（安全技术及工程专业论文）海洋平台爆炸事故风险分析与防护对策研究.pdf

工 j 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鹭 l 日期： 矽f f 年月 p 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：燃 指导教师签名： 日期：1 口【1 年月p 日 同期：勘一1 年多月 矿日 摘要 海洋石油工程具有高风险、高投入和高收益的特征，在世界各国的资源利用中都扮 演着重要的角色，是对越来越少的陆地油气资源的有效补充。海洋石油平台作为海洋油 气资源开采的重要设施，其安全性和可靠性决定着一个国家海洋石油工程的发展。回顾 海洋石油工程史上的重大灾难和事故，在造成重大经济损失的同时也造成了严重的环境 污染，严重影响了海洋生态环境。 海洋平台长期处于复杂恶劣的海洋环境中，除了受到正常的工作载荷和环境载荷， 海洋平台还时常受到火灾、爆炸等风险载荷的作用，随之而来的灾难性事故也不断发生。 资料显示，爆炸引发的事故在海洋平台事故中占有很大的比例。英国p i p e r a l p h a 采油平 台、巴西p 3 6 采油平台、b p 公司“深水地平线号钻井平台，这些海洋中的庞然大物 无一不是毁于海洋平台爆炸事故之中。如何有效降低爆炸事故造成的损失是一个十分棘 手的问题。 海洋平台爆炸冲击波的破坏力主要体现在对人员和结构造成的损伤上，根据泄漏油 气的等效t n t 当量可以计算出爆炸发生后人员的伤亡等级等级和结构物的损伤情况。 对事故发生后的救援工作有很大的帮助。 在海洋平台爆炸防护措施中，主要采用防爆墙来阻挡爆炸冲击波载荷的传播。防爆 墙将海洋平台作业区域和生活区域分隔开来，冲击波超压峰值在经过防爆墙之后破坏力 大幅降低，防爆墙有效的保护了生活区域。借助a n s y s 有限元分析软件采用瞬态动力 学分析方法对不同体积油气爆炸和不同爆心距离爆炸两种情况下防爆墙对爆炸载荷的 动态响应规律进行分析，找出防爆墙的薄弱环节，在设计中加以优化，增强其抗爆能力， 提高防爆墙对海洋平台生活区域的防护作用，降低爆炸冲击波的损伤范围。 关键词：海洋平台，爆炸冲击波，防爆墙，风险，控制 s t u d yo hb l a s tw a l la n t i k n o c kc a p a c i t yo fo f f s h o r eo i lp l a t f o r m z h uk u n ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e ng u o m i n g a b s t r a c t o f f s h o r eo i le n g i n e e r i n gh a v es o m ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi n c l u d eh i g hr i s k s ，h i g h i n v e s t m e n ta n dh i g h y i e l d 。i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h eu t i l i z i n go fr e s o u r c e si ne v e r y c o u n t r y i ti sa l s oa l le f f e c t i v ec o m p l e m e n tf o rl e s sa n dl e s sr e s o u r c e so nt h ee a r t h a st h e e l e m e n t a r yf a c i l i t yo fe x p l o i t a t i o ni no f f s h o r eo i la n dg a sr e s o u r c e s ，t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t y o fo f f s h o r ep l a t f o r md e t e r m i n et h ed e v e l o p m e n to fac o u n t r y so f f s h o r eo i le n g i n e e r i n g r e v i e w i n gt h eh u g ed i s a s t e r sa n de v e n t so c c u r r e di nt h eh i s t o r yo fo f f s h o r eo i le n g i n e e r i n g ， t h e yw e r en o to n l yc a u s e ds e r i o u s l ye c o n o m i cl o s s ，b u ta l