全无约束气云在无障碍情况 下发生的慢速爆燃现象，其产生的超压可以忽略 不计，主要危害是热效应。
Computational Fluid Dynamics in Fire Engineering, Theory , Modeling and Pracatice. Guan Heng Yeoh and Kwok kit Yuen. Elsevier Inc. 2009.
材料的动力学行为，Marc Andre Meyers 著（张庆明等译）国防工业出版社. 2006
2.12层流与湍流：层流是流体以层状方式流动， 湍流的特征是在平均流动速度（时平均速度） 的基础上存在不规则的随机脉动。图2.7表示 层流和湍流中一Βιβλιοθήκη Baidu流体质点的流动轨迹。
燃烧中湍流的作用：导致火 焰阵面发生褶皱，使热量和 质量的扩散速率增加，从而 产生很高的燃烧速率。
2.13 流体力学不稳定性：如果流体加速方向与正的 密度梯度方向一致，则密度较小的气体和密度较大 的气体之间的界面是稳定的。但如果流体加速方向 与此相反，则界面是处于不稳定。
1.2 气体爆炸损失与经验教训
图1.3 1975-1986期间发生在碳氢加工业中的事故损失最大的100起事故 的分布情况
典型事故案例
Flixborough爆炸, 1974： Nypro工厂临时 管道破裂造成大约50吨环己烷发生泄漏而 引起的。泄漏后，所形成的可燃气云大约 在1分钟后发生点火，造成非常猛烈的爆炸。 所形成的爆炸波相当于16吨TNT爆炸。
3. 从某个单元的爆炸泄压可能导致对其他 单元造成影响。对各合同商之间相互衔 接进行检查核实。
建筑与安装
1. 核实建筑合同方已理解相关的设计理由 和功能要求
2. 核实爆炸泄压板的相关说明与安装方法 3. 核实泄压板的相关说明与安装方法，即
泄压板重量、固定方法和阻止进入的泄 压区等 4. 核实墙体变形是否对未采取措施管线造 成不可接受的后果
教训：气体爆炸很容易形成多米诺效应， 从而使事故的发展失控。装置、设施等应 设计为具有避免多米诺效应。
其他教训
氢气的反应性非常强，即使在敞开空间，氢气爆 炸也可能非常猛烈；
泄漏的可燃气体可能通过通风管道被吸入或扩散 进入封闭空间，发生剧烈爆炸；
如氨这种燃烧过程缓慢的物质，当其处在约束空 间时，也可能发生猛烈的爆炸；
问题：如何使防爆设施充分发挥作用？
加强安全管理：在项目的整个生 命周期内考虑风险问题
概念设计阶段：不同功能区域的划分、区域之 间的分割措施和总体设计等；
详细设计阶段：气体爆炸载荷的计算；
建筑和安装阶段：设计校验
挪威关于海洋石油开发项目的安全管理模型， 如图1.4。
Pappas (1990)讨论了挪威关于海洋石油开 发项目的安全管理模型。图1.4中所示为 Pappas提出的部分安全管理活动例子。 概念设计
控制和掌握工艺过程的变化；
封闭区域的爆炸可能发展为爆轰，非封闭区域也 可能形成很高的压力；
设置相应的阻爆设施，从而当发生气体爆炸时对 其进行抑制，具有防护效果。
1.3气体爆炸安全的分析与管理
风险：事故发生概率与后果严重度的乘积。
事故经验表明：仅通过降低泄漏风险、防 止形成爆炸性气云和点火来防止气体爆炸 是不够的，还需设置相应的防爆设施来进 行气体爆炸防护，降低气体爆炸的危险。
图2.3 有加工 设备的部分 约束区域内 的气体爆炸
2.6 无约束气体爆炸：指加工厂等敞开区域 的爆炸，完全无约束无障碍条件下，弱点 火源点火形成的燃烧实际上是一种闪燃 flash fire，超压很低几乎可以忽略。但实际 上这种情况很少。
图2.4 加工区域的气 体爆炸
2.7 气云爆炸(VCE) ：气云爆炸与部分约束 或无约束气体爆炸之间没有本质的区别通 称为气体爆炸或气云爆炸。