火灾及爆炸伤害分析课件.ppt

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1、火灾及爆炸伤害分析,池火灾(Pool Fire)喷射火(Jet fire) 突发火(Flash fire) 沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)蒸气云爆炸(VCE),1、烧伤等级,I度烧伤：只伤及皮肤的外层，造成红肿及产生剧烈的触痛。II度烧伤：伤处起水泡，周围肿胀并变为红肿III度烧伤：伤及皮肤的每一层，皮肤表面呈苍白、蜡色，有时烧成焦碳，疼痛不剧烈。,第一节：热辐射伤害准则,人在无风而湿度低的高温环境下可以忍耐的时间一般來說，皮肤在45時即生刺痛感，54即可能被烧伤。,2、热辐射伤害准则,（1）热通量准则 热通量：是指单位时间、单位面积发射或接收的热能 ； 热通量准则：以热通量作为衡量目标是

2、否破坏的唯一参数，当目标收到的热通量大于或等于引起目标破坏所需的临界热通量时，目标被破坏，否则，目标不被破坏。热通量准则的适用范围为作用于目标的热通量比目标达到热平衡的时间要长。,破坏准则,热通量准则,热强度准则,热通量-热强度准则,（2）热强度准则热强度：指热通量与作用时间的乘积； 当目标接受到的热强度大于或等于目标被破坏的临界热强度时，目标被破坏，否则不被破坏；适用于作用于目标的热通量持续的时间比较短，以至于目标接受到的热量来不及散失掉。,（3）热通量-热强度准则当热通量和热强度准则的适用条件均不具备时，应该使用热通量、热强度准则。认为目标是否受到破坏应该由热通量和热强度的组合来确定。,3

3、、热辐射伤害模型,皮肤裸露时的死亡概率：,t-人员暴露于辐射中的时间，采用火球持续的时间，池火灾或喷射火取30s或40s。,q-目标接受到的热辐射通量,Pr -人员伤害概率,伤害概率与百分比概率换算关系,有衣服保护时死亡概率：,二度烧伤概率 ：,一度烧伤概率 ：,财产损失：按引燃木材所需的热通量计算,第2节：池火灾伤害分析,1、池火灾现象（pool Fire）是可燃液体表面的自由燃烧。Eg.泄漏到地面上、堤坝内的液体火灾、敞开容器内液体的燃烧等均为池火灾。特点：池火多在防火堤等有限制的范围内发生，其上部空间没有限制，燃烧完全，火焰多呈圆柱形或圆锥形。主要危害：高温热辐射,池火灾,2、热辐射通量

4、计算步骤,（1）确定油池半径,当油池发生在输油管道区，且无防火堤，若假设泄漏液体无蒸发，并已充分蔓延，地面无渗透，则可根据泄漏液量和地面性质计算油池面积。,S最大油池面积，m2；泄漏液体密度，kg/m3;W泄漏液体质量，kg;Hmin最小油层厚度，m,最小油层厚度（m）,（2）确定火焰高度,托马斯给出的经验公式,式中L为火焰高度，m；D为油池直径或当量直径，m；mf为单位面积燃烧速度，kg/(m2.s)；0为周围空气密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2,（3）火焰燃烧速度确定,式中：mf液体单位面积燃烧速率，kg/(m2.s)；C常数，0.001kg/(m2.s)；Hc液体燃烧热，kJ/

5、Kg；Hv液体在常压沸点下的蒸发热，J/Kg；Cp气体的比定压热容，J/(kg.k)；Tb液体的沸点，K；T0环境温度，K。,当液池中液体的沸点低于环境温度时，如加压液化气或冷冻液化气，液池表面上单位面积的燃烧速度,=,一些可燃液体的燃烧热,液体燃烧速度表,（4）计算火焰表面热辐射通量假定能量由圆柱形火焰侧面均匀辐射，,则池火灾燃烧时放出的总热辐射通量q0为：,q0-火焰表面的热通量，kW/m2；HC-燃烧热（kJ/kg）；f-热辐射系数，范围为0.13-0.35，保守取值为0.35,散热面积,释放热量,距离油池中心某一距离（r）处的目标接受到的热通量为：,大气透射率,视角因子,火焰表面热辐射

