摘 要

摘　要：采用不同的方法計(jì)算氣瓶物理性爆炸產(chǎn)生的能量，分析爆炸前氣瓶容積、儲(chǔ)氣壓力與爆炸能量的關(guān)系，研究自由場(chǎng)空氣中氣瓶爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值與測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離的關(guān)

摘　要：采用不同的方法計(jì)算氣瓶物理性爆炸產(chǎn)生的能量，分析爆炸前氣瓶容積、儲(chǔ)氣壓力與爆炸能量的關(guān)系，研究自由場(chǎng)空氣中氣瓶爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值與測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離的關(guān)系，得到氣瓶物理性爆炸對(duì)人體產(chǎn)生不同程度損傷的作用范圍，以及對(duì)汽車的危害程度。

關(guān)鍵詞：壓縮天然氣；  車用CNG氣瓶；  物理性爆炸；  爆炸能量；  沖擊波

Study on Physical Explosion Energy and Hazards of CNG Cylinders for Vehicles

Abstract：Different methods are used to calcu1ate the physical explosion energy of CNG cylinder．The relationship of cylinder volume and gas storage pressure before explosion to explosion energy is analyzed，and the relationship between shoekwave overpressure peak from cylinder explosion in kee air field and the distance from the measuring point to the explosion point is studied．The scope of different degrees of damage to the human body and the hazard degree to the vehicle caused by physical explosion of CNG cylinder are obtained．

Keywords：compressed natural gas(CNG)；CNG cylinder for vehicle；physical explosion：explosion energy；shoekwave

 

1　概述

近年來，壓縮天然氣(CNG)因其污染少、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好、抗爆震性能好等特點(diǎn)，被用來替代汽油供給汽車使用^[1]。但車用CNG氣瓶爆炸的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。文獻(xiàn)[2]對(duì)北京、上海、成都、重慶等16個(gè)城市從2004年到2007年統(tǒng)計(jì)的l00起CNG加氣站事故案例中，車用CNG氣瓶爆炸雖然只有6起，但其造成的經(jīng)濟(jì)損失卻占所有案例總損失的44.6％。

車用CNG氣瓶(以下簡(jiǎn)稱氣瓶)充裝壓力為20MPa，且裝載的CNG為可燃?xì)怏w，當(dāng)氣瓶由于誤操作、汽車碰撞、內(nèi)部或外部腐蝕等原因發(fā)生破裂時(shí)，瓶內(nèi)CNG的壓力瞬間降至外界大氣壓力，在極短的時(shí)間內(nèi)迅速膨脹，以機(jī)械能的形式釋放內(nèi)在能量，其中一部分能量使裂口變形變大，更大一部分能量以沖擊波的形式造成周圍的空氣大面積強(qiáng)烈振動(dòng)，這種物理性爆炸直接對(duì)周圍的物體和人員造成傷害。例如，2004年7月10日，成都市一輛CNG出租車由于使用不當(dāng)使得氣瓶受腐蝕而破裂，在加氣站內(nèi)爆炸，爆炸產(chǎn)生的沖擊波導(dǎo)致該出租車司機(jī)當(dāng)場(chǎng)死亡，另一名出租車司機(jī)被震傷，直接經(jīng)濟(jì)損失30×10⁴元。加氣站內(nèi)天然氣大范圍擴(kuò)散，氣瓶頭部被炸開，飛出20m以外，周圍平房門窗玻璃被震裂，出租車駕駛座被嚴(yán)重?cái)D壓變形，后保險(xiǎn)杠被炸飛至10m以外。

另外，如果有外界火源或氣體高速流出產(chǎn)生靜電或碎片撞擊產(chǎn)生火花，且天然氣與空氣混合達(dá)到天然氣的爆炸極限(5％～15％)時(shí)，則會(huì)發(fā)生化學(xué)性爆炸，引起火災(zāi)，從而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。

因此，有必要對(duì)氣瓶爆炸的能量和危害程度進(jìn)行研究和分析，以便采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，防患于未然，確保人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。本文只針對(duì)氣瓶破裂而發(fā)生的物理性爆炸(有的文獻(xiàn)稱為爆裂、破裂)進(jìn)行研究，暫不考慮有火源存在且達(dá)到爆炸極限時(shí)引起的化學(xué)性爆炸。

