當(dāng)Z≥1時(shí)，公式的精確度較高；當(dāng)Z<1時(shí)，測(cè)點(diǎn)距爆炸點(diǎn)較近，因受到爆炸產(chǎn)物的影響，使得數(shù)據(jù)有一定的偏差。根據(jù)公式(5)～(7)，繪制出當(dāng)爆炸前氣瓶?jī)?chǔ)氣壓力p1為20.101MPa時(shí)，氣瓶容積V1分別為50、70、90、120L的4種常用氣瓶，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值p與測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離d的關(guān)系曲線，見圖3。
?
進(jìn)一步分析可知，沖擊波超壓峰值與爆炸前氣瓶容積、儲(chǔ)氣壓力以及測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離有關(guān)：當(dāng)氣瓶容積和儲(chǔ)氣壓力一定時(shí)，距離爆炸點(diǎn)越近，沖擊波超壓峰值越大；相同的距離，氣瓶容積越大、儲(chǔ)氣壓力越大，相應(yīng)的TNT當(dāng)量越大，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值也越大；在距離爆炸點(diǎn)越近的地方，不同的氣瓶容積產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值的大小差異越明顯。
衡量爆炸危害的方法主要有超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則和超壓一沖量準(zhǔn)則等，由于有關(guān)沖量準(zhǔn)測(cè)或超壓一沖量準(zhǔn)則造成人員傷害或設(shè)備破壞的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較缺乏，因此采用最常用的超壓準(zhǔn)則，認(rèn)為只要沖擊波超壓達(dá)到一定值，就會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生破壞傷害作用。
3.2 沖擊波對(duì)人體和汽車的危害
①對(duì)人體的危害
沖擊波對(duì)人體的損傷程度，與人體受損傷時(shí)的姿勢(shì)、位置、沖擊波超壓峰值和作用時(shí)間有關(guān)，而且人體不同部位的損傷閾值不同。目前，國(guó)內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的閾值標(biāo)準(zhǔn)，不同國(guó)家不同領(lǐng)域都是根據(jù)實(shí)際情況采用不同的閾值。
全球領(lǐng)先的專業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理服務(wù)機(jī)構(gòu)挪威船級(jí)社(DNV)在SAFETI軟件的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，根據(jù)沖擊波對(duì)人體的損傷程度，按沖擊波超壓峰值的大小，將爆炸產(chǎn)生沖擊波的危害程度分為死亡、重傷、中等傷害、輕傷、安全5個(gè)區(qū)域，并給出了各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的爆炸沖擊波危害閾值標(biāo)準(zhǔn)[8]。根據(jù)該閾值，本文采用MATLAB編制計(jì)算程序[9]，計(jì)算出4種常見規(guī)格的氣瓶在20MPa的情況下破裂發(fā)生物理性爆炸達(dá)到人體危害閾值的距離，見表1。
?
文獻(xiàn)[10]研究沖擊波對(duì)人體的危害作用時(shí)，根據(jù)沖擊波超壓峰值的大小，將危害程度大致地分為4個(gè)區(qū)域：當(dāng)沖擊波超壓峰值大于100kPa時(shí)大部分人死亡，50～100kPa時(shí)內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡，30～50kPa時(shí)聽覺器官損傷或骨折，20～30kPa時(shí)輕微損傷。根據(jù)文獻(xiàn)[10]提供的危害范圍，編制計(jì)算程序，繪制出4種常用規(guī)格的氣瓶在20MPa的情況下破裂發(fā)生物理性爆炸對(duì)人體的危害程度，見圖4。
?
