1.2　常见气体爆炸事故

爆炸一直是学术界关注的课题。这方面的研究工作可分为两方面。一方面用于军事领域，主要研究凝聚相炸药爆炸和燃料-空气炸药等爆炸物的爆炸威力，目的是开发先进武器。另一方面用于工业防爆，主要研究可燃气体的爆炸威力，以便有针对性地提出防爆措施。气体爆炸自古以来都被认为是爆炸事故的主要形式，也是现代工业和生活中发生的最严重的一类灾害形式，其中又以可燃性气体与助燃性气体的混合爆炸最为常见。

混合气体爆炸是一种非点源爆炸，与凝聚炸药爆炸有很大的区别，这类爆炸取决于环境条件。例如，密闭容器中气体爆炸和敞开容器中蒸气爆炸可以有全然不同的爆炸形式和破坏作用。常见烃类化合物气体和空气混合点火后，敞开容器中的燃烧速率仅为0.5m/s左右，但在密闭容器中火焰速度能达到每秒几米至几十米，容器中压力最终能达0.7～0.8MPa。在最危险的条件下，密闭容器中的混合物还能从燃烧转向爆轰，其爆轰阵面速率可达2～3km/s，压力可达1.5～2MPa，产生极严重的破坏作用。在有些情况下，这种非理想爆炸可以经历低速燃烧、爆燃到爆轰的全过程，火焰速度和爆炸压力等参量可以跨越4～6个数量级。这种非理想爆炸过程的复杂性给研究和控制带来了许多困难，科学工作者们不得不分门别类地研究这类爆炸。

爆炸事故的发生总有一定的原因和过程。用系统安全工程学理论分析爆炸事故发生的来龙去脉，采取具体、准确、适用的爆炸防护措施，爆炸事故是可以避免或减轻的。

1.2.1　着火型爆炸

容器、管道、塔槽等（以下称容器）内部的危险性物质由点火源给以能量，引起着火、燃烧，造成压力急剧上升，就会发生有约束爆炸事故。例如油船、储罐和封闭建筑，如果混合气体浓度处在爆炸极限范围内，遇到适当的火源就会引起爆炸。封闭容器中的爆炸有两种性质不同的极端情况。

（1）纯超压型爆炸

一般对长径比L/D<5的封闭空间，如内部没有紧密排列的设备和隔板等障碍物，则该密闭空间内可燃气体点燃后形成只受到单纯超压破坏的爆炸。在这种情况下，混合气体在着火后，火焰以爆燃形式扩展，爆炸压力的上升速率相对较慢。尽管这种爆炸产生的冲击波较弱，但往往也能引起封闭体（如厂房、建筑物）的破坏，因为一般的建筑物、船舱等在典型的低超压（7～70kPa）作用下就有可能发生开裂破坏。这类爆炸的外部爆炸波效应比较小，是一种低能量密度的爆炸源。

（2）火焰加速型爆炸

在长径比L/D≥5且内部有较密集的隔板和设备等障碍物的密封体内，混合气体点火后，火焰的传播会引起火焰前面气体的运动，这种气体运动能在障碍物处产生大尺寸的湍流，这种湍流可引起有效火焰面积的迅速扩大，扩大的火焰又会引起压力更快升高和湍流火焰的进一步相互作用。这个过程可以导致封闭体内某些局部气相爆轰，这些局部点的压力会突然升高，初始常压的可燃气体爆轰压力可达2MPa左右，这就可能造成局部性的严重破坏。这类爆炸（爆轰）通常能产生强冲击波和高速碎片，因此对外部环境的破坏比单纯超压爆炸要大。

没有按防爆结构设计的封闭容器内如果充满了可燃蒸气或气体，一旦遇火源就会爆炸。用煤气、天然气或燃料油作燃料的工业炉或锅炉的爆炸事故基本上都属于纯超压爆炸。大多数油船的爆炸都发生在具有低长径比的空间（船舱）内，也属于纯超压爆炸，极个别的情况下也能转成爆轰。商业建筑物、居民住宅区和粮库地下运粮通道等发生爆炸时，往往产生波的传播和火焰在密闭通道中的加速，从而使爆燃转向爆轰，以致事故迅速扩大，波及范围极广，破坏力极强。

1.2.2　泄漏型爆炸

由于阀门打开或容器裂缝之类的破坏，容器内部的危险物质泄到外部，与空气混合达到极限浓度时，遇火源即可发生爆炸。这种爆炸一般被称为开敞空间可燃气云爆炸。可燃气体一旦发生了泄漏，随后就可能发生下面3种情况。

① 泄漏的可燃气体在没有着火之前就消散掉，没有爆炸危险性。

② 泄漏的可燃气体在泄放口上高速喷射、摩擦或静电点火。在这种情况下，一般只引起喷射火灾而不爆炸。

③ 泄漏物扩散到广阔的区域，经过一段延滞时间后，可燃气云被点燃，接着发生火焰传播，由于存在某些特殊原因和条件，火焰传播被加速，产生危险的爆炸冲击波超压，即气云爆炸。

开敞空间内的可燃气体爆炸不符合理想爆源的特征（点源爆炸特征），这种工业可燃性气体爆炸的爆源的能量密度远远低于凝聚相炸药。工业可燃性气体爆炸事故大多是由弱点火（点火能量小于100J，实验条件下继续提高点火能量可以引起爆轰直接起爆）点燃可燃气体引起的，其传播形式大多是以亚音速传播的爆燃波。爆燃波的传播过程很复杂，受环境条件和物理因素的影响极大。可燃气体遇火源被点燃后，若发生层流或近似层流燃烧，对普通烃类化合物而言，其火焰速度为5～30m/s。这种速度太低，不足以产生显著的爆炸超压，在这种条件下蒸气云仅仅是燃烧。所以，讨论气云爆炸就是考察蒸气云如何从低速燃烧转变为具有较高速度的燃爆，甚至发展成为极端的爆轰状态。

