摘 要

摘　要：采用不同的方法計算氣瓶物理性爆炸產生的能量，分析爆炸前氣瓶容積、儲氣壓力與爆炸能量的關系，研究自由場空氣中氣瓶爆炸產生的沖擊波超壓峰值與測點到爆炸點的距離的關

摘　要：采用不同的方法計算氣瓶物理性爆炸產生的能量，分析爆炸前氣瓶容積、儲氣壓力與爆炸能量的關系，研究自由場空氣中氣瓶爆炸產生的沖擊波超壓峰值與測點到爆炸點的距離的關系，得到氣瓶物理性爆炸對人體產生不同程度損傷的作用范圍，以及對汽車的危害程度。

關鍵詞：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、經濟性好、抗爆震性能好等特點，被用來替代汽油供給汽車使用^[1]。但車用CNG氣瓶爆炸的事故時有發(fā)生，嚴重威脅著人們的生命和財產安全。文獻[2]對北京、上海、成都、重慶等16個城市從2004年到2007年統(tǒng)計的l00起CNG加氣站事故案例中，車用CNG氣瓶爆炸雖然只有6起，但其造成的經濟損失卻占所有案例總損失的44.6％。

車用CNG氣瓶(以下簡稱氣瓶)充裝壓力為20MPa，且裝載的CNG為可燃氣體，當氣瓶由于誤操作、汽車碰撞、內部或外部腐蝕等原因發(fā)生破裂時，瓶內CNG的壓力瞬間降至外界大氣壓力，在極短的時間內迅速膨脹，以機械能的形式釋放內在能量，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烈振動，這種物理性爆炸直接對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使得氣瓶受腐蝕而破裂，在加氣站內爆炸，爆炸產生的沖擊波導致該出租車司機當場死亡，另一名出租車司機被震傷，直接經濟損失30×10⁴元。加氣站內天然氣大范圍擴散，氣瓶頭部被炸開，飛出20m以外，周圍平房門窗玻璃被震裂，出租車駕駛座被嚴重擠壓變形，后保險杠被炸飛至10m以外。

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

因此，有必要對氣瓶爆炸的能量和危害程度進行研究和分析，以便采取適當的安全措施，防患于未然，確保人員生命和財產安全。本文只針對氣瓶破裂而發(fā)生的物理性爆炸(有的文獻稱為爆裂、破裂)進行研究，暫不考慮有火源存在且達到爆炸極限時引起的化學性爆炸。

2　氣瓶物理性爆炸的能量計算

氣瓶產生的裂紋分為應力腐蝕裂紋、氫致裂紋和疲勞裂紋3種，各種裂紋的產生機理不同^[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，這是因為它在爆炸時達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，氣瓶內的CNG壓力由20MPa迅速降低到大氣壓力，該過程時間極短，無論氣瓶內天然氣與周圍大氣的溫差多大，都可以認為氣瓶內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CNG在氣瓶爆炸前后均為氣體，不發(fā)生物態(tài)變化，可以認為氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸釋放出的能量(以下簡稱爆炸能量)，就是天然氣絕熱膨脹所作的功W。

 

式中W——爆炸能量，MJ

p1——爆炸前氣瓶儲氣壓力(絕對壓力)，Mpa

V1——爆炸前氣瓶容積，m³

k——天然氣等熵指數，取1.29

p0——大氣壓力(絕對壓力)，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，若要計算爆炸能量，就需要確定爆炸前氣瓶容積V1和儲氣壓力p1。氣瓶容積具有較大的隨機性，當氣瓶內氣體壓力達到氣瓶的塑性極限壓力時，氣瓶容積一般變大為氣瓶設計容積的110％～125％，其取值與氣瓶制造質量等因素有關。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。根據公式(1)～(3)，繪制出當爆炸前氣瓶儲氣壓力p1為20.101MPa時，即爆炸前氣瓶在充裝壓力20MPa下，爆炸能量肜與氣瓶容積V1的關系見圖1。

 

從圖1中可以看出，Kinney公式計算出的數值最大，而Baker公式計算出的數值最小，Broad公式居中，因此，一般采用Broad公式計算，本文也采用Broad公式的計算結果做進一步的危害分析。根據公式(3)，繪制出爆炸前氣瓶容積V1分別取50、70、90、120L時，爆炸能量形與氣瓶儲氣壓力p1的關系，見圖2。

 

