易燃气体爆炸事故的能量估算

易燃气体爆炸事故的能量估算

岳强 董文斌 王建国 杨龙江 孙敬媛

北方华安工业集团公司 黑龙江齐齐哈尔 161000

摘要：易燃气体存在意外爆炸的危险，而对该类事故的分析中，爆炸能量显得尤为重要，而目前理论或实验室数据较少。本文针对该问题，进行了几种理论的推算，并对事故的分析及安全工作的提出了指导性的建议。

关键词：易燃气体 爆炸事故 威力估算 甲烷

1 概述

在生产、生活中广泛应用的易燃气体、易燃易挥发液体等，都存在着爆炸的风险，这类事故屡见不鲜。就2019年一年全国多地有该类事故的报道。通常认为爆炸反应的发生需具备以下三个条件，即反应放热、反应的快速性和生成气态产物，它们称为爆炸反应的三要素，三者互相关联，缺一不可^[1]。对较为常见的甲烷气体为例，进行了燃气爆炸机理的分析，威力估算等。

2 爆炸机理

甲烷标准状态下是一种无色、无味的气体，是最简单的有机物，也是碳含量最小、含氢量对大的烃。甲烷与空气混合至一定浓度会发生爆炸，该浓度范围被称作爆炸极限，甲烷的爆炸界限为4.9%-16%。

甲烷爆炸是一种剧烈化学反应的结果。一般甲烷爆炸需要具备三个条件：

1）甲烷爆炸是指甲烷与空气混合后遇到火引起爆炸；

2）具备火焰，一般认为温度达到650-750℃；

3）有足够的氧存在，一般认为不低于12%。

甲烷的爆炸本质是化学反应热的快速释放，导致压力急剧升高而引起的爆炸。目前主流观点包括链式反应和热点火理论。^[2]

1）链式反应理论

该理论最早由苏联科学家谢苗洛夫提出。根据链式反应理论，爆炸混合物与火源接触，就会偶活性分子生成而成为连链反应的活动中心。气态分子之间的作用，不是两个分子直接接触而得出最终产物，而是活化分子自由基与另一分子起作用，其作用结果会产生新基，新基又迅速参与反应，如此延续下去形成一系列的链锁反应。^[3]

2)热点火理论

在热点火理论中，物质因自燃而引起着火，从阴燃至明燃直至发生爆炸的现象，成为热爆炸或热自燃。从化学反应动力学的观点看，热爆炸是一个从缓慢至快速的过程。

事实上，甲烷等易燃气体爆炸是一个非常复杂的现象，其产生机理和影响因素都非常复杂，不可仅用一种理论加以解释，即使是同一爆炸性混合物在不同条件下，发生爆炸的机理也会有所不同。

一般甲烷等易燃气体的爆炸，属于非理想爆轰，可以称为两项爆轰。

3 爆炸参数

甲烷和空气混合物爆轰参数的计算。如果不考虑爆轰产物的解离，其爆轰方程如下：

CH₄+2O₂+8N₂=CO₂+2H₂O+8N₂+901.72kJ

根据爆炸产物的平均热容计算爆温

+

T_d=t+273

=1.28

故爆温为

爆轰产物的平均相对分子质量为

Mr=27.6

爆速为：

=2034m/s

爆轰物质点速度为

=892.2m/s

以上计算过程运用了卡斯特热容公式计算，且没有考虑爆轰产物的离解，因此计算数值偏高^[1]。

很多学者也对甲烷气体的爆炸进行了实验室模拟，测得了实验室条件下的爆轰参数。Hoff^[4]用模拟实验研究了半径为5cm的天然气管道的点火爆炸，试验中管道的初始工作压力位6000kPa，流量为40000m³/s，测得的最大火焰速度约为15m/s，在距离点火50m出测得的最大压力约为150Pa。

李凌飞^[5]采用了一套20L可燃气体爆炸特性测试装置，测得不同浓度的甲烷的爆炸参数。

表1 不同浓度甲烷在密闭装置中的爆炸参数

这也与学术上的甲烷在9%时爆轰最剧烈相印证。

4 爆炸威力

TNT 当量是用释放相同能量的TNT炸药的质量表示爆炸释放能力的一种习惯计量。通过几种算法对甲烷爆炸的TNT定量进行了估算。

4.1爆炸做功的经验计算

A—威力摆测定的做功能力

—炸药的爆热

—炸药的气态产物体积

甲烷的TNT当量为A=10.367。

TNT当量法比较简单，属于经验之法，对气体爆炸的测算比较粗糙，偏差较大，主要原因是可燃气体爆炸属非理想爆炸，而TNT爆炸产生的冲击波是理想冲击波，两者的冲击波波形相差很大，TNT爆炸是近似点源、能量瞬间释放的爆炸，而气体爆炸是大面积的燃烧加速爆炸，受整个气云浓度分布的限制，爆炸波的传播过程中是否收到阻塞以及存在障碍物的约束都对爆炸效果产生影响。

TNT当量法是把蒸汽云爆炸的破坏力转化为TNT爆炸的破坏作用，可燃蒸汽云爆炸时的TNT当量mTNT计算公式为

^[6]：

a为可燃蒸汽云的爆炸效率因子，统计平均为0.04。

m蒸汽云的质量，（kg）

爆炸效率因子夜视最难准确知道的参数，其范围在2%-20%,对于气体常推荐值为3%。

模拟在长度3.1m，内径0.14m的模拟管道中，甲烷浓度为10%，

式中TNT转化率n=0.2

爆炸系数

TNT爆轰时的热量为

甲烷的

1.049

5 结论

相同质量条件下，甲烷空气爆炸模型的总能量比TNT装药大，爆炸反应的持时间较短，通常发生在爆炸中心，其后续以燃烧反应产生的高温起到的热毁伤作用。大量耗氧，形成了“温压”作用，对人员伤害较大。而甲烷空气混合体系，爆炸中心通常不会超过一定的范围，而外围的气体通常是以燃烧的形式参加的反应，故爆炸的微粒不该仅以做能和热量释放为参考。

通常情况下1kgTNT爆炸仅需30微秒，而甲烷分散在空气中，到达爆炸极限时的量，几乎不可能瞬时全部反应，故甲烷爆炸事故中的威力认定也不应仅仅靠甲烷气体的TNT当量计算理论数值为依据。

在这类事故的判定中应更倾向于冲击波能力的仿真计算。通过推断爆炸中心金属或其它均质固体飞散物的抛撒距离，进行冲击波能量的反算，从而获得爆炸中心的能量数值。同时可根据现场甲烷的测量值推断火灾毁伤能力。

参考文献：

[1] 黄寅生. 《炸药理论》[M].北京：兵器工业出版社，2009

[2]胡双启，张景林.燃烧与爆炸.北京；兵器工业出版社，1992

[3]徐厚生，赵双其. 防火防爆[M].北京:化学工业出版社,2004

[4]Hoff B M.An experimental study of the igniti on of natural gas in simulated pipelinerupture. CombustionandFlame .1983,

[5]李凌飞.甲烷爆炸特性及其抑制技术研究[D].中北大学.2012

[6]王海宾 甲烷爆炸中级波对动物损伤研究[D].中北大学.2015

作者简介：

岳 强（1987-），女，黑龙江，工程师，主要从事特种弹烟火药设计

Email:yueq_zz@hotmail.com

董文斌（1980-），男，黑龙江，高级工程师，主要从事特种弹设计

通信地址：黑龙江，齐齐哈尔，161006