s ob r o u g h ts e v e r ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n f o re x a m p l e ，m a r i n ee n v i r o n m e n tw a sd a m a g e ds e r i o u s l y o f f s h o r ep l a t f o r m sw e r ei nac o m p l e xm a r i n ee n v i r o n m e n to nl o n gt e r m t h e ys u f f e r m a n yk i n d so fl o a d s ，n o to n l yw o r k1 0 a d ，e n v i r o n m e n t a l1 0 a d ，b u ta l s os o m er i s kl o a d sw h i c h i n c l u d ef i r ea n de x p l o s i o n m a n yd i s a s t e r sm a yc o m ew i t ht h e s er i s kl o a d s s t a t i s t i c ss h o w t h a tt h ee v e n t sc a u s e db ye x p l o s i o nw e r ea c c o u n t i n gf o ral a r g ep r o p o r t i o no fa l lo f f s h o r e p l a t f o r me v e n t s a l t h o u g hp i p e ra l p h ao i lp l a t f o r m ，p 一3 6o i lp l a t f o r ma n dd e e p w a t e rh o r i z o n d r i l l i n gp l a t f o r ma r eh u g em o n s t e r ，t h e ya r ea l ld a m a g e di ne x p l o s i o ne v e n t s h o wt or e d u c e t h el o s sc a u s e db ye x p l o s i o ne v e n t se f f e c t i v e l yi sa v e r yd i f f i c u l tp r o b l e m t h ed e s t r u c t i v ee f f e c t so fs h o c kw a v ec a u s e db yt h ee x p l o s i o ni no f f s h o r ep l a t f o r m m a i n l ye m b o d yt h ed a m a g e so nh u m a na n ds t r u c t u r e w ec a nc o m p u t et h el e v e lo fc a s u a l t i e s o fh u m a na n dl e v e lo ff a i l u r eo fs t r u c t u r e si nt h ee x p l o s i o ne v e n tb ye q u i v a l e n tt n tm e t h o d i tm a y h e l pr e s c u ea f t e rt h ee x p l o s i o n o f f s h o r ep l a t f o r mm a i n l yu s eb l a s tw a l lt op r e v e n ti t s e l ff r o mt h es h o c kw a v el o a d t h e b l a s tw a l ld i v i d e so f f s h o r ep l a t f o r mi n t ot w o 躺鼬卜- 、v o r k i n ga r e aa n dl i v i n ga r e a t h e o v e r p r e s s u r eo fs h o c kw a v ew i l lr e d u c eal o ta f t e re n c o u n t e r i n gb l a s tw a l l s ot h eb l a s tw a l l p r e v e n t sl i v i n ga r e af r o me x p l o s i o nl o a d b yu s i n ga n s y ss o f t w a r ea n dt r a n s i e n td y n a m i c s m e t h o dt oa n