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

m=W/ETNT           (4)

式中m——TNT當量，kg

ETNT——單位質量的TNT炸藥所產生的爆炸能量，MJ／kg，取4.184MJ／kg

3　氣瓶物理性爆炸的危害分析

3.1　沖擊波超壓峰值計算

氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸時，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生空氣沖擊波，沖擊波能量占總爆炸能量的85％～97％^[6]。當氣瓶破裂后，氣瓶內CNG壓力快速衰減到大氣壓力，并且絕熱膨脹，猛烈地推動周圍的空氣，導致周圍空氣的壓力、溫度、密度等物理性質發(fā)生跳躍式改變，CNG對周圍空氣的這種強烈擾動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生沖擊波的傳播規(guī)律及危害。由于汽車內沖擊波的計算較為復雜，且缺乏數據，因此，本文暫不考慮汽車車體對沖擊波的約束以及反射效應，沖擊波超壓峰值采用文獻[7]推薦的自由場空氣中沖擊波超壓峰值的經驗公式計算。

 

式中d——測點到爆炸點的距離，m

p——沖擊波超壓峰值(相對壓力)，Mpa

當Z≥1時，公式的精確度較高；當Z<1時，測點距爆炸點較近，因受到爆炸產物的影響，使得數據有一定的偏差。根據公式(5)～(7)，繪制出當爆炸前氣瓶儲氣壓力p1為20.101MPa時，氣瓶容積V1分別為50、70、90、120L的4種常用氣瓶，爆炸產生的沖擊波超壓峰值p與測點到爆炸點的距離d的關系曲線，見圖3。

 

進一步分析可知，沖擊波超壓峰值與爆炸前氣瓶容積、儲氣壓力以及測點到爆炸點的距離有關：當氣瓶容積和儲氣壓力一定時，距離爆炸點越近，沖擊波超壓峰值越大；相同的距離，氣瓶容積越大、儲氣壓力越大，相應的TNT當量越大，爆炸產生的沖擊波超壓峰值也越大；在距離爆炸點越近的地方，不同的氣瓶容積產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則、沖量準則和超壓一沖量準則等，由于有關沖量準測或超壓一沖量準則造成人員傷害或設備破壞的文獻數據比較缺乏，因此采用最常用的超壓準則，認為只要沖擊波超壓達到一定值，就會對目標產生破壞傷害作用。

3.2　沖擊波對人體和汽車的危害

①對人體的危害

沖擊波對人體的損傷程度，與人體受損傷時的姿勢、位置、沖擊波超壓峰值和作用時間有關，而且人體不同部位的損傷閾值不同。目前，國內外還沒有統(tǒng)一的閾值標準，不同國家不同領域都是根據實際情況采用不同的閾值。

全球領先的專業(yè)風險管理服務機構挪威船級社(DNV)在SAFETI軟件的定量風險評價中，根據沖擊波對人體的損傷程度，按沖擊波超壓峰值的大小，將爆炸產生沖擊波的危害程度分為死亡、重傷、中等傷害、輕傷、安全5個區(qū)域，并給出了各個區(qū)域對應的爆炸沖擊波危害閾值標準^[8]。根據該閾值，本文采用MATLAB編制計算程序^[9]，計算出4種常見規(guī)格的氣瓶在20MPa的情況下破裂發(fā)生物理性爆炸達到人體危害閾值的距離，見表1。

 

文獻[10]研究沖擊波對人體的危害作用時，根據沖擊波超壓峰值的大小，將危害程度大致地分為4個區(qū)域：當沖擊波超壓峰值大于100kPa時大部分人死亡，50～100kPa時內臟嚴重損傷或死亡，30～50kPa時聽覺器官損傷或骨折，20～30kPa時輕微損傷。根據文獻[10]提供的危害范圍，編制計算程序，繪制出4種常用規(guī)格的氣瓶在20MPa的情況下破裂發(fā)生物理性爆炸對人體的危害程度，見圖4。

 

對比圖4和表1中的數據，經過分析后可知，采用不同的危害閾值標準，計算出的危害范圍不同，但其差別不大。總的來說，常用規(guī)格的氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸時，距離爆炸點3m以內的區(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)生時人員的撤離和事故的安全防范。

