事故模擬

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事故后果模擬分析方法

1簡述

火災、爆炸、中毒是常見的重大事故，經常造成嚴重的人員傷亡和巨大的財產損失，影響社會安

定。這里重點介紹有關火災、爆炸和中毒事故(熱輻射、爆炸波、中毒)后果分析，在分析過程中運用

了數學模型。通常一個復雜的問題或現象用數學模型來描述，往往是在一個系列的假設前提下按理想

的情況建立的，有些模型經過小型試驗的驗證，有的則可能與實際情況有較大出入，但對辨識危險性

來說是可參考的。

2泄漏

由于設備損壞或操作失誤引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物質的釋放，將會導致火災、爆

炸、中毒等重大事故發生。因此，事故后果分析由泄漏分析開始。

2．1泄漏情況分析

1)泄漏的主要設備

根據各種設備泄漏情況分析，可將工廠(特別是化工廠)中易發生泄漏的設備歸納為以下10類：管

道、撓性連接器、過濾器、閥門、壓力容器或反應器、泵、壓縮機、儲罐、加壓或冷凍氣體容器及火

炬燃燒裝置或放散管等。

(1)管道。它包括管道、法蘭和接頭，其典型泄漏情況和裂口尺寸分別取管徑的20％～100％、20％

和20％～100％。

(2)撓性連接器。它包括軟管、波紋管和鉸接器，其典型泄漏情況和裂口尺寸為：

①連接器本體破裂泄漏，裂口尺寸取管徑的20％～100％；

②接頭處的泄漏，裂口尺寸取管徑的20％；

③連接裝置損壞泄漏，裂口尺寸取管徑的100％。

(3)過濾器。它由過濾器本體、管道、濾網等組成，其典型泄漏情況和裂口尺寸分別取管徑的20％～

100％和20％。

(4)閥。其典型泄漏情況和裂口尺寸為：

①閥殼體泄漏，裂口尺寸取管徑的20％～100％；

②閥蓋泄漏，裂口尺寸取管徑的20％；

③閥桿損壞泄漏，裂口尺寸取管徑的20％。

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(10)火炬燃燒器或放散管。它們包括燃燒裝置、放散管、多通接頭、氣體洗滌器和分離罐等，泄

漏主要發生在簡體和多通接頭部位。裂口尺寸取管徑的20％～100％。

2)造成泄漏的原因

從人－機系統來考慮造成各種泄漏事故的原因主要有4類。

(1)設計失誤。

①基礎設計錯誤，如地基下沉，造成容器底部產生裂縫，或設備變形、錯位等；

②選材不當，如強度不夠，耐腐蝕性差、規格不符等；

③布置不合理，如壓縮機和輸出管沒有彈性連接，因振動而使管道破裂；

④選用機械不合適，如轉速過高、耐溫、耐壓性能差等；

⑤選用計測儀器不合適；

⑥儲罐、貯槽未加液位計，反應器(爐)未加溢流管或放散管等。

(2)設備原因。

①加工不符合要求，或未經檢驗擅自采用代用材料；

②加工質量差，特別是不具有操作證的焊工焊接質量差；

③施工和安裝精度不高，如泵和電機不同軸、機械設備不平衡、管道連接不嚴密等；

④選用的標準定型產品質量不合格；

⑤對安裝的設備沒有按<機械設備安裝工程及驗收規范)進行驗收；

⑥設備長期使用后未按規定檢修期進行檢修，或檢修質量差造成泄漏；

⑦計測儀表未定期校驗，造成計量不準；

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⑧閥門損壞或開關泄漏，又未及時更換；

⑨設備附件質量差，或長期使用后材料變質、腐蝕或破裂等。

(3)管理原因。

①沒有制定完善的安全操作規程；

②對安全漠不關心，已發現的問題不及時解決；

③沒有嚴格執行監督檢查制度；

④指揮錯誤，甚至違章指揮；

⑤讓未經培訓的工人上崗，知識不足，不能判斷錯誤；

⑥檢修制度不嚴，沒有及時檢修已出現故障的設備，使設備帶病運轉。

3)泄漏后果

泄漏一旦出現，其后果不單與物質的數量、易燃性、毒性有關，而且與泄漏物質的相態、壓力、

溫度等狀態有關。這些狀態可有多種不同的結合，在后果分析中，常見的可能結合有4種：

·常壓液體；

·加壓液化氣體；

·低溫液化氣體；

·加壓氣體。

泄漏物質的物性不同，其泄漏后果也不同。

(1)可燃氣體泄漏。可燃氣體泄漏后與空氣混合達到燃燒極限時，遇到引火源就會發生燃燒或爆炸。

泄漏后起火的時間不同，泄漏后果也不相同。

①立即起火。可燃氣體從容器中往外泄出時即被點燃，發生擴散燃燒，產生噴射性火焰或形成火

球，它能迅速地危及泄漏現場，但很少會影響到廠區的外部。

②滯后起火。可燃氣體泄出后與空氣混合形成可燃蒸氣云團，并隨風飄移，遇火源發生爆炸或爆

轟，能引起較大范圍的破壞。

(2)有毒氣體泄漏。有毒氣體泄漏后形成云團在空氣中擴散，有毒氣體的濃密云團將籠罩很大的空

間，影響范圍大。

(3)液體泄漏。一般情況下，泄漏的液體在空氣中蒸發而生成氣體，泄漏后果與液體的性質和貯存

條件(溫度、壓力)有關。

①常溫常壓下液體泄漏。這種液體泄漏后聚集在防液堤內或地勢低洼處形成液池，液體由于池表

面風的對流而緩慢蒸發，若遇引火源就會發生池火災。

②加壓液化氣體泄漏。一些液體泄漏時將瞬時蒸發，剩下的液體將形成一個液池，吸收周圍的熱

量繼續蒸發。液體瞬時蒸發的比例決定于物質的性質及環境溫度。有些泄漏物可能在泄漏過程中全部

蒸發。

③低溫液體泄漏。這種液體泄漏時將形成液池，吸收周圍熱量蒸發，蒸發量低于加壓液化氣體的

泄漏量，高于常溫常壓下液體的泄漏量。

無論是氣體泄漏還是液體泄漏，泄漏量的多少都是決定泄漏后果嚴重程度的主要因素，而泄漏量

又與泄漏時間長短有關。

2．2泄漏量的計算

當發生泄漏的設備的裂口是規則的，而且裂口尺寸及泄漏物質的有關熱力學、物理化學性質及參

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數已知時，可根據流體力學中的有關方程式計算泄漏量。當裂口不規則時，可采取等效尺寸代替；當

遇到泄漏過程中壓力變化等情況時，往往采用經驗公式計算。

1)液體泄漏量

液體泄漏速度可用流體力學的柏努利方程計算，其泄漏速度為：

gh

pp

ACQ

d

2

)(2

0

0

?

?

?

??

(1)

式中Q

0

——液體泄漏速度，kg／s；

Cd——液體泄漏系數，按表1選取；

A——裂口面積，m2；

ρ——泄漏液體密度，kg/m3；

p——容器內介質壓力，Pa；

p

0

——環境壓力，Pa；

g——重力加速度，9．8m／s2；

h——裂口之上液位高度，m。

對于常壓下的液體泄漏速度，取決于裂口之上液位的高低；對于非常壓下的液體泄漏速度，主要

取決于窗口內介質壓力與環境壓力之差和液位高低。

當容器內液體是過熱液體，即液體的沸點低于周圍環境溫度，液體流過裂口時由于壓力減小而突

然蒸發。蒸發所需熱量取自于液體本身，而容器內剩下的液體溫度將降至常壓沸點。在這種情況下，

泄漏時直接蒸發的液體所占百分比F可按下式計算：

H

TT

cF

p

0

?