a l y z et h ed y n a m i c sr e s p o n s er u l eo fb l a s tw a l li nt w oc o n d i t i o n s ，w ec a nf i n do u t t h ew e a kl i n k so ft h eb l a s tw a l l o n ec o n d i t i o ni st h ed i f f e r e n tv o l u m e so fo i la n dg a s t h e o t h e ri st h ed i f f e r e n td i s t a n c e sf r o mt h ee x p l o s i o ns o u r c e s ow ec a no p t i m i z ed e s i g na n d h e i g h t e ne f f e c t i v e n e s so fb l a s tw a l la c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i st or e d u c et h ed a m a g er a n g e c a u s e db ye x p l o s i o ns h o c kw a v e k e y w o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ，e x p l o s i o ns h o c kw a v e ，b l a s tw a l l ，r i s k ，c o n t r o l j1 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录。i i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状3 l ：3 本文主要研究内容及创新点4 第2 章爆炸冲击波的基本概念及理论6 2 1 爆炸冲击波的基本理论6 2 2 爆炸冲击波的特性6 2 3 冲击波基本关系式的建立9 2 4 爆炸载荷对结构物的破坏作用1 2 2 5 爆炸性质分类l3 2 6 爆炸源基本特点：15 2 7 爆炸载荷分类1 6 2 8 本章小结1 7 第3 章海洋石油平台爆炸案例分析- 1 8 3 1 海洋平台爆炸的主要原因1 8 3 2 英国北海p i p e r a l p h a 海洋平台爆炸2 2 3 3b r e n t a l p h a 海洋平台爆炸2 4 3 4 巴西p 3 6 海洋平台爆炸事故2 5 3 5 墨西哥湾“深水地平线号 海洋平台爆炸事故2 7 3 6 提高海洋平台作业可靠性的措施2 9 3 7 本章小结3 0 第4 章爆炸灾害的风险分析与控制措施3 1 4 1 风险的定义3 l 4 2 爆炸缺口效应3 2 4 3 主要爆炸防护措施3 2 4 4 辅助爆炸防护措施3 3 致谢7 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着社会的发展，在今天的社会生活中，人类生存需求、资源短缺以及环境污染等 一系列问题之间的矛盾变得愈发明显，人类的生存多多少少地受到了资源短缺的影响。 因此，在陆地资源越来越少的今天，为了保证社会发展过程中资源的充分供给，海洋资 源的开发已经愈来愈受到各个国家的高度重视，海洋经济日益成为世界各国国民经济的 重要组成部分，目前世界上已有3 9 个国家( 或地区) 从事近海石油勘探开发，2 2 个国家( 或 地区) 从事近海天然气勘探开发，全球约有4 3 0 个海上油田【1 1 ，年产油量约占世界原油总 产量的2 5 。随着国家对海洋石油资源的迫切需要，所需的海洋石油平台数量越来越多， 目前我国正在服役的海洋石油平台大约有1 6 0 座。海洋平台作为海洋油气资源开发的基 础设施，投资巨大，并且长期处于复杂恶劣的海洋环境中，除了正常的工作载荷和环境 载荷，海洋平台还时常受到火灾、爆炸等风险载荷的作用，随之而来的灾难性事故也不 断发生，这些事故不仅造成大量的人员伤亡和经济损失，同时也对周围的海洋生态环境 造成了严重的破坏。因此，保证海洋平台的安全运行就成为了海洋油气资源开发的前提 条件。 大量的海洋平台事故统计显示气体爆炸是造成海洋平台结构失效的重要原因之一。 海洋油气装备发生油气泄漏而引发的火灾、爆炸等工业灾害给海洋石油工程带来了一系 列的灾难。据有关人员的调查，在1 9 8 0 1 9 8 8 这9 年的时间里，北海地区发生了数十 起海洋平台失效的重大事故，其中因为火灾和爆炸所引起的平台失效占到了一半以上的 比例。在世界海洋工程的发展过程中，比较著名的海洋平台爆炸事故有： ( 1 ) 1 9 8 8 年英国北海p i p e r a l p h a 海上采油平台发生了严重的爆炸事故，整个平台火 光冲天，处于休息状态的1 6 5 人全部葬身火海。