工业过程爆炸事故模式及其破坏效应探讨

　　【摘　要】从工业生产中的介质类型出发，通过对内装固体介质、液体介质和气体介质装置可能发生的爆炸事故和破坏效应进行分析预测，编制了相应的分析流程图。结果表明无论从哪种介质出发进行分析，最终的爆炸事故模式只有凝聚相爆炸、气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气云爆炸及各类形式的容器爆炸。简要分析了几种事故模式破坏效应的最佳计算模型。最后应用实例，证明了所做的分析预测和编制的流程图可以很好的应用于事故模式中爆炸源性质及其破坏效应的判断，是对爆源的一个定性分析，是爆炸能量计算的重要依据。笔者的研究对企业的安全生产及爆炸事故的预防也具有较好的指导意义。

　　【关键词】工业过程；爆炸事故；爆炸模式；破坏效应

　　0引言

　　2004年4月15日晚，重庆天原化工总厂发生氯气泄漏，后在抢险过程中厂方违规操作，让工人用机器从氯罐向外抽氯气以加快排放速度，结果导致罐内温度升高，引发爆炸，造成9人失踪死亡，3人受伤，15万名群众被疏散。2005年11月3日，中石化吉林石化公司双苯厂苯胺装置硝化单元Ｐ-102塔发生堵塞，因处理不当引发着火爆炸，造成数十人死伤，数万人紧急疏散，松花江水体被污染，哈尔滨市停水数天，引起了巨大的社会恐慌。2006年7月28日，江苏射阳县氟源化工厂一车间在投料调试过程中反应釜发生爆炸，造成22人死亡、29人受伤、7000多人紧急疏散。

　　此类恶性事故不胜枚举［1—3］。因此，对工业过程爆炸事故模式及其破坏效应进行研究，分析装置内不同介质在不同的触发条件下可能发生的灾害，提取最终的爆炸事故模式，研究与不同爆炸模式相对应的破坏效应计算模型，对于今后指导安全生产，防止此类事故的再次发生具有重要意义。另外，该研究还可以为爆炸事故评估调查、抗爆和抗冲击设计中爆炸源性质的判断（例如：高级炸药、爆裂的压力容器、蒸气云雾、爆炸性粉尘等），爆炸能量的计算、爆炸事故分析等提供基础和理论依据。

　　1爆炸源的基本形式及特点

　　爆炸是物质的一种急剧的物理、化学变化。在变化过程中伴有物质所含能量的快速释放，变为对物质本身、变化产物或周围介质的压缩能或运动能，具有很大的破坏作用。根据爆炸源本身的体积对爆炸过程的影响程度，可将爆炸源分为理想爆源和非理想爆源。

　　1.1理想爆源

　　所谓理想爆源是指点爆炸源。它具有3个显著特征［4］：

　　1）能量密度大，爆源体积可忽略不计，可视为点源。

　　2）爆炸过程中，能量的释放是瞬时的，即点火后的瞬间爆炸压力就达到其最大值。

　　3）爆源区压力高，爆炸产生的冲击波初始压力可达50MPa量级，爆炸破坏的主要形式是由空气冲击波造成的，其破坏作用范围可达50倍对比距离以上。

　　 （1）

　　式中，——对比距离；——离爆心的距离，m；——爆源的质量，kg。

　　理想爆源的爆炸场可用相似理论计算。凝聚相炸药爆炸和核爆炸是人们最熟悉的理想爆源的爆炸形式。

　　1.2非理想爆炸源

　　不符合理想爆炸源特点的爆源统称为非理想爆源。非理想爆源的能量密度远远低于凝聚相炸药，爆源半径R0与爆炸源特征长度L0之比约为0.1～0.5数量级［5］，能量释放速率也远远小于凝聚相炸药。这种爆炸不能再用点源爆炸模型进行研究，而必须采用与凝聚相炸药爆炸不同的研究方法和实验手段研究［5—6］。