?

(2)

式中cp——液體的比定壓熱容，J／(kg·K)；

T——泄漏前液體的溫度，K；

T

0

——液體在常壓下的沸點，K；

H——液體的氣化熱，J／kg。

按式(2)計算的結果，幾乎總是在0～1之間。事實上，泄漏時直接蒸發的液體將以細小煙霧的形

式形成云團，與空氣相混合而吸收熱蒸發。如果空氣傳給液體煙霧的熱量不足以使其蒸發，由一些液

體煙霧將凝結成液滴降落到地面，形成液池。根據經驗，當F＞0．2時，一般不會形成液池；當F＜

0．2時，F與帶走液體之比有線性關系，即當F=0時，沒有液體帶走(蒸發)；當F=0．1時，有50％

的液體被帶走。

2)氣體泄漏量

氣體從裂口泄漏的速度與其流動狀態有關。因此，計算泄漏量時首先要判斷泄漏時氣體流動屬于

音速還是亞音速流動，前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。

當式(3)成立時，氣體流動屬音速流動：

1

0]

1

2

[?

?

?k

k

kp

p

(3)

當式(4)成立時，氣體流動屬亞音速流動：

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(4)

式中p——容器內介質壓力，Pa；

p

0

——環境壓力，Pa；

k——氣體的絕熱指數，即比定壓熱容c

p

與比定容熱容c

V

之比。

氣體呈音速流動時，其泄漏量為：

1

1

0

]

1

2

[?

?

?

?k

k

dkRT

Mk

APCQ

(5)

氣體呈亞音速流動時，其泄漏量為：

1

1

0

]

1

2

[?

?

?

?k

k

dkRT

Mk

AYCQ

?

(6)

上兩式中，Cd——氣體泄漏系數，當裂口形狀為圓形時取1．00，三角形時取0．95，長方形時取0．90；

Y——氣體膨脹因子，它由下式計算：

}][1{][]

2

1

][

1

1

[

1

0

2

0

1

1

k

k

kk

k

p

p

p

pk

k

Y

?

?

?

?

?

?

?

(7)

M——分子量；

ρ——氣體密度，kg/m3；

R——氣體常數，J／(mol·K)；

T——氣體溫度，K。

當容器內物質隨泄漏而減少或壓力降低而影響泄漏速度時，泄漏速度的計算比較復雜。如果流速

小或時間短，在后果計算中可采用最初排放速度，否則應計算其等效泄漏速度。

3)兩相流動泄漏量

在過熱液體發生泄漏時，有時會出現氣、液兩相流動。均勻兩相流動的泄漏速度可按下式計算：

)(2

0cd

ppACQ???

(8)

式中Q

0

——兩相流泄漏速度，kg／s；

Cd——兩相流泄漏系數，可取0．8；

A——裂口面積，m2；

p——兩相混合物的壓力，Pa；

Pc——臨界壓力，Pa，可取pc=0．55Pa；

ρ——兩相混合物的平均密度，kg／m3，

21

1

1

??

?

vv

FF?

?

?

(9)

ρ

1

——液體蒸發的蒸氣密度，kg／m3；

ρ

2

——液體密度，kg／m3；

Fv——蒸發的液體占液體總量的比例，

H

TTc

Fcp

v

)(?

?

(10)

cp——兩相混合物的比定壓熱容，J／(kg·K)；

T——兩相混合物的溫度，K；

Tc——臨界溫度，K；

H——體的氣化熱，J／kg。

當F>1時，表明液體將全部蒸發成氣體，這時應按氣體泄漏公式計算；如果Fv很小，則可近似

按液體泄漏公式計算。

1

0]

1

2

﹥[?

?

k

k

kp

p

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2．3泄漏后的擴散

如前所述，泄漏物質的特性多種多樣，而且還受原有條件的強烈影響，但大多數物質從容器中泄

漏出來后，都可發展成彌散的氣團向周圍空間擴散。對可燃氣體若遇到引火源會著火。這里僅討論氣

團原形釋放的開始形式，即液體泄漏后擴散、噴射擴散和絕熱擴散。關于氣團在大氣中的擴散屬環境

保護范疇，在此不予考慮。

1)液體的擴散

液體泄漏后立即擴散到地面，一直流到低洼處或人工邊界，如防火堤、岸墻等，形成液池。液體

泄漏出來不斷蒸發，當液體蒸發速度等于泄漏速度時，液池中的液體量將維持不變。

如果泄漏的液體是低揮發度的，則從液池中蒸發量較少，不易形成氣團，對廠外人員沒有危險；

如果著火則形成池火災；如果滲透進土壤，有可能對環境造成影響，如果泄漏的是揮發性液體或低溫

液體，泄漏后液體蒸發量大，大量蒸發在液池上面后會形成蒸氣云，并擴散到廠外，對廠外人員有影

響。

(1)液池面積。如果泄漏的液體已達到人工邊界，則液池面積即為人工邊界圍成的面積。如果泄漏

的液體未達到人工邊界，則從假設液體的泄漏點為中心呈扁圓柱形在光滑平面上擴散，這時液池半徑

r用下式計算：

瞬時泄漏(泄漏時間不超過30s)時，

4]

8

[

t

p

gm

r

?

?

(11)

連續泄漏(泄漏持續10min以上)時，

4

1

3

]

32

[

p

gmt

r

?

?

(12)

式中r——液池半徑，m；

m——泄漏的液體質量，kg；

g——重力加速度，9．8m／s2；

p——設備中液體壓力，Pa；

t——泄漏時間，s。

(2)蒸發量。液池內液體蒸發按其機理可分為閃蒸、熱量蒸發和質量蒸發3種，下面分別介紹。

①閃蒸。過熱液體泄漏后，由于液體的自身熱量而直接蒸發稱為閃蒸。發生閃蒸時液體蒸發速度

Qt可由下式計算：

tmFQ

vt

/??

(13)

式中Fv——直接蒸發的液體與液體總量的比例；

m——泄漏的液體總量，kg；

t——閃蒸時間，s。

②熱量蒸發。當Fv＜1或Qt＜m時，則液體閃蒸不完全，有一部分液體在地面形成液池，并吸

收地面熱量而氣化，稱為熱量蒸發。熱量蒸發速度Qt按下式計算：

)(

)(

)(

0

1

01

b

b

t

TT

HL

ANuK

tH

TTKA

Q??

?

?

??

(14)

式中A

1

——液池面積，m2；

T

0

——環境溫度，K；

T

b

——液體沸點，K；

H——液體蒸發熱，J／kg；

L——液池長度，m；

α——熱擴散系數，m2／s，見表2；

K——導熱系數，J／(m·K)，見表2；

t——蒸發時間，s；

Nu——努塞爾(Nuslt)數。

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③質量蒸發。當地面傳熱停止時，熱量蒸發終止，轉而由液池表面之上氣流運動使液體蒸發，稱

為質量蒸發。其蒸發速度Q

1

為：

11

)(??

L

A

ShQ?

(15)

式中α——分子擴散系數，m2／s；

Sh——舍伍德(Sherwood)數；

A——液池面積，m2；

L——液池長度，m；

ρ

1

——液體的密度，kg／m3。

2)噴射擴散

氣體泄漏時從裂口噴出，形成氣體噴射。大多數情況下氣體直接噴出后，其壓力高于周圍環境大

氣壓力，溫度低于環境溫度。在進行氣體噴射計算時，應以等價噴射孔口直徑計算。等價噴射的孔口

直徑按下式計算：

?

?

0

0

DD?

