爆炸的破坏形式及破坏力

第4讲爆炸的破坏形式及破坏力§4.1爆炸的破坏形式爆炸的破坏形式通常有直接爆破作用、冲击波的破坏作用和火灾等三种。4.1.1直接的爆破作用爆炸物质爆炸后对周围设备和建筑物的直接的破坏作用。这种破坏作用的大小决定于爆轰波阵的压力和爆炸压力的大小以及爆炸产物在作用目标上所产生的冲量。它直接造成机械设备、装置、容器和建筑物的毁坏和人员的伤亡，后果往往是严重的。机械设备和建筑物被冲击后，会变成碎片飞出。碎片一般在100m~500m内飞散，会在相当范围内造成危险。在一些爆炸事故中。由于爆炸碎片击中人体造成的伤亡常占较大的比例。爆炸物质爆炸时．产生的高温高压气体产物以极高的速度膨胀，象活塞一样挤压其周围空气，把爆炸反应释放出的部分能量传给这压缩的空气层，空气受冲击而发生扰动，使其压力、密度等产生突跃变化，这种扰动在空气中传播就成为冲击波。4.1.2冲击波的破坏作用冲击波的形成冲击波的传播速度极快，它可以在周围环境中的固体、液体、气体介质(如金属、岩石、建筑材料、水、空气等)中传播。在传播过程中，可以对周围环境中的机械设备和建筑物产生破坏作用和使人员伤亡。冲击波还可以在它的作用区域内产生震荡作用，使物体因震荡而松散甚至破坏。冲击波的破坏冲击被的破坏作用主要是由其波阵面上的超压引起的。在爆炸中心附近，空气冲击被波阵面上的超压可达几个甚至十几个大气压。冲击波在传播过程中超压降低很快。空气冲击波压力曲线破坏等级建筑物破坏程度超压ΔPk/105pa1砖木结构完全破坏2.02砖墙部分倒塌或缺裂、土房倒塌1.0~2.03木结构梁柱倾倒，部分折断，砖结构屋顶掀掉，墙部分移动或裂缝，土墙开列或部分倒塌0.5~1.04木板隔墙破坏，木屋架折断，顶棚部分破坏0.3~0.55门窗破坏，屋面瓦大部分掀掉，顶棚部分破坏0.15~0.36门窗部分破坏，玻璃破碎，屋面瓦部分掀掉，顶棚抹灰脱落0.07~0.157砖墙部分破坏，屋面瓦部分翻动，顶棚抹灰部分脱落0.02~0.078房屋玻璃完全无损0.001~0.05表3-10不同超压冲击波对建筑物的破坏程度为防止冲击波对周围建筑物的破坏，可确定一个距爆炸物质存放地点的安全距离。安全距离可参考下式进行计算：Rs—周围建筑物距爆炸物质的安全距离，m；Wb—炸药重量（kg）K一安全系数。安全系数K的值决定于建筑物所要求的安全等级及周围有无防爆土围墙。K值参见表3-11。bsWKR通过动物试验得知，冲击波对人体的伤害作用主要是破坏人体血管、肺细胞及支气管，亦能伤害胃肠及隔膜。超压ΔPk/105pa损伤程度损伤等级0.2无伤无伤0.2~0.3轻微挫伤轻微0.3~0.5听觉器官损伤，中等挫伤骨折等中等0.5~1.0内脏严重挫伤，可引起死亡严重1.0可大部分死亡极严重冲击波对人损伤程度普通炸药在空气中爆炸，使人致死距离可按下式估算：300kg7.2300kg1.1bbmbbmWWRWWRRm—使人致死距离，m；爆炸发生后，爆炸气体产物的扩散只发生在极其短促的瞬间，对一般可燃物来说，不足以造成起火燃烧，而且冲击波造成的爆炸风且还有灭火作用。但是建筑物内遗留大量的热或残余火苗，会把从破环的设备内部不断流出的可燃气体或易燃、可燃液体的蒸气点燃，也可能把其它易燃物点燃引起火灾。4.1.3造成火灾（1）压缩波的基本概念P0PxF未扰动区P1Px扰动区P0§4.2冲击波在无限长气筒活塞右侧充满压力为P0的气体，当活塞在压力F的作用下向右运动时，会在活塞中产生一个自左向右传播的波，扰动传播后，使介质状态参数(P、ρ、T)增加，这样的波称为压缩波。反之，波阵面过后使介质状态参数(P、ρ、T)降低的波，称为稀疏波。声波——扰动区内介质质点运动是振动的，即有周期性，有压缩也有稀疏，所以既不是压缩波也不是稀疏波。声速ddpckRTc对于理想气体ddpc以上提到的压缩波、稀疏波以及声波，都有一个共同特点：波阵面处的状态参数是个微分量，未扰动区到扰动区的状态参数是渐变的，这种扰动称为弱扰动，这些波都称为弱扰动波。