6、通量,（5）目标接收到的热通量,（6）大气透热率确定,辐射不在真空中传播，受水蒸气、二氧化碳等的影响，辐射在传播中有损失,视角因子：接受体所能接受的来自发热体的辐射能量的百分数，大小取决于发射体和接受体的形状、距离和相对角度。,（7）视角因子的确定,视角系数VF与目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径之比s，火焰高度与直径之比h有关。VF=f(s,h),x,H,D,s=2x/D,h=H/D,视角系数按照Rai和Kalelkar提供的方法计算,其中A、B、J、K、VH、VV是为了描述方便而引入的中间变量，为圆周率。,假设全部辐射热都是从液池中心点的一个微小的球面发出的则在距液池中心某一距离的入射热辐射

7、通量q为：,Q单位时间辐射总热量，W；,大气透射率；,r对象点到火焰中心距离。,（8）简化计算公式,第3节： 沸腾液体扩展蒸汽爆炸1、沸腾液体扩展蒸汽爆炸现象（火球燃烧）boiling liquid expanding vapour explosion （BLEVE） 装有可燃液化气的储罐，如果受到外部火焰的长时间烘烤，储罐的强度将逐浙降低，当强度下降到一定程度时，储罐将突然破裂，由此带来压力突然降低，液化气迅速气化并燃饶，导致沸腾液体扩展蒸气爆炸事故的发生。,注意：热辐射是沸腾液林扩展蒸气间炸事故的主要危害。即沸腾液体扩展蒸气爆炸发生后，主要危害是爆炸产生的火球热辐射，而不是爆炸冲击波。,沸

8、腾液体扩展蒸气爆炸产生的火球具有烧伤范围广、烧伤速度快和伤害程度深等特点。,2、火球产生过程,（1）发生发展阶段：该阶段可分为两个阶段，每个时间段大约持续1s左右。第一个阶段：火焰边界为黄白色，火焰温度约为1300度，火球增长到最大直径的一半左右。第二个阶段：火球直径增长到最大，但其表面约10%左右为黑暗区，其余为白色、桔黄色或红白色，火焰温度约为9001300度；,（2）稳定燃烧阶段： 持续时间约10s左右，火球近似为球形，火焰不再增长。此阶段开始时，火焰开始上升，上升过程中，火球会变成蘑菇云形状。温度约11001200度；（3）熄灭阶段：持续时间约5s，火球尺寸维持不变，但火焰越来越透明。

9、,0阶段,1a,1b,2,火球典型发展过程,（1）火球半径的计算实验证明，火球半径和可燃物质量的立方根成正比，火球半径的计算公式为,式中：D火球直径，m；M火球中消耗的可燃物质量，kg 对单罐储存，M取罐容量的50%；对双罐储存，取罐容量的70%；对多罐储存，取罐容量的90%。,3、火球热伤害计算,（2）火球持续时间计算,式中，t为火球持续时间（s）,（3）火球抬升高度火球在燃烧时，将抬升到一定高度。火球中心距离地面的高度H由下式估计：,4）火球燃烧热辐射通量假设全部辐射量由直径为D的火球面辐射出来，火球表面上的通量按下式计算：,Ha火球有效燃烧热，J/；,M燃烧的物质量，；t燃烧持续时间，s

10、；,效率因子,对于因外部火灾引起的BLEVE事故，上式中的P值可取储罐安全阀启动压力Pv（MPa）的1.21倍，即：,效率因子，取决于设备中可燃物质的饱和蒸汽压P。,效率因子的确定,Ha由下式求得：,式中，Hc为燃烧热（J/kg），Hv为常沸点下的蒸发热（J/kg）Cp为恒压比热（J/(kg.K)）T为火球表面火焰温度与环境温度之差（K） 一般来说 T=1700K。,（5）目标接受到的热辐射通量,q0火球燃烧辐射通量,大气透射率。,在不考虑障碍物对火球热辐射产生阻挡作用的条件下，距离储罐X处的热辐射通量q（W/m2）可由下式计算：,（6）视角系数的确定,视角系数VF的计算公式如下：,式中，r为

11、目标到火球中心的距离（m）。令目标与储罐的水平距离为X（m），则：,X,H,R,r,（7）简化计算单位时间内火球燃烧释放热量Q,目标距离火球中心为r，则此处接受到的来自火球的单位面积热辐射通量为q,=,火球伤害计算示例,计算100t丁二烯发生沸腾液体扩展蒸汽爆炸（火球燃烧）确定其伤害范围。基本参数：Hc=50409kJ/kg,计算思路：,伤害半径,热辐射通量,概率模型,（1）计算火球直径,（2）计算火球持续的时间,（3）计算死亡临界热辐射通量,按50%伤害概率，Pr=5,带入上式得到热辐射通量,=28710.5w/m2,同样，还可以计算得到二度烧伤热辐射通量,一度烧伤热辐射通量,财产损失热辐射