(16)

式中D——等價噴射孔徑，m；

D

0

——裂口孔徑，m；

ρ

0

——泄漏氣體的密度，kg／m3；

ρ——周圍環境條件下氣體的密度，kg／m3。

如果氣體泄漏能瞬時間達到周圍環境的溫度、壓力狀況，即ρ

0

=ρ，則D=D

0

。

(1)噴射的濃度分布。在噴射軸線上距孔口x處的氣體的質量濃度C(x)為：

?

?

?

???

?

?

132.0

)(

0

1

21

D

x

b

bb

xC

(17)

式中b

1

，b

2

——分布函數，b

1

=50．5+48．2ρ—9．95ρ2，b

2

=23+41ρ。

其余符號意義同前。

如果把式(17)改寫成x是C(x)的函數形式，則給定某質量濃度值C(x)，就可算出具有濃度的點至

孔口的距離x。

在過噴射軸線上點x且垂直于噴射軸線的平面內任一點處的氣體質量濃度為：

2

)/(2

)(

),(

xybe

xC

yxC

??

(18)

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式中C(x，y)——距裂口距離x且垂直于噴射軸線的平面內y點的氣體濃度，kg／m3；

C(x)——噴射軸線上距裂口x處的氣體的質量濃度，kg／m3；

b

2

——分布參數，同前；

y——目標點到噴射軸線的距離，m。

(2)噴射軸線上的速度分布。噴射速度隨著軸線距離增大而減少，直到軸線上的某一點噴射速度等

于風速為止，該點稱為臨界點。臨界點以后的氣體運動不再符合噴射規律。沿噴射軸線上的速度分布

由下式得出：

2

0

1

0

0

)](132.0[

4

)(

x

D

D

xb

v

xv

?

?

?

?

?

?????

(19)

式中ρ

0

——泄漏氣體的密度，kg／m3；

ρ——周圍環境條件下氣體的密度，kg／m3；

D——等價噴射孔徑，m；

b

1

——分布參數，同前；

x——噴射軸線上距裂口某點的距離，m；

)(xv

——噴射軸線上距裂口x處一點的速度，m／s；

0

v

——噴射初速，等于氣體泄漏時流出裂口時的速度，m／s，

2

0

0

0

)

2

(

D

C

Q

v

d

??

?

(20)

Q

0

——氣體泄漏速度，kg／s；

Cd——氣體泄漏系數；

D

0

——裂口直徑，m。

當臨界點處的濃度小于允許濃度(如可燃氣體的燃燒下限或者有害氣體最高允許濃度)時，只需按

噴射來分析；若該點濃度大于允許濃度時，則需要進一步分析泄漏氣體在大氣中擴散的情況。

3)絕熱擴散

閃蒸液體或加壓氣體瞬時泄漏后，有一段快速擴散時間，假定此過程相當快以致在混合氣團和周

圍環境之間來不及熱交換，則稱此擴散為絕熱擴散。

根據TNO(1979年)提出的絕熱擴散模式，泄漏氣體(或液體閃蒸形成的蒸氣)的氣團呈半球形向外

擴散。根據濃度分布情況，把半球分成內外兩層，內層濃度均勻分布，且具有50％的泄漏量；外層

濃度呈高斯分布，具有另外50％的泄漏量。

絕熱擴散過程分為兩個階段，第一階段氣團向外擴散至大氣壓力，在擴散過程中，氣團獲得動能，

稱為“擴散能”；第二階段，擴散能再將氣團向外推，使紊流混合空氣進入氣團，從而使氣團范圍擴

大。當內層擴散速度降到一定值時，可以認為擴散過程結束。

(1)氣團擴散能。在氣團擴散的第一階段，擴散的氣體(或蒸氣)的內能一部分用來增加動能，對周

圍大氣做功。假設該階段的過程為可逆絕熱過程，并且是等熵的。

①氣體泄漏擴散能。根據內能變化得出擴散能計算公式如下：

E=c

V

(T

1

—T

2

)—0．98p

0

(V

2

—V

1

)(21)

式中E——氣體擴散能，J；

c

V

——比定容熱容，J／(kg·K)；

T

1

——氣團初始溫度，K；

T

2

——氣團壓力降至大氣壓力時的溫度，K；

p

0

——環境壓力，Pa；

V

1

——氣團初始體積，m3；

V

2

——氣團壓力降至大氣壓力時的體積，m3。

②閃蒸液泄漏擴散能。蒸發的蒸氣團擴散能可以按下式計算：

E=[H

1

—H

2

—Tb(S

1

一S

2

)]W—0．98(p

1

—p

0

)V

1

(22)

式中E——閃蒸液體擴散能，J；

H

1

——泄漏液體初始焓；J／kg；

H

2

——泄漏液體最終焓；J／kg；

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Tb—液體的沸點，K；

S

1

——液體蒸發前的熵，J／(kg·K)；

S

2

——液體蒸發后的熵，J／(kg·K)；

W——液體蒸發量，kg；

p

1

——初始壓力，Pa；

p

0

——周圍環境壓力，Pa；

V

1

——初始體積，m3。

(2)氣團半徑與濃度。在擴散能的推動下氣團向外擴散，并與周圍空氣發生紊流混合。

①內層半徑與濃度。氣團內層半徑R，和濃度C是時間函數，表達如下：

tKR

d

??72.2

1(23)

3

0

)(

0059.0

tK

V

C

d

?

?

(24)

式中t——擴散時間，s；

V

0

——在標準溫度、壓力下氣體體積，m3；

Kd——紊流擴散系數，按下式計算：

4

1

3

0

3

0

][0137.0

Et

V

EVK

d

???

(25)

如上所述，當中心擴散速度(dR／dt)降到一定值時，第二階段才結束。臨界速度的選擇是隨機的

且不穩定的。設擴散結束時擴散速度為1m／s，則在擴散結束時內層半徑R

1

和濃度C可按下式計算：

3

1

0

3.008837.0VER

t

?

(26)

9.095.172??EC

(27)

②外層半徑與濃度。第二階段末氣團外層的大小可根據試驗觀察得出，即擴散終結時外層氣團半

徑R

2

由下式求得：

R

2

=1．456R

1

(28)

式中R

2

，R

1

——分別為氣團內層、外層半徑，m。

外層氣團濃度自內層向外呈高斯分布。

3火災

易燃、易爆的氣體、液體泄漏后遇到引火源就會被點燃而著火燃燒。它們被點燃后的燃燒方式有

池火、噴射火、火球和突發火4種。

3．1池火

可燃液體(如汽油、柴油等)泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆蓋水面，遇到火源燃燒而

成池火。

1)燃燒速度

當液池中的可燃液體的沸點高于周圍環境溫度時，液體表面上單位面積的燃燒速度dm／dt為：

HTTc

H

dt

dm

bp

C

??

?

)(

001.0

0(29)

式中dm／dt——單位表面積燃燒速度，kg／(m2·s)；

Hc——液體燃燒熱；J／kg；

cp——液體的比定壓熱容；J／(kg·K)；

T

b

——液體的沸點，K；

T

0

——環境溫度，K；

H——液體的氣化熱，J／kg。

當液體的沸點低于環境溫度時，如加壓液化氣或冷凍液化氣，其單位面積的燃燒速度dm／dt為：

H

H

dt

dm

C

001.0

?

(30)

10/35

式中符號意義同前。

燃燒速度也可從手冊中直接得到。表3列出了一些可燃液體的燃燒速度。

表3一些可燃液體的燃燒速度

2)火焰高度

設液池為一半徑為r的圓池子，其火焰高度可按下式計算：

6.0

2

1

0

]

)2(

/

[84

gr

dtdm

rh

?

?

(31)

式中h——火焰高度；m；

r——液池半徑；m；

ρ

0

——周圍空氣密度，kg／m3；

g——重力加速度，9．8m／s2；

dm／dt——燃燒速度，kg／(m2·s)。

3)熱輻射通量

當液池燃燒時放出的總熱輻射通量為：

]1)(72/[)2(60.02?????

dt

dm

H

dt

dm

rhrQ

C

???

