事故后果模拟分析
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0.2m
7.2.5 压力容器爆炸时碎片冲击危害
穿透距离，mm
碎片穿透能力
碎片动能，J
S=KE/A
穿透系数，钢板1， 混凝土10，木材40 穿透方向截面积，mm2
E=mv2/2
作业：设有一储气（压缩空气）罐，容积 15m3， 压力1MPa（表压），运行时容器破裂爆炸，试计 算储气罐爆炸时的能量，估算距离为 10m 处的冲 击波超压。
5 3.36 3.96 4.33 4.61
4.87 5.13 5.39 5.67 6.04 6.64 7.58
0.5 0.09 0.05 0.027 0.08~0.1 0.05
吸入 0.5~1h 致死 的浓度/%
吸 入 0.5~1h 致 重 病的浓度/%
氨 氯 二氧化硫 氢氟酸 硫化氢 二氧化氮
0.0035~0.005 0.053~0.065 0.011~0.014 0.042~0.06 0.032~0.053
第7章 事故后果模拟分析
7.1 爆炸效应
7.1.1爆炸效应的定义
爆炸物在爆炸时形成的高温高压对周围介 质产生强烈的冲击和压缩作用，使与其接触或 接近的物体产生运动、变形、破坏与飞散等有 害效应。 热效应 声光效应 机械效应 空间效应 毒害作用
评价方法
做功能力 ——TNT当量法 TNT当量法是把爆炸的破坏作用转化成 TNT爆炸的破坏作用，从而把爆炸物的量转 化成TNT当量。 （TNT平均爆炸热取4520kJ/kg ）。
临界热通 量（kW/m2） 破坏类型 临界热通 量（kW/m2） 破坏类型
37.5 25.0 16.0 12.5
加工设备损坏 木材引燃（无引火） 暴露5s后人严重灼伤 木材被引燃 暴露8s的痛阈值，20s后 二度烧伤
5.0 4.5 2.0 1.75
暴露15s的痛阈值 暴露20s的痛阈值，一度 烧伤 PVC绝热电缆破坏 暴露1min的痛阈值
致死危险气体总体积
V'V / x
1 4 3 ( R ) 2 3
肯定死亡吗？ 都会死亡吗？
致死危险半径
3V ' 1 / 3 R( ) 2
7.6.2泄漏后果的概率函数法
表7.6-3 概率与中毒死亡百分率的换算关系
死亡百分率／％ 0 10 20 30
40 50 60 70 80 90 99
0
一、液化气体容器的爆炸能量
EL [(i1 i2 ) (S1 S2 )Tb ]m
二、饱和水的爆炸能量
EW CW V
例：一废热锅炉，直径2m，长5m，运行中 （表压0.8MPa）破裂爆炸，炸前水位在汽 包中心上边约0.2m处，计算汽包破裂时的爆 炸能量。
0.2m
7.2.4 压力容器爆炸时冲击波能量计算
Brode法 等熵膨胀法 等温膨胀法 热力学有效 性方法
• 气体体积不变，增压至系统爆炸前压力所需的能 量
• 在理想情况下流体膨胀对外作出的功可以等于压 缩消耗的功，是可逆绝热膨胀过程，膨胀前后熵 值不变
• 假设容器爆炸过程是等温的
• 物质进入环境时所需的等效最大机械能。爆炸引起 的超压是机械能的一种形式。因此，热力学有效性 预测产生超压的机械能的最大上限值。
冲击波超压对建筑物的破坏作用
超压 △P/MPa 0.005~0.006 0.006~0.01 0.015~0.02 0.02~0.03 0.04~0.05 破坏作用 门窗玻璃部分破碎 受压面的门窗玻璃大部分破碎 窗框损坏 墙裂缝 墙大裂缝，房瓦掉下 破坏作用 超压 △P/MPa 0.06~0.07 木建筑厂房折断，房架松动 0.07~0.10 砖墙倒塌 0.10~0.20 防震钢筋混凝土破坏，小房 屋倒塌 0.20~0.30 大型钢架结构破坏
7.1.2爆炸的破坏形式
碎片 冲击
火灾
冲击波
7.1.3爆炸基本参数
（1）爆热QV
QV = Qv，产物 — QV，爆炸物
（3）爆压Pmax
Pmax Tmax n P0 T0 m
（2）爆温t
QV CV t (a bt)t
bt 2 at QV 0 t a a 2 4bQV 2b
Fv
1
1 1 Fv
2
Fv
c p (T Tb ) H