实验表明，紊流是其中的关键因素。在燃烧传播过程中，由于遇到障碍物或受到局部约束，引起局部紊流，火焰与火焰相互作用产生更高的体积燃烧速率，使膨胀流加剧，而这又使紊流更强烈，从而又能导致更高的体积燃烧速率，结果火焰传播速度不断提高，可达层流燃烧的十几倍乃至几十倍，发生爆炸反应。

其中，紊流发生的方式主要有以下3种。

① 源激发产生的紊流　比如，喷射型泄漏或灾难性的容器爆裂导致的剧烈扩散中，云团与周围的空气产生强烈的紊流。

② 火焰在受约束的空间传播产生的紊流　如隧道、桥梁、设备装置密集的厂房、拥挤的停车场等。正因为如此，工艺设备布局密集的化工厂、炼油厂、铁路机车调度站等是蒸气云爆炸的多发地点，历史上发生的事故也充分证明了这一点。

③ 初始点火能量产生的紊流　实际上，强点火源不仅能引起爆燃，甚至可以直接导致爆轰，而爆轰时的燃烧速率是每秒几千米，在实际工业事故中直接引起的爆轰是极为罕见的，通常爆轰状态的爆炸事故是由火焰加速形成的。

1.2.3　反应失控型爆炸

化学反应热的蓄积使温度上升，反应速率加快，使该物质的蒸气压力或分解气体的压力急剧上升，引起容器破坏性爆炸。如果正在进行的受控化学反应是放热反应，并在工艺控制中受到了某种干扰（例如催化剂太多、失去了足够的冷却、不适当的搅拌等），就会导致反应器内压力急剧升高，当压力高于容器耐压能力时就发生破裂。反应失控轻者能造成停产和财产损失，重者会带来人员伤亡和环境污染等严重后果。如果物料是液体，并且该液体的温度高于瞬时挥发温度，则爆炸作用就像BLEVE爆炸那样。

化学反应很多是在高温高压下进行的化合、分解及聚合反应。如果反应容器内的温度超出正常的规定范围而异常升高，会使反应速率按指数规律增长，即为反应失控，进而导致压力迅速升高，引起爆炸事故。由于化工生产原材料及产品多具有较大的毒性和腐蚀性，如果发生泄漏造成严重的环境污染，其间接损失更是难以估量。

1.2.4　平衡破坏型蒸气爆炸

平衡破坏型蒸气爆炸是由过热液体蒸发引起的爆炸，即密闭容器内的液体在高压下保持蒸气压平衡时，如果容器破坏，蒸气喷出，因内压急剧下降而失去平衡，使液体暂时处于不稳定的过热状态，由于急剧汽化，残留的液体冲破容器壁，这种冲击压的作用使容器再次破坏，发生蒸气爆炸。

当容器中含有高蒸气压液体时，一旦容器破裂，或者较大口径的安全阀或爆破片打开后，蒸气便迅速喷出，容器内压力迅速下降，容器内液体由于压力突然降低而呈现过热状态，当达到一定的过热极限时，液体便开始急剧沸腾蒸发，使容器内压力再次升高，直至容器破裂，这种现象称为沸腾液体膨胀蒸气爆炸（boiling liquid expended vapor explosion，BLEVE）。沸腾液体膨胀蒸气爆炸往往是由外部热源加热引起的。例如，液化石油气（LPG）罐车，由于外部热源或邻区着火等诱发因素，罐内液体会剧烈膨胀气化，使储罐破裂。油气储罐的爆炸强度取决于液面上方空间自由蒸气的体积和浓度。接近空罐往往是最危险的状态，因为此时自由蒸气空间体积接近最大值，爆炸强度也达到最大值。如果储罐中的液体是可燃的，而由外部明火加热引起了储罐沸腾液体膨胀蒸气爆炸，则会复杂一些。在这种事故中，BLEVE爆炸产生一个飘浮的火球，火球的持续时间和大小由发生爆炸瞬间储罐所装燃料的总重量确定。如果储罐比较大，火球发出的热辐射还能烧伤裸露的皮肤和点燃附近的可燃物。

最为惊人和危险的BLEVE爆炸事故发生在铁路运输中，且大多数是装载高蒸气压可燃液体的储槽车，如载液化石油气、丙烷、丙烯、丁烷、氯乙烷等的储槽车。发生这种事故往往是由于列车出轨，槽车无次序地堆挤，使某一辆槽车的管子挤裂，或者储槽车被挂钩冲破，逸出的可燃气着火，火焰喷射而烤热了邻近的储槽车，并使这些槽车上的安全阀被冲开，于是产生了更多的“火炬”。热量从这些“火炬”传播给邻近的槽车，终于引起其中某个槽车发生BLEVE爆炸。爆炸使东倒西歪的槽车重新排布，同时产生危险的“火箭发射”作用，即高速喷出的可燃气燃烧的过程相当于一个火箭发动机，产生巨大的推力，撞击邻近的车辆和建筑物，引起事故的进一步扩大，产生多个爆炸点源。火焰继续燃烧时，重新排布的槽车不时地再次逐个发生BLEVE爆炸，有时三四小时一次，有时甚至几天一次。曾经有过接连六次的BLEVE爆炸事故记录。