(32)

式中Q——總熱輻射通量，W；

η——效率因子，可取0．13～0．35；

其余符號意義同前。

4)目標入射熱輻射強度

假設全部輻射熱量由液池中心點的小球面輻射出來，則在距離池中心某一距離(X)處的入射熱輻

射強度為：

24X

Qt

Ic

?

?

(33)

式中I——熱輻射強度，w／m2；

Q——總熱輻射通量；W；

tc——熱傳導系數，在無相對理想的數據時，可取值為1；

X——目標點到液池中心距離，m。

3．2噴射火

加壓的可燃物質泄漏時形成射流，如果在泄漏裂口處被點燃，則形成噴射火。這里所用的噴射火

輻射熱計算方法是一種包括氣流效應在內的噴射擴散模式的擴展。把整個噴射火看成是由沿噴射中心

線上的全部點熱源組成，每個點熱源的熱輻射通量相等。

點熱源的熱輻射通量按下式計算：

C

HQq

0

??

(34)

式中q——點熱源熱輻射通量，W；

η——效率因子，可取0．35；

Q

0

——泄漏速度，kg/s；

Hc——燃燒熱，J／kg。

從理論上講，噴射火的火焰長度等于從泄漏口到可燃混合氣燃燒下限(LFL)的射流軸線長度。對

11/35

表面火焰熱通量，則集中在LFL／1．5處。對危險評價分析而言，點熱源數n一般取5就可以了。

射流軸線上某點熱源i到距離該點x處一點的熱輻射強度為：

24x

Rq

I

i?

?

?

(35)

式中Ii——點熱源i至目標點x處的熱輻射強度，w／m2；

q——點熱源的輻射通量，W；

x——點熱源到目標點的距離，m。

某一目標點處的入射熱輻射強度等于噴射火的全部點熱源對目標的熱輻射強度的總和：

?

?

?

n

i

i

II

1(36)

式中n——計算時選取的點熱源數，一般取n=5。

3．3火球和爆燃

低溫可燃液化氣由于過熱，容器內壓增大，使容器爆炸，內容物釋放并被點燃，發生劇烈的燃燒，

產生強大的火球，形成強烈的熱輻射。

1)火球半徑

327.0665.2MR?

(37)

式中R——火球半徑，m；

M——急劇蒸發的可燃物質的質量，kg。

2)火球持續時間

327.0089.1Mt?

(38)

式中t——火球持續時間，s。

3)火球燃燒時釋放出的輻射熱通量

t

MH

QC

?

?

(39)

式中Q——火球燃燒時輻射熱通量，W；

Hc——燃燒熱，J／kg；

η——效率因子，取決于容器內可燃物質的飽和蒸氣壓p，η=0．27

32.0p

；

其他符號同前。

4)目標接受到的入射熱輻射強度

24x

QT

Ic

?

?

(40)

式中Tc——傳導系數，保守取值為1；

x——目標距火球中心的水平距離，m；

其他符號同前。

3．4固體火災

固體火災的熱輻射參數按點源模型估計。此模型認為火焰射出的能量為燃燒的一部分，并且輻射

強度與目標至火源中心距離的平方成反比，即：

)4/(2xHfMq

Ccr

?

(41)

式中qr——目標接受到的輻射強度，W／m2；

f——輻射系數，可取f=0．25；

Mc——燃燒速率，kg/s；

Hc——燃燒熱，J／kg；

x——目標至火源中心間的水平距離，m。

12/35

3．5突發火

泄漏的可燃氣體、液體蒸發的蒸氣在空中擴散，遇到火源發生突然燃燒而沒有爆炸。此種情況下，

處于氣體燃燒范圍內的室外人員將會全部燒死；建筑物內將有部分人被燒死。

突發火后果分析，主要是確定可燃混合氣體的燃燒上、下極限的邊界線及其下限隨氣團擴散到達

的范圍。為此，可按氣團擴散模型計算氣團大小和可燃混合氣體的濃度。

3．6火災損失

火災通過輻射熱的方式影響周圍環境。當火災產生的熱輻射強度足夠大時，可使周圍的物體燃燒

或變形，強烈的熱輻射可能燒毀設備甚至造成人員傷亡等。

火災損失估算建立在輻射通量與損失等級的相應關系的基礎上，表4為不同入射通量造成傷害或

損失的情況。

表4熱輻射的不同入射通量所造成的損失

從表中可看出，在較小輻射等級時，致人重傷需要一定的時間，這時人們可以逃離現場或掩蔽起

來。

4爆炸

4．1簡述

爆炸是物質的一種非常急劇的物理、化學變化，也是大量能量在短時間內迅速釋放或急劇轉化成

機械功的現象。它通常是借助于氣體的膨脹來實現。

從物質運動的表現形式來看，爆炸就是物質劇烈運動的一種表現。物質運動急劇增速，由一種狀

態迅速地轉變成另一種狀態，并在瞬間內釋放出大量的能。

1)爆炸的特征

—般說來，爆炸現象具有以下特征：

(1)爆炸過程進行得很快；

(2)爆炸點附近壓力急劇升高，產生沖擊波；

(3)發出或大或小的響聲；

(4)周圍介質發生震動或鄰近物質遭受破壞。

一般將爆炸過程分為兩個階段：第一階段是物質的能量以一定的形式(定容、絕熱)轉變為強壓縮

能；第二階段強壓縮能急劇絕熱膨脹對外做功，引起作用介質變形、移動和破壞。

2)爆炸類型

按爆炸性質可分為物理爆炸和化學爆炸。物理爆炸就是物質狀態參數(溫度、壓力、體積)迅速發

13/35

生變化，在瞬間放出大量能量并對外做功的現象。其特點是在爆炸現象發生過程中，造成爆炸發生的

介質的化學性質不發生變化，發生變化的僅是介質的狀態參數。例如鍋爐、壓力容器和各種氣體或液

化氣體鋼瓶的超壓爆炸以及高溫液體金屬遇水爆炸等。化學爆炸就是物質由一種化學結構迅速轉變為

另一種化學結構，在瞬間放出大量能量并對外做功的現象。如可燃氣體、蒸氣或粉塵與空氣混合形成

爆炸性混合物的爆炸。化學爆炸的特點是：爆炸發生過程中介質的化學性質發生了變化，形成爆炸的

能源來自物質迅速發生化學變化時所釋放的能量。化學爆炸有3個要素，即反應的放熱性、反應的快

速性和生成氣體產物。

雷電是一種自然現象，也是一種爆炸。

從工廠爆炸事故來看，有以下幾種化學爆炸類型：

(1)蒸氣云團的可燃混合氣體遇火源突然燃燒，是在無限空間中的氣體爆炸；

(2)受限空間內可燃混合氣體的爆炸；

(3)化學反應失控或工藝異常所造成壓力容器爆炸；

(4)不穩定的固體或液體爆炸。

總之，發生化學爆炸時會釋放出大量的化學能，爆炸影響范圍較大；而物理爆炸僅釋放出機械能，

其影響范圍較小。

4．2物理爆炸的能量

物理爆炸，如壓力容器破裂時，氣體膨脹所釋放的能量(即爆破能量)不僅與氣體壓力和容器的容

積有關，而且與介質在容器內的物性相態相關。因為有的介質以氣態存在，如空氣、氧氣、氫氣等；

有的以液態存在，如液氨、液氯等液化氣體、高溫飽和水等。容積與壓力相同而相態不同的介質，在

容器破裂時產生的爆破能量也不同，而且爆炸過程也不完全相同，其能量計算公式也不同。

1)壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量

當壓力容器中介質為壓縮氣體，即以氣態形式存在而發生物理爆炸時，其釋放的爆破能量為：

3

1

10])

1013.0

(1[

1

??

