物理爆炸爆炸冲击波计算

制氧站多发事故为设备超压而发生的物理爆炸事故，下面计算可能发生的物理爆炸相当的TNT 摩尔量。

以氧气球罐为例，分析固有爆炸危险所产生的能量。

压力容器中介质为压缩气体，发生物理爆炸释放的能量为：
31101013.011⨯⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-k k g p k Pv E E g ——发生物理爆炸释放的能量，kJ
p ——容器内气体绝对压力，MPa
v ——容器容积，m 3
k ——气体绝热指数
查常用气体绝热指数表可知k 取1.397；设计球罐容积400 m 3；工作压力3.0 MPa ，带入上式求得E g ＝3.903ⅹ106 kJ
查得每kgTNT 爆炸释放能量相为4.5ⅹ103 kJ ，摩尔质量137g/mol TNT 当量为 E g /4.5ⅹ103＝867.33 kg ＝867330g
摩尔量为 867330/137＝6330.88mol
因此，氧气球罐发生物理爆炸释放的能量，相当于TNT 质量867.33 kg ，折合摩尔量为6330.88mol 。

爆炸评价模型及伤害半径计算1、蒸气云爆炸（VCE ）模型分析计算（1）蒸气云爆炸（VCE ）模型当爆炸性气体储存在贮槽内，一旦泄漏，遇到延迟点火则可能发生蒸气云爆炸，如果遇不到火源，则将扩散并消失掉。

用TNT 当量法来预测其爆炸严重度。

其原理是这样的：假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献，并以TNT 当量来表示蒸气云爆炸的威力。

其公式如下：W TNT =式中W TNT ——蒸气云的TNT 当量，kg ； β——地面爆炸系数，取β=1.8；A ——蒸气云的TNT 当量系数，取值范围为0.02%～14.9%； W f ——蒸气云中燃料的总质量：kg ； Q f ——燃料的燃烧热，kJ/kg ；Q TNT ——TNT 的爆热，QTNT=4120～4690kJ/kg 。

（2）水煤气储罐蒸气云爆炸（VCE ）分析计算由于合成氨生产装置使用的原料水煤气为一氧化碳与氢气混合物，具有低闪点、低沸点、爆炸极限较宽、点火能量低等特点，一旦泄漏，极具蒸气云爆炸概率。

若水煤气储罐因泄漏遇明火发生蒸气云爆炸（VCE ），设其贮量为70%时，则为2.81吨，则其TNT 当量计算为：取地面爆炸系数：β=1.8； 蒸气云爆炸TNT 当量系数，A=4%； 蒸气云爆炸燃烧时燃烧掉的总质量， Wf=2.81×1000=2810（kg ）；水煤气的爆热，以CO 30%、H 2 43%计（氢为1427700kJ/kg,一氧化碳为10193kJ/kg）：取Qf=616970kJ/kg；TNT的爆热，取QTNT=4500kJ/kg。

将以上数据代入公式，得W TNT死亡半径R1=13.6(W TNT/1000)=13.6×27.740.37=13.6×3.42=46.5(m)重伤半径R2，由下列方程式求解：△P2=0.137Z2-3+0.119 Z2-2+0.269 Z2-1-0.019 Z2=R2/(E/P0)1/3△P2=△P S/P0式中：△PS——引起人员重伤冲击波峰值，取44000Pa；P——环境压力（101300Pa）；E——爆炸总能量（J），E=WTNT ×QTNT。

一、物理爆炸能量1、压缩气体与水蒸气容器爆破能量当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：3110])1013.0(1[1⨯--=-kk pk pV E式中，E 为气体的爆破能量（kJ ）， 为容器内气体的绝对压力（MPa ），V 为容器的容积（m 3）， k 为气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比。

常用气体的绝热指数2、介质全部为液体时的爆破能量当介质全部为液体时，鉴于通常用液体加压时所做的功，作为常温液体压力容器爆炸时释放的能量，爆破能量计算模型如下：2)1(2tl V p E β-=式中，E l 为常温液体压力容器爆炸时释放的能量（kJ ），p 为液体的绝对压力（Pa ），V 为容器的体积（m 3），βt 为液体在压力p 和温度T 下的压缩系数（Pa －1）。

3、液化气体与高温饱和水的爆破能量液化气体和高温饱和水一般在容器内以气液两态存在，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。

