摘　要：采用不同的方法計算氣瓶物理性爆炸產(chǎn)生的能量，分析爆炸前氣瓶容積、儲氣壓力與爆炸能量的關系，研究自由場空氣中氣瓶爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值與測點到爆炸點的距離的關系，得到氣瓶物理性爆炸對人體產(chǎn)生不同程度損傷的作用范圍，以及對汽車的危害程度。?

關鍵詞：壓縮天然氣；??車用CNG氣瓶；??物理性爆炸；??爆炸能量；??沖擊波

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

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近年來，壓縮天然氣(CNG)因其污染少、安全性高、經(jīng)濟性好、抗爆震性能好等特點，被用來替代汽油供給汽車使用^[1]。但車用CNG氣瓶爆炸的事故時有發(fā)生，嚴重威脅著人們的生命和財產(chǎn)安全。文獻[2]對北京、上海、成都、重慶等16個城市從2004年到2007年統(tǒng)計的l00起CNG加氣站事故案例中，車用CNG氣瓶爆炸雖然只有6起，但其造成的經(jīng)濟損失卻占所有案例總損失的44.6％。

車用CNG氣瓶(以下簡稱氣瓶)充裝壓力為20MPa，且裝載的CNG為可燃氣體，當氣瓶由于誤操作、汽車碰撞、內(nèi)部或外部腐蝕等原因發(fā)生破裂時，瓶內(nèi)CNG的壓力瞬間降至外界大氣壓力，在極短的時間內(nèi)迅速膨脹，以機械能的形式釋放內(nèi)在能量，其中一部分能量使裂口變形變大，更大一部分能量以沖擊波的形式造成周圍的空氣大面積強烈振動，這種物理性爆炸直接對周圍的物體和人員造成傷害。例如，2004年7月10日，成都市一輛CNG出租車由于使用不當使得氣瓶受腐蝕而破裂，在加氣站內(nèi)爆炸，爆炸產(chǎn)生的沖擊波導致該出租車司機當場死亡，另一名出租車司機被震傷，直接經(jīng)濟損失30×10⁴元。加氣站內(nèi)天然氣大范圍擴散，氣瓶頭部被炸開，飛出20m以外，周圍平房門窗玻璃被震裂，出租車駕駛座被嚴重擠壓變形，后保險杠被炸飛至10m以外。

另外，如果有外界火源或氣體高速流出產(chǎn)生靜電或碎片撞擊產(chǎn)生火花，且天然氣與空氣混合達到天然氣的爆炸極限(5％～15％)時，則會發(fā)生化學性爆炸，引起火災，從而導致更為嚴重的后果。

因此，有必要對氣瓶爆炸的能量和危害程度進行研究和分析，以便采取適當?shù)陌踩胧阑加谖慈?，確保人員生命和財產(chǎn)安全。本文只針對氣瓶破裂而發(fā)生的物理性爆炸(有的文獻稱為爆裂、破裂)進行研究，暫不考慮有火源存在且達到爆炸極限時引起的化學性爆炸。

氣瓶產(chǎn)生的裂紋分為應力腐蝕裂紋、氫致裂紋和疲勞裂紋3種，各種裂紋的產(chǎn)生機理不同^[3]。氣瓶破裂的形式有塑性破裂、脆性破裂、疲勞破裂和腐蝕破裂4種，各種破裂形式都具有一定的特征，造成破壞的程度也不相同。其中以塑性破裂造成的危害程度最大，這是因為它在爆炸時達到氣瓶的塑性極限壓力，且氣瓶容積明顯增大，而其余3種破壞形式是在較低應力狀態(tài)且氣瓶容積變化小的情況下發(fā)生爆炸，因而爆炸能量較小^[4]。

①Baker公式^[5]

在氣瓶破裂時，氣瓶內(nèi)的CNG壓力由20MPa迅速降低到大氣壓力，該過程時間極短，無論氣瓶內(nèi)天然氣與周圍大氣的溫差多大，都可以認為氣瓶內(nèi)的氣體與大氣沒有熱量交換，因此，視該過程為絕熱膨脹過程，且氣瓶內(nèi)CNG在氣瓶爆炸前后均為氣體，不發(fā)生物態(tài)變化，可以認為氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸釋放出的能量(以下簡稱爆炸能量)，就是天然氣絕熱膨脹所作的功W。

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式中W——爆炸能量，MJ

p1——爆炸前氣瓶儲氣壓力(絕對壓力)，Mpa

V1——爆炸前氣瓶容積，m³

k——天然氣等熵指數(shù)，取1.29

p0——大氣壓力(絕對壓力)，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，若要計算爆炸能量，就需要確定爆炸前氣瓶容積V1和儲氣壓力p1。氣瓶容積具有較大的隨機性，當氣瓶內(nèi)氣體壓力達到氣瓶的塑性極限壓力時，氣瓶容積一般變大為氣瓶設計容積的110％～125％，其取值與氣瓶制造質(zhì)量等因素有關。GB?17258—2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》規(guī)定，氣瓶的公稱容積為30～300L，其中30～120L的氣瓶公稱容積的允許偏差為2.5％，120L以上氣瓶公稱容積的允許偏差為1.25％。常用的氣瓶公稱容積有50、70、90、120L等。為了簡化研究，本文的氣瓶容積取氣瓶的公稱容積，不考慮其變化和偏差。根據(jù)公式(1)～(3)，繪制出當爆炸前氣瓶儲氣壓力p1為20.101MPa時，即爆炸前氣瓶在充裝壓力20MPa下，爆炸能量肜與氣瓶容積V1的關系見圖1。

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從圖1中可以看出，Kinney公式計算出的數(shù)值最大，而Baker公式計算出的數(shù)值最小，Broad公式居中，因此，一般采用Broad公式計算，本文也采用Broad公式的計算結(jié)果做進一步的危害分析。根據(jù)公式(3)，繪制出爆炸前氣瓶容積V1分別取50、70、90、120L時，爆炸能量形與氣瓶儲氣壓力p1的關系，見圖2。

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為了方便研究爆炸危害，將爆炸能量換算成TNT當量，即與TNT(三硝基甲苯)炸藥爆炸所釋放出的能量做對比。TNT當量的計算式為：

m=W/ETNT???????????(4)

式中m——TNT當量，kg

ETNT——單位質(zhì)量的TNT炸藥所產(chǎn)生的爆炸能量，MJ／kg，取4.184MJ／kg

氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸時，爆炸能量向外釋放，除了小部分是以容器殘余變形能量的形式表現(xiàn)外，其余大部分能量用于產(chǎn)生空氣沖擊波，沖擊波能量占總爆炸能量的85％～97％^[6]。當氣瓶破裂后，氣瓶內(nèi)CNG壓力快速衰減到大氣壓力，并且絕熱膨脹，猛烈地推動周圍的空氣，導致周圍空氣的壓力、溫度、密度等物理性質(zhì)發(fā)生跳躍式改變，CNG對周圍空氣的這種強烈擾動在周圍空氣中的傳播成為沖擊波。

目前，研究者主要用沖擊波超壓峰值來描述爆炸產(chǎn)生沖擊波的傳播規(guī)律及危害。由于汽車內(nèi)沖擊波的計算較為復雜，且缺乏數(shù)據(jù)，因此，本文暫不考慮汽車車體對沖擊波的約束以及反射效應，沖擊波超壓峰值采用文獻[7]推薦的自由場空氣中沖擊波超壓峰值的經(jīng)驗公式計算。

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式中d——測點到爆炸點的距離，m

p——沖擊波超壓峰值(相對壓力)，Mpa