2　氣瓶物理性爆炸的能量計(jì)算

氣瓶產(chǎn)生的裂紋分為應(yīng)力腐蝕裂紋、氫致裂紋和疲勞裂紋3種，各種裂紋的產(chǎn)生機(jī)理不同^[3]。氣瓶破裂的形式有塑性破裂、脆性破裂、疲勞破裂和腐蝕破裂4種，各種破裂形式都具有一定的特征，造成破壞的程度也不相同。其中以塑性破裂造成的危害程度最大，這是因?yàn)樗诒〞r(shí)達(dá)到氣瓶的塑性極限壓力，且氣瓶容積明顯增大，而其余3種破壞形式是在較低應(yīng)力狀態(tài)且氣瓶容積變化小的情況下發(fā)生爆炸，因而爆炸能量較小^[4]。

①Baker公式^[5]

在氣瓶破裂時(shí)，氣瓶內(nèi)的CNG壓力由20MPa迅速降低到大氣壓力，該過程時(shí)間極短，無論氣瓶內(nèi)天然氣與周圍大氣的溫差多大，都可以認(rèn)為氣瓶內(nèi)的氣體與大氣沒有熱量交換，因此，視該過程為絕熱膨脹過程，且氣瓶內(nèi)CNG在氣瓶爆炸前后均為氣體，不發(fā)生物態(tài)變化，可以認(rèn)為氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸釋放出的能量(以下簡(jiǎn)稱爆炸能量)，就是天然氣絕熱膨脹所作的功W。

 

式中W——爆炸能量，MJ

p1——爆炸前氣瓶儲(chǔ)氣壓力(絕對(duì)壓力)，Mpa

V1——爆炸前氣瓶容積，m³

k——天然氣等熵指數(shù)，取1.29

p0——大氣壓力(絕對(duì)壓力)，MPa，取0.101Mpa

②Kinney公式^[5]

W=p1V1ln(p1/p0)       (2)

③Broad公式^[5]

W=[(p1-p0)/(k-1)]V1       (3)

由公式(1)～(3)可知，若要計(jì)算爆炸能量，就需要確定爆炸前氣瓶容積V1和儲(chǔ)氣壓力p1。氣瓶容積具有較大的隨機(jī)性，當(dāng)氣瓶內(nèi)氣體壓力達(dá)到氣瓶的塑性極限壓力時(shí)，氣瓶容積一般變大為氣瓶設(shè)計(jì)容積的110％～125％，其取值與氣瓶制造質(zhì)量等因素有關(guān)。GB 17258—2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》規(guī)定，氣瓶的公稱容積為30～300L，其中30～120L的氣瓶公稱容積的允許偏差為2.5％，120L以上氣瓶公稱容積的允許偏差為1.25％。常用的氣瓶公稱容積有50、70、90、120L等。為了簡(jiǎn)化研究，本文的氣瓶容積取氣瓶的公稱容積，不考慮其變化和偏差。根據(jù)公式(1)～(3)，繪制出當(dāng)爆炸前氣瓶儲(chǔ)氣壓力p1為20.101MPa時(shí)，即爆炸前氣瓶在充裝壓力20MPa下，爆炸能量肜與氣瓶容積V1的關(guān)系見圖1。

 

從圖1中可以看出，Kinney公式計(jì)算出的數(shù)值最大，而Baker公式計(jì)算出的數(shù)值最小，Broad公式居中，因此，一般采用Broad公式計(jì)算，本文也采用Broad公式的計(jì)算結(jié)果做進(jìn)一步的危害分析。根據(jù)公式(3)，繪制出爆炸前氣瓶容積V1分別取50、70、90、120L時(shí)，爆炸能量形與氣瓶儲(chǔ)氣壓力p1的關(guān)系，見圖2。

 

為了方便研究爆炸危害，將爆炸能量換算成TNT當(dāng)量，即與TNT(三硝基甲苯)炸藥爆炸所釋放出的能量做對(duì)比。TNT當(dāng)量的計(jì)算式為：

m=W/ETNT           (4)

式中m——TNT當(dāng)量，kg

ETNT——單位質(zhì)量的TNT炸藥所產(chǎn)生的爆炸能量，MJ／kg，取4.184MJ／kg

3　氣瓶物理性爆炸的危害分析

3.1　沖擊波超壓峰值計(jì)算

氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸時(shí)，爆炸能量向外釋放，除了小部分是以容器殘余變形能量的形式表現(xiàn)外，其余大部分能量用于產(chǎn)生空氣沖擊波，沖擊波能量占總爆炸能量的85％～97％^[6]。當(dāng)氣瓶破裂后，氣瓶內(nèi)CNG壓力快速衰減到大氣壓力，并且絕熱膨脹，猛烈地推動(dòng)周圍的空氣，導(dǎo)致周圍空氣的壓力、溫度、密度等物理性質(zhì)發(fā)生跳躍式改變，CNG對(duì)周圍空氣的這種強(qiáng)烈擾動(dòng)在周圍空氣中的傳播成為沖擊波。