在大多数情况下，这类容器内的饱和液体占有容器介质重量的绝大部分，它的爆破能量比饱和气体大得多，一般计算时考虑气体膨胀做的功。

过热状态下液体在容器破裂时释放出的爆破能量可按下式计算：W T S S H H E ])()[(12121---=式中，E 为过热状态液体的爆破能量（kJ ），H 1为爆炸前饱和液体的焓（kJ/kg ），H 2为在大气压力下饱和液体的焓（kJ/kg ），S 1为爆炸前饱和液体的熵（kJ/(kg?℃)），S 2为在大气压力下饱和液体的熵（kJ/(kg?℃)），T 1为介质在大气压力下的沸点（℃），W 为饱和液体的质量（kg ）。

爆炸冲击波及其伤害、破坏模型 、超压准则超压准则认为：爆炸波是否对目标造成伤害由爆炸波超压唯一决定，只有当爆炸波超压大于或等于某一临界值时，才会对目标造成一定的伤害。

否则，爆炸波不会对目标造成伤害。

计算压力为3.2MPa,容积为650m 3的氧气罐爆炸冲击波的伤害和破坏范围1、计算氧气罐的爆破能量：当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：310)]11013.0(1[1⨯---=pk k k pVEg式中，Eg 为气体的爆破能量（kJ ）， p 为容器内气体的绝对压力（MPa ），V 为容器的容积（m 3），k 为气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比。

根据上式计算氧气罐爆破能量,P=3.2Mpa,V=650m 3,查表氧气的绝热指数k=1.397.)(1028.310)]2.3397.11397.11013.0(1[1397.16502.363kj Eg ⨯=⨯---⨯= 2、将爆破能量Eg 换算成TNT 当量q 。

因为1kgTNT 爆炸所放出的爆破能量为4230～4836kJ ／kg ，一般取平均爆破能量为4500kJ ／kg ，故3、求爆炸的模拟比4、计算氧气罐爆炸时所产生的冲击波超压对应的R1000kgTNT 炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压见表1。

表1 1000kgTNT 炸药爆炸时冲击波超压)7284500kg Eg q Eg q TNT （===0.97280.10.1q )0010q ()q (313131310=⨯====q α根据R=αR0计算氧气罐爆炸时所产生的冲击波超压对应的R，见表2。

表2 氧气罐爆炸时所产生的冲击波超压对应的R超压波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表3和表4。

表3 冲击波超压对人体的伤害作用表4 冲击波超压对建筑物的破坏作用5、根据表2的数值运用插入法计算出表3和表4 中的超压对应的半径R ，列入表5 和表6。

表5 氧气罐爆炸冲击波超压对人体的伤害作用及范围表6 氧气罐爆炸冲击波超压对建筑物的破坏作用及范围。

液氧储罐外部安全防护距离评估摘要依据国务院安委会日前印发《全国安全生产专项整治三年行动计划》文件的精神，各地对危险化学品生产及储存单位进行外部安全防护距离评估，氧气站储存及经营的氧气属于《危险化学品目录（2015年版）》中列举的危险化学品，应进行外部安全防护距离评估，氧气属于第2.2类不燃气体，非爆炸性、有毒性气体，不能依据《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》（GB/T37243-2019）进行评估，因此本文从液氧储罐物理爆炸的角度评估外部安全防护距离，给小型氧气站的选址和安全管理提供参考。

关键词：危险化学品；物理爆炸；外部安全防护距离0引言随着我国经济的发展，城市郊区已向城市化发展，城郊原危险化学品生产与储存企业周边人口越来越密集，已不满足外部安全防护距离要求，危化品企业一旦发生安全生产事故，将对周边群周造成严重的影响，为此全国各地陆续开展危险化学品生产储存企业外部安全防护距离评估，对于外部安全防护距离不符合规范要求的企业采取整改、搬迁等措施，以保证人民群众的生命、财产安全。

氧气在工业生产、建筑施工中应用极广，如氧气焊、金属切割等，城市的发展离不开氧气，氧气站选址与城市的距离既要符合安全防护距离的要求，也得考虑城市用气的运输便捷。

《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》（GB/T37243-2019）适用于爆炸性、有毒性的危险化学品生产储存企业，对液氧储罐的外部安全防护距离并不适用。