對(duì)比圖4和表1中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析后可知，采用不同的危害閾值標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出的危害范圍不同，但其差別不大?？偟膩?lái)說(shuō)，常用規(guī)格的氣瓶破裂發(fā)生物理性爆炸時(shí)，距離爆炸點(diǎn)3m以內(nèi)的區(qū)域人員死亡的可能性很大。而圖4中輕微損傷以外的區(qū)域，即氣瓶物理性爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值小于20kPa的區(qū)域，為人員的安全區(qū)域，該區(qū)域可用于事故即將發(fā)生時(shí)人員的撤離和事故的安全防范。
②對(duì)汽車的危害
沖擊波除了對(duì)人造成危害外，還對(duì)汽車以及周圍的物體等造成危害。本文中沖擊波超壓峰值的計(jì)算是基于自由場(chǎng)空氣的計(jì)算，但是實(shí)際上當(dāng)汽車裝載的氣瓶發(fā)生爆炸時(shí)，車體內(nèi)壁與沖擊波相互作用后，經(jīng)過(guò)反射和疊加，會(huì)使得沖擊波出現(xiàn)兩個(gè)峰值，然后再逐漸衰減，這就使得車內(nèi)人員和車體本身所受到的傷害比在自由場(chǎng)空氣中爆炸受到的傷害更大[11]。汽車對(duì)沖擊波的約束和阻礙作用不僅與氣瓶爆炸所產(chǎn)生的能量有關(guān)，而且與車內(nèi)物體的形狀、強(qiáng)度和彈性等參數(shù)有關(guān)[12]。由于汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及汽車裝載的隨機(jī)性，要確定沖擊波對(duì)汽車的危害程度很困難。
對(duì)于汽車車體，車門的抗沖擊能力要比主體車架小，沖擊波在車門處受到的約束較弱，沖擊波會(huì)將車門震掉，而汽車的主體車架對(duì)沖擊波的阻礙作用要比車門大，沖擊波會(huì)使得車體嚴(yán)重變形。汽車最脆弱的部分是汽車玻璃，當(dāng)沖擊波超壓峰值為0.5～2kPa時(shí)，就可以使汽車的玻璃部分破碎，當(dāng)沖擊波超壓峰值達(dá)到2～12kPa時(shí)，汽車玻璃全部破碎。一般CNG出租車長(zhǎng)度在5m以內(nèi)，公交車在10m左右，而經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，即使是50L的氣瓶在20MPa的情況下在自由場(chǎng)空氣中發(fā)生物理性爆炸，10m以內(nèi)產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值也在9.89kPa以上。因此不論氣瓶放置在車上的任何位置，若無(wú)任何防護(hù)措施，氣瓶在20MPa的狀態(tài)下破裂發(fā)生物理性爆炸的能量，足以使該汽車的玻璃全部破碎。
另外，部分CNG汽車會(huì)將幾個(gè)氣瓶放在一起，且放置距離較近。當(dāng)一個(gè)氣瓶發(fā)生爆炸時(shí)，可能會(huì)引發(fā)周圍的其他氣瓶爆炸，從而導(dǎo)致爆炸能量成倍增加。表2為不同數(shù)量的4種常用氣瓶在20MPa的情況下破裂后發(fā)生物理性爆炸的TNT當(dāng)量。
?
4 結(jié)論
①氣瓶物理性爆炸產(chǎn)生沖擊波超壓峰值與爆炸前氣瓶容積、儲(chǔ)氣壓力以及測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離有關(guān)。氣瓶容積越大、儲(chǔ)氣壓力越大、距離爆炸點(diǎn)越近，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值越大。因此，在氣瓶使用過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制其充裝壓力和工作壓力。
②本文得出了常用規(guī)格的氣瓶發(fā)生物理性爆炸時(shí)，對(duì)人體各種損傷程度的危害范圍(即不同程度損傷下測(cè)點(diǎn)到爆炸點(diǎn)的距離)，以及人員活動(dòng)的安全區(qū)域，可以為事故的安全防范提供理論指導(dǎo)。
③本文研究的是在自由場(chǎng)空氣中氣瓶破裂后發(fā)生的物理性爆炸，不考慮有火源引起后續(xù)的化學(xué)性爆炸和可能發(fā)生的二次爆炸，以及爆炸燃燒輻射等復(fù)合效應(yīng)，并且假設(shè)文中所研究的受傷害對(duì)象沒有任何防護(hù)手段，直接暴露在事故現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)際情況要復(fù)雜得多，因此，本文只為事故的防范提供參考，不能作為事故發(fā)生后的調(diào)查依據(jù)。
?
參考文獻(xiàn)：
[1]郭宗華，周儉明，吳祚平．壓縮天然氣汽車的特點(diǎn)[J]．煤氣與熱力，2004，24(2)：108-110．
[2]陳杰，李求進(jìn)，吳宗之．100起CNG加氣站事故的統(tǒng)計(jì)分析及對(duì)策研究[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(1)：71-75．
[3]劉云霞．車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的原因及預(yù)防措施[J]．煤氣與熱力，2008，4(4)：B25-B27．
[4]楊勇，姜振鋒，吳菲．高壓容器爆炸能量的計(jì)算[J]．蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，16(1)：80-84．
[5]彭世尼，黃小美．燃?xì)獍踩夹g(shù)[M]．2版．重慶：重慶大學(xué)出版社，2011：62-63．
[6]于暢，田貫三．天然氣儲(chǔ)氣罐破壞效應(yīng)分析[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，20(5)：75-79，
[7]楊鑫，石少卿，程鵬飛．空氣中TNT爆炸沖擊波超壓峰值的預(yù)測(cè)及數(shù)值模擬[J]．爆破，2008，25(3)：15-25．
[8]王光彬，蔣永清，秦雪松．Matlab在壓力容器安全分析中的應(yīng)用[J]．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，8(4)：18-24
[9]師立晨，多英全．重大事故危害閡值的探討[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(12)：51-56．
[10]孫艷馥，王欣．爆炸沖擊波對(duì)人體損傷與防護(hù)分析[J]．火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31(8)：50-53．
[11]王立軍，孫樹德．公共汽車內(nèi)TNT炸藥爆炸的有限元模擬[J]．大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38(1)：69-71．
[12]佐建君，張光雄，楊軍．汽車爆炸的超壓分布規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J]．安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，6(1)：31-33．
??