大火造成平台上的应急关断系统完全失 效，整个平台持续燃烧了2 3 天之久。这场灾难造成的原油产量损失占英国当年石油总 产量的1 2 ，严重影响了英国政府在北海油区的石油税收。 ( 2 ) 2 0 0 1 年巴西龙卡多油田p 3 6 号移动石油生产平台发生工业爆炸和火灾，造成 l o 人死亡和平台报废的重大灾难，直接经济损失4 亿多美元。这次事故给巴西经济带来 重大的影响，使巴西预计2 0 0 5 年实现石油自给的目标推迟约3 年才能实现； ( 3 ) 1 9 8 9 年美国墨西哥湾的s o u t hp a s sb l o c k6 0 海洋平台发生工业爆炸和火灾，造 成整个平台失效。 第l 章绪论 ( 4 ) 2 0 1 0 年4 月2 0 日夜间，英国b p 公司的深水地平线号( d e e p w a t e rh o r i z o n ) 海 洋石油钻井平台在美国墨西哥湾海域发生特大爆炸事故并引发大火，在该事故中，共有 1 1 名平台工作人员遇难，钻井平台在3 6 小时后沉入墨西哥湾海底。该事故造成了大量 原油泄漏，泄漏量大大超出了1 9 8 9 年克森瓦尔迪兹( v a l d e z ) 号油轮溢油事故的漏油量， 成为美国历史上最大的溢油事故。 近3 0 年的海洋石油工程灾难表明，传统的生产方式和工艺要求已经不能杜绝火灾、 爆炸等工业灾害的发生，也不能满足工程的实际要求。而且，通过对爆炸的研究发现， 爆炸引发的风险可能比预先想象的要严重得多。因为在过去的海洋平台实际设计中往往 将爆炸产生的爆炸载荷忽略掉，所以爆炸对海洋平台结构产生的影响在以前被大大低估 7 【2 】 jo 图1 - 1 巴西p - 3 6 海洋平台发生爆炸事故 f i g l 一1t h ee x p l o s i o no f p - 3 6o f f s h o r ep l a t f o r mi nb r a z i l 结合我国海洋石油工程领域的研究现状，要求科研工作者必须客观地正视海洋油气 资源丌发中火灾、爆炸等灾害发生的可能性。除了采用合理的生产工艺和严格执行安全 操作规程之外，采取安全防护措施也是非常必要的。针对以前发生过的油气爆炸事故， 在综合考虑结构破坏、人员伤亡和经济损失的基础上，对海洋平台进行气体爆炸载荷的 计算和海洋平台结构在爆炸载荷作用下的动态响应分析，通过建立防爆墙来减轻爆炸灾 害对海洋平台结构造成的损失。 2 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 利用防爆墙将海洋平台上的生活区域和工作区域分隔开，一旦发生火灾爆炸可以降 低生活区域被破坏的范围，利用门窗、轻质屋面、轻质墙体泄压也可以起到降低破坏程 度的作用。在现行的建筑规范、标准以及政府的众多规定中均要求企业在抗爆设计中必 须设置防爆墙。而且，从生产实际来看，对有爆炸危险的厂房、仓库及工艺单元等设置 合理的、足够强度的防爆墙是减轻爆炸事故危害的一项重要措施。 本文结合“中央高校基本科研业务费专项资金资助项目：南海深水油气开采风险控 制技术应用基础研究 ，在海洋平台上适当地建立防爆墙体，可以有效地降低爆炸灾害 对海洋平台结构的影响，减小海洋平台结构因为爆炸灾害而发生失效的风险，提高了海 洋平台作业的安全性与可靠性。 1 2 国内外研究现状 鉴于爆炸灾害对海洋平台结构的重要影响，我们必须对爆炸载荷给予高度重视。国 内外已经有一些研究人员对海洋平台在爆炸载荷作用下的动态响应进行了分析，以便将 损失降低到最小程度。防爆墙作为一种特殊的防爆设施，国外的研究取得了一定的成果， 而在国内由于相关研究的起步比较晚，因此水平相对国外来说比较落后。但是这些在国 内已经取得的研究成果对于研究我国海洋石油平台在爆炸冲击波载荷作用下的响应有 着极大的推动作用，同时也为防爆墙在海洋石油平台上的应用打下了坚实的基础。 1 2 1 爆炸载荷引发结构变形的研究 易燃气体爆炸所产生的冲击波载荷会对周围存在的物体产生巨大的冲击作用。对 此，天津大学的胡云昌和韩圣章【3 j 等人将易燃气体爆炸的特点结合起来，论述了影响气 体爆炸的几个主要因素。他们根据海洋石油平台发生天然气泄漏事故后气体的扩散规律 及燃烧爆炸过程，模拟了平台上部组块部分在爆炸冲击波载荷作用下的响应规律并对其 进行相应的后果分析，为海洋石油平台爆炸灾害的风险评估提供了一定的理论基础。与 此同时，他们还对火灾爆炸产生火焰的能量与钢材性能结合起来，研究了海洋平台立管 部分对火灾载荷的响应情况，为平台立管结构的防护提供了理论依据。 1 2 2 爆炸冲击波绕流及超压现象的研究 中国科学技术大学的穆朝民和河南理工大学的王光勇利用a l e 算法模拟了爆炸冲 击波在空气中绕过建筑物的环流现象 4 1 ，反应了冲击波绕过建筑物的详细过程，从而得 到了爆炸冲击波在空气中的绕流规律。通过对冲击波绕流现象的数值模拟和相应实验结 果的分析，得到了爆炸冲击波绕流的内在机理，为防爆墙的设计与加固提供依据和参考。 