?

?

?

k

k

gpk

pV

E

(42)

式中Eg——氣體的爆破能量，kJ；

P——容器內氣體的絕對壓力，MPa；

V——容器的容積，m3；

k——氣體的絕熱指數，即氣體的定壓比熱與定容比熱之比。

常用氣體的絕熱指數數值見表5。

表5常用氣體的絕熱指數

從表中可看出，空氣、氮、氧、氫及一氧化氮、一氧化碳等氣體的絕熱指數均為1．4或近似1．4．若

用k=1．4代入式(42)中。

32857.010])

1013.0

(1[5.2???

p

pVE

g

(43)

令

32857.010])

1013.0

(1[5.2???

p

pC

g

則式(43)可簡化為：

Eg=CgV(44)

式中Cg——常用壓縮氣體爆破能量系數，kJ／m3。

14/35

壓縮氣體爆破能量Cg是壓力p的函數，各種常用壓力下的氣體爆破能量系數列于表6中。

表6常用壓力下的氣體容器爆破能量系數(k=1．4時)

若將k=1代入式(42)，可得干飽和蒸氣容器爆破能量為：

31189.010])

1013.0

(1[4.7???

p

pVE

s

(45)

用上式計算有較大的誤差，因為它沒有考慮蒸氣干度的變化和其他的一些影響，但它可以不用查

明蒸氣熱力性質而直接進行計算，因此可供危險性評價參考。

對于常用壓力下的干飽和蒸氣容器的爆破能量可按下式計算：

Es=CsV(46)

式中Es——水蒸氣的爆破能量，kJ；

V——水蒸氣的體積，m3；

Cs—干飽和水蒸氣爆破能量系數，kJ／m3。

各種常用壓力下的干飽和水蒸氣容器爆破能量系數列于表7中。

表7常用壓力下干飽和水蒸氣容器爆破能量系數

2)介質全部為液體時的爆破能量

通常將液體加壓時所做的功作為常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，計算公式如下：

2

)1(2

t

L

Vp

E

??

?

(47)

式中E

L

——常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，kg；

p——液體的壓力(絕)，

1?

a

P

；

V——容器的體積，m3；

t

?

——液體在壓力p和溫度T下的壓縮系數，

1?

a

P

。

3)液化氣體與高溫飽和水的爆破能量

液化氣體和高溫飽和水一般在容器內以氣液兩態存在，當容器破裂發生爆炸時，除

了氣體的急劇膨脹做功外，還有過熱液體激烈的蒸發過程。在大多數情況下，這類容器

內的飽和液體占有容器介質質量的絕大部分，它的爆破能量比飽和氣體大得多，—般計

算時考慮氣體膨脹做的功。過熱狀態下液體在容器破裂時釋放出的爆破能量可按下式計

算：

E=[(H

1

—H

2

)—(S

1

—S

2

)T

1

]W(48)

式中E——過熱狀態液體的爆破能量，kJ；

15/35

H

1

——爆炸前飽和液體的焓，kJ／kg；

H

2

——在大氣壓力下飽和液體的焓，kJ／kg；

S

1

——爆炸前飽和液體的熵，kJ／(kg·℃)；

S

2

——在大氣壓力下飽和液體的熵，kJ／(kg·℃)；

T

1

——介質在大氣壓力下的沸點，kJ／(kg·℃)；

W——飽和液體的質量，kg。

飽和水容器的爆破能量按下式計算：

Ew=CwV(49)

式中Ew——飽和水容器的爆破能量，kJ；

V——容器內飽和水所占的容積，m3；

Cw——飽和水爆破能量系數，kJ／m3，其值見表8。

表8常用壓力下飽和水爆破能量系數

4．3爆炸沖擊波及其傷害、破壞作用

壓力容器爆炸時，爆破能量在向外釋放時以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式

表現出來。后二者所消耗的能量只占總爆破能量的3％～15％，也就是說大部分能量是產生空氣沖擊

波。

1)爆炸沖擊波

沖擊波是由壓縮波疊加形成的，是波陣面以突進形式在介質中傳播的壓縮波。容器破裂時，器內

的高壓氣體大量沖出，使它周圍的空氣受到沖擊波而發生擾動，使其狀態(壓力、密度、溫度等)發生

突躍變化，其傳播速度大于擾動介質的聲速，這種擾動在空氣中的傳播就成為沖擊波。在離爆破中心

一定距離的地方，空氣壓力會隨時間發生迅速而懸殊的變化。開始時，壓力突然升高，產生一個很大

的正壓力，接著又迅速衰減，在很短時間內正壓降至負壓。如此反復循環數次，壓力漸次衰減下去。

開始時產生的最大正壓力即是沖擊波波陣面上的超壓△p。多數情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是

由超壓引起的。超壓△p可以達到數個甚至數十個大氣壓。

沖擊波傷害、破壞作用準則有：超壓準則、沖量準則、超壓—沖量準則等。為了便于操作，下面

僅介紹超壓準則。超壓準則認為，只要沖擊波超壓達到一定值，便會對目標造成一定的傷害或破壞。

超壓波對人體的傷害和對建筑物的破壞作用見表9和表10。

表9沖擊波超壓對人體的傷害作用

表10沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

16/35

2)沖擊波的超壓

沖擊波波陣面上的超壓與產生沖擊波的能量有關，同時也與距離爆炸中心的遠近有關。沖擊波的

超壓與爆炸中心距離的關系為：

nRp???

(50)

式中△p——沖擊波波陣面上的超壓，MPa；

R——距爆炸中心的距離，m；

n——衰減系數。

衰減系數在空氣中隨著超壓的大小而變化，在爆炸中心附近為2．5～3；當超壓在數個大氣壓以

內時，n=2；小于1個大氣壓，n=1．5。

實驗數據表明，不同數量的同類炸藥發生爆炸時，如果R與R

0

之比與q與q

0

之比的三次方根相

等，則所產生的沖擊波超壓相同，用公式表示如下：

若

???3

00

q

q

R

R

則0

pp???

(51)

式中R——目標與爆炸中心距離，m；

R

0

——目標與基準爆炸中心的相當距離，m；

q

0

——基準炸藥量，TNT，kg；

q——爆炸時產生沖擊波所消耗的炸藥量，TNT，kg；

△p——目標處的超壓，MPa；

△p

0

——基準目標處的超壓，MPa；

α——炸藥爆炸試驗的模擬比。

上式也可寫成為：

△p(R)=△p

0

(R／a)(52)

利用式(52)就可以根據某些已知藥量的試驗所測得的超壓來確定任意藥量爆炸時在各種相應距離

下的超壓。

表11是1000ksTNT炸藥在空氣中爆炸時所產生的沖擊波超壓。

表111000kgTNT爆炸時的沖擊波超壓

綜上所述，計算壓力容器爆破時對目標的傷害、破壞作用，可按下列程序進行。

(1)首先根據容器內所裝介質的特性，分別選用式(43)至式(49)計算出其爆破能量E。

17/35

(2)將爆破能量q換算成TNT當量q。因為1kgTNT爆炸所放出的爆破能量為4230～4836kJ／

kg，一般取平均爆破能量為4500kJ／kg，故其關系為：

q=E／qTNT=E／4500(53)

(3)按式(51)求出爆炸的模擬比α，即：

a=(q／q

0

)1／3=(1／1000)1／3=0．1q1／3(54)