思考题： 圆柱形储罐高6m，直径2.5m，里面存储有苯。 储罐内充氮气保护，为防止爆炸，罐内保持压力恒 定不变（绝压101.3KPa）。目前，罐内液面高度5m， 由于疏忽，铲车驾驶员将距地面1.5m的罐壁碰出一 个直径为3cm的小孔。请估算：（1）罐内苯泄露的 最大质量流率。（2）如果不采取措施，苯将会泄露 多长时间？已知苯的相对密度为0.879，取泄露系数 Cd=0.5。
等熵膨胀法
PV 0.1013 Eg [1 ( ) K 1 P
K 1 K
] 10
6
式中： Eg ——容器内气体的爆炸能量，即气体绝热膨胀所做的功，J； P ——气体爆炸前的绝对压力，MPa； V ——容器体积（无液体时），m3； K ——气体绝热指数。
7.2.3液化气、高温饱和水的爆炸能量
1 2.67
2 2.95 3.82 4.23 4.53
4.80 5.05 5.31 5.58 5.92 6.41 7.41
3 3.12 3.87 4.26 4.56
4.82 5.08 5.33 5.61 5.95 6.48 7.46
4 3.25 3.92 4.29 4.59
4.85 5.10 5.36 5.64 5.99 6.55 7.51
R1 1.98 Wp0.447
R2 9.18W
1/ 3 p
WQ Wp Qp
1/ 3 R3 17.87Wp
1/ 3 K iWTNT R4 3175 2 1/ 6 [1 ( ) ] WTNT
7.5.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）
R = 2.9W1/3
火球当量半径
火球持续时间
规律： 不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果 距离爆炸中心的距离R之比与炸药量q三次方 根之比相等，则产生的冲击波超压相同，即
q 3 R ( ) R0 q0
1
则 △P=△P0
例：一废热锅炉，直径2m，长5m，运行中 （表压0.8MPa）破裂爆炸，炸前水位在汽 包中心上边约0.2m处，计算汽包爆炸冲击波 致死范围（超压阈值0.05MPa）。
0.0014~0.0021 0.015~0.019 0.01 0.036~0.05 0.011~0.021
7.6.1有毒液化气体容器破裂时的毒害区估算
Q w C(t t 0 )
w' Q / q wc(t t0 ) q
整体降温至正常沸点放热
部分介质吸热汽化
汽化后的体积
22.4w' 273 t 0 22.4wC (t t 0 ) 273 t 0 V M 273 Mq 273
二、冲击波超压
超压：冲击波波阵面上的气体与大气压力之差。 △P∝R-n 式中 △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。
1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压
距离 R0/m 超压 △P0/MP a 距离 R0/m 超压 △P0/MP a 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20
目标接受热通量
q Q f V (1 0.058ln d )
Pr1=-36.38+2.56ln(tqr4/3) Pr2=-43.14+3.0188ln(tqr4/3) Pr3=-39.83+3.0186ln(tqr4/3) 死亡概率 重伤概率 轻伤概率
破坏、伤害概率
表7.4-2 稳态火灾下的热通量伤害效应
泄露孔处的液体流速 Cd
1 u2 1 2( p1 p2 )
2 g (h1 h2 )
液体泄露质量流率
Q0 u 2 A Cd A 2( p1 p2 )
2 gh
wenku.baidu.com
二、气体泄露量
k p0 2 k 1 ( ) p k 1
声速流
Mk 2 k 1 Q0 C d Ap ( ) RT k 1
t = 0.45 W1/3
0.32 0.27 p0 bc(1 0.058ln r )WQ Qr 4r 2
目标接受热剂量
