压力容器安全技术压力容器安全技术机械科学与工程学院 戴 光第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 第一节第一节 压力容器爆炸能量估算压力容器爆炸能量估算 压力容器爆炸能量不仅与压力容器的压力和容积压力容器爆炸能量不仅与压力容器的压力和容积有关，而且还与介质在器内的物性集态（物理或化学有关，而且还与介质在器内的物性集态（物理或化学反应）有关反应）有关 一、盛装压缩气体容器的爆破能量一、盛装压缩气体容器的爆破能量 压缩气体在容器破裂时产生瞬间的降压膨胀，压缩气体在容器破裂时产生瞬间的降压膨胀，可以认为来不及与周围环境发生热量交换，因而，这可以认为来不及与周围环境发生热量交换，因而，这一过程可视为是一绝热过程由此可知压缩气体容器一过程可视为是一绝热过程由此可知压缩气体容器的能量就是气体绝热膨胀所做的功的能量就是气体绝热膨胀所做的功 压缩气体的爆炸能量可按理想气体作绝热膨胀压缩气体的爆炸能量可按理想气体作绝热膨胀时所释放的能量来计算时所释放的能量来计算第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 Ug=pV/(k-1)1-(0.1013/p)k-1/k106式中式中 Ug气体的爆炸能量气体的爆炸能量，J; P容器内气体的绝对压力容器内气体的绝对压力，MPa; V容器的容积容器的容积， m3; k气体的绝热指数。
气体的绝热指数第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 气体的绝热指数可以按它的分子组成确定其近似值双原气体的绝热指数可以按它的分子组成确定其近似值双原子气体子气体,k=1.4,而三原子和四原子气体而三原子和四原子气体,k=1.21.3压力容器压力容器中常用的压缩气体绝热指数可由表中常用的压缩气体绝热指数可由表 1查得表表1 常用压缩气体的绝热指标常用压缩气体的绝热指标气体名称气体名称空气空气氮气氮气甲甲烷烷一氧化碳一氧化碳绝热绝热指指标标1.41.41.41.41.3151.3151.3951.395气体名称气体名称氧气氧气氢氢气气乙乙烷烷二氧化碳二氧化碳绝热绝热指指标标1.3971.3971.4121.4121.181.181.2951.295第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 从表从表1可以看出可以看出,空气、氧、氮、氢、及一氧化空气、氧、氮、氢、及一氧化碳等常用气体的绝热指数碳等常用气体的绝热指数k均为均为1.4或近似或近似1.4，用，用1.4代入上式即得这些气体容器的爆破能量为代入上式即得这些气体容器的爆破能量为 Ug=2.5pV1-(0.1/p)0.2857 106 令令 Cg=2.5p1-(0.1/p)0.2857 106 由此，公式可以简化成由此，公式可以简化成 Ug=CgV 式中式中 Cg压缩气体爆破能量系数压缩气体爆破能量系数,J/m3.第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 压缩气体爆炸能量系数随它的绝对压力而定压缩气体爆炸能量系数随它的绝对压力而定,即即Cg是是p的函数。
各种常用压力的函数各种常用压力(绝对绝对)下压缩气体的爆破能下压缩气体的爆破能量系数见量系数见 表表2表表2 常用压力下的气体的爆炸能量系数常用压力下的气体的爆炸能量系数Cg值值(k=1.4)绝对压绝对压力力P (P (MPaMPa) ) 0.30.3 0.50.50.70.7 0.90.91.11.1能量系数能量系数Cg(J/mCg(J/m3 3) )2.02102.02105 54.61104.61105 57.46107.46105 51.05101.05106 61.36101.36106 6绝对压绝对压力力P (P (MPaMPa) ) 1.71.7 2.62.64.14.15.15.1 6.56.5能量系数能量系数Cg(J/mCg(J/m3 3) )2.36102.36106 