(4)求出在1000kgTNT爆炸試驗中的相當距離R

0

，即R

0

=R／α。

(5)根據R

0

值在表11中找出距離為R

0

處的超壓△p

0

(中間值用插入法)，此即所求距離為R處的

超壓。

(6)根據超壓△p值，從表9、表10中找出對人員和建筑物的傷害、破壞作用。

3)蒸氣云爆炸的沖擊波傷害、破壞半徑

爆炸性氣體以液態儲存，如果瞬間泄漏后遇到延遲點火或氣態儲存時泄漏到空氣中，遇到火源，

則可能發生蒸氣云爆炸。導致蒸氣云形成的力來自容器內含有的能量或可燃物含有的內能，或兩者兼

而有之。“能”的主要形式是壓縮能、化學能或熱能。一般說來，只有壓縮能和熱量才能單獨導致形

成蒸氣云。

根據荷蘭應用科研院(TNO(1979))建議，可按下式預測蒸氣云爆炸的沖擊波的損害半徑：

R=Cs(NE)1／3(55)

式中R——損害半徑，m；

E——爆炸能量，kJ，可按下式取，E=V·Hc(56)

V——參與反應的可燃氣體的體積，m3；

Hc——可燃氣體的高燃燒熱值，kJ／m3，取值情況見表12；

N——效率因子，其值與燃燒濃度持續展開所造成損耗的比例和燃料燃燒所得機械能的數量有

關，一般取N=1096；

Cs——經驗常數，取決于損害等級，其取值情況見表13。

表12某些氣體的高燃燒熱熱值kJ／m3

表13損害等級表

18/35

5中毒

有毒物質泄漏后生成有毒蒸氣云，它在空氣中飄移、擴散，直接影響現場人員，并可能波及居民

區。大量劇毒物質泄漏可能帶來嚴重的人員傷亡和環境污染。

毒物對人員的危害程度取決于毒物的性質、毒物的濃度和人員與毒物接觸時間等因素。有毒物質

泄漏初期，其毒氣形成氣團密集在泄漏源周圍，隨后由于環境溫度、地形、風力和湍流等影響氣團飄

移、擴散，擴散范圍變大，濃度減小。在后果分析中，往往不考慮毒物泄漏的初期情況，即工廠范圍

內的現場情況，主要計算毒氣氣團在空氣中飄移、擴散的范圍、濃度、接觸毒物的人數等。

5．1毒物泄漏后果的概率函數法

概率函數法是用人們在一定時間接觸一定濃度毒物所造成影響的概率來描述毒物泄漏后果的一

種表示法。概率與中毒死亡百分率有直接關系，二者可以互相換算，見表14。概率值在0～10之間。

表14概率與死亡百分率的換算

19/35

概率值Y與接觸毒物濃度及接觸時間的關系如下：

Y=A+Bln(Cn·t)(57)

式中A，B，n——取決于毒物性質的常數，表15列出了一些常見有毒物質的有關參數；

C——接觸毒物的濃度，10—6；

t——接觸毒物的時間，min。

表15一些毒性物質的常數

使用概率函數表達式時，必須計算評價點的毒性負荷(Cn·t)，因為在一個已知點，其毒物、濃度

隨著氣團的稀釋而不斷變化，瞬時泄漏就是這種情況。確定毒物泄漏范圍內某點的毒性負荷，可把氣

團經過該點的時間劃分為若干區段，計算每個區段內該點的毒物濃度，得到各時間區段的毒性負荷，

然后再求出總毒性負荷：

總毒性負荷：∑時間區段內毒性負荷

一般說來，接觸毒物的時間不會超過30min。因為在這段時間里人員可以逃離現場或采取保護措

施。

當毒物連續泄漏時，某點的毒物濃度在整個云團擴散期間沒有變化。當設定某死亡百分率時，由

表14查出相應的概率Y值，根據式(57)有：

B

AY

netC

?

??

(58)

由上式可以計算出C值，于是按擴散公式可以算出中毒范圍。

如果毒物泄漏是瞬時的，則有毒氣團的某點通過時該點處毒物濃度是變化的。這種情況下，考慮

濃度的變化情況，計算氣團通過該點的毒性負荷，算出該點的概率值Y，然后查表14就可得出相應

的死亡百分率。

5．2有毒液化氣體容器破裂時的毒害區估算

液化介質在容器破裂時會發生蒸氣爆炸。當液化介質為有毒物質，如液氯、液氨、二氧化硫、硫

化氫、氫氰酸等，爆炸后若不燃燒，會造成大面積的毒害區域。

設有毒液化氧化質量為W(單位：kg)，容器破裂前器內介質溫度為t(單位：℃)，液體介質比熱為

C[單位：kJ／(kg·℃)。當容器破裂時，器內壓力降至大氣壓，處于過熱狀態的液化氣溫度迅速降至

標準沸點t0(單位：℃)，此時全部液體所放出的熱量為：

Q=W·C(t—t

0

)(59)

設這些熱量全部用于器內液體的蒸發，如它的氣化熱為g(單位：kJ／kg)，則其蒸發量：

q

ttCW

q

Q

W

)(

0

??

??

?

(60)

如介質的分子量為M，則在沸點下蒸發蒸氣的體積Vg(單位：m3)為：

273

273)(4.22

273

273

4.22

000

t

M

ttCWt

M

W

V

q

g

?

?

??

?

?

??

(61)

20/35

為便于計算，現將壓力容器最常用的液氨、液氯、氫氰酸等的有關物理化學性能列于表16中。

關于一些有毒氣體的危險濃度見表17。

若已知某種有毒物質的危險濃度，則可求出其危險濃度下的有毒空氣體積。如二氧化硫在空氣中

的濃度達到0．05％時，人吸入5～10min即致死，則Vg的二氧化硫可以產生令人致死的有毒空氣體

積為：

V=Vg×100／0．05=2000Vg。

假設這些有毒空氣以半球形向地面擴散，則可求出該有毒氣體擴散半徑為：

0944.2

3

4

2

1

/

3

?

?

?

?

CV

Rg

(62)