破坏、伤害半径
同火球模型
7.5.3 爆炸产物的扩散与蔓延
7.6 中毒模型
中毒危险性=f（毒性，接触浓度，接触时间） 表5.6-2 有毒气体的危险浓度
物质名称 吸 入 5~10min 致死的浓度/%
r 2.665M 0.327
t 1.089M 0.327
Q
H C M
t
目标接受热 通量
I
Qt c 4x 2
7.4.4 突发火
解决的问题： 主要计算可燃混合气体燃烧下限随气团扩 散到达的范围。 突发火 气团扩散模型
参考：《石化装置定量风险评估指南》青岛安全工程研究院 编著
7.5 化学爆炸模型 7.5.1蒸气云爆炸（UVCE）
7.3 流体泄露模型
7.3.1泄露形式及后果 可燃气体 气体 流体 液体 立即起火(喷射火） 滞后起火（气云爆炸）
有毒气体（中毒） 常温常压液体（池火） 加压液化气体（火灾、爆炸、中毒） 低温液体（火灾、爆炸、中毒） 气化
比率
7.3.2泄露量的计算
一、液体泄露量
p1
2 2 u12 p2 u 2 u2 gh1 gh2 2 2 2
蒸气云爆炸伤害形式
冲 击 波
高 温、 热 辐 射
缺 氧 窒 息
碎 片 冲 击
气云爆炸后果模拟
R'
可燃气体爆炸总能量 E = 1.8αWQ
ln(
D E ( )1/ 3 p0
冲击波正相超压 死亡区半径 重伤区半径 轻伤区半径 财产区半径
p ) 0.9126 1.5058ln(R ' ) 0.167ln 2 ( R' ) 0.0320ln 3 ( R' ) p0
2.94
2.06
1.67
1.27
0.95
0.76
0.50
0.33
0.235
0.17
0.126
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0.079
0.057
0.043
0.033
0.027
0.0235
0.0205
0.018
0.016
0.0143
0.013
两类问题： （一）破坏范围问题——确定破坏半径 （二）破坏程度问题——确定冲击波超压
7.2 物理爆炸模型
7.2.1盛装液体的压力容器的爆炸能量
1 2 8 E L p V 10 2
式中: EL——液体爆炸能量，J Δp——压缩液体的增压，按压缩液体的表压计，MPa； β ——液体的压缩系数，MPa-1； V ——液体的体积，m3。
7.2.2盛装气体的压力容器的爆炸能量
7.4 火灾模型
7.4.1池火灾
燃烧热 气化热
燃烧速度
0.001H c dm dt c p (Tb T0 ) H
Rf S
火焰半径
火焰高度
火灾持续时间 辐射热通量
即dm/dt
L 84 R f [
mf
0 (2 gR f )
]0.61
热辐射系 数，0.15 视角系数
W t mf R 2 f ( H C) m f Qf R 2 f 2R f L
容器残余变形
容 器 爆 炸 能 量
碎片能量 冲击波能量
一、冲击波超压的伤害、破坏作用
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 0.03~0.05 轻微损伤 听觉器官损伤或骨折 超压△P/MPa 伤害作用 0.05~0.10 >0.10 内脏严重损伤或死亡 大部分人死亡
6.4
1.6
长时间暴露无不适感
7.4.2 喷射火
效率因子， 取0.35
点热源每秒 辐射的热量 距离点热源 x处接受的 热通量 目标接受的 热通量
Q=η mfHC
辐射率， 取0.2
Q q 4x 2
I qi
i 1 n
7.4.3 火球
火球最大半 径 火球持续时 间 火球辐射热 通量
k 1
k p0 2 k 1 ( ) p k 1
亚声速流
p 0 ( k 1) / k 2k Mk p 0 2 / k Q0 C d Ap [( ) ( ) ] R 1 RT p p
三、两相流动泄露量
Q0 C d A 2 ( p p c )
式中 Q0——两相流动混合物泄露速度，kg/s； Cd——两相流动混合物泄露系数，可取0.8； A——裂口面积，m2； p——两相混合物压力，Pa； pc——临界压力，Pa,可取0.55Pa； ρ ——两相混合物的平均密度，kg/m3
