爆炸危险源危险性定量评估方法的改进
［摘 要］ 在火炸药、弹药企业重大事故隐患定量评估方法（BZA-1）基础上，根据炸药爆炸理论和炸药的组成及特性，提出了用感度的参数值q／Ea代替BZA-1法数学模型中物性危险系数α，作为表征危险品在受到外界作用时发生爆炸反应的难易程度的量，拓宽了BZA-1定量评估方法的适用范围。
［关键词］ 爆炸危险源 定量评估 爆炸 感度 物性危险系数
The Improvement of Quantitative Evaluation Method for
Hazard of Explosion Dangerous Source
Han Aijun，Chen Tianyun，Li Fengsheng，Liu Ronghai
Nanjing University of Science and Techn ology（Nanjing，210094）
［ABSTRACT］In this paper，an improvement on the existing quantitative hazard evaluation method （BZA-1 method） to evaluate the plants of explosive，propell ant or ammunition was proposed according to the theory of explosion and the comp osition and speciality of explosive．The substantial risk index α was replaced by the sensitivity parametric q／Ea -an explosion degree indication of expl osion dangerous source under external action．The advancement extents the applica tion range of BZA-1 method．
［KEY WORDS］explosion dangerous source，quantitative evaluation，explosion，sensiti vity，substantial risk index
1 引言
随着我国经济形势的发展，建立和完善爆炸危险源的定量评估方法，对辨识和控制危险源中的各种危险性，避免重大爆炸事故的发生或把可能造成的损失限制在最低限度极为重要。目前国外对爆炸危险源的定量评估方法主要是依据美国道化学公司（Dow’sChamicalCo．）提出的火灾爆炸指数法和美国格雷哈姆（K．J．Graham）提出的LEC法，以及英国帝国化学工业公司（ICI）提出的Mond法等［1］。它们都是以物质内在特性(理化特性、热特性、燃烧性和有毒有害性)为基础，再考虑工艺过程其它因素(操作方式、工艺条件、设备状况、物料处理量和安全装置等)的影响，计算每个单元的危险度数值。
我国自80年代初期开始对危险源的定量评估方法进行研究，BZA-1法就是在借鉴国外经验的基础上，认真研究我国兵器行业的特点和评估对象，结合具体实际探索出的爆炸危险源定量评估方法，即火炸药、弹药企业重大事故隐患危险性评估方法，具体数学模型如下：
H总＝H内＋H外
H内＝α.β.γ＋KB
式中 H内、H外、H总——分别表示爆炸危险源系统内、外危险度及系统总的危险度；
α、β、γ——分别表示危险品物性危险系数、物量危险系数、工艺条件系数；
K——系统内可控危险性未受控程度系数，或称不安全隐患系数；
B——系统内可控危险度。
该评估方法的建立，为我国兵器行业的火炸药、弹药企业的安全管理提供了理论与科学依据。该方法的数学模型中的重要参数——物性危险系数α是表示危险品受到外界作用时发生爆炸反应难易程度的量，是其敏感度的综合反映，目前取值为危险品感度的综合特征值。但是该取值方法存在很大的局限性，其主要表现：第一，要对某种危险品的感度作出正确的综合评价，就必须掌握该危险品的多种感度数据，但通常有些感度数据是很难查找的；第二，在如何确定某种危险品的物性危险系数α时，该取值方法只是将该危险品的各种感度危险性系数进行简单的加和，取其算术平均值，而没有考虑这些感度对危险品危险性所起作用的差异。
