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 of damage 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
当Z≥1时，公式的精确度较高；当Z<1时，测点距爆炸点较近，因受到爆炸产物的影响，使得数据有一定的偏差。根据公式(5)～(7)，绘制出当爆炸前气瓶储气压力p1为20.101MPa时，气瓶容积V1分别为50、70、90、120L的4种常用气瓶，爆炸产生的冲击波超压峰值p与测点到爆炸点的距离d的关系曲线，见图3。
进一步分析可知，冲击波超压峰值与爆炸前气瓶容积、储气压力以及测点到爆炸点的距离有关：当气瓶容积和储气压力一定时，距离爆炸点越近，冲击波超压峰值越大；相同的距离，气瓶容积越大、储气压力越大，相应的TNT当量越大，爆炸产生的冲击波超压峰值也越大；在距离爆炸点越近的地方，不同的气瓶容积产生的冲击波超压峰值的大小差异越明显。
衡量爆炸危害的方法主要有超压准则、冲量准则和超压一冲量准则等，由于有关冲量准测或超压一冲量准则造成人员伤害或设备破坏的文献数据比较缺乏，因此采用最常用的超压准则，认为只要冲击波超压达到一定值，就会对目标产生破坏伤害作用。
3.2 冲击波对人体和汽车的危害
①对人体的危害
冲击波对人体的损伤程度，与人体受损伤时的姿势、位置、冲击波超压峰值和作用时间有关，而且人体不同部位的损伤阈值不同。目前，国内外还没有统一的阈值标准，不同国家不同领域都是根据实际情况采用不同的阈值。
全球领先的专业风险管理服务机构挪威船级社(DNV)在SAFETI软件的定量风险评价中，根据冲击波对人体的损伤程度，按冲击波超压峰值的大小，将爆炸产生冲击波的危害程度分为死亡、重伤、中等伤害、轻伤、安全5个区域，并给出了各个区域对应的爆炸冲击波危害阈值标准[8]。根据该阈值，本文采用MATLAB编制计算程序[9]，计算出4种常见规格的气瓶在20MPa的情况下破裂发生物理性爆炸达到人体危害阈值的距离，见表1。
文献[10]研究冲击波对人体的危害作用时，根据冲击波超压峰值的大小，将危害程度大致地分为4个区域：当冲击波超压峰值大于100kPa时大部分人死亡，50～100kPa时内脏严重损伤或死亡，30～50kPa时听觉器官损伤或骨折，20～30kPa时轻微损伤。根据文献[10]提供的危害范围，编制计算程序，绘制出4种常用规格的气瓶在20MPa的情况下破裂发生物理性爆炸对人体的危害程度，见图4。
对比图4和表1中的数据，经过分析后可知，采用不同的危害阈值标准，计算出的危害范围不同，但其差别不大。总的来说，常用规格的气瓶破裂发生物理性爆炸时，距离爆炸点3m以内的区域人员死亡的可能性很大。而图4中轻微损伤以外的区域，即气瓶物理性爆炸产生的冲击波超压峰值小于20kPa的区域，为人员的安全区域，该区域可用于事故即将发生时人员的撤离和事故的安全防范。
②对汽车的危害
冲击波除了对人造成危害外，还对汽车以及周围的物体等造成危害。本文中冲击波超压峰值的计算是基于自由场空气的计算，但是实际上当汽车装载的气瓶发生爆炸时，车体内壁与冲击波相互作用后，经过反射和叠加，会使得冲击波出现两个峰值，然后再逐渐衰减，这就使得车内人员和车体本身所受到的伤害比在自由场空气中爆炸受到的伤害更大[11]。汽车对冲击波的约束和阻碍作用不仅与气瓶爆炸所产生的能量有关，而且与车内物体的形状、强度和弹性等参数有关[12]。由于汽车结构的复杂性以及汽车装载的随机性，要确定冲击波对汽车的危害程度很困难。
对于汽车车体，车门的抗冲击能力要比主体车架小，冲击波在车门处受到的约束较弱，冲击波会将车门震掉，而汽车的主体车架对冲击波的阻碍作用要比车门大，冲击波会使得车体严重变形。汽车最脆弱的部分是汽车玻璃，当冲击波超压峰值为0.5～2kPa时，就可以使汽车的玻璃部分破碎，当冲击波超压峰值达到2～12kPa时，汽车玻璃全部破碎。一般CNG出租车长度在5m以内，公交车在10m左右，而经过计算可知，即使是50L的气瓶在20MPa的情况下在自由场空气中发生物理性爆炸，10m以内产生的冲击波超压峰值也在9.89kPa以上。因此不论气瓶放置在车上的任何位置，若无任何防护措施，气瓶在20MPa的状态下破裂发生物理性爆炸的能量，足以使该汽车的玻璃全部破碎。
另外，部分CNG汽车会将几个气瓶放在一起，且放置距离较近。当一个气瓶发生爆炸时，可能会引发周围的其他气瓶爆炸，从而导致爆炸能量成倍增加。表2为不同数量的4种常用气瓶在20MPa的情况下破裂后发生物理性爆炸的TNT当量。
4 结论
①气瓶物理性爆炸产生冲击波超压峰值与爆炸前气瓶容积、储气压力以及测点到爆炸点的距离有关。气瓶容积越大、储气压力越大、距离爆炸点越近，爆炸产生的冲击波超压峰值越大。因此，在气瓶使用过程中，应严格控制其充装压力和工作压力。
②本文得出了常用规格的气瓶发生物理性爆炸时，对人体各种损伤程度的危害范围(即不同程度损伤下测点到爆炸点的距离)，以及人员活动的安全区域，可以为事故的安全防范提供理论指导。
③本文研究的是在自由场空气中气瓶破裂后发生的物理性爆炸，不考虑有火源引起后续的化学性爆炸和可能发生的二次爆炸，以及爆炸燃烧辐射等复合效应，并且假设文中所研究的受伤害对象没有任何防护手段，直接暴露在事故现场。实际情况要复杂得多，因此，本文只为事故的防范提供参考，不能作为事故发生后的调查依据。
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本文作者：付琬娴 彭世尼 黄小美
作者单位：重庆大学城市建设与环境工程学院
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