式中R——有毒氣體的半徑，m；

Vg——有毒介質的蒸氣體積，m3；

C——有毒介質在空氣中的危險濃度值，％。

表16一些有毒物質的有關物化性能

表17有毒氣體的危險濃度

重大事故后果分析方法：爆炸

爆炸是物質的一種非常急劇的物理、化學變化，也是大量能量在短時間內迅速釋放或急劇轉化成

機械功的現象。它通常借助于氣體的膨脹來實現。

從物質運動的表現形式來看，爆炸就是物質劇烈運動的一種表現。物質運動急劇增速，由一種狀

態迅速地轉變成另一種狀態，并在瞬間內釋放出大量的能。

一般說來，爆炸現象具有以下特征：

(1)爆炸過程進行得很快；

(2)爆炸點附近壓力急劇升高，產生沖擊波；

21/35

(3)發出或大或小的響聲；

(4)周圍介質發生震動或鄰近物質遭受破壞。

一般將爆炸過程分為兩個階段：第一階段是物質的能量以一定的形式(定容、絕熱)轉變為強壓縮

能；第二階段強壓縮能急劇絕熱膨脹對外做功，引起作用介質變形、移動和破壞。

按爆炸性質可分為物理爆炸和化學爆炸。物理爆炸就是物質狀態參數(溫度、壓力、體積)迅速發

生變化，在瞬間放出大量能量并對外做功的現象。物理爆炸的特點是：在爆炸現象發生過程中，造成

爆炸發生的介質的化學性質不發生變化，發生變化的僅是介質的狀態參數。例如鍋爐、壓力容器和各

種氣體或液化氣體鋼瓶的超壓爆炸。化學爆炸就是物質由一種化學結構迅速轉變為另一種化學結構，

在瞬間放出大量能量并對外做功的現象。例如可燃氣體、蒸氣或粉塵與空氣混合形成爆炸性混合物的

爆炸。化學爆炸的特點是：爆炸發生過程中介質的化學性質發生了變化，形成爆炸的能源來自物質迅

速發生化學變化時所釋放的能量。化學爆炸有3個要素：反應的放熱性、反應的快速性和生成氣體產

物。

從工廠爆炸事故來看，有以下幾種化學爆炸類型：

(1)蒸氣云團的可燃混合氣體遇火源突然燃燒，是在無限空間中的氣體爆炸；

(2)受限空間內可燃混合氣體的爆炸；

(3)化學反應失控或工藝異常造成壓力容器爆炸；

(4)不穩定的固體或液體爆炸。

總之，發生化學爆炸時會釋放出大量的化學能，爆炸影響范圍較大，而物理爆炸僅釋放出機械能，

其影響范圍較小。

1物理爆炸的能量

物理爆炸如壓力容器破裂時，氣體膨脹所釋放的能量(即爆破能量)不僅與氣體壓力和容器的容積

有關，而且與介質在容器內的物性相態有關。有的介質以氣態存在，如空氣、氧氣、氫氣等，有的以

液態存在，如液氨、液氯等液化氣體、高溫飽和水等。容積與壓力相同而相態不同的介質，在容器破

裂時產生的爆破能量也不同，爆炸過程也不完全相同，其能量計算公式也不同。

1．1壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量

當壓力容器中介質為壓縮氣體，即以氣態形式存在而發生物理爆炸時，其釋放的爆破能量為：

(1)

式中Eg——氣體的爆破能量，kJ；

p——容器內氣體的絕對壓力，MPa；

V——容器的容積，m3；

κ——氣體的絕熱指數，即氣體的定壓比熱與定容比熱之比。

常用氣體的絕熱指數數值如表1所示。

表1常用氣體的絕熱指數

從表1可看出，空氣、氮、氧、氫及一氧化氮、一氧化碳等氣體的絕熱指數均為1．4或近似1．4，

如用κ=1．4代入式(1)中，得到氣體的爆破能量為：

(2)

22/35

Eg=CgV(3)

式中Cg——常用壓縮氣體爆破能量系數，kJ／m3。

壓縮氣體爆破能量系數Cg是壓力p的函數，各種常用壓力下的氣體爆破能量系數如表2所示。

表2常用壓力下的氣體容器爆破能量系數(κ=1．4時)

如將κ=1．135代入式(1)，可得干飽和蒸汽容器爆破能量為：

(4)

用式4計算有較大的誤差，因為沒有考慮蒸汽干度的變化和其他一些影響，但可以不用查明蒸汽

熱力性質而直接計算，對危險性評價可提供參考。

對于常用壓力下的干飽和蒸汽容器的爆破能量可按下式計算：

Es=CsV(5)

式中Es——水蒸氣的爆破能量，kJ；

V——水蒸氣的體積，m3；

Cs——干飽和水蒸氣爆破能量系數，kJ／m3。

各種常用壓力下的干飽和水蒸氣容器爆破能量系數如表3所示。

表3常用壓力下干飽和水蒸氣容器爆破能量系數

1．2介質全部為液體時的爆破能量

通常用液體加壓時所做的功作為常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，計算公式如下：

(6)

式中E

L

——常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，kJ；

p——液體的壓力(絕)，Pa；

V——容器的體積，m3；

βt——液體在壓力盧和溫度T下的壓縮系數，Pa—1。

1．3液化氣體與高溫飽和水的爆破能量

液化氣體和高溫飽和水一般在容器內以氣液兩態存在，當容器破裂發生爆炸時，除了氣體的急劇

膨脹做功外，還有過熱液體激烈的蒸發過程。在大多數情況下，這類容器內的飽和液體占有容器介質

重量的絕大部分，它的爆破能量比飽和氣體大得多，一般計算時不考慮氣體膨脹做的功。過熱狀態下

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液體在容器破裂時釋放出爆破能量可按下式計算：

E=[(H

1

—H

2

)—(S

1

—S

2

)T

1

]W(7)

式中E——過熱狀態液體的爆破能量，kJ；

H

1

——爆炸前液化液體的焓，kJ／kg；

H

2

——在大氣壓力下飽和液體的焓，kJ／kg；

S1——爆炸前飽和液體的，熵，kJ／(kg·℃)；

S

2

——在大氣壓力下飽和液體的熵，kJ／(kg·℃)；

T

1

——介質在大氣壓力下的沸點，℃；

W——飽和液體時質量，kg。

飽和水容器的爆破能量按下式計算：

Ew=CwV(8)

式中Ew——飽和水容器的爆破能量，kJ；

V——容器內飽和水所占的容積，m3；

Cw——飽和水爆破能量系數，kJ／m3，其值如表4所示。

表4常用壓力下飽和水爆破能量系數

2爆炸沖擊波及其傷害－破壞作用

2．1沖擊波超壓的傷害－破壞作用

壓力容器爆破時，爆破能量在向外釋放時以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式

表現出來。根據介紹，后二者所消耗的能量只占總爆破能量的3％～15％，也就是說大部分能量是產

生空氣沖擊波。

沖擊波是由壓縮波迭加形成的，是波陣面以突進形式在介質中傳播的壓縮波。容器破裂時，容器

內的高壓氣體大量沖出，使它周圍的空氣受到沖擊而發生擾動，使其狀態(壓力、密度、溫度等)發生

突躍變化，其傳播速度大于擾動介質的聲速，這種擾動在空氣中傳播就成為沖擊波。在離爆破中心一

定距離的地方，空氣壓力會隨時間迅速發生而懸殊的變化。開始時，壓力突然升高，產生一個很大的

正壓力，接著又迅速衰減，在很短時間內正壓降至負壓。如此反復循環數次，壓力漸次衰減下去。開

始時產生的最大正壓力即是沖擊波波陣面上的超壓△p。多數情況下，沖擊波的傷害一破壞作用是由

超壓引起的。超壓△p可以達到數個甚至數十個大氣壓。

沖擊波傷害一破壞作用準則有：超壓準則、沖量準則、超壓一沖量準則等。為了便于操作，下面

僅介紹超壓準則。超壓準則認為，只要沖擊波超壓達到一定值時，便會對目標造成一定的傷害或破壞。

超壓波對人體的傷害和對建筑物的破壞作用如表5和表6所示。

表5沖擊波超壓對人體的傷害作用

表6沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

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2．2沖擊波的超壓

沖擊波波陣面上的超壓與產生沖擊波的能量有關，同時也與距離爆炸中心的遠近有關。沖擊波的

超壓與爆炸中心距離的關系：

△p∝R—n(9)

式中△p——沖擊波波陣面上的超壓，MPa；

R——距爆炸中心的距離，m；

n——衰減系數。

衰減系數在空氣中隨著超壓的大小而變化，在爆炸中心附近內為2．5～3；當超壓在數個大氣壓

以內時，n=2；小于1atm(0．1MPa)時，n=1．5。

實驗數據表明，不同數量的同類炸藥發生爆炸時，如果距離爆炸中心的距離R之比與炸藥量q

三次方根之比相等，則所產生的沖擊波超壓相同，用公式表示如下：

如(10)

式中R——目標與爆炸中心距離，m；

R

0

——目標與基準爆炸中心的相當距離，m；

q

0

——基準爆炸能量，TNT，kg；

q——爆炸時產生沖擊波所消耗的能量，TNT，kg；

△p——目標處的超壓，MPa；

△p

0

——基準目標處的超壓，MPa；

α——炸藥爆炸試驗的模擬比。

式10也可寫成為：

△p(R)=△p

0

(R／α)(11)