3 第l 章绪论 b r u c e 提出了几种较新的空气中爆炸冲击波模拟方法，通过合理的不确定性评价方 法得到了设计压力的还原值，并用概率论等方法对相关问题进行了讨论。同时，他还利 用结构可靠度理论分析了爆炸冲击波超压在不确定结构上的概率分布，这些分析结果在 相关的设计环节与设备的定期更新中起到了十分重要的作用，在提供理论依据的同时也 降低了成本。 1 2 3 海洋平台结构防爆墙的研究 南京工业大学的张礼敬采用有限元方法分析研究了防爆墙体在不同厚度、不同高跨 比以及不同纵向配筋率等情况下对爆炸载荷的动态响应规律，对不同类型的防爆墙进行 了抗爆能力的评估。 t o l l o e z k o 提出了适合于海洋石油平台结构的火灾爆炸研究方法，该研究方法根据相 关的工程规范建立了一个可以同时对火灾载荷和爆炸载荷进行研究的结构框架，提高了 分析海洋平台在火灾爆炸灾害发生时潜在风险的可靠性，为海洋平台处理火灾爆炸事故 提供了参考。 w a l k e r 和h u 提出了评估海洋平台结构上部组块抗爆性能的方法【5 j ，其方法以结构 评估为中心，评估对象包括平台结构整体、地板、屋顶、承重墙及有关构件等部分。对 不同结构进行了不同压力时程曲线情况下的动态响应分析，包括弹性分析、弹塑性分析 以及纯塑性变形分析等。 1 3 本文主要研究内容及创新点 本课题拟采取理论分析、软件模拟和数值计算相结合的方法，借助a n s y s 大型通 用有限元分析软件及m a t l a b 矩阵实验室，建立海洋石油平台防爆墙结构的有限元模 型，充分吸收国内外在防爆墙研究领域取得的成果，结合我国的实际情况，开展课题研 究，注重研究成果的理论创新性和工程实用性，通过模拟得出不同体积油气爆炸和不同 爆心距离两种爆炸情况下防爆墙对爆炸冲击波载荷的响应规律，最终对建立防爆墙所需 要的各项指标提供可靠的参考意见。 主要研究内容： ( 1 ) 不同体积油气爆炸下防爆墙体受爆炸载荷的响应规律 不同体积油气量所产生的爆炸冲击波载荷是不一样的，爆炸载荷对海洋平台结构产 生的影响是随着爆炸载荷的大小变化而变化。通过模拟不同体积油气爆炸产生的爆炸载 荷作用下海洋平台结构的动态响应，揭示不同体积油气爆炸下防爆墙体受爆炸载荷的变 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 化规律，从而为防爆墙的建立提供理论指导。 ( 2 ) 不同爆心距离下防爆墙体受爆炸载荷的响应规律 对于不变的生产设备而言，不同位置发生的爆炸对其的影响是不同的。爆炸载荷随 着爆心距离的变化而变化。通过分析海洋平台结构在不同爆心距离下的动态响应，揭示 不同爆心距离情况下防爆墙体受爆炸载荷作用的变化规律，为防爆墙的建立提供理论指 导。 ( 3 ) 提出爆炸载荷作用下海洋平台结构的优化设计方案 为了降低海洋平台结构在爆炸载荷作用下的失效风险，根据爆炸载荷作用下海洋平 台结构的动态响应规律以及不同体积油气、不同爆心距离爆炸载荷作用下防爆墙的动态 响应规律的研究结果，提出合理的防爆墙设置方式，优化海洋平台结构的设计方案，最 大程度地保障海洋平台作业的安全性与可靠性。 本文主要创新点： ( 1 ) 揭示爆炸载荷作用下海洋平台结构的失效机理； ( 2 ) 通过研究防爆墙在油气泄露引发的爆炸载荷作用下的响应规律，为防爆墙的设 置提出可靠的理论依据。 5 第2 章爆炸冲击波的基本概念及理论 第2 章爆炸冲击波的基本概念及理论 爆炸【6 j 是指在极短时间内，产生高温，并产生大量的气体和能量，在周围介质中造 成高压的化学反应或状态变化的现象。在爆炸发生的过程中，系统由于受到了瞬间的作 用，其速度、位移以及加速度都会发生突然的变化，这些变化的发生过程及其短暂，一 般只有几毫秒到几十毫秒，同时系统原有的内能转化为机械能并对外做功。 爆炸冲击波是一种与其他振动情况非常不同的特殊振动状态，具有很多独特性。( 1 ) 短暂性：爆炸冲击波的传递过程是转瞬即逝的，几毫秒到几十毫秒不等。( 2 ) 突然性：爆 炸冲击波的传递过程是一个非常短暂的能量释放、传递与转化过程，能量变化十分迅速。 ( 3 ) 非周期性：与其他波的周期性传递不同，爆炸冲击波的专递过程不具有周期性，是一 次性完成的。( 4 ) 系统在爆炸冲击波的作用下产生瞬态运动，其运动状态取决于该系统的 固有周期以及爆炸冲击波的持续时间。 2 1 爆炸冲击波的基本理论 在一定条件下，物质( 气体、液体、固体) 都是以一定的状态( 例如，一定的压力、 温度、密度等) 存在的。如果由于外部的作用使物质的某一局部发生了状态变化，如压 力、密度等的改变就称为扰动，这是物质由宏观的平衡状态变成了宏观不平衡状态的现 象。在弹性介质中，某个局部收到作用后，由于物质质点的相互作用，由近及远地使物 质质点陆续发生扰动，这种扰动在介质中传播就叫作波。在波的传播过程中，介质原始 状态与扰动状态的交界面，叫作波阵面。波阵面在一定方向上位移的速度就是波传播的 速度，简称波速。 扰动传播的速度与扰动的强弱有关。