　　2工业过程爆炸事故模式及其伤害程度分析

　　工业生产大致可分为生产、储存和运输3个部分。根据工艺要求，各部分会存在不同程度的危险，通常可能发生的主要灾害事故有火灾、爆炸和泄漏扩散，相应存在的伤害模式为热辐射伤害、冲击波伤害、毒物伤害。这几种伤害模式可以单独作用也可混合作用，主要取决于事故模式和介质类型。笔者以介质类型作为基准进行事故模式的分类，从而得到相应的伤害模式及其危害程度［4,7—9］。

　　工业生产中的介质类型一般分为固体、液体和气体，当也可能存在气液、气固、固液、气液固共存的情况，这些情况的处理办法通常采用折算或取影响最大的介质状态考虑，当然也可以将各种介质分开考虑其危险性。笔者把介质分为固、液、气三态进行研究。

　　2.1内装固体介质装置爆炸分析

　　对于固体介质而言，首先判断介质是否属于易爆物质，包括单体分解爆炸性物质和混合爆炸性物质。对于这类爆炸性物质，如果在操作过程中，出现高温、明火、振动、撞击等不同形式的触发条件，则会引发易爆化合物的爆炸；如果在整个操作过程中确保不会出现各类触发条件，则装置是安全的。

　　如果经判断固体物质并非爆炸性物质，则看固体物质是否呈颗粒粉末状。如果是，则需要继续判断这种粉末状物质在操作过程中是否会因为压力突变、高速流动等原因而飞扬起来，即是否受到扰动，形成粉尘。若形成粉尘，且此时操作空间存在一定浓度的助燃性气体，则在一定的点火条件（如明火、静电等）下会发生粉尘爆炸；如果粉尘不可燃，则判断是否被人员吸入，如果吸入，则会导致粉尘伤害。如果粉末状物质在操作过程中没有遇到任何扰动条件，则跟非粉末固体一样判断其是否可燃，如果可燃，则在助燃气体和点火源的情况下会引发火灾。具体分析预测见图1。

　　2.2内装液体介质装置爆炸分析

　　对于液相介质，如果液体本身为过热状态，则会因为其在正常环境下不稳定的性质而具有相对较高的危险性。过热液体的储存一般分为两种情况，即高压常温和常压低温，这两种情况所具有的危险性是不同的，所以分开考虑。

　　对于高压常温下的过热液体，如果因外热源、容器强度下降等原因，使得容器内压力相对容器本身的承载能力下降，则可能会导致容器破裂，这样的破裂通常发生在气相部分。如果气相裂口很大，则容器内的高压迅速下降，使得容器内的液相介质迅速处于低压过热状态，液体立刻全面沸腾，产生高于原始压力数倍的高压，立即破坏容器，产生爆炸效应，即所谓的平衡破坏型蒸气爆炸。爆炸发生后有可能部分液体不能蒸发，形成液池；也有可能所有的液体都变成气态弥散在空中。在空中的气团如果立刻遇到点火源，则会形成所谓的沸腾液体扩展蒸气云爆炸；如果在空中的气团没有立刻遇到点火源，则会按照一定的模式进行扩散。如果蒸气属于重气，则按照重气模型进行扩散；如果是非重气，则按照高斯烟团模型进行扩散。不管是何种扩散模型，在遇到点火源的情况下，都可能会导致气云爆炸的发生。对于在正常环境下不可燃的蒸气，如液氮等，则要考虑其扩散引起的毒性和窒息作用。在容器周围形成的液池在点燃源或由气云爆炸引起的热量的作用下，会引发池火灾事故。

 

图1内装固体介质装置爆炸事故分析预测流程图

　　上面讨论的是由外因或内因破坏产生大裂口的情况下的灾害事故，对于小裂口情况，则灾害事故又不相同。产生的小裂口由于面积不够大，器内压力不能迅速释放，所以不会产生平衡破坏型蒸气爆炸。如果裂口出现在气相部分，则高压的气体从裂口喷出，若遇到点火源，则会引发喷射火事故，这样的喷射火往往会成为周围容器的外热源，引起周围容器发生如上分析的破坏事故。如果在喷射时没有遇到点火源，则喷出的气体会在空中扩散，发生与上述情形类似的扩散―爆炸模式。如果裂口发生在液相，由于液体的挥发，遇到点火源，同样会导致喷射火事故，遇不到点火源，除了在空中挥发，还有一部分液体可能会形成液池，这样的情况前面也已经讨论过。