7.2.5 压力容器爆炸时碎片冲击危害
穿透距离，mm
碎片穿透能力
碎片动能，J
S=KE/A
穿透系数，钢板1， 混凝土10，木材40 穿透方向截面积，mm2
E=mv2/2
作业：设有一储气（压缩空气）罐，容积 15m3， 压力1MPa（表压），运行时容器破裂爆炸，试计 算储气罐爆炸时的能量，估算距离为 10m 处的冲 击波超压。
5 3.36 3.96 4.33 4.61
4.87 5.13 5.39 5.67 6.04 6.64 7.58
0.5 0.09 0.05 0.027 0.08~0.1 0.05
吸入 0.5~1h 致死 的浓度/%
吸 入 0.5~1h 致 重 病的浓度/%
氨 氯 二氧化硫 氢氟酸 硫化氢 二氧化氮
0.0035~0.005 0.053~0.065 0.011~0.014 0.042~0.06 0.032~0.053
第7章 事故后果模拟分析
7.1 爆炸效应
7.1.1爆炸效应的定义
爆炸物在爆炸时形成的高温高压对周围介 质产生强烈的冲击和压缩作用，使与其接触或 接近的物体产生运动、变形、破坏与飞散等有 害效应。 热效应 声光效应 机械效应 空间效应 毒害作用
评价方法
做功能力 ——TNT当量法 TNT当量法是把爆炸的破坏作用转化成 TNT爆炸的破坏作用，从而把爆炸物的量转 化成TNT当量。 （TNT平均爆炸热取4520kJ/kg ）。
临界热通 量（kW/m2） 破坏类型 临界热通 量（kW/m2） 破坏类型
37.5 25.0 16.0 12.5
加工设备损坏 木材引燃（无引火） 暴露5s后人严重灼伤 木材被引燃 暴露8s的痛阈值，20s后 二度烧伤
5.0 4.5 2.0 1.75
暴露15s的痛阈值 暴露20s的痛阈值，一度 烧伤 PVC绝热电缆破坏 暴露1min的痛阈值
致死危险气体总体积
V'V / x
1 4 3 ( R ) 2 3
肯定死亡吗？ 都会死亡吗？
致死危险半径
3V ' 1 / 3 R( ) 2
7.6.2泄漏后果的概率函数法
表7.6-3 概率与中毒死亡百分率的换算关系
死亡百分率／％ 0 10 20 30
40 50 60 70 80 90 99
0
一、液化气体容器的爆炸能量
EL [(i1 i2 ) (S1 S2 )Tb ]m
二、饱和水的爆炸能量
EW CW V
例：一废热锅炉，直径2m，长5m，运行中 （表压0.8MPa）破裂爆炸，炸前水位在汽 包中心上边约0.2m处，计算汽包破裂时的爆 炸能量。
0.2m
7.2.4 压力容器爆炸时冲击波能量计算
Brode法 等熵膨胀法 等温膨胀法 热力学有效 性方法
• 气体体积不变，增压至系统爆炸前压力所需的能 量
• 在理想情况下流体膨胀对外作出的功可以等于压 缩消耗的功，是可逆绝热膨胀过程，膨胀前后熵 值不变
• 假设容器爆炸过程是等温的
• 物质进入环境时所需的等效最大机械能。爆炸引起 的超压是机械能的一种形式。因此，热力学有效性 预测产生超压的机械能的最大上限值。
冲击波超压对建筑物的破坏作用
超压 △P/MPa 0.005~0.006 0.006~0.01 0.015~0.02 0.02~0.03 0.04~0.05 破坏作用 门窗玻璃部分破碎 受压面的门窗玻璃大部分破碎 窗框损坏 墙裂缝 墙大裂缝，房瓦掉下 破坏作用 超压 △P/MPa 0.06~0.07 木建筑厂房折断，房架松动 0.07~0.10 砖墙倒塌 0.10~0.20 防震钢筋混凝土破坏，小房 屋倒塌 0.20~0.30 大型钢架结构破坏
7.1.2爆炸的破坏形式
碎片 冲击
火灾
冲击波
7.1.3爆炸基本参数
（1）爆热QV
QV = Qv，产物 — QV，爆炸物
（3）爆压Pmax
Pmax Tmax n P0 T0 m
（2）爆温t
QV CV t (a bt)t
bt 2 at QV 0 t a a 2 4bQV 2b
Fv
1
1 1 Fv
2
Fv
c p (T Tb ) H