如果扰动引起的状态参数( 压力、温度、密度 等) 变化很小，则称为弱扰动；反之，如果扰动引起的状态参数变化很大，则称为强扰 动。 在弹性介质中( 例如空气) 可以传播压缩波和膨胀波。把波阵面上介质的压力、密 度等参数增量很小的波称为弱压缩波。在相反的情况下，就形成膨胀波。压缩波和膨胀 波常常是一起发生的。 2 2 爆炸冲击波的特性 大气中任何强烈的爆炸都要产生爆炸冲击波。炸药爆炸时，在极短时间内释放出大 量高热气态产物，其压力极高，可达1 0 4 m p a ( a t m ) 以上，因而以很高的速度向周围膨胀 扩散，扩散速度可达3 0 0 0 5 0 0 0 m s ，这就在空气中形成初始冲击波。初始冲击波波阵 6 中囡石油大学( 华东) 硕士学位论文 面上的压力可达1 0 0 - - 2 0 0 m p a ，并以每秒几千米的速度在空气中传播，以至周围的空气 被爆炸所产生的冲击波强烈压缩，爆炸产生的能量有一部分转化为机械能传递给空气粒 子，并对这些空气粒子做功，使空气粒子发生剧烈运动。 图2 1 描述的是爆炸冲击波的形成过程1 7 j ，选择一个任意分布的初始压力脉冲，如 图2 1 ( a ) 所示。假设该脉冲上任意一点的运动速度都与当地的音速相同，由于压力的作 用，受压力较高部分的传播速度相比于受压力较低部分更快，造成波形变陡，如图2 1 ( b ) 所示。随着压力脉冲的持续传播，到最后会形成一个间断面，即为爆炸冲击波，如图2 1 ( c ) 所示。即使初始时刻所假设的脉冲形状有所不同，只要该过程所产生的能量能够迅速得 到释放，那么在爆炸波传递一段距离以后，最终一定会得到相似的波形。 ( a ) 钐j 始脉动r b ) 在传搔过程中发生畸变 p 憧 ( c ) 形成爆炸波 图2 1 空中爆炸波的发展过程 f i 9 2 1d e v e l o p i n gp r o c e s so fs h o c kw a v ei nt h ea i r 爆炸波的形成及其结构如图2 2 所示【8 j 。假设在体积很小的一块区域内均匀分布着 高压气体，在内部高压气体向外膨胀的一瞬间，周围气体受到强烈的压缩，在爆炸波的 波头产生一个压力突跃，这个突跃就是爆炸冲击波。内部高压气体继续膨胀，波阵面上 的压力随着时间的增加而不断衰减，当高压气体继续膨胀到某一特定体积时，它的压力 降低至初始压力。但是，由于惯性的存在，使得高压气体发生过度膨胀，当一直膨胀 到某一最大体积时，原有高压气体的平均压力低于了其初始压力，出现了“负压区 。 由于负压区的产生，原来被压缩的周围介质将会反过来对原有高压气体进行压缩，使其 压力持续增加。同样由于惯性的存在，在周围介质发生过度压缩后，使得原有高压气体 的压力又大于了初始压力，并且开始第二次膨胀压缩脉冲过程。经过若干次这样 的变化之后，达到平衡状态，膨胀过程最终停止。通过比较发现，在若干次的气体膨胀 过程中，对周围介质产生影响最大的是第一次膨胀，因此，在实际应用中对第一次膨胀 关注较多。 ， 第2 章爆炸冲击波的基本概念及理论 图2 - 2 空中爆炸冲击波的传播过程 f i 9 2 - 2p r o p a g a t i o no fs h o c kw a v ei nt h ea i r 空气中某一固定位置的典型压力一时问曲线如图2 3 所示。在f 乙的时间段里，爆 炸波还没有传播到结构物处，因此空气压力为常压状态。爆炸波传播到结构所在之处， 空气压力在一瞬间突跃至压力峰值，使结构遭受到一个巨大的非恒压冲击作用，超压随 时间的增加逐渐减小，从岛时刻开始进入“负压区 。 图2 - 3 爆炸冲击波的时间一压力曲线 f i 9 2 - 3t i m e - - p r e s s u r ec u r v eo fs h o c kw a v e 爆炸空气冲击波的这些特性决定了它能够对爆源周围的物质产生剧烈的机械破坏 作用。先是冲击波波头以极大的速度袭击遇到的障碍物，紧跟在冲击波波头后面的是以 很高速度、朝同一方向运动的空气介质流，它以猛烈的冲击力对障碍物产生补充破坏作 8 中国石油大学( 华东) 硕 ：学位论文 用，使其倾翻或破坏。前苏联发生过这样一件事：在奥索维茨要塞保卫战中，一个战士 将一匹战马牵入一端封闭的弯曲混凝土洞室内躲避，恰在此时，一颗重型炮弹在洞口附 近爆炸，强烈的空气冲击波突然袭来，战马被猛烈挤压到洞壁上成为饼状。 经过大量测试结，爆炸冲击波在空气中的传播特点如下所述： ( 1 ) 空气压力在爆源发生爆炸时候产生突跃，即在某一固定位置处的空气压力在爆 炸发生的瞬间内增加至压力峰值p ，( 毫秒量级内即可达到) ，假设爆炸波的波面为球面， 在球面波向外传播的过程中，波阵面的表面积随着球面半径的增加而增加，波阵面上的 压力则随着半径的增加而迅速衰减( 其他形式的波阵面也是如此) 。 ( 2 ) 爆炸波经过初始阶段的高速传播后，由于能量的传递和损耗，其传播速度会逐 渐降低。