　　对于常压低温的过热液体，往往不会发生平衡破坏型蒸气爆炸，如果因外因或内因导致容器破裂，介质外泄，相似于高压低温液体，发生蒸发以及形成液池。这种情况下，由于传热发生时一般并不能有很快的速度，所以，过热液体一般不会发生大规模的整体蒸气爆炸。但如果外泄的介质遇到稳定的大面积的热载体，如液化气泄漏在海面上，在一定的温差范围内，由于核沸腾与表面沸腾之间转变的不稳定性，使得过热液体发生迅速的蒸发，引发所谓的传热形蒸气爆炸。这样，发生的情形与前面高压常温的情况相似，不再赘述。具体分析预测见图2。

　　2.3内装气体介质装置爆炸分析

　　对于气相介质，其危害性主要分为气体外泄后引起的扩散、毒害、火灾、爆炸事故和容器内发生气云爆炸。这几种灾害形式的关键主要在于气体在容器中的压力状态，一般只有容器内介质处于负压的情况下才会发生器内气云爆炸事故，当然也有可能由于操作上的原因导致器内爆炸环境的形成，如误操作引起助燃气体充入器内可燃气体环境中，这时候如果在器内发生静电、金属物撞击火花以及明火等点火源，则会引起容器内的气云爆炸事故。

　　工业生产中，一般使用气体作为介质的反应器或者储存容器均采用正压参数，所以在固定作业中，发生器外事故的可能性远远超过器内事故，但在非固定作业中，如检修、清洗等作业中，往往由于气体介质的残留会发生器内事故。对于器外事故，其发生的前提是物质的外泄，即需要容器上出现出气口，一般出气口可以分为人为排气口和事故裂口。人为排气口如储罐上的呼吸阀，气瓶上的爆破片等人为设置的为防止容器内压超高的安全装置。事故裂口则包括因为内压升高、容器腐蚀、受损等原因引起的事故性裂口，如果内压上升过快，则可能会引起容器超压爆炸。如果发生局部裂口，则正压的气体会从裂口喷出，如果此时恰好遇到点火源，则会发生喷射火灾，如果没有遇到点火源，则泄漏出来的气体会根据其物性的不同而发生不同形式的扩散，可燃的气体在空气中扩散，遇到点火源，则会引起气云爆炸事故，在考虑气体的爆炸危险性时，同时应该考虑扩散气体引起的毒害影响。具体见图3。

 

图2内装液体介质装置爆炸事故分析预测流程图

　　3  破坏效应计算模型分析

　　从上面的事故模式分析和图1～图3的分析预测流程图可以看出，无论从哪种介质出发，工业过程最终的爆炸事故模式只有几种，即凝聚相爆炸、气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气云爆炸以及各类形式的容器爆炸。对于这几种爆炸事故模式的破坏效应，前人已经作了比较详尽的研究［4,6—8］，下面对这几种爆炸模式破坏效应的计算模型作简要的分析。

　　凝聚相爆炸和容器爆炸。凝聚相爆炸物的体积相对于其爆炸影响范围是比较小的，所以可以当作点爆源处理，工程上通常采用TNT当量法来衡量其爆炸的破坏效果。一般容器的爆炸，通常也是具有相对小的爆源体积，所以对于容器一类的爆炸，也可以采用TNT当量法来衡量其爆炸的破坏效应，包括容器内的气云爆炸、容器的超压爆炸等。

　　对于气云爆炸，由于其爆炸机理与一般的炸药差别很大，通常不可以采用TNT当量法来预测爆炸的破坏效应，目前存在的模型应用较为成功的有TNO模型、多能模型，以及现今流行的CFD（计算流体力学）方法。但综合考虑使用的简便性以及结果的准确性，多能模型是比较合理的一个选择。

　　对于沸腾液体蒸气云爆炸，宇德明在研究了目前存在的几个伤害模型后，综合了各模型的优点，摒弃了各模型的不足，提出了一个相对较好的沸腾液体扩展蒸气云爆炸事故伤害模型。

 

