爆炸冲击波伤害破坏作用定量分析

消防理论研究　爆炸冲击波伤害破坏作用定量分析傅智敏,黄金印,臧　娜(中国人民武装警察部队学院,河北廊坊065000) 摘　要:针对爆炸事故后果定量分析中存在的模糊认识,对冲击波超压估算方法和爆炸能量计算模型进行了系统论述。

冲击波的破坏伤害作用主要取决于峰值超压的大小,立方根比例定律是定量估算冲击波超压最常用的方法。

物理性爆炸产生的能量大小与容器内介质的状态和容器的容积有关,化学性爆炸能量的大小主要取决于参与爆炸性燃烧反应的可燃物质的量和燃烧热。

蒸气云爆炸能量的估算方法主要有T N T法和TN O法两种,蒸气云爆炸及爆轰的破坏伤害作用既可使用立方根比例定律进行分析,也可以直接使用相关经验模型。

关键词:爆炸;冲击波;峰值超压;立方根比例定律;蒸气云爆炸中图分类号:X932,T Q564 文献标志码:A文章编号:1009-0029(2009)06-0390-06研究表明,爆炸的破坏作用主要是由冲击波产生的。

无论是化学性爆炸还是物理性爆炸都会形成冲击波。

冲击波的破坏作用可用峰值超压、持续时间和冲量三个特征参数衡量。

冲击波破坏伤害准则主要有超压准则、冲量准则和超压—冲量准则等,其中最常用的是超压准则。

定量分析爆炸冲击波的伤害破坏作用,先要确定爆炸产生的冲击波超压与爆炸能量间的关系,进而分析不同爆炸情形下产生的能量及伤害破坏作用。

1　冲击波破坏伤害作用的估算冲击波是一种介质状态(压力、密度、温度等)突跃变化的强扰动传播,最常见的形式是空气冲击波,其传播速度大于声速。

多数情况下,冲击波的破坏伤害作用是由超压引起的。

超出周围压力的最大压力称为峰值超压Δp,一般情况下超压意味着侧向超压,即压力是在压力传感器与冲击波相垂直的条件下测量得到的。

1.1　冲击波超压的破坏伤害作用峰值超压Δp可以达到数个甚至数十个大气压。

冲击波超压对建筑物的破坏作用和对人员的伤害作用如表1和表2所示。

冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关。

在其他条件相同的情况下,爆炸能量越大,冲击波强度越大,波阵面上的超压也越大。

爆炸产生的冲击波是立体冲击波,它以爆炸点为中心,以球面或半球面向外扩展传播。

随着半径增大,波阵面表面积增大,超压逐渐减弱。

表1　1000kgT N T地面爆炸时冲击波超压对建筑物的破坏作用Δp/k Pa破坏作用5～6门、窗玻璃部分破碎6～15受压面的门窗玻璃大部分破碎15～20窗框损坏20～30墙裂缝40～50墙裂大缝,屋瓦掉落60～70木建筑厂房房柱折断,房架松动70～100砖墙倒塌100～200防震钢筋混凝土破坏,小房屋倒塌200～300大型钢架结构破坏表2　冲击波超压对人员的伤害作用Δp/k Pa冲击波破坏效应<19.6能保证人员安全19.6～29.4人体受到轻微损伤29.4～49.0损伤人的听觉器官或产生骨折49.0～98.0严重损伤人的内脏或引起死亡>98.0大部分人员死亡1.2　立方根比例定律立方根比例定律又称为Hopkinso n-Cranz比例定律。