因此，笔者考虑了液氧储罐的理化特性，建立物理爆炸模型，从物理爆炸的冲击波按照超压准则（不考虑超压持续时间和液氧储罐碎片所造成的破坏）来评估液氧储罐的外部安全防护距离。

1评估方法1.1物理爆炸的定义物理爆炸是指物理变化引起的爆炸。

物理爆炸的能量主要来自于甩缩能、相变能、运动能、流体能、热能和电能等。

气体的非化学过程的过压爆炸、液相的气化爆炸、液化气体和过热液体的爆炸、溶解热、稀释热、吸附热、外来热引起的爆炸、流体运动引起的爆炸、过流爆炸以及放电区引起的空气爆炸等都属于物理爆炸。

计算压力为3.2MPa,容积为650m 3的氧气罐爆炸冲击波的伤害和破坏范围1、计算氧气罐的爆破能量：当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：310)]11013.0(1[1⨯---=pk k k pVEg式中，Eg 为气体的爆破能量（kJ ）， p 为容器内气体的绝对压力（MPa ），V 为容器的容积（m 3），k 为气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比。

根据上式计算氧气罐爆破能量,P=3.2Mpa,V=650m 3,查表氧气的绝热指数k=1.397.)(1028.310)]2.3397.11397.11013.0(1[1397.16502.363kj Eg ⨯=⨯---⨯= 2、将爆破能量Eg 换算成TNT 当量q 。

因为1kgTNT 爆炸所放出的爆破能量为4230～4836kJ ／kg ，一般取平均爆破能量为4500kJ ／kg ，故3、求爆炸的模拟比4、计算氧气罐爆炸时所产生的冲击波超压对应的R1000kgTNT 炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压见表1。

表1 1000kgTNT 炸药爆炸时冲击波超压)7284500kg Eg q Eg q TNT （===0.97280.10.1q )0010q ()q (313131310=⨯====q α根据R=αR0计算氧气罐爆炸时所产生的冲击波超压对应的R，见表2。

表2 氧气罐爆炸时所产生的冲击波超压对应的R超压波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表3和表4。

表3 冲击波超压对人体的伤害作用表4 冲击波超压对建筑物的破坏作用5、根据表2的数值运用插入法计算出表3和表4 中的超压对应的半径R ，列入表5 和表6。

表5 氧气罐爆炸冲击波超压对人体的伤害作用及范围表6 氧气罐爆炸冲击波超压对建筑物的破坏作用及范围。

从物质的危险有害因素识别和分析中可以看出，氧、氩、氮和二氧化碳虽然化学性质稳定，属于不燃气体，但是其在储罐中为液体，在气瓶中氧、氩、氮为压缩气体，二氧化碳为液体。

因超压有可能产生物理爆炸，因而具有一定的危险性。

对氧气储罐发生爆炸事故进行模拟分析。

假设储罐区30m3液氧储罐瞬间发生物理爆炸，对其造成的破坏程度进行理论计算1、首先计算爆破能量容积为30m3，工作压力为0.8MPa的液氧储罐发生物理爆炸意外事故，其压缩气体爆破能量值为：E g=2.5pV[1-(0.1013/p)0.2857] ×103令：C g=2.5p [1-(0.1013/p)0.2857] ×103则：E g=Cg×V=1.1×103×30=33×103（KJ）。

式中：E g—为气体爆破能量，单位KJ。

C g—为压缩气体爆破能量系数，单位KJ/m3。

V—是液氧储罐的容积。

2、将爆破能量计算成TNT当量：将爆破能量换算成TNT当量q。

因为1kg TNT爆炸所放出的爆破能量为4230-4836 kJ，一般取平均爆破能量为4520kJ，故其关系为：q= Eg/4500=33×103/4500≈7.3kg（TNT）3、求爆炸模拟比aa=q/q0=0.1×q1/3≈0.1×1.94≈0.1944、求出在1000kg TNT爆炸实验中的相当距离R0，R0=R/α。

附表2-1 1000kg TNT爆炸时的冲击波超压5、根据R0的值在附表2-1中找出距离为R0处的超压P∆，此即所求距离为R处的超压。

附表2-2距离为R处对应的超压6、根据超压P∆的值，找出对人员和建筑的伤害、破坏作用。

计算结果如下表附表2-3 物理爆炸时的冲击波对人和建筑物的伤害、破坏作用。