12、通量,（4）计算伤害半径,火球半径,死亡半径,财产损失半径,二度烧伤半径,一度烧伤半径,1、喷射火现象,xi,第4节：喷射火热辐射计算,高压气体从裂口高速喷出后被点燃，形成喷射火。热量认为是从中心轴线上一系列相等的辐射源发出的，单位时间从每一点源发出的热量为：,距离点源xi处某点接收的热通量为：,Xp发射因子，取0.2,2、计算思路,f-效率因子，可取0.35;m泄漏速度，kg/s;Hc燃烧热，J/kg；n点源数目。,总辐射通量是各点辐射之和：,燃烧下限,3、喷射高度计算,喷射火的长度可以认为等于喷口到燃烧速度下限的长度。,气体泄漏时从裂口射出形成气体射流。一般情况下，泄漏的气体的压力将高于周

13、围环境大气压力，温度低于环境温度。在进行射流计算时，应该以等价射流孔口直径来计算，等价射流的孔口直径按下式计算:,式中，D0裂口直径，m； 0泄漏气体的密度，/m3； 周围环境条件下气体密度，/m3。 如果气体泄漏瞬间便达到周围环境的温度、压力状况，即，则等价射流孔口直径等于裂口直径。,（1）等价射流孔口径计算,（2）轴线浓度分布,在射流轴线上距孔口X处的气体浓度 C（x）,式中，b1，b2是分布函数：b1=50.5+48.2-9.952b2=23.0+41.0,如果把上式写成X是C(x)的函数形式，则给定某浓度值C(x)，可以计算出具有该浓度的点到孔口的距离X。,在过射流轴上点X且垂直于射流

14、轴线的平面内任一点处的气体浓度C(x，y)为：,C(x，y)=C(x),式中，C(x)射流轴线上距孔口X处的气体浓度， kg/m3； b2分布参数，同前 y对象点到射流轴线的距离，m。,第5节：突发火,突发火泄漏的可燃气体、液体蒸发的蒸汽在空气中扩散，遇引火源突然燃烧而没有爆炸。此种情况下，处于气体燃烧范围内的全部室外人员将遇难死亡；建筑物内的部分人员将死亡。突发火后果分析主要计算可燃混合气体燃烧下限随气团扩散到达的范围。为此可按气团扩散模型计算气团大小和可燃混合气体的浓度。,1、爆炸能量组成压力容器发生爆炸时，能量释放有三种形式（1）冲击波能量（2）碎片能量（3）容器残余变形能量,第6节：爆

15、炸伤害准则,如果活塞突然向右移动，便有波向右传播。在扰动传播过程中，扰动介质与未扰动介质之间存在一个界面，这个界面就叫波阵面(Wave front)。扰动在介质中的传播速度叫做波速(Wave velocity)。（要与介质的质点速度区分）,2 、冲击波,波的基本概念,冲击波（Shock wave），又称激波，冲击波是由压缩波叠加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传递的压缩波。发生爆炸时，容器内高压气体大量冲出，使周围空气发生扰动，使其状态（压力、密度、温度）发生突跃变化，使其传播速度大于扰动介质的声速，这种扰动在空气中传播就形成冲击波。,3、超压在离爆炸中心一定距离的地方，空气压力会随时间发生

16、迅速而悬殊的变化。开始时压力突然升高、产生很大的正压、接着又迅速衰减、在很短的时间内降至负压。如此循环往复数次，压力逐渐衰减。开始产生的最大正压力，就是冲击波波阵面上的超压。,0,-0.2,0.5,1.0,5,10,15,压力kgf/cm2,冲击波波阵面的负压阶段虽然时间较长，但最大负压值要比最大正压值小很多，仅为最大正压值的几分之一，故在多数情况下冲击波的破坏作用主要是由波阵面上的超压引起的。,时间,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,10.0,20.0,30.0,40.0,超压-距离关系曲线,超压kgf/cm2,m,4、爆炸伤害准则（1）超压准则 爆炸波对目标是否构成伤害，由爆