为了克服上述局限性，在深入研究的基础上，本文提出了应用危险品的活化能及爆热参数作为危险品的物性危险系数α。
炸药的起爆一般是借助于热量、机械冲量或者是爆轰波直接作用而产生的，当被起爆的炸药装药的性质和装药的条件一定时，所产生爆轰的条件取决于起爆冲量的特性。但无论哪种起爆形式，要引爆炸药，必须给予一定的外部能量。炸药起爆过程中能量的变化可以用图1表示，在图1中，状态Ⅰ表示初始态，状态K表示激发态，状态Ⅱ表示终点态。炸药通常是处于能栅图中Ⅰ的状态，在受到足够的外界作用后，位能由Ⅰ上升到K，炸药便发生爆炸反应，释放能量，最后生成反应产物，处于Ⅱ的状态。这说明炸药由状态Ⅰ激发到状态K发生爆炸变化时，必须吸收能量Ea，Ea为活化能。Ea越大，引起爆炸所需外界能量越大，此时感度越低；反之，Ea越小，感度越高。因此，可以看出炸药的感度与活化能Ea有密切的关系。
图1 物质系统内能变化(能栅图)
通过以上起爆过程和反应机理的讨论，可以看出分子活化能是表示其安定性的一个尺度，活化能越大，安定性越好。对于某个爆炸物来说，如果它的分子不安定，则当爆炸物在其某个局部被起爆时必然导致整体爆炸物完全爆炸；如果该爆炸物是不安定的，则当局部爆炸时由于所释放的能量足够大，以致使其相邻的足够多的分子被同时活化，这些作为活化的物质，绝大多数是爆炸物开始起爆时分子所分解的生成物，它是形成爆炸连锁反应的活化中心——起爆中心。
在爆炸连锁反应中，反应链传播和分支的概率随感度参数值q／Ea增大而增大［2］。也就是说，q／Ea越大，炸药的爆炸性越大，且爆炸越容易在其体系内传播。因此参数q／Ea值反映了爆炸物发生爆炸反应的难易程度，可以用它来代替BZA-1评估法数学模型中的物性危险系数α。
为了验证应用感度参数q／Ea值作为物性危险系数的可靠性，对几种常见的爆炸危险品，分别计算它们的综合感度特征值和感度参数值，通过计算对这些危险品发生爆炸反应难易程度进行评价，以验证感度参数值作为物性危险系数α的可靠性和准确性。
炸药及其制品在生产和处理过程中受到的外界作用能量主要是热、明火、机械(撞击、摩擦)以及冲击波的作用，所以炸药感度分别为热感度、火焰感度、机械感度、爆轰(冲击波)感度等。但到目前为止，尚未发现这些感度之间的相互换算的当量关系，因此，在考虑其危险性时不宜只用某一种感度或某几种感度，必须综合所有的感度。鉴于在生产过程中，炸药主要受到的作用是热和机械，同时也限于资料条件，本文取5s爆发点TE（℃）、真空安定性Sv（cm3）、落锤撞击感度Sh（cm）、摩擦感度Sf（N）和爆轰感度Sd五种感度作为评价炸药综合感度特征的基础。五种感度对应的危险性系数分别为热爆炸危险性系数α1、热分解危险性系数α2、撞击危险性系数α3、摩擦危险性系数α4和起爆危险性系数α5。于是，常用火炸药的综合感度特征值α＝（α1＋α2＋α3＋α4＋α5）／5。应用综合感度特征值和感度参数值对几种常见的单质炸药的计算结果分别如表1和表2所示。
由综合感度特征值(表1)评价上述几种单质炸药的危险性顺序如下：
表1 几种单质炸药综合感度特征值
|
炸药名称 |
a1 |
α2 |
α3 |
α4 |
α5 |
α |
|
硝酸铵 |
0．94 |
0．38 |
0．16 |
0 |
1．0 |
0．50 |
|
高氯酸铵 |
1．77 |
0．16 |
2．38 |
0 |
1．0 |
1．06 |
|
二硝基甲苯 |
5．25 |
0．05 |
1．75 |
0 |
1．0 |
1．61 |
|
三硝基甲苯 |
0．66 |
0．13 |
5．56 |
0 |
4．6 |
2．19 |
|
黑索今 |
6．63 |
0．88 |