63.94103.94106 66.70106.70106 68.60108.60106 61.13101.13107 7绝对压绝对压力力P (P (MPaMPa) ) 15.115.132.132.140.140.1能量系数能量系数Cg(J/mCg(J/m3 3) )2.88102.88107 76.481078.22107第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 二二 、 盛装液化气体容器的爆破能量盛装液化气体容器的爆破能量 介质为液化气体的压力容器介质为液化气体的压力容器,破裂时的情破裂时的情况与压缩气体不尽相同况与压缩气体不尽相同,它所释放的能量包括它所释放的能量包括两部分两部分,即即 （1）气相绝热膨胀的爆炸能量）气相绝热膨胀的爆炸能量 （2）处于过热状态的液相急剧蒸发的爆沸爆）处于过热状态的液相急剧蒸发的爆沸爆炸能量。
炸能量 当容器破裂时当容器破裂时,器内的气体首先迅速膨胀器内的气体首先迅速膨胀,使容器内的压力瞬时降至大气压力使容器内的压力瞬时降至大气压力第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 此时器内的饱和液处于过热状态此时器内的饱和液处于过热状态,也就是说它的温也就是说它的温度高于它在大气压力下的沸点度高于它在大气压力下的沸点 气液两相失衡气液两相失衡,液体瞬时大量蒸发液体瞬时大量蒸发,内部处处充满气内部处处充满气泡泡,体积激烈膨胀体积激烈膨胀,并很快充满整个容器空间并很快充满整个容器空间 容器壳体受到很高的压力冲击容器壳体受到很高的压力冲击,促使其进一步破裂促使其进一步破裂 这种由于压力突然下降这种由于压力突然下降,使原来处于平衡状态的饱和使原来处于平衡状态的饱和液在大气压力下过热而迅速沸腾蒸发液在大气压力下过热而迅速沸腾蒸发,体积激烈膨胀而显体积激烈膨胀而显示出的一种爆炸现象称为爆沸或蒸气爆炸示出的一种爆炸现象称为爆沸或蒸气爆炸 第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 发生蒸气爆炸时发生蒸气爆炸时,延性好的材料制成的容器延性好的材料制成的容器,壳体壳体的整个形状都会发生改变的整个形状都会发生改变,圆筒体甚至会反向卷曲圆筒体甚至会反向卷曲;延性差的材料延性差的材料,破裂断面有时会显示出受冲击的脆性破裂断面有时会显示出受冲击的脆性破裂的特征。
破裂的特征 不过不过,在大多数情况下在大多数情况下,这类容器内的饱和液要这类容器内的饱和液要占绝大部分占绝大部分,它的能量要比饱和蒸气大得多它的能量要比饱和蒸气大得多,所以计所以计算时后者往往可忽略不计算时后者往往可忽略不计 蒸气爆炸一般在很短的时间内完成蒸气爆炸一般在很短的时间内完成,也是一个绝也是一个绝热过程因此热过程因此,处于过热状态下液体的爆炸能量处于过热状态下液体的爆炸能量,可可以按公式计算以按公式计算第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 三、可燃气体器外二次爆炸能量三、可燃气体器外二次爆炸能量 介质为可燃气体的压力容器破裂时介质为可燃气体的压力容器破裂时,除了除了器内高压气体膨胀释放能量以外器内高压气体膨胀释放能量以外,往往还会发往往还会发生化学爆炸生化学爆炸,即通常所说的器外二次爆炸即通常所说的器外二次爆炸 当容器破裂时当容器破裂时,器内的可燃气体大量流出器内的可燃气体大量流出,并迅速与外面的空气相混合并迅速与外面的空气相混合,形成一团可爆性形成一团可爆性混合气体由于气体高速流出产生的静电或混合气体由于气体高速流出产生的静电或容器碎片撞击产生的火花容器碎片撞击产生的火花,为这团可爆性气体为这团可爆性气体提供了起爆条件。