目前，研究者主要用沖擊波超壓峰值來描述爆炸產(chǎn)生沖擊波的傳播規(guī)律及危害。由于汽車內(nèi)沖擊波的計(jì)算較為復(fù)雜，且缺乏數(shù)據(jù)，因此，本文暫不考慮汽車車體對(duì)沖擊波的約束以及反射效應(yīng)，沖擊波超壓峰值采用文獻(xiàn)[7]推薦的自由場(chǎng)空氣中沖擊波超壓峰值的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

 

式中d——測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離，m

p——沖擊波超壓峰值(相對(duì)壓力)，Mpa

當(dāng)Z≥1時(shí)，公式的精確度較高；當(dāng)Z<1時(shí)，測(cè)點(diǎn)距爆炸點(diǎn)較近，因受到爆炸產(chǎn)物的影響，使得數(shù)據(jù)有一定的偏差。根據(jù)公式(5)～(7)，繪制出當(dāng)爆炸前氣瓶儲(chǔ)氣壓力p1為20.101MPa時(shí)，氣瓶容積V1分別為50、70、90、120L的4種常用氣瓶，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值p與測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離d的關(guān)系曲線，見圖3。

 

進(jìn)一步分析可知，沖擊波超壓峰值與爆炸前氣瓶容積、儲(chǔ)氣壓力以及測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離有關(guān)：當(dāng)氣瓶容積和儲(chǔ)氣壓力一定時(shí)，距離爆炸點(diǎn)越近，沖擊波超壓峰值越大；相同的距離，氣瓶容積越大、儲(chǔ)氣壓力越大，相應(yīng)的TNT當(dāng)量越大，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值也越大；在距離爆炸點(diǎn)越近的地方，不同的氣瓶容積產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值的大小差異越明顯。

衡量爆炸危害的方法主要有超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則和超壓一沖量準(zhǔn)則等，由于有關(guān)沖量準(zhǔn)測(cè)或超壓一沖量準(zhǔn)則造成人員傷害或設(shè)備破壞的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較缺乏，因此采用最常用的超壓準(zhǔn)則，認(rèn)為只要沖擊波超壓達(dá)到一定值，就會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生破壞傷害作用。

3.2　沖擊波對(duì)人體和汽車的危害

①對(duì)人體的危害

沖擊波對(duì)人體的損傷程度，與人體受損傷時(shí)的姿勢(shì)、位置、沖擊波超壓峰值和作用時(shí)間有關(guān)，而且人體不同部位的損傷閾值不同。目前，國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的閾值標(biāo)準(zhǔn)，不同國家不同領(lǐng)域都是根據(jù)實(shí)際情況采用不同的閾值。

全球領(lǐng)先的專業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理服務(wù)機(jī)構(gòu)挪威船級(jí)社(DNV)在SAFETI軟件的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，根據(jù)沖擊波對(duì)人體的損傷程度，按沖擊波超壓峰值的大小，將爆炸產(chǎn)生沖擊波的危害程度分為死亡、重傷、中等傷害、輕傷、安全5個(gè)區(qū)域，并給出了各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的爆炸沖擊波危害閾值標(biāo)準(zhǔn)^[8]。根據(jù)該閾值，本文采用MATLAB編制計(jì)算程序^[9]，計(jì)算出4種常見規(guī)格的氣瓶在20MPa的情況下破裂發(fā)生物理性爆炸達(dá)到人體危害閾值的距離，見表1。

 

文獻(xiàn)[10]研究沖擊波對(duì)人體的危害作用時(shí)，根據(jù)沖擊波超壓峰值的大小，將危害程度大致地分為4個(gè)區(qū)域：當(dāng)沖擊波超壓峰值大于100kPa時(shí)大部分人死亡，50～100kPa時(shí)內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡，30～50kPa時(shí)聽覺器官損傷或骨折，20～30kPa時(shí)輕微損傷。根據(jù)文獻(xiàn)[10]提供的危害范圍，編制計(jì)算程序，繪制出4種常用規(guī)格的氣瓶在20MPa的情況下破裂發(fā)生物理性爆炸對(duì)人體的危害程度，見圖4。

 