爆炸波压缩区即正压区在爆炸波传递过程中不断变大，该区域内的空气量逐渐 增加，直至区域内的平均压力低于未经压缩时的初始压力，并出现负压区。 2 3 冲击波基本关系式的建立 冲击波的基本关系式9 1 是联系波阵面两边介质状态参数和运动参数之间关系的表达 式，有了这些关系式可以从已知的未扰动状态计算出被扰动过介质的状态参数，研究冲 击波的性质。 最初考虑用热传导来研究冲击波的是联金( r a n k i n e ) ，他导出了主要的微分方程式， 不过只在一些特殊的情况下，这些公式才能得到特殊的解。但是，根据基本的守恒定律， 而不用微分方程式也可以得出平面稳定冲击波的所有关系式，以活塞在管中的往复运动 为例。 活塞在管中运动时，形成的冲击波可以看作是平面正冲击波，其特点是： 波阵面是平面； 波阵面与未扰动的波动方向相垂直： 不考虑介质的粘滞性和热传导。 取截面是l 单位面积的管子，冲击波以速度d 在其中传播。未扰动介质的状态参数 为r ，风，已扰动介质的状态参数为e l ，, o l ，u ，。假设坐标系与波阵面以相同速 度d 向同一方向运动，在此坐标系中波阵面静止不动，波阵面右边的未扰动介质以速度 d u 。向左流入波阵面，而已扰动介质以速度d 一向左流出波阵面。 根据质量守恒定律，单位时间内流入与流出波阵面的物质质量相等，即： p o ( d 一) = p l ( d - - u 1 ) ( 2 1 ) 9 根据能量守恒定律， f f = m u( 2 2 ) 式中：m 为介质的质量，k g ；，为作用于介质的力，n ；f 一外力作用时间s ；u 为在 时间f 内速度的变化，m s 。 对于上述情况，使介质运动的外力是波阵面两边的压力差丑一昂，在单位时间内流 进波阵面的介质质量为p o ( d - u 。) ，其速度的变化为( d - u o ) - ( d - u ，) ，即一故得： 丑一e o = p o ( d u o ) ( “l 一) ( 2 3 ) 由能量守恒定律可知，系统内能量的变化等于外力所做的功，介质的能量是其内能 和动能之和，故单位时间内从右边流入波阵面的介质能量为p o ( d 一甜。) e 0 + 去( d - u o ) 2 】， 其中扇为未扰动介质中单位质量的内能。同样，向左流出波阵面的介质能量为 岛( d 一“1 ) e + 2 4 ( d - - u 1 ) 2 】。 考虑在波阵面a 两边的介质状态，单位面积上所受的外力为：a 右边未扰动的介质 压力昂和a 左边压力日之差，前者所做的功为p o ( d - u o ) ，而后者所做的功为一p 。( d - u 。) ( 因作用力方向和运动方向相反，故为负号) ，故能量守恒方程为： 届( d 一 1 ) 【巨+ 导( d 一) 2 卜p o ( d 一) 岛+ 寻( d u o ) 2 】= p o ( d 一) 一g ( d 一) ( 2 4 ) 整理后得： 巨一岛+ 圭( 彳一磊) = 五e l 刁, i 两- - e o u o ( 2 5 ) 上述诸方程的物理意义如下： 质量守恒方程表示，如果是稳定状态，质量流密度扁在每个断面都是相等的，不随 时间或空间而变动。动量方程由运动方程导出，表示流体动量密度与作用力的和是常数， 换言之，因为冲击突跃导致的动量流减少，由流体所克服的压力的升高所补偿。能量守 恒方程表示流体单元总能量的变化( 内能加动能) 等于流体单元的力所做的功。 通过已知( 。一) k = ( 。一) v o ，可以得出：。= 丝等警上式两端减去得： 岫2 訾挚一等半= 糟 协6 ) 将式2 - 6 变形之后得： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕i ：学位论文 d - u o ：竺二丝 一k 将式2 3 与式2 7 联立后得： 一u o = 如f 币而 故可得到爆炸冲击波的传播速度： 她= 暖 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 将式2 - 3 变形后代人式2 - 5 司得： 巨一岛= 扣谢世e , - p o ( 2 - 1 0 ) 将式2 - 8 代入式2 1 0 即可得冲击波绝热方程式，又叫冲击波雨果尼奥方程式【1 0 l ： 巨- e o = 去( 弓+ e o ) c v o k ) ( 2 1 1 ) 上面的方程式是在三个普遍的守恒定律的基础上推导的，适用于任何介质。但直接 用上面的关系进行计算是有困难的，因为内能e 和状态参数间的关系还不清楚。为了由 此得出压缩波中密度和压力关系的明显形式，必须用压力和密度来表示热焓和能量。如 果介质是理想气体，在所讨论的温度范围内其热容是常数，且服从p v 。= 常数的关系， 其中k - - - c 。c ，则有： e = c ，丁= 再p v ( 2 - 1 2 ) 即 毛= 筹 ( 2 - 1 3 ) e ：墼 ( 2 1 4 ) 1 七一1 将式2 1 3 、2 1 4 代入式2 11 整理后得： 最= ( ( 七k + + 1 1 ) ) k v o 一- ( ( 忌k 一- 1 1 ) ) 百v 1 ( 2 15 ) 一 i ，一_ 、l 最( 七+ 1 ) k 一( 忌一1 ) 。 