17、炸波超压唯一确定，只有爆炸波超压大于某一临界值，才可能对目标构成破坏。,P Pcr,不同超压对建筑物的破坏作用,100kg梯恩梯爆炸中心不同距离处冲击波超压,超压对人体的伤害,死亡超压：90kPa；重伤超压：44KPa；轻伤超压：17KPa；财产损失超压：13.8KPa,（2）冲量准则由于伤害效应不仅与冲击波超压有关，而且还与持续的时间有关，爆炸波冲量是超压与持续时间的函数。爆炸波是否对目标构成伤害，取决于爆炸波冲量的大小，如果冲量大于临界值，则目标被破坏。,IIcr,(3)超压-冲量准则综合考虑了超压和冲量两个方面，如果超压和冲量共同作用，满足某一临界条件，目标就被破坏。,P超压；Pcr临界

18、超压；I冲量；Icr临界冲量C常数，与目标的性质与破坏等级有关。,物理爆炸的爆炸能 压力容器在内部介质压力作用下发生的爆炸属于物理爆炸。当压力容器内部介质相态不同时，发生物理爆炸时的爆炸能计算公式也不相同。,第7节：物理爆炸伤害分析,（1）当盛装高压气体的压力容器发生爆炸时，其释放的爆炸能E为：,P爆炸前容器内部介质的压力， Pa,V压力容器的容积，m3,气体的热容比。,常见气体的热容比,(2)当盛装液化气体的压力容器发生爆炸时，其爆炸能E可按下式计算,P爆炸前后介质的压力差，Pa；V压力容器的容积，m3；液体的压缩系数，Pa-1,。,（3）过热状态下液体在容器破裂时 ，除了气体的急剧膨胀外，

19、尚有液体的激烈蒸发过程，其爆炸能为：,E=(H1-H2)-(S1-S2)T1W,H1爆炸前液化气体的焓，KJ/； H2大气压力下饱和液化气体的焓，KJ/；S1爆炸前液化气体的熵，KJ/,S2大气压力下饱和液化气体的熵，KJ/；W饱和液化气体的质量，；T1介质在大气压力下的沸点，K。,压力容器爆炸时，爆炸能量在相外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能三种形式表现出来，即，,式中，E-压力容器爆炸时释放的总能量，J；E1-冲击波能量，J；E2-碎片能量，J；E3-容器残余变形能量，J。,由于容器残余变形能量与其余两种形式能量相比可以忽略不计，所以近似的认为：,根据一些实验研究，可以按下述公

20、式计算爆炸时的冲击波能量E1和碎片能量E2,其中F为碎片破裂能屈服系数，对于脆性破裂，F=0.2，对于塑性破裂，F=0.6。,脆性破裂特征：（1）容器没有明显的伸长变形，其内径也没有增大；（2）裂口齐平，断口呈金属光泽的结晶状；（3）容器常常破裂成若干碎块；（4）脆性破裂多数在温度较低的情况下发生； （5）脆性破裂常用于高强度钢制造的容器。,塑性破裂的特征： （1）破裂压力容器器壁有明显的伸长变形； （2）压力容器断口呈暗灰色纤维状，断口不齐平； （3）压力容器韧性断裂一般不产生碎片，而只是在中部裂开一个 形状为“X”的口。,4、冲击波影响范围,冲击波以爆炸源为中心向外传播，冲击波超压逐渐衰减

21、。冲击波超压大于某一破坏压力的范围即为冲击波影响范围，一般以冲击波影响半径来量度。,压力容器爆炸时冲击波影响半径,式中，r1影响半径变化率，可查。 E1冲击波能量，J； D压力容器直径，m。,R可以按下式计算：,R=0.022r1E1+D/2,5、碎片打击计算,碎片能量及碎片打击压力容器爆炸时碎片具有很大的动能向四周飞散，当碎片击中人员或设备、建筑物时将发生伤害或破坏。压力容器内介质为液体时，容器爆炸瞬间碎片具有的能量较小，可以不考虑其影响。当容器内介质为气体或液化气体时，碎片具有较大的破坏力。,压力容器爆炸时碎片发出的初速度,m0压力容器本体质量，,F碎片破裂能屈服系数；,P爆炸前后的压力差