思考题： 圆柱形储罐高6m，直径2.5m，里面存储有苯。 储罐内充氮气保护，为防止爆炸，罐内保持压力恒 定不变（绝压101.3KPa）。目前，罐内液面高度5m， 由于疏忽，铲车驾驶员将距地面1.5m的罐壁碰出一 个直径为3cm的小孔。请估算：（1）罐内苯泄露的 最大质量流率。（2）如果不采取措施，苯将会泄露 多长时间？已知苯的相对密度为0.879，取泄露系数 Cd=0.5。
等熵膨胀法
PV 0.1013 Eg [1 ( ) K 1 P
K 1 K
] 10
6
式中： Eg ——容器内气体的爆炸能量，即气体绝热膨胀所做的功，J； P ——气体爆炸前的绝对压力，MPa； V ——容器体积（无液体时），m3； K ——气体绝热指数。
7.2.3液化气、高温饱和水的爆炸能量
1 2.67
2 2.95 3.82 4.23 4.53
4.80 5.05 5.31 5.58 5.92 6.41 7.41
3 3.12 3.87 4.26 4.56
4.82 5.08 5.33 5.61 5.95 6.48 7.46
4 3.25 3.92 4.29 4.59
4.85 5.10 5.36 5.64 5.99 6.55 7.51
R1 1.98 Wp0.447
R2 9.18W
1/ 3 p
WQ Wp Qp
1/ 3 R3 17.87Wp
1/ 3 K iWTNT R4 3175 2 1/ 6 [1 ( ) ] WTNT
7.5.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）
R = 2.9W1/3
火球当量半径
火球持续时间
规律： 不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果 距离爆炸中心的距离R之比与炸药量q三次方 根之比相等，则产生的冲击波超压相同，即
q 3 R ( ) R0 q0
1
则 △P=△P0
例：一废热锅炉，直径2m，长5m，运行中 （表压0.8MPa）破裂爆炸，炸前水位在汽 包中心上边约0.2m处，计算汽包爆炸冲击波 致死范围（超压阈值0.05MPa）。
0.0014~0.0021 0.015~0.019 0.01 0.036~0.05 0.011~0.021
7.6.1有毒液化气体容器破裂时的毒害区估算
Q w C(t t 0 )
w' Q / q wc(t t0 ) q
整体降温至正常沸点放热
部分介质吸热汽化
汽化后的体积
22.4w' 273 t 0 22.4wC (t t 0 ) 273 t 0 V M 273 Mq 273
二、冲击波超压
超压：冲击波波阵面上的气体与大气压力之差。 △P∝R-n 式中 △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。
1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压
距离 R0/m 超压 △P0/MP a 距离 R0/m 超压 △P0/MP a 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20
目标接受热通量
q Q f V (1 0.058ln d )
Pr1=-36.38+2.56ln(tqr4/3) Pr2=-43.14+3.0188ln(tqr4/3) Pr3=-39.83+3.0186ln(tqr4/3) 死亡概率 重伤概率 轻伤概率
破坏、伤害概率
表7.4-2 稳态火灾下的热通量伤害效应
泄露孔处的液体流速 Cd
1 u2 1 2( p1 p2 )
2 g (h1 h2 )
液体泄露质量流率
Q0 u 2 A Cd A 2( p1 p2 )
2 gh
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二、气体泄露量
k p0 2 k 1 ( ) p k 1
声速流
Mk 2 k 1 Q0 C d Ap ( ) RT k 1
t = 0.45 W1/3
0.32 0.27 p0 bc(1 0.058ln r )WQ Qr 4r 2
目标接受热剂量
破坏、伤害半径
同火球模型