这样由式2 - 8 、2 - 9 、2 1 5 与理想气体状态方程组成适用于理想气体的包含4 个方程 的方程组： 一= 扣f 币而 ( 2 8 ) 第2 章爆炸冲击波的基奉概念及理论 。一= w 。v 压- 一e 百o ( 2 - 9 ) 每= 面( k + 丽1 ) v o 而- ( k - 1 ) v , ( 2 - 1 5 ) 二= ：一 i ，一l 、l 异( 七+ 1 ) k 一( 七一1 ) 。 墨k = 艘五 ( 2 1 6 ) 其中，有五个未知数，即，已知其中一个就可以由以上方程组算出其余四个值， 对于非理想气体也可以用上式进行计算。 但是在计算过程中还需要知道k 值，k 值取决于分子的结构与温度。 在常温时，双原子气体k = 1 4 ，三原子气体k = 1 3 3 。在温度很高时，k 取极限值， 如对于双原子气体k = 1 2 8 4 ，具有线性分子的三原子气体( c 0 2 ) 等，取k = 1 1 5 2 ，具有 对称非线性分子的三原子气体( h ，o 、h ，s ) 等，取k = 1 1 6 5 。此外，对于空气( 把空 气看作双原子气体) ，在2 7 3 - - , 3 0 0 0k 范围内，用下面的平均热容量近似计算公式： 瓦= 4 8 + 4 5 x1 0 。4 t ( 2 1 7 ) 再由c 。= q + r 和k = c p e 即可算出k 值。 2 4 爆炸载荷对结构物的破坏作用 一般来说，在爆炸发生后会产生三种损害周围物质的破坏方式f l l 】，分别是爆炸冲击 波、爆炸地震效应以及爆炸飞散物。它们产生的破坏效应可能是其中一项作用的结果， 也可能是多项联合作用的结果。爆炸发生后，爆炸产生的冲击波以及火灾都会对周围的 建筑物造成损毁；其产生的飞散物质例如石块、碎玻璃等脆性材料会对人体造成伤害； 地震效应会对周围一些不结实的结构物造成损害。大量实验研究表明，在爆炸产生的各 种破坏方式中，尤其以爆炸冲击波最为恶劣，因此在考虑爆炸的破坏效应时主要考虑爆 炸冲击波的破坏作用。 当爆炸产生的冲击波遇到障碍物时，如建筑物等，会发生绕流和反射现象眩】。爆炸 冲击波在空气中传播并作用于建筑物的过程是一个质点速度、密度、温度、压力迅速变 化的过程。 ( 1 ) 爆炸冲击波正反射 当爆炸冲击波遇至- u n u 性障碍物时，障碍物所在处空气质点的速度会突然变大，在速 度增加到一定程度时，会朝相反方向反射，继而形成反射冲击波。 ( 2 ) 爆炸冲击波斜反射 1 2 中国石油大学( 华东) 硕：l 学位论文 在爆炸冲击波向障碍物传递的过程中，当波的传播方向与障碍物的表面出现夹角 时，就会向一个与障碍物表面呈一定角度的方向反射出去，但形成的反射波其出射角与 冲击波入射角是不相等的。 ( 3 ) 爆炸冲击波马赫反射 点源冲击波从爆源向周围介质传播的过程从本质上可以划分为三个区域，分别为近 场区、中间区以及远场区。在冲击波的近场区中，其产生的超压非常大，以至于可以忽 略周围介质对空气的反向压力。经过近场区之后，冲击波进入中间区，并在中间区产生 了极高的超压和冲量，这决定了冲击波对障碍物的破坏程度。接着是远场区，在进入远 场区之后，冲击波所产生的超压与能量相对于近场区和中间区已经大大降低，几乎不会 造成什么影响。 在一般情况下，空中爆炸总是在有限的高度发生。爆炸发生后，冲击波以球面波的 形式在空气中传播，在与地面发生接触后，随着球面波半径的逐渐增加，入射波阵面与 反射波阵面之问的夹角越来越小，并且最终反射波阵面会与入射波阵面贴合，演变成一 个单一的冲击波，这个新形成的波称为马赫波f 1 3 】。 2 5 爆炸性质分类 爆炸现象是化学能量或者是物理能量迅速释放的过程。在这个过程中，系统原本所 具有的内能会在一瞬间释放出来，转化成机械能、热能等并对周围介质做功。所以，如 果爆炸过程一旦失控，那必然会产生极大的破坏作用。爆炸现象最重要的特征就是系统 及其周围介质在爆炸发生的瞬间会发生压力突变，这种压力突变就是爆炸破坏作用的根 本原因。 引发爆炸的因素是各种各样的，有化学方面的，也有物理方面的。根据爆炸发生的 原因可以把爆炸现象分为三类，即化学爆炸、物理爆炸以及核子爆炸f 1 4 1 。 2 5 1 化学爆炸 化学爆炸是指因物质本身引起的化学反应，在反应中产生大量气体和高温而发生的 爆炸，如炸药爆炸，可燃气体、液体蒸气和粉尘与空气( 一定浓度的氧气) 混合物爆炸 等。物质的组份和性质在爆炸发生以后都会产生根本性的变化。按照爆炸发生时物质所 发生的化学反应，化学爆炸又可以划分为简单分解爆炸、复杂分解爆炸以及爆炸性混合 物爆炸等三类情况。 ( 1 ) 简单分解爆炸 1 3 第2 章爆炸冲击波的基本概念及理论 在简单分解爆炸发生时，爆炸的过程并不一定伴随着燃烧反应。发生爆炸所需的能 量是由爆炸物自身的分解热所提供，这类物质