7．46 |
6．66 |
9．0 |
6．13 |
|
太安 |
7．61 |
0．63 |
8．10 |
8．33 |
9．40 |
6．81 |
|
硝化甘油 |
7．69 |
10 |
0．84 |
6．66 |
8．00 |
8．44 |
|
雷汞 |
8．02 |
10 |
9．37 |
|
10 |
10 |
由感度计算值即感度参数值（表2)评价上述几种单质炸药的危险性顺序如下：
表2 几种单质炸药感度计算值
|
炸药名称 |
活化能Ea ／kJ.mol-1 |
爆热Q ／kJ.mol-1 |
产物总量m ／mol.mol-1 |
生成物放出热量q? ／kJ.mol-1 |
危险系数 q／Ea |
|
硝酸铵 |
167．2 |
118．3 |
3．5 |
82．3 |
0．49 |
|
高氯酸铵 |
133．8 |
170．1 |
4．25 |
71．5 |
0．53 |
|
二硝基甲苯 |
166．8 |
803．4 |
11．0 |
90．7 |
0．54 |
|
三硝基甲苯 |
142．1 |
1209．7 |
11．0 |
122．9 |
0．86 |
|
黑索今 |
198．6 |
1376．1 |
9．0 |
175．1 |
0．88 |
|
太安 |
196．5 |
728．2 |
11．0 |
198．1 |
1．01 |
|
硝化甘油 |
178．1 |
1381．5 |
7．25 |
215．3 |
1．22 |
|
雷汞 |
133．8 |
659．6 |
4．0 |
198．6 |
1．48 |
注：*q＝（Q＋Ea）／m（下同）。
雷汞（1．48）＞硝化甘油（1．22）＞太安（1．01）＞黑索今（0．88）＞三硝基甲苯（0．86）＞二硝基甲苯（0．54）＞高氯酸铵（0．53）＞硝酸铵（0．49）。
由此可见，用感度计算值与综合感度特征值评价几种单质炸药的危险性所得出的结论基本一致。
应用综合感度特征值和感度计算值对几种常见的混合炸药［3、4］的计算结果分别如表3和表4所示。
表3 几种混合炸药综合感度特征值
| 炸药名称 | 阿马托 （80／20） |
赛克洛托儿 （70／30） |
赛克洛托儿 （60／40） |
特屈托儿 （80／20） |
特屈托儿 （75／25） |
特屈托儿 （70／30） |
特屈托儿 （65／35） |
| 组成（％） | 硝酸铵80 梯恩梯20 |
黑索今70 梯恩梯30 |
黑索今60 |
特屈儿80 梯恩梯20 |
特屈儿75 梯恩梯25 |
特屈儿70 梯恩梯30 |
特屈儿65 梯恩梯35 |
| α1 | 6．00 | 6．75 | 6．00 | 5．50 | 4．50 | 4．00 | 3．75 |
| α2 | 2．76 | 5．91 | 5．27 | 8．86 | 7．84 | 7．44 | 6．82 |
| α3 | 5．00 | 5．00 | 5．00 | 6．50 | 5．50 | 4．00 | 3．50 |
| α4 | 0．69 | － | 0．08 | 10．0 | 10．0 | 10．0 | 10．0 |
| α | 3．61 | 5．89 | 4．09 | 7．71 | 6．96 |
6．36 |
6．02 |
表4 几种混合炸药的感度计算值［5］
|
炸药名称 |
阿马托 （80／20） |
赛克洛托儿 （70／30） |
赛克洛托儿 （60／40） |
特屈托儿 （80／20） |
特屈托儿 （75／25） |
特屈托儿 （70／30） |
特屈托儿 （65／35） |
|
爆热Q ／kJ.mol-1 |
393．43 |
509．03 |
493．66 |
473．63 |
469．63 |
465．59 |
461．57 |
|
活化能Ea ／kJ.mol-1 |
181．81 |
81．35 |
78．67 |
56．80 |
57．15 |
57．52 |
57．88 |
|
产物总量m ／mol.mol-1 |