7.5.3 爆炸产物的扩散与蔓延
7.6 中毒模型
中毒危险性=f（毒性，接触浓度，接触时间） 表5.6-2 有毒气体的危险浓度
物质名称 吸 入 5~10min 致死的浓度/%
r 2.665M 0.327
t 1.089M 0.327
Q
H C M
t
目标接受热 通量
I
Qt c 4x 2
7.4.4 突发火
解决的问题： 主要计算可燃混合气体燃烧下限随气团扩 散到达的范围。 突发火 气团扩散模型
参考：《石化装置定量风险评估指南》青岛安全工程研究院 编著
7.5 化学爆炸模型 7.5.1蒸气云爆炸（UVCE）
7.3 流体泄露模型
7.3.1泄露形式及后果 可燃气体 气体 流体 液体 立即起火(喷射火） 滞后起火（气云爆炸）
有毒气体（中毒） 常温常压液体（池火） 加压液化气体（火灾、爆炸、中毒） 低温液体（火灾、爆炸、中毒） 气化
比率
7.3.2泄露量的计算
一、液体泄露量
p1
2 2 u12 p2 u 2 u2 gh1 gh2 2 2 2
蒸气云爆炸伤害形式
冲 击 波
高 温、 热 辐 射
缺 氧 窒 息
碎 片 冲 击
气云爆炸后果模拟
R'
可燃气体爆炸总能量 E = 1.8αWQ
ln(
D E ( )1/ 3 p0
冲击波正相超压 死亡区半径 重伤区半径 轻伤区半径 财产区半径
p ) 0.9126 1.5058ln(R ' ) 0.167ln 2 ( R' ) 0.0320ln 3 ( R' ) p0
2.94
2.06
1.67
1.27
0.95
0.76
0.50
0.33
0.235
0.17
0.126
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0.079
0.057
0.043
0.033
0.027
0.0235
0.0205
0.018
0.016
0.0143
0.013
两类问题： （一）破坏范围问题——确定破坏半径 （二）破坏程度问题——确定冲击波超压
7.2 物理爆炸模型
7.2.1盛装液体的压力容器的爆炸能量
1 2 8 E L p V 10 2
式中: EL——液体爆炸能量，J Δp——压缩液体的增压，按压缩液体的表压计，MPa； β ——液体的压缩系数，MPa-1； V ——液体的体积，m3。
7.2.2盛装气体的压力容器的爆炸能量
7.4 火灾模型
7.4.1池火灾
燃烧热 气化热
燃烧速度
0.001H c dm dt c p (Tb T0 ) H
Rf S
火焰半径
火焰高度
火灾持续时间 辐射热通量
即dm/dt
L 84 R f [
mf
0 (2 gR f )
]0.61
热辐射系 数，0.15 视角系数
W t mf R 2 f ( H C) m f Qf R 2 f 2R f L
容器残余变形
容 器 爆 炸 能 量
碎片能量 冲击波能量
一、冲击波超压的伤害、破坏作用
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 0.03~0.05 轻微损伤 听觉器官损伤或骨折 超压△P/MPa 伤害作用 0.05~0.10 >0.10 内脏严重损伤或死亡 大部分人死亡
6.4
1.6
长时间暴露无不适感
7.4.2 喷射火
效率因子， 取0.35
点热源每秒 辐射的热量 距离点热源 x处接受的 热通量 目标接受的 热通量
Q=η mfHC
辐射率， 取0.2
Q q 4x 2
I qi
i 1 n
7.4.3 火球
火球最大半 径 火球持续时 间 火球辐射热 通量
k 1
k p0 2 k 1 ( ) p k 1
亚声速流
p 0 ( k 1) / k 2k Mk p 0 2 / k Q0 C d Ap [( ) ( ) ] R 1 RT p p
三、两相流动泄露量
Q0 C d A 2 ( p p c )
式中 Q0——两相流动混合物泄露速度，kg/s； Cd——两相流动混合物泄露系数，可取0.8； A——裂口面积，m2； p——两相混合物压力，Pa； pc——临界压力，Pa,可取0.55Pa； ρ ——两相混合物的平均密度，kg/m3