Gexcon 气体爆炸手册

GEXCON

气体爆炸手册

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DagBjerketvedt

JanRoarBakke

Keesvan

GGexcon让世界变得更安全

GEXCON

气体爆炸手册（1992）

序言

最初的《气体爆炸手册》是由CMR（后来的CMRGexcon）在1992年编写的，并作为一

套HTML文件分发。我们最近决定发行可打印的PDF版本，并更新了首页和序言，以便

于打印和在内容中搜索。除了这些改变外，内容与1992年的HTML版本完全相同。

显然，自从25年前这本手册出版以来，人们对各种类型的爆炸现象进行了更多的研究,

以前的一些见解可能已经改变或经过了改进。然而，所描述的主要机制和大部分内容

在今天仍然同样有效，该手册应该仍然是今天理解爆炸现象的一个有用的起点。

基斯-范-温格登博士

高级副总裁

GexconAS（以前的CMRGexcon）

2019年2月，挪威卑尔根

有关Gexcon提供的各种相关服务和软件产品的信息，请访问我们的网站：

。

免责声明：

GexconAS对不合格地使用或误用本书的后果或其任何结果不承担任何法律责任或义务。

©GexconAS.此处包含的信息由接收者仅用于提供信息的目的。未经Gexcon

AS的书面许可，任何其他方不得披露其全部或部分内容。

Christian气体

Michelsen

Research爆炸手册

作者DagBjerketvedt

JanRoarBakke

KeesvanWingerden

目录

•序言

.1.气体爆炸简介

.2.定义

•3.爆炸性气体云的形成

4燃L空气混合物的燃烧特性

然

5燥八、、

•6.爆轰

•7.冲击波

.8结构的反应

.9.容器、管道、渠道和隧道中的气体爆炸

10.舱室、建筑4物和海上模块的气体爆炸

11.加工区和非三囱闭区的气体爆炸

12.flacs;慎拟

.13.UFLACS模拟

.14.事故调查

.15.术语和表达式清单

.动画片

.蛔

•参考文献

•意见表

免责声明：

ChristianMichelsenResearch

AS对不合格地使用或误用本书的后果或其任何结果不承担任何法律责任或义务。

页码2

如何阅读本手册

手册的目标

前百CMR的气体爆炸活动

本手册是作为ChristianMichelsenResearch（CMR）的研究计划"1990-1992年气

体安全计划"（GSP90-92）的一部分而编写的。该计划的参与者是英国石油公

司挪威有限公司、德国联邦科学与技术部、科诺克挪威公司、挪威埃尔夫石油

公司、挪威埃索公司、法国天然气公司、健康与安全管理局、挪威美孚勘探公

司、挪威海德鲁公司、挪威石油局、荷兰天然气公司、挪威菲利普斯石油公司

和挪威国家石油公司。

本手册的目的是根据我们目前对该主题的了解以及我们将这些知识应用于行业

中的实际问题的经验，对气体爆炸安全进行简要介绍。由于本手册旨在简洁明

了，所提供的信息在某些情况下可能被极度简化和/或不完整。对于各种主题

的深入信息，读者可以参考参考文献中描述的文献。

本手册的使用者是工艺、设计或结构工程师，但本手册对安全工程师也应该是

有用的。

如何阅读本手册

该手册分为15章。各个章节可以分为四类：i）导言，ii）背景和基础知识，iii）

实用方面，iv）工具和分析。每个类别的章节如图1所示。

前言

简介1.气体爆炸简介

2.定义

3爆.炸性气体云的形成

4燃.料-空气混合物的燃烧特性

背景和基础知识5爆.燃

6爆.炸

7冲.击波

8结.构的反应

实用方面9.容器、管道、通道和隧道中的气体爆炸