图3内装气体介质装置爆炸事故分析预测流程图

　　4例子

　　以某厂氢气罐充装过程中发生爆炸为例考虑可能的事故和破坏效应。氢气罐的规格为2m3,满罐压力为15MPa，实际充装压力为13MPa。因为氢气为气体介质，所以根据图3的流程进行判断。因为罐内为正压状态，故接着判断是否为外因破裂。当不是外因破裂时，则考虑为内压超高导致破裂，此时的爆炸为容器爆炸。因为氢气可燃，爆炸后如遇点火源可形成火球。当为局部破裂时，由于氢气密度小（非重气），扩散速度较快，在空中形成蒸气云的可能性很小，最终的破坏形式也为容器爆炸或喷射火灾。容器爆炸存在物理爆炸和化学爆炸两种可能。物理爆炸即单纯的超压爆炸，爆炸能量较小；化学爆炸是由于气瓶或气罐中混入空气或氧气，形成预混合气体，爆炸能量较大。当进行爆炸评估、抗爆、抗冲击设计时，一般要考虑爆炸的最大破坏作用，则该爆炸可考虑为高压容器化学爆炸，爆炸能量的计算包括两个部分：即氢气从罐中向外膨胀所释放的能量和氢气与空气混合成燃爆性气体并发生爆炸所释放的能量。这个例子通过上述分析得到的的最终爆炸能量的计算和文献［9］中的计算方法具有很好的一致性。

　　5结论

　　笔者从工业生产中的介质类型出发进行分析，预测了可能发生的爆炸事故模式和破坏效应，结果表明：

　　1）无论装置中为何种介质，在不同的触发条件下，工业过程最终的爆炸事故模式只有凝聚相爆炸、气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气云爆炸以及各类形式的容器爆炸。中间过程可能产生的火灾事故模式有喷射火灾和池火灾；泄漏扩散模式有重气模式、瞬时重气模式、高斯烟羽模型、高斯烟团模型；其他伤害有窒息、粉尘伤害、毒害等。

　　2）对于这几种爆炸模式破坏效应的计算模型，凝聚相爆炸和容器爆炸可用TNT当量法来计算爆炸能量；对于气云爆炸，应用多能模型计算爆炸能量较为适合；对于沸腾液体蒸气云爆炸，宇德明［7］的沸腾液体扩展蒸气云爆炸事故伤害模型最为合理。

　　3）笔者的研究是对爆炸事故模式中爆炸源的一个定性分析，是爆炸能量计算的前提和基础，可以为爆炸事故评估调查和抗爆、抗冲击设计提供理论依据。该研究对企业的安全生产及预防此类事故的发生具有较好的指导意义，对于该领域今后的研究具有一定的参考价值。

　　参考文献：

　　［1］朱兆华，郭振龙．关于硝酸铵爆炸事故前评价的探讨［J］．中国安全科学学报，2000，10(2)：70～74

　　［2］张超光，蒋军成，郑志琴．粉尘爆炸事故模式及其预防研究［J］．中国安全科学学报，2005，15(6)：73～76

　　［3］王志荣，蒋军成．化工装置爆炸事故模式及预防研究［J］．工业安全与环保，2002，28(1)：20～25

　　［4］W.E.贝克［美］，P.A.考克斯［英］等．爆炸危险性及其评估［M］．张国顺，文以民等译．北京：群众出版社，1988

　　［5］弗兰克．T.波德莎［美］．工业防爆技术［M］．蒋运茂译．北京：劳动人事出版社，1987

　　［6］胡栋，龙属川，吴传谦．可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究［J］．爆炸与冲击．1989，9(3)：266~275

　　［7］宇德明．易燃、易爆、有毒危险品储运过程定量分险评价［M］．北京：中国铁道出版社，2000

　　［8］世界银行国际信贷公司编．工业污染事故评价技术手册［M］．李民权译．中国环境科学出版社，1992

　　［9］张一先，石剑荣，肖明熙．氯气和光气爆燃事故源强估算［J］．中国安全科学学报，1996，6(6)：25~28