提供了起爆条件 第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 要准确计算这部分爆炸性混合气体的爆炸能量是比要准确计算这部分爆炸性混合气体的爆炸能量是比较困难的虽然容器内的可燃气体量是已知的较困难的虽然容器内的可燃气体量是已知的,容器破容器破裂时又几乎全部流出裂时又几乎全部流出,但由于这些可燃气体一般以球状但由于这些可燃气体一般以球状或其他形状向四周扩散或其他形状向四周扩散,所以所以,只有外围的一部分可燃气只有外围的一部分可燃气体可以与大气中的氧混合形成爆炸性气体体可以与大气中的氧混合形成爆炸性气体 因而因而,准确计算的困难在于参与反应的可燃气体量准确计算的困难在于参与反应的可燃气体量的多少与许多因素有关尽管如此的多少与许多因素有关尽管如此,我们还是可以估算我们还是可以估算其爆炸能量范围其爆炸能量范围,即最大的能量是全部可燃气体的燃烧即最大的能量是全部可燃气体的燃烧热热,最小爆炸能量则是这种可燃气体在它的爆炸上限条最小爆炸能量则是这种可燃气体在它的爆炸上限条件下的燃烧热件下的燃烧热第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 第二节第二节 爆炸冲击波能量及其破坏作用爆炸冲击波能量及其破坏作用 一、一、冲击波冲击波超压的破坏作用超压的破坏作用 压力容器破裂时压力容器破裂时,气体爆炸的能量除了很少一部分消耗于气体爆炸的能量除了很少一部分消耗于进一步将容器撕裂并将容器或其碎片抛出以外进一步将容器撕裂并将容器或其碎片抛出以外,大部分产生冲大部分产生冲击波。
击波 冲击波是介质受到外界的作用冲击波是介质受到外界的作用,发振动、冲击、敲打等而发振动、冲击、敲打等而产生的一种介质状态突跃变化的传播产生的一种介质状态突跃变化的传播,或者简称为强扰动的传或者简称为强扰动的传播容器破裂时播容器破裂时,器内的高压气体突然大量喷出器内的高压气体突然大量喷出,使它周围的空使它周围的空气受到冲击而发生扰动气受到冲击而发生扰动,这种扰动在空气中传播就成为冲击波这种扰动在空气中传播就成为冲击波空气冲击波中状态的突跃变化空气冲击波中状态的突跃变化,最明显的表现在压力上在离最明显的表现在压力上在离爆炸中心有一定距离的地方爆炸中心有一定距离的地方,空气压力会随时间发生迅速而悬空气压力会随时间发生迅速而悬殊的变化殊的变化 第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止 开始时开始时,压力突然升高压力突然升高,产生一个很大的正压力产生一个很大的正压力,接着接着又迅速衰减又迅速衰减,在很短的时间内正压降到零在很短的时间内正压降到零,随后又迅速地随后又迅速地下降至小于大气压力的负压在反复循环的过程中下降至小于大气压力的负压在反复循环的过程中,压压力的变化逐渐减小开始时产生的最大正压力力的变化逐渐减小。
开始时产生的最大正压力 就是冲就是冲击波波阵面上的超压击波波阵面上的超压p在多数情况下在多数情况下,冲击波的破坏冲击波的破坏作用主要与这波阵面上的超压作用主要与这波阵面上的超压p的大小有关的大小有关 与炸药爆炸一样与炸药爆炸一样,在压力容器爆炸中心附近所产生在压力容器爆炸中心附近所产生的空气冲击波阵面上的超压的空气冲击波阵面上的超压p可以达到几个甚至几十可以达到几个甚至几十个大气压力在这样高的压力冲击下个大气压力在这样高的压力冲击下,建筑物将被摧毁建筑物将被摧毁,设备、管道等均会遭到严重破坏即使是在大气压力以设备、管道等均会遭到严重破坏即使是在大气压力以内的冲击波超压也具有很大的破坏作用内的冲击波超压也具有很大的破坏作用第四章第四章 压力容器爆破危害及防止压力容器爆破危害及防止表表 3 3 冲击波超压对建筑物的破坏作用冲击波超压对建筑物的破坏作用超超压压P P，MPaMPa破坏情况破坏情况0.005-0.0060.005-0.006门门窗玻璃部分破碎窗玻璃部分破碎0.006-0.010.006-0.01受受压压面的面的门门窗玻璃大部分破窗玻璃大部分破碎碎0.015-0.020.015-0.02窗框窗框损损坏坏0.02-0.030.02-0.03墙墙裂裂缝缝0.04-0.050.04-0.05墙墙大裂大裂缝缝，屋瓦掉下，屋瓦掉下0.06-0.070.06-0.07木建筑厂房屋柱折断，房架木建筑厂房屋柱折断，房架松松动动0.07-0.100.07-0.10砖墙。