氢气瓶发生物理爆炸模拟分析.doc

贮氢罐物理爆炸事故后果定量分析
山东电力研究院 马义河
5.7.3贮氢罐物理爆炸事故后果定量分析
5.7.3.1 计算方法
氢气的爆炸极限为（4.1～74.1％），本工程配置不少于5×13m3的氢气贮罐，是火灾爆炸危险性较大的场所。对贮氢罐物理爆炸采用定量数学模型——爆炸冲击波伤害模型，对贮氢罐爆炸时对目标的伤害、破坏作用进行定量评价。
5.7.3.2 压缩气体的爆炸能量
当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在发生物理爆炸时，其释放的爆破能量可按下式计算：
Eg=[PV/(k-1)]·{1-[0.1013/P](k-1)/k}×103
式中，Eg——气体的爆破能量，kJ；
P——容器内气体的绝对压力，MPa;
V——容器的容积，m3；
k—— 气体的绝热指数。
5.7.3.3 爆炸冲击波及其伤害破坏作用
压力容器爆炸时，大部分能量是产生空气冲击波。爆炸开始时产生的最大正压力即是冲击波波阵面上的超压⊿P。冲击波超压⊿P对建筑物的破坏作用和对人体的伤害见表5.7.3.3。
表5.7.3.3 冲击波超压对建筑物的破坏作用和对人体的伤害作用
⊿P（MPa）
对建筑物的破坏作用
对人体的伤害作用
对应伤害半径
0.02～0.03
受压面的门窗玻璃破碎，窗框损坏，墙裂缝
轻微损伤

0.03～0.05
墙大裂缝，屋瓦掉下
听觉器官损伤或骨折
R3（轻伤半径）
0.05～0.10
木建筑厂房房柱折断，房架松动，砖墙倒塌
内脏严重损伤或死亡
R2(重伤半径)
>0.10
防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌，大型钢架结构破坏
大部分人员死亡
R1（死亡半径）
5.7.3.4 冲击波的超压
冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关，同时也与距离爆炸中心的远近有关。实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果目标与爆炸中心R和目标与与基准爆炸中心的相当距离R0之比与爆炸时产生的冲击波所消耗的炸药量q和基准炸药量q0之比的三次方根相等，则所产生的冲击波波压相同，用公式表示如下：
若R/R0=(q/q0)1/3=α,则⊿P=⊿P0
本公式也可写成为：⊿P（R）=⊿P0(R/α)
利用上式可以根据某些已知药量的试验所测得的超压来确定任意药量爆炸 时在各种相应距离下的超压。
表5.7.3.4 1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压
距离R0/m
20
25
30
35
40
45
50
⊿P0/MPa
0.126
0.079
0.057
0.043
0.033
0.027
0.0235
综上所述，计算压力容器爆破时对目标的伤害、破坏作用，可按下列程序进行：
（1）首先根据容器内所装介质的特性，选用爆破能量公式计算出其爆破能量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，故其关系为：
q=Eg/4500
（3）求爆炸的模拟比α=R/R0=(q/q0)1/3＝（q/1000）1/3＝0.1q1/3
（4）根据表5.7.3.3中的超压⊿P的各临界值，在表5.7.3.4中用插入法找出在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0值；
（5）根据R/R0=α，得出R= R0·α
由此求出相应的爆炸伤害半径。
5.7.3.5 本工程模拟计算过程
根据上述压缩气体爆炸模型的计算方法，由本项目选取贮氢罐数据，进行数学公式计算及模拟计算。
氢气绝热指数k＝1.412，贮氢罐内氢气的绝对压力为P＝15MPa，假设有一组20个贮氢罐发生爆炸，即V＝20×0.04＝0.8m3：
代入Eg=[PV/(k-1)]·{1-[0.1013/P](k-1)/k}×103，求得Eg（1）＝1.1175×103kJ；
代入q=Eg/4500，求得q（1）＝4.966；
代入α= 0.1q1/3，可得α（1）＝0.1706；
根据表5.7.3.3中各伤害半径对应的临界⊿P0值，在表5.7.3.4中用内插法可得⊿P0对应的R0代入R= R0·α，可分别求得死亡半径R1＝3.88m，重伤半径R2＝5.54m，轻伤半径R3＝7.25m。
根据设计惯例，该项目氢气站氢气瓶组之间的距离一般应为 m，而一组氢气瓶爆炸死亡半径为3.88m，在此范围内防震钢筋混凝土和大型钢架结构均可遭破坏。因此，只要任一氢气贮罐发生爆炸，必将波及相邻贮罐，从而引发氢气站氢气瓶连环爆炸，后果十分严重。下面将12个氢气瓶组发生连环物理爆炸时的伤害半径计算结果列入表5.7.3.5中。
表5.7.3.5 12个氢气瓶组连环爆炸伤害半径
V（12）＝9.6m3
⊿P0(MPa)
R0(m)
伤害半径（m）
Eg（12）＝1.34×104kJ
0.03
42.5
轻伤半径R3＝16.57
q(12)=59.59
0.05
32.5
重伤半径R2＝12.67
α（12）＝0.39
0.10
22.8
死亡半径R1＝8.89
贮氢罐爆炸伤害区域如图5.7.3.5所示：
储氢罐
R1
R2
R3

图5.7.3.5 氢气瓶组物理爆炸伤害区域示意图

5.7.4评价小结
单组氢气瓶发生物理爆炸时死亡半径3.88m，重伤半径5.54m，轻伤半径7.25m。只要任一氢气瓶发生爆炸，比较波及相邻氢气瓶，从而引起氢气站连环爆炸，后果十分严重。12个氢气瓶组发生爆炸时的伤害半径计算结果为：死亡半径8.89m，重伤半径12.67m，轻伤半径16.57m。这是发生贮氢罐物理爆炸时理想状态，实际如爆炸，因为氢气是易燃易爆物质，会伴随发生更强烈的化学爆炸，将波及周围建筑。因此，除氢气站的工艺设备及管道布置应符合国家、行业及其他的相关规范、规程的规定，要设定可靠的安全防护距离。