两个几何相似但尺寸不同的同种炸药在相同的大气环境条件下爆炸,必然在相同的比例距离产生相似的冲击波。

Hopkinso n-Cranz比例距离见式(1)所示。

z=R/E1/3(1)式中:R为冲击距离,m;E为爆炸能量,k J。

1.2.1　当量比例距离法1973年,Baker提出用TN T当量比例距离估算超压。

即冲击波超压可由TN T当量m TN T,以及距地面上爆炸源点的距离R来估算,见式(2)所示。

z e=R/m1/3TN T(2)式中:m TN T=E/Q TNT,Q TN T为TN T的爆炸当量能量,一般取平均值4686k J/kg。

发生在平坦地面上的TN T爆炸产生的侧向峰值超压与比例距离间的关系如图1所示,其曲线关系可用式(3)描述。

Δpp a=16161+z e4.521+z e0.04821+z e0.3221+z e1.352(3)式中:p a 为周围环境压力。

在确定出TN T 当量比例距离z e 后,即可由图1直接查得爆炸产生的冲击波峰值超压,或根据式(3)计算求得。

对于发生在敞开空间的远高于地面的爆炸,所得到的超压值应乘以0.5。

图1　平坦地面上TNT 爆炸的侧向峰值超压与z e 间的关系1.2.2　模拟比法根据立方根比例定律和Baker TN T 当量比例距离可以得出式(4)。

R R 0=3m TN Tm TN T0=T Δp =Δp(4)式中:R 0为试验爆炸时目标与爆炸中心的距离,m;m TN T 0为试验爆炸时TN T 炸药量,kg ;Δp 为实际爆炸时目标处的超压,k Pa ;Δp 0为试验爆炸时目标处的超压,k Pa;T 为实际爆炸与试验爆炸的无量纲模拟比。

式(4)表明,不同数量的TN T 炸药发生爆炸时,如果目标与爆炸中心的距离之比等于TN T 炸药量的三次方根之比,则所产生的冲击波超压相同。

利用式(4)就可以根据某些已知炸药量的试验所测得的超压来确定在各种相应距离下任意炸药量(当量)爆炸时的超压。

表3为1000kg TN T 发生空中爆炸时,在与爆炸中心不同距离处测得的冲击波超压。

大多数爆炸都被认为是发生在地面上的,由表3所得到的超压值应乘以2。

如果已知距离爆炸中心R 处冲击波的破坏伤害作用,还可以反推爆炸中心的爆炸能量。

1.3　冲击波对房屋的破坏爆炸冲击波能不同程度地破坏周围的房屋和建筑设施,造成直接经济损失。

房屋的破坏程度不仅与爆炸源性质、爆炸能量、冲击距离等因素有关,而且与房屋本身的结构有关。

1968年Ja rrett 对100次爆炸事故(涉及TN T 、硝化甘油、硝化棉和铝末混合炸药等爆炸物类型,药量从136.1kg 到2.4×106kg )系统调查研究的结果进行了归纳总结,得出了英式砖石结构房屋破坏程度与药量、距离间的关系,见式(5)所示。

表3　1000kgT NT 空中爆炸时的冲击波超压R 0/m Δp /M Pa R 0/m Δp /M Pa 5 2.946 2.067 1.678 1.2790.95100.76120.50140.330160.235180.170200.126250.079300.057350.043400.0330450.0270500.0235550.0205600.0180650.0160700.0143750.0130900.01001090.00751440.00501660.00402010.0030R =K ·m 1/3TN T1+3175m TN T21/6(5)式中:R 为冲击波作用下的房屋破坏半径,m ;K 为破坏常数,与房屋破坏程度有关,其取值参见表4。

在精度不太高的财产损失计算中,根据B 级破坏状况求出的半径可作为财产损失半径,并假定此半径内没有损失的财产与此半径外损失的财产相互抵消;也可以假定此半径范围内的财产全部损失,此半径外的财产完全没有损失。

表4　房屋破坏程度破坏等级破坏常数K 破坏状况A 3.8房屋几乎被完全摧毁B 4.6房屋50%～75%的外部砖墙被摧毁,或不能继续安全使用,必须推倒C b 9.6屋顶部分或完全坍塌,1～2个外墙部分被摧毁,承重墙严重破坏,需要修复C a 28房屋隔板从接头上脱落,房屋结构至多受到轻微破坏D56屋顶和盖瓦受到一定程度的破坏,10%以上的窗玻璃破裂,房屋经过修复可继续居住2　物理性爆炸能量的计算物理性爆炸如压力容器破裂时,爆炸能量与介质在容器内的物性相态和容器的容积有关。