弱扰动波的波速度均等于该介质中的声速。（2）冲击波的形成当活塞从静止状态向右作等加速度运动时，活塞右侧邻近的介质首先受到压缩，压力、密度增大，这种状态的变化向右传播开去，形成一右行弱压缩波。当活塞再作等加速运动时，则在已经被第一个弱压缩波扰动过的介质中又有一个新的弱压缩波传播。显然，倘若活塞做连续等加速度运动，便有一系列相应的弱压缩波向右传播，介质状态发生连续的变化。可见，当活塞做连续加速运动时，在其右侧便产生一系列的压缩波，并且后者的波速大于前者的波速，后波追赶前波，一旦后面的压缩波都赶上了第一个波，便迭加形成了压力突跃升高的冲击波，它的波阵面是突跃面，波阵面上压力、密度、温度和介质运动速度等参数都突跃升高。由此得出，冲击波是波阵面过后，介质状态参数突跃变化的一种强压缩波。波阵面的传播速度称为冲击波波速。现分析每道波的波速。001vcD第1道波：112vcD第2道波：11nnnvcD第n道波：根据压缩波特性，显然有：0121...vvvvn0121...,cccckRTcn所以0121...DDDDn如果这时活塞速度不变，继续向右运动，则波阵面压力、波速等冲击波参数保持恒定，即冲击波定常传播。但是，若活塞停止运动，冲击波的传播不能连续得到外部能量的支持，即形成冲击波的自由传播。这时，在冲击波传播过程中，波速即行下降，波阵面压力等参数相应衰减，直至变成为声波（或应力波）。由此得出，冲击波传播过程中要保持其固定的波速和波阵面的压力，则必须不断从外部获得能量的补充。平面正冲击波的传播（3）冲击波的基本方程根据质量守恒定律，单位时间内流入与流出波阵面的物质的质量相等。即：0011()()DuDu根据动量守恒定律，运动物体动量的变化等于外力作用的冲量。：100010()()PPDuuu由能量守恒定律：系统内能量的变化应等于外力所做的功，介质的能量是其内能和动能之和。)()(])(21)[(])(21)[(11002000021111uDPuDPuDeuDuDeuD（4-1）（4-2）（4-3）单位时间内从右边流入波阵面的介质的能量：])(21)[(20000uDeuD向左流出波阵面的介质能量为：])(21)[(21111uDeuD右边的未扰动的介质压力所做的功左边介质压力所做的功00()PDu11()PDu整理经变换之后，可得冲击波基本方程：101001()()uuPPVV100001()()PPDuVVV))((21100101VVPPee/1V其中V为比容：（4-1A）（4-2A）（4-3A）如果介质为理想气体，则其状态方程为：RTPV1kPVe理想气体的内能为：代入（4-3A）得：（4-4）（4-3B）011010(1)(1)(1)(1)kVkVPPkVkV其为理想气体的冲击波绝热方程或Hugoniot方程。其中绝热指数，，一般取1.4.vpcck/将方程（4-3B）绘在P-V图，得到一向上凹的曲线，称为空气冲击波绝热曲线。0VV冲击绝热曲线方程和波速线将方程（4-2A）绘在P-V图，得到一直线，称为波速线。冲击波绝热曲线是不同强度的冲击波通过同一介质初态时，所达到的一系列终态点联成的曲线，而不是过程线。冲击波的波速线是相同的冲击波传过具有同一初始状态的不同介质所达到的终点状态的连线（4）冲击波特点：（1）冲击波波阵面前后介质状态在极小范围内发生突跃变化，其差值为有限量；（2）冲击波传播速度永远大于未扰动介质中的声速；对于已扰动介质，其传播速度小于该介质当地声波速度；（3）冲击波波速与其强度有很大关系，而声波则不然。（4）没有外界能量的支持，冲击波传播因消耗能量而逐渐衰减为音波而趋于消失。冲击波的波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关。在其它条件相同的情况下，气体爆炸能量越大，冲击波强度越大，波阵面上的超压也越大。