4．01 |
4．29 |
4．37 |
4．31 |
4．35 |
4．38 |
4．41 |
|
生成物放出热量q ／kJ.mol-1 |
143．58 |
137．59 |
130．97 |
122．98 |
121．19 |
119．43 |
117．71 |
|
危险系数q／Ea |
0．79 |
1．69 |
1．66 |
2．17 |
2．12 |
2．08 |
2.03 |
由感度计算值（表4）评价几种混合炸药的危险性顺序如下：80／20特屈托儿（2．17）＞75／25特屈托儿（2．12）＞70／30特屈托儿（2．08）＞65／35特屈托儿（2．03）＞70／30赛克洛托儿（1．69）＞60／40赛克洛托儿（1．67）＞80／20阿马托（0．79）。
由此可见，用感度计算值与综合感度特征评价混合炸药的危险性所得出的结论也基本是一致的。应用感度计算值评价工业炸药危险性的结果如表5所示。
表5 几种工业炸药的感度计算值
| 炸药名称 | 爆热Q ／kJ.mol-1 |
活化能Ea ／kJ.mol-1 |
生成物摩尔数m ／mol.mol-1 |
生成物放出热量q ／kJ.mol-1 |
危险系数 q／Ea |
| 2＃岩石铵梯炸药 | 350．10 | 186．75 | 4．12 |
130．18 |
0．70 |
| 2＃岩石铵梯油炸药 | 355．07 | 189．54 | 4．19 | 129．98 | 0．69 |
| 岩石膨化硝铵炸药 | 349．62 | 194．68 | 4．33 | 125．70 | 0．64 |
| 2＃煤矿铵梯炸药 | 278．37 | 156．50 | 3．74 |
116．19 |
0．74 |
| 3＃煤矿铵梯炸药 | 246．67 | 148．04 | 3．62 |
109．00 |
0．74 |
| 2＃煤矿膨化硝铵炸药 | 308．72 | 175．64 | 3．88 | 124．84 | 0．71 |
| 3＃煤矿膨化硝铵炸药 | 248．50 | 167．17 | 3．71 | 112．04 | 0．67 |
| 岩石乳化炸药 | 166．16 | 180．78 | 4．19 | 82．74 | 0．46 |
| RJ-52乳化炸药 | 225．30 | 169．17 | 4．26 | 92．68 | 0．54 |
| EL-101乳化炸药 | 172．23 | 173．40 | 4．14 |
83．59 |
0．48 |
| WR乳化炸药 | 185．59 | 177．60 | 4．18 | 86．90 | 0．48 |
| MD乳化炸药 | 128．32 | 183．58 | 4．16 | 74．92 | 0．41 |
表5说明，乳化炸药的危险系数明显低于粉状硝铵炸药；对于同一类型粉状硝铵炸药来说，无梯型的危险系数明显低于含梯型的；对于岩石型和煤矿型粉状工业炸药来说，煤矿型的危险系数高于岩石型的，这主要是因为加入了熔点较高和硬度较大的食盐，使得煤矿型的工业炸药在受到外界能量作用时，食盐便成为强烈的摩擦中心并产生加热中心，从而促进爆炸进行。因此，煤矿型的工业炸药危险系数较高。
4 结论
在用BZA-1法对爆炸危险源的危险性进行定量评估时，完全可以用感度参数值q／Ea代替BZA-1评估法数学模型中的物性危险系数α。
作者单位:南京理工大学(南京，210094)
参考文献
1 隋鹏程，陈宝智．安全原理与事故预测．北京：冶金工业出版社，1988
2 朱祖良．关于炸药感度评价的初步探讨．火炸药，1983（5）∶51～54
3 钟一鹏等．国外炸药性能手册．北京：兵器工业出版社，1990
4 吕春绪等．工业炸药．北京：兵器工业出版社，1994
5 吉田忠雄，田村昌三．反应性化学物质与爆炸物品的安全．刘荣海等译．北京：兵器工业出版社，1991
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