有的介质以气态存在,如空气、氧气、氢气等,有的以液态存在,如高温饱和水、液氨、液氯等液化气体。

容积与压力相同而相态不同的介质,在容器破裂时的爆炸过程不同,爆炸产生的能量也不同。

2.1　气体介质压力容器的爆炸能量盛装气体的压力容器在破裂时,气体膨胀所释放的能量与压力容器的压力和容积有关。

其爆炸过程是容器内的气体由容器破裂前的压力降至大气压力的一个简单膨胀过程,所以历时一般都很短,不管容器内介质的温度与周围大气存在多大的温差,都可以认为容器内的气体与大气无热量交换,即此时气体介质的膨胀是一个绝热膨胀过程。

因此其爆炸能量亦即为气体介质膨胀所做的功,见式(6)所示。

E g=p Vκ-11-0.1013pκ-1κ×103(6)式中:E g为压缩气体介质压力容器的爆炸能量,k J;p 为爆炸前气体的绝对压力,M Pa;V为压力容器的容积,m3;κ为气体的绝热指数,可按气体分子的组成近似确定,如双原子分子κ为1.4,三原子和四原子分子κ为1.2～ 1.3。

常用气体绝热指数见表5。

绝热指数为1.4或接近1.4的空气、氮气、氧气、氢气和一氧化碳等双原子气体的爆炸能量见式(7)所示。

E双=C双·V(7)式中:E双为双原子气体介质压力容器的爆炸能量,k J; C双为压缩气体的爆炸能量系数,k J/m3。

C双=2.5p1-0.1013p0.2857×103C双是气体绝对压力p的函数,常用压力下压缩气体爆炸能量系数见表6。

表5　常用气体的绝热指数气　体κ气　体κ空　气 1.400乙　烷 1.180氮　气 1.400丙　烷 1.130氧　气 1.397正丁烷 1.100氢　气 1.412乙　烯 1.220氯　气 1.350丙　烯 1.150甲　烷 1.315一氧化碳 1.395二氧化碳 1.295硫化氢 1.320一氧化二氮 1.274氰化氢 1.310一氧化氮 1.400氯甲烷 1.280二氧化氮 1.310氯乙烷 1.190二氧化硫 1.250干饱和水蒸气 1.135氨 1.320过热水蒸气 1.300表6　常用压力下压缩气体的爆炸能量系数(κ= 1.4时)p/M Pa C双/k J·m-3p/M Pa C双/k J·m-30.3 2.0×102 2.6 3.9×1030.5 4.6×102 4.1 6.7×1030.77.5×102 5.18.6×1030.9 1.1×103 6.5 1.1×1041.1 1.4×10315.12.7×1041.72.4×10332.1 6.5×104 对于干饱和水蒸气,κ=1.135,其爆炸能量可用式(8)计算。

E v=C v·V(8)式中:E v为干饱和水蒸气介质压力容器的爆炸能量, k J;C v为干饱和水蒸气的爆炸能量系数,k J/m3。

C v=7.5p1-0.1013p0.1189×103,常用压力下干饱和水蒸气的爆炸能量系数如表7所示。

表7　常用压力下干饱和水蒸气及饱和水的爆炸能量系数(κ= 1.135) p/M Pa C v/k J·m-3C w/k J·m-30.4 4.5×1029.6×1030.68.5×102 1.7×1040.9 1.5×103 2.7×1041.42.8×103 4.1×1042.6 6.2×103 6.7×1043.17.7×1037.7×1042.2　气液两相介质压力容器的爆炸能量液化气体和高温饱和水一般在容器内以气液两相存在,当容器破裂发生爆炸时,除了气体的急剧膨胀做功外,还有过热液体激烈的蒸发过程。