利用式11就可以根據某些已知藥量的試驗所測得的超壓來確定在各種相應距離下任意藥量爆炸

時的超壓。

表7是1000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時所產生的沖擊波超壓。

表71000k8TNT爆炸時沖擊波超壓

綜上所述，計算壓力容器爆破時對目標的傷害／破壞作用，可按下列程序進行。

(1)首先根據容器內所裝介質的特性，分別選用式2～式8計算出其爆破能量正。

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(2)將爆破能量q換算成TNT當量q

0

，因為1kgTNT爆炸所放出的爆破能量為4230kJ／kg～4

836kJ／kg，一般取平均爆破為4500kJ／kg，故其關系為：

q=E／q

INT

=E／4500(12)

(3)按式10求出爆炸的模擬比α，即：

α=(q／q

0

)1/3=(q／1000)1/3=0．1q1/3(13)

(4)求出在1000kgTNT爆炸試驗中的相當距離R

0

，即R

0

=R／α。

(5)根據R

0

值在表7中找出距離為R0處的超壓△p

0

(中間值用插入法)，此即所求距離為R處的超

壓。

(6)根據超壓△p值，從表5和表6中找出對人員和建筑物的傷害一破壞作用。

2．3蒸氣云爆炸的沖擊波傷害一破壞半徑

爆炸性氣體以液態儲存，如果瞬態泄漏后遇到延遲點火或氣態儲存時泄漏到空氣中遇到火源，則

可能發生蒸氣云爆炸。導致蒸氣云形成的力來自容器內含有的能量或可燃物含有的內能，或兩者兼而

有之。“能”主要形式是壓縮能、化學能或熱能。一般說來，只有壓縮能和熱能才能單獨導致形成蒸

氣云。

根據荷蘭應用科研院(TNO(1979))建議，可按下式預測蒸氣云爆炸的沖擊波損害半徑：

R=Cs(NE)1/3(14)

式中R——損害半徑，m；

E——爆炸能量，kJ，可按下式取：

E=VHc(15)

V——參與反應的可燃氣體的體積m3；

Hc——可燃氣體的高燃燒熱值，取值情況如表8所示；

N——效率因子，其值與燃料濃度持續展開所造成損耗的比例和燃料燃燒所得機械能的數量有

關，一般取N=10％；

Cs——經驗常數，取決于損害等級，其取值情況如表9所示。

表8某些氣體的高燃燒熱值(kJ／m3)

表9損害等級表

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某甲醛甲醇醋酸乙酯罐區事故后果的定量模擬分析

一、儲罐區簡介

某石油化工企業原料成品儲罐區由2個罐組組成，兩罐組由北向南平行布置，罐組外設置有防火堤。北面

罐組內均為2000m3以下(含2000m3)儲罐，組內儲罐為2排，設置有2000m3甲醛水溶液罐1個，2000m3和1000

m3丁醇罐各1個，2000m3醋酸丁酯罐1個，2000m3醋酸乙酯罐1個，2000m3和1000m3醋酸罐各1個，1500

m3乙醇罐1個，2000m3和1500m3備用罐各1個。在甲醛與其他儲罐、2000m3和2000m3以下儲罐間設置了防

火隔堤。罐區具體布置詳見圖1。

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二、池火災事故后果模擬分析

1．選取評價單元

(1)與廠區外某敏感區域距離相對較近的是北面2個罐組，罐組內共10個儲罐，其中有2個為空罐，南面靠近生

產區罐組，布置3個3000m3的儲罐。

(2)與廠區外某敏感區域距離相對較近的北面罐組內物料特點如下表：

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上述物質中，醋酸乙酯最容易著火，且從燃燒熱、爆炸極限、容量等與池火計算有關的因素來綜合考慮，以其

作為代表性物質進行事故模擬比較合理。

(3)假設儲罐泄漏或破裂，大量醋酸乙酯在防火堤內著火燃燒形成池火，從而計算出醋酸乙酯池火災模式的危害

程度。

2．液池直徑

(1)根據圖1標示，液池面積為2000m3罐組防火堤面積減去甲醛防火隔堤面積，S：3457．19m2

(2)求等效半徑，根據上面計算液池面積等效為一個圓，該圓的半徑即為等效半徑，其等效半徑約為33．17m。

3．液池燃燒速度

當液池中可燃液體的沸點(77．2℃)高于周圍環境溫度時，液體表面上單位面積的燃燒速度：

上述數值代入公式(2)，計算所得

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6．目標射入熱輻射強度

將池火理想化為一燃燒中心點，假如全部輻射熱量由燃燒中心點的小球面射出來，則在距離燃燒中心點某一距

離，處的入射強度為：

I=Qt

c

/(4πx2)公式(4)

式中：I——熱輻射強度，kW／m2

Q——總熱輻射通量，kW；

t——熱傳導系數在無相對理想的數據時，可取值為1；

z——目標點到液池中心距離，m。

從公式(4)推導出：

7．池火災熱輻射危害分析

(1)池火輻射熱量使物體受熱變形和燃燒，人員受傷害，設備及設施受損毀。不同熱輻射強度及暴露時間對人體

或設備、設施造成危害的程度不同，具體如表1。

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(2)根據前面的計算，相應入射輻射通量點到燃燒中心點距離(對于面積較大的液池，則為到液池邊界距離)的計算

值見表2：

8．評價結論分析

(1)從上面的結論可知，在2000m3罐組防火堤外29．02m左右，設備會全部損壞；人員若不能迅速逃避則有死

亡危險。

(2)在防火堤外35．54m左右，設備會嚴重損壞；人員會嚴重燒傷，甚至死亡，必須迅速撤離。

(3)在防火堤外50．26m左右，設備會中等程度受損，人員會受中度到重度燒傷。

(4)在防火堤外88．85m左右，設備會出現輕度損壞，人員有可能輕微燒傷，

(5)在防火堤外140．48m外的區域內，設備不會受損壞，人員有灼熱感覺，但不會受傷害，可視為安全區域。

9．對策措施建議

池火災的影響與物質燃燒熱、燃燒速度、液池面積等有關，因此，要降低對西北面的影響，可采取下列措施：

(1)將西北角的空罐與罐組內其他儲罐采用防火隔堤隔開，可減少液池面積，且能增加與廠區外敏感區域的防護

距離。

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(2)將火災危險性低的物質儲罐置于罐組西北面。

(3)在罐組外增設泡沫炮、泡沫栓等消防設施，以有效覆蓋液池，可大大降低火災危害。

(4)在罐組西北面的防火堤外設置水幕防護。

三、爆炸沖擊波后果模擬分析

1．選取模擬儲罐

經綜合考慮，選取20000m3丁醇罐進行模擬分析。

2．爆炸的能量

丁醇罐容積為2000m3，假設罐內充滿最高爆炸上限

3．爆炸沖擊波的傷害、破壞作用

沖擊波是由壓縮波迭加形成的，是波陣面以突進形式在介質中傳播的壓縮波。開始時產生的最大正壓力即是沖擊波

波陣面上的超壓△P。多數情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的。

沖擊波傷害、破壞的超壓準則認為，只要沖擊波超壓達到一定值時，便會對目標造成一定的傷害或破壞。超壓

波對人體的傷害和對建筑物的破壞作用見表3和表4。

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7．對策措施建議

(1)做好儲罐的驗收，確保罐體質量合格。

(2)確保阻火器、呼吸閥、罐體接地及防雷措施的有效，防止靜電火花、雷擊火花等。

(3)確保罐體冷卻噴淋的有效性。

(4)加強動火作業的管理，落實動火前的可燃氣體檢測和動火審批工作。

參考文獻

國家安監總局．安全評價(第3版)．北京：煤炭工業出版社

（范文素材和資料部分來自網絡，供參考。可復制、編制，期待你的好評與關注）