车用CNG气瓶物理性爆炸能量及其危害研究

作者:付琬娴 彭世尼 黄小美 来源:重庆大学城市建设与环境工程学院 点击:  评论: 更新日期:2016年09月05日

 

摘 要:采用不同的方法计算气瓶物理性爆炸产生的能量,分析爆炸前气瓶容积、储气压力与爆炸能量的关系,研究自由场空气中气瓶爆炸产生的冲击波超压峰值与测点到爆炸点的距离的关系,得到气瓶物理性爆炸对人体产生不同程度损伤的作用范围,以及对汽车的危害程度。 
关键词:压缩天然气;  车用CNG气瓶;  物理性爆炸;  爆炸能量;  冲击波
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 ofdamage 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
近年来,压缩天然气(CNG)因其污染少、安全性高、经济性好、抗爆震性能好等特点,被用来替代汽油供给汽车使用[1]。但车用CNG气瓶爆炸的事故时有发生,严重威胁着人们的生命和财产安全。文献[2]对北京、上海、成都、重庆等16个城市从2004年到2007年统计的l00起CNG加气站事故案例中,车用CNG气瓶爆炸虽然只有6起,但其造成的经济损失却占所有案例总损失的44.6%。
车用CNG气瓶(以下简称气瓶)充装压力为20MPa,且装载的CNG为可燃气体,当气瓶由于误操作、汽车碰撞、内部或外部腐蚀等原因发生破裂时,瓶内CNG的压力瞬间降至外界大气压力,在极短的时间内迅速膨胀,以机械能的形式释放内在能量,其中一部分能量使裂口变形变大,更大一部分能量以冲击波的形式造成周围的空气大面积强烈振动,这种物理性爆炸直接对周围的物体和人员造成伤害。例如,2004年7月10日,成都市一辆CNG出租车由于使用不当使得气瓶受腐蚀而破裂,在加气站内爆炸,爆炸产生的冲击波导致该出租车司机当场死亡,另一名出租车司机被震伤,直接经济损失30×104元。加气站内天然气大范围扩散,气瓶头部被炸开,飞出20m以外,周围平房门窗玻璃被震裂,出租车驾驶座被严重挤压变形,后保险杠被炸飞至10m以外。
另外,如果有外界火源或气体高速流出产生静电或碎片撞击产生火花,且天然气与空气混合达到天然气的爆炸极限(5%~15%)时,则会发生化学性爆炸,引起火灾,从而导致更为严重的后果。
因此,有必要对气瓶爆炸的能量和危害程度进行研究和分析,以便采取适当的安全措施,防患于未然,确保人员生命和财产安全。本文只针对气瓶破裂而发生的物理性爆炸(有的文献称为爆裂、破裂)进行研究,暂不考虑有火源存在且达到爆炸极限时引起的化学性爆炸。
2 气瓶物理性爆炸的能量计算
气瓶产生的裂纹分为应力腐蚀裂纹、氢致裂纹和疲劳裂纹3种,各种裂纹的产生机理不同[3]。气瓶破裂的形式有塑性破裂、脆性破裂、疲劳破裂和腐蚀破裂4种,各种破裂形式都具有一定的特征,造成破坏的程度也不相同。其中以塑性破裂造成的危害程度最大,这是因为它在爆炸时达到气瓶的塑性极限压力,且气瓶容积明显增大,而其余3种破坏形式是在较低应力状态且气瓶容积变化小的情况下发生爆炸,因而爆炸能量较小[4]
①Baker公式[5]
在气瓶破裂时,气瓶内的CNG压力由20MPa迅速降低到大气压力,该过程时间极短,无论气瓶内天然气与周围大气的温差多大,都可以认为气瓶内的气体与大气没有热量交换,因此,视该过程为绝热膨胀过程,且气瓶内CNG在气瓶爆炸前后均为气体,不发生物态变化,可以认为气瓶破裂发生物理性爆炸释放出的能量(以下简称爆炸能量),就是天然气绝热膨胀所作的功W。
 
式中W——爆炸能量,MJ
p1——爆炸前气瓶储气压力(绝对压力),Mpa
V1——爆炸前气瓶容积,m3
k——天然气等熵指数,取1.29
p0——大气压力(绝对压力),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,若要计算爆炸能量,就需要确定爆炸前气瓶容积V1和储气压力p1。气瓶容积具有较大的随机性,当气瓶内气体压力达到气瓶的塑性极限压力时,气瓶容积一般变大为气瓶设计容积的110%~125%,其取值与气瓶制造质量等因素有关。GB 17258—2011《汽车用压缩天然气钢瓶》规定,气瓶的公称容积为30~300L,其中30~120L的气瓶公称容积的允许偏差为2.5%,120L以上气瓶公称容积的允许偏差为1.25%。常用的气瓶公称容积有50、70、90、120L等。为了简化研究,本文的气瓶容积取气瓶的公称容积,不考虑其变化和偏差。根据公式(1)~(3),绘制出当爆炸前气瓶储气压力p1为20.101MPa时,即爆炸前气瓶在充装压力20MPa下,爆炸能量肜与气瓶容积V1的关系见图1。
 
从图1中可以看出,Kinney公式计算出的数值最大,而Baker公式计算出的数值最小,Broad公式居中,因此,一般采用Broad公式计算,本文也采用Broad公式的计算结果做进一步的危害分析。根据公式(3),绘制出爆炸前气瓶容积V1分别取50、70、90、120L时,爆炸能量形与气瓶储气压力p1的关系,见图2。
 
为了方便研究爆炸危害,将爆炸能量换算成TNT当量,即与TNT(三硝基甲苯)炸药爆炸所释放出的能量做对比。TNT当量的计算式为:
m=W/ETNT           (4)
式中m——TNT当量,kg
ETNT——单位质量的TNT炸药所产生的爆炸能量,MJ/kg,取4.184MJ/kg
3 气瓶物理性爆炸的危害分析
3.1 冲击波超压峰值计算
气瓶破裂发生物理性爆炸时,爆炸能量向外释放,除了小部分是以容器残余变形能量的形式表现外,其余大部分能量用于产生空气冲击波,冲击波能量占总爆炸能量的85%~97%[6]。当气瓶破裂后,气瓶内CNG压力快速衰减到大气压力,并且绝热膨胀,猛烈地推动周围的空气,导致周围空气的压力、温度、密度等物理性质发生跳跃式改变,CNG对周围空气的这种强烈扰动在周围空气中的传播成为冲击波。
目前,研究者主要用冲击波超压峰值来描述爆炸产生冲击波的传播规律及危害。由于汽车内冲击波的计算较为复杂,且缺乏数据,因此,本文暂不考虑汽车车体对冲击波的约束以及反射效应,冲击波超压峰值采用文献[7]推荐的自由场空气中冲击波超压峰值的经验公式计算。
 
式中d——测点到爆炸点的距离,m
p——冲击波超压峰值(相对压力),Mpa

网友评论 more
安全管理论坛新帖

论坛数据加载中...
东方创想 |  网站简介 |  会员服务 |  广告服务 |  业务合作 | 提交需求 |  会员中心 | 在线投稿 | 版权声明 | 友情链接 | 联系我们 
北京东方创想科技有限公司 ©2007-2016 
联系电话:   
E-mail:[email protected]关注安全管理网  微博     关注安全管理网  微信
京ICP备11001792号    京公网安备110105014886