在平坦地形条件下，可按下式计算超压：（5）冲击波的超压爆炸气体产生的冲击波是主体冲击波，它以爆炸点为中心，以球面向外扩展传播。随半径增大，波阵面表面积增大，超压逐渐减弱，最后超压(△P)趋向于零，冲击波变成声波。4.3.1物理爆炸时破坏力的计算§4.3爆炸破坏力的计算当带压容器内介质为压缩气体时，发生物理爆炸时的破坏力，相当于该气体绝热膨胀时所作的功，或按下式进行计算：介质为压缩气体时的计算L1一气体容器的爆炸力，J；P一气体的压力(绝对压力)，Pa；V一容器的容积,m3；K一气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比，想气体的K值，1≤K≤5/3；单、双、三原子气体K值见表4-7、常用气体K值见表4-8。通常用液体加压时所做的功作为常温液体压力容器爆炸时释放的能量，计算公式如下：介质全部是液体时的计算式中W一常温液体压力容器爆炸时释放的能量，J；P一液体压力，kgf／cm2(绝对)；V一容器容积，cm3；βt—液体在压力P和温度t下的压缩系数，cm2／kgf。4.3.2化学爆炸破坏力的计算理论计算的三点假论：①爆炸物质的爆炸过程是一定容过程；②爆炸过程是绝热过程；③爆炸产物的热容只是温度的函数。根据反应热来计算最高爆炸温度步骤：（1）写出爆炸反应方程式；（2）爆炸产物的平均热容；（3）由热平衡式计算最高爆炸温度。爆炸的最高温度计算由于爆炸的气体产物温度很高，可以用气体状态方程计算最高爆炸压力。爆炸的最大压力计算1111RTnVP爆炸后：MMRTnVP21由以上两式可得：1112PTTnnPMM爆炸压力的测试系统见图3-3所示。爆炸的最大压力测定爆炸容器为一个容积为10L的中空球体，球体壁上安有测压传感器，点火电极设在球体中心。实验首先将爆炸容器抽真空，充入可燃气体，用单管水银压力计控制可燃气充入量，再充入空气至1atm。由半导体温度计测出混合气体的初始温度，再由触发电路使电极点火，使爆炸容器内的混合气体发生爆炸。用压力传感器记下压力，并同时记下时间标。这样即可同时测出最大爆炸压力和压力上升速度。可燃气体或蒸汽产生最大爆炸压力的浓度是一个定值，它比化学计算浓度高一些。测试出的七种可燃气体的最大爆炸压力和压力上升速度列于表3-7中。爆炸性混合气体的爆炸压力越高、压力上升速度越快，则其安全性越差，危险性越大。爆炸能量估算化学反应所放出的能量可根据参与反应的可燃气体量和它的燃烧热(高发热值)直接计算得到：vQVEE—化学爆炸时的爆炸能量（kJ）；V—参与反应的可燃气体在标准状态下的体积，m3；QV—可燃气体的发热值；可是，在大多数情况下，参与反应的可燃气体的量是难以计量的。因此，要进行计算必须首先估计参与反应的可燃气体量。如果混合气中含氧量充裕，就只要估计可燃气体量；如果可燃气浓度很高，含氧浓度低，不能充分燃烧，就要估算能与氧反应的可燃气体量。由估算出的可燃气体量计算出的爆炸能量也是一个估算值。§4.4影响爆炸破坏作用的因素爆炸物质在爆炸瞬间释放出爆炸能量，这种能量以热、光、压力上升、机械功和冲击波等形式出现，它们具有巨大的破坏作用。破坏力的大小与下列因素有关：爆炸物的性质和数量显然，爆炸物质的数量越多，爆炸威力越大，其破坏作用也越大。爆炸物质的温度、初期压力、混合均匀程度、以及点火源和起爆能等。爆炸物质的温度和初期压力对爆炸的发生具有重要影响。显然，温度越高，压力越大，它的破坏作用也越大。对于多组分混合而成的爆炸物质，混合均匀程度的物质爆作用大。一些爆炸物质在比较弱的点火源作用下，只能发生燃烧，可是在强的点火源或起爆能的作用下能够发生爆炸。爆炸时的条件发生在设备内、厂房内和厂房外的爆炸，其作用各不相同。一般来说发生在设备内、厂房内的爆炸的破坏作用是比较大的。爆炸作用的大小还和周围环境有关，也和环境中有无障碍物有关。当爆炸发生在均匀介质的自由空间时，从爆炸中心点起，在一定范围内，破坏力的传播是均匀的，并使这个范围内的