22、，pa；,热容比；,V压力容器内气体体积，m3,受空气阻力影响，碎片飞行S距离以后，其速度变为V：,V0碎片的初速度，m/s；,A碎片面积，m2；m碎片质量，；,0空气密度，/m3；,S碎片飞行距离，m。,高速飞行的碎片撞击到设备、建筑物，碎片的打击深度取决于碎片具有的动能和结构的强度。可以按下式计算碎片的打击深度X：,X=1.85,Cp贯透常数，其取值情况见表,m碎片质量，；,V碎片打击时的速度，m/s。,不同结构的贯透常数CP,科克斯（Cox）等建议按下式计算打击深度X：,式中，m碎片质量，；V碎片打击时的速度，m/s；K， n1,n2被打击物体的参数，其取值情况见表,被打击物体的有关参数

23、,1、蒸气云爆炸现象,是指可燃气体或蒸气与空气的云状混合物在开阔地上空遇到点火源引发的爆炸。蒸气云爆炸的发生有一定的条件，包括一定量的液化石油气泄漏，并与周围空气预混、延迟点火、局限化的空间等有关。,第8节：蒸气云爆炸伤害计算,2、TNT当量法,（1）基本原理：将参加爆炸的可燃气体释放的能量折合成释放相同能量的TNT炸药的量，这样就可以利用TNT爆炸效应的实验数据预测蒸汽云爆炸效应。,TNT,TNT三硝基甲苯是一种带苯环的有机化合物，溶点为摄氏81度。它带有爆炸性，常用来制造炸药。它经由甲苯的氮化作用而制成。呈黄色粉末或鱼鳞片状，难溶于水，可用于水下爆破。,假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，对

24、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。用下式来估计蒸气云爆炸的TNT当量WTNT,TNT的爆炸热，4.2304.836MJ/kg，一般取4.52MJ/kg,蒸气云的爆炸效率因子，取值范围0.0214.9%。,蒸气云的TNT当量，kg；,蒸气云中燃料的总质量，kg；,燃料的燃烧热，MJ/kg,（2）TNT当量计算,（3）伤害半径计算,超压与距离的关系1）爆炸中心与给定超压的距离,超压单位PSI，1PSI=6.9kPA,PSI=Pounds per square inch,2）距离爆炸中心某一点处冲击波超压,（0.3Z12）,适用范围,死亡区半径,财产损失半径,3）经验公式,

25、4、伤害概率,死亡概率,冲击波超压伤害概率方程通常使用Purdy等人的概率方程,计算示例,设2000m3汽油罐发生较大规模泄漏，泄漏量37857kg，经蒸发形成油蒸气，遇点火源发生爆炸事故的危害范围。,1）蒸气云爆炸总能量油气爆炸总能量由下式计算： E=1.8 aWfQf 式中：1.8地面爆炸系数；a可燃气体蒸气云的当量系数，取0.04；Wf汽油泄漏量（kg），37857kg（占油罐储量2.6%）Qf汽油燃烧热（kJ/kg）。经计算E= 1.1903108 kJ,2）蒸气云爆炸当量蒸气云TNT当量由下式计算： WTNT = 1.8aWfQf/QTNT 式中： WTNT、a、Wf、Qf计算同上；

26、QTNTTNT爆炸热，取QTNT=4520 kJ/kg。 经计算WTNT =1.463104 kg,3）爆炸冲击波超压伤害范围（1）死亡区范围R=13.6（WTNT/1000）0.37=36.7m,式中： Z = R (P0/E)1/3，R目标到蒸气云中心距离，m；P0大气压Pa；E蒸气云爆炸总能量J。蒸气云爆炸冲击波重伤超压按44Kpa计，轻伤超压按17Kpa计，根据蒸气云爆炸冲击波超压计算公式得出：重伤半径：R1=100 m；轻伤半径：R2=190 m。,（2）重伤和轻伤区范围重伤和轻伤按蒸气云爆炸冲击波超压公式计算：,财产损失半径用下式计算：R财KWTNT1/31+(3175/WTNT)2-1/6K建筑物破坏等级，二级为4.6。R财136m。,汽油泄漏形成蒸气云爆炸危害范围,蒸汽云团爆炸的冲击波影响半径,荷兰应用科研院(TNO)建议按下式计算蒸汽云团爆炸的冲击波影响半径R：,式中，E爆炸能量，J； N效率因子，冲击波能量与总能量的比率， 一般 N=10%; CS经验常数，取决于损坏等级，查表获得。,损坏等级,5、TNT当量法存在的问题TNT是凝聚相高爆炸药，爆炸源能用点源来表示，而爆炸性蒸汽体积很大，显然不能用点源表示；总是高估了近场处的超压。低估了远场处的爆炸效应。,