②對汽車的危害

沖擊波除了對人造成危害外，還對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算是基于自由場空氣的計算，但是實際上當汽車裝載的氣瓶發(fā)生爆炸時，車體內壁與沖擊波相互作用后，經過反射和疊加，會使得沖擊波出現(xiàn)兩個峰值，然后再逐漸衰減，這就使得車內人員和車體本身所受到的傷害比在自由場空氣中爆炸受到的傷害更大^[11]。汽車對沖擊波的約束和阻礙作用不僅與氣瓶爆炸所產生的能量有關，而且與車內物體的形狀、強度和彈性等參數有關^[12]。由于汽車結構的復雜性以及汽車裝載的隨機性，要確定沖擊波對汽車的危害程度很困難。

對于汽車車體，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，沖擊波會將車門震掉，而汽車的主體車架對沖擊波的阻礙作用要比車門大，沖擊波會使得車體嚴重變形。汽車最脆弱的部分是汽車玻璃，當沖擊波超壓峰值為0.5～2kPa時，就可以使汽車的玻璃部分破碎，當沖擊波超壓峰值達到2～12kPa時，汽車玻璃全部破碎。一般CNG出租車長度在5m以內，公交車在10m左右，而經過計算可知，即使是50L的氣瓶在20MPa的情況下在自由場空氣中發(fā)生物理性爆炸，10m以內產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汽車會將幾個氣瓶放在一起，且放置距離較近。當一個氣瓶發(fā)生爆炸時，可能會引發(fā)周圍的其他氣瓶爆炸，從而導致爆炸能量成倍增加。表2為不同數量的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當量。

 

4　結論

①氣瓶物理性爆炸產生沖擊波超壓峰值與爆炸前氣瓶容積、儲氣壓力以及測點到爆炸點的距離有關。氣瓶容積越大、儲氣壓力越大、距離爆炸點越近，爆炸產生的沖擊波超壓峰值越大。因此，在氣瓶使用過程中，應嚴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，對人體各種損傷程度的危害范圍(即不同程度損傷下測點到爆炸點的距離)，以及人員活動的安全區(qū)域，可以為事故的安全防范提供理論指導。

③本文研究的是在自由場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)的化學性爆炸和可能發(fā)生的二次爆炸，以及爆炸燃燒輻射等復合效應，并且假設文中所研究的受傷害對象沒有任何防護手段，直接暴露在事故現(xiàn)場。實際情況要復雜得多，因此，本文只為事故的防范提供參考，不能作為事故發(fā)生后的調查依據。

 

參考文獻：

[1]郭宗華，周儉明，吳祚平．壓縮天然氣汽車的特點[J]．煤氣與熱力，2004，24(2)：108-110．

[2]陳杰，李求進，吳宗之．100起CNG加氣站事故的統(tǒng)計分析及對策研究[J]．中國安全生產科學技術，2009，5(1)：71-75．

[3]劉云霞．車用CNG鋼瓶產生裂紋的原因及預防措施[J]．煤氣與熱力，2008，4(4)：B25-B27．

[4]楊勇，姜振鋒，吳菲．高壓容器爆炸能量的計算[J]．蘇州大學學報：自然科學版，2000，16(1)：80-84．

[5]彭世尼，黃小美．燃氣安全技術[M]．2版．重慶：重慶大學出版社，2011：62-63．

[6]于暢，田貫三．天然氣儲氣罐破壞效應分析[J]．中國安全科學學報，2010，20(5)：75-79，

[7]楊鑫，石少卿，程鵬飛．空氣中TNT爆炸沖擊波超壓峰值的預測及數值模擬[J]．爆破，2008，25(3)：15-25．

[8]王光彬，蔣永清，秦雪松．Matlab在壓力容器安全分析中的應用[J]．哈爾濱理工大學學報，2003，8(4)：18-24

[9]師立晨，多英全．重大事故危害閡值的探討[J]．中國安全科學學報，2009，19(12)：51-56．

[10]孫艷馥，王欣．爆炸沖擊波對人體損傷與防護分析[J]．火炸藥學報，2008，31(8)：50-53．

[11]王立軍，孫樹德．公共汽車內TNT炸藥爆炸的有限元模擬[J]．大連海事大學學報，2012，38(1)：69-71．

[12]佐建君，張光雄，楊軍．汽車爆炸的超壓分布規(guī)律實驗研究[J]．安全與環(huán)境學報，2006，6(1)：31-33．

 

 

本文作者：付琬嫻  彭世尼  黃小美

作者單位：重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院