對(duì)比圖4和表1中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析后可知，采用不同的危害閾值標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出的危害范圍不同，但其差別不大?？偟膩碚f，常用規(guī)格的氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸時(shí)，距離爆炸點(diǎn)3m以內(nèi)的區(qū)域人員死亡的可能性很大。而圖4中輕微損傷以外的區(qū)域，即氣瓶物理性爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值小于20kPa的區(qū)域，為人員的安全區(qū)域，該區(qū)域可用于事故即將發(fā)生時(shí)人員的撤離和事故的安全防范。

②對(duì)汽車的危害

沖擊波除了對(duì)人造成危害外，還對(duì)汽車以及周圍的物體等造成危害。本文中沖擊波超壓峰值的計(jì)算是基于自由場(chǎng)空氣的計(jì)算，但是實(shí)際上當(dāng)汽車裝載的氣瓶發(fā)生爆炸時(shí)，車體內(nèi)壁與沖擊波相互作用后，經(jīng)過反射和疊加，會(huì)使得沖擊波出現(xiàn)兩個(gè)峰值，然后再逐漸衰減，這就使得車內(nèi)人員和車體本身所受到的傷害比在自由場(chǎng)空氣中爆炸受到的傷害更大^[11]。汽車對(duì)沖擊波的約束和阻礙作用不僅與氣瓶爆炸所產(chǎn)生的能量有關(guān)，而且與車內(nèi)物體的形狀、強(qiáng)度和彈性等參數(shù)有關(guān)^[12]。由于汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及汽車裝載的隨機(jī)性，要確定沖擊波對(duì)汽車的危害程度很困難。

對(duì)于汽車車體，車門的抗沖擊能力要比主體車架小，沖擊波在車門處受到的約束較弱，沖擊波會(huì)將車門震掉，而汽車的主體車架對(duì)沖擊波的阻礙作用要比車門大，沖擊波會(huì)使得車體嚴(yán)重變形。汽車最脆弱的部分是汽車玻璃，當(dāng)沖擊波超壓峰值為0.5～2kPa時(shí)，就可以使汽車的玻璃部分破碎，當(dāng)沖擊波超壓峰值達(dá)到2～12kPa時(shí)，汽車玻璃全部破碎。一般CNG出租車長度在5m以內(nèi)，公交車在10m左右，而經(jīng)過計(jì)算可知，即使是50L的氣瓶在20MPa的情況下在自由場(chǎng)空氣中發(fā)生物理性爆炸，10m以內(nèi)產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值也在9.89kPa以上。因此不論氣瓶放置在車上的任何位置，若無任何防護(hù)措施，氣瓶在20MPa的狀態(tài)下破裂發(fā)生物理性爆炸的能量，足以使該汽車的玻璃全部破碎。

另外，部分CNG汽車會(huì)將幾個(gè)氣瓶放在一起，且放置距離較近。當(dāng)一個(gè)氣瓶發(fā)生爆炸時(shí)，可能會(huì)引發(fā)周圍的其他氣瓶爆炸，從而導(dǎo)致爆炸能量成倍增加。表2為不同數(shù)量的4種常用氣瓶在20MPa的情況下破裂后發(fā)生物理性爆炸的TNT當(dāng)量。

 

4　結(jié)論

①氣瓶物理性爆炸產(chǎn)生沖擊波超壓峰值與爆炸前氣瓶容積、儲(chǔ)氣壓力以及測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離有關(guān)。氣瓶容積越大、儲(chǔ)氣壓力越大、距離爆炸點(diǎn)越近，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值越大。因此，在氣瓶使用過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制其充裝壓力和工作壓力。

②本文得出了常用規(guī)格的氣瓶發(fā)生物理性爆炸時(shí)，對(duì)人體各種損傷程度的危害范圍(即不同程度損傷下測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離)，以及人員活動(dòng)的安全區(qū)域，可以為事故的安全防范提供理論指導(dǎo)。

③本文研究的是在自由場(chǎng)空氣中氣瓶破裂后發(fā)生的物理性爆炸，不考慮有火源引起后續(xù)的化學(xué)性爆炸和可能發(fā)生的二次爆炸，以及爆炸燃燒輻射等復(fù)合效應(yīng)，并且假設(shè)文中所研究的受傷害對(duì)象沒有任何防護(hù)手段，直接暴露在事故現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)際情況要復(fù)雜得多，因此，本文只為事故的防范提供參考，不能作為事故發(fā)生后的調(diào)查依據(jù)。

 

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本文作者：付琬嫻  彭世尼  黃小美

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院