页码3

10.舱室、建筑和海上模块的气体爆炸

11.加工区和非封闭区的气体爆炸

12.FLACS模拟

[3.uF]acs模拟

14.事故调查

15.术语和表达式列表

动画

鸣谢

参考文献

图L本手册的组织结构。

第一类“简介”中的章节包含了气体爆炸现象的描述和物理学、定义和损失经验。

在”背景和基础知识”部分，介绍了云的形成、气体爆炸、爆炸波和结构反应。

实用方面"部分将"背景和基础知识”中的信息与不同的工业情况联系起来。特

别是描述了FLACS和|jFlacs准则，以及如何应用这些工具来预测工业环境中气

体爆炸的后果。

在编写这本手册时，我们的意图是，读者可以直接从“实用方面”或“工具和分

析"下所列的某一章开始学习，并使用其他章节作为补充信息。然而，如果读

者对气体爆炸领域是陌生的，我们建议将第1章和第2章作为该主题的第一个介

绍。第15章包含一个术语和表达方式的清单。

为了避免过多的交叉引用，从而使手册的使用更加繁琐，前两部分和后两部分

所包含的内容有一定程度的重合。这使得两部分中的每一部分都更加自成一体,

因此，该手册可以作为参考书使用，而不必全部阅读。

手册的目标

今天，在关于气体爆炸的科学论文和报告中，有很多信息。然而，在大多数情

况下，这些信息的实际意义是很难提取的。因此，我们发现有必要编写一本更

简单地介绍现有信息的手册，以便在行业中使用。

页码4

本手册总结了我们以前关于气体爆炸安全的研究计划和咨询活动的主要成果和

经验(Bakke等人，1991)。我们的重点是气体爆炸时的压力积聚。没有涉及

气体爆炸安全的重要领域，如如何防止泄漏和什么是点火概率。在本手册中，

我们假设预混可燃气体已经产生并被点燃。讨论了火焰传播和压力积聚的现象。

指出了影响压力积聚的重要因素，并提出了一些简单的指导方针。还包括使用

数值准则(FLACS和NFlacs)来模拟工业环境中的气体爆炸。

儆.手册、NFlacs和FLACS构成了一套互补的工具。

该手册是CMR提供的用于分析气体爆炸的三个工具之一。其他两个工具是FLACS

和田lacs。FLACS是这两个工具中最先进的准则。FLACS用于详细的分析，而

叶lacs是一个PC筛选工具，不需要像FLACS那样的详细输入和资源。我们的目

标是将手册、FLACS和用lacs作为辅助工具一起用于气爆分析。使用哪种工具

将取决于分析的阶段和所需信息的细节。

我们的意图是，CMR气体爆炸手册是一份〃活的〃文件，当有新的信息时将会

更新。我们希望收到更多关于改进该手册的意见和建议。手册中包括一份意见

表。

CMR的气体爆炸活动

在60年代末和70年代，在北海发现了大型油气田。人们认识到，气体爆炸可能

会对北海的钻探和生产装置构成危害，而关于工业环境中气体爆炸的知识是有

限的。在Chr.Michelsen研究所的科学和技术部(CMI-DST,从1992年6月起为

ChristianMichelsenResearch-CMR),气体爆炸研究于1970年代末开始，

是"SikkerhetPaSokkelen”计划的一部分。从那时起，气爆研究一直是

CMI/CMR的一项重要活动，如图3所示。气体爆炸研究是粉尘爆炸研究工作的延

续。Eckhoff(1991)对粉尘爆炸的研究工作进行了描述。

页码5

图3.CMR的爆炸研究计划和咨询活动。

在1980-1990年期间，CMI开展了两项关于气体爆炸的主要研究计划。总共80人

年的研究为工业环境中的气体扩散和气体爆炸提供了新的见解。这项工作的主

要目标是为最大限度地减少意外爆炸的影响提供技术和工具。CMI的策略是将

大型和小型的实验工作与先进的流体动力学准则的开发相结合。

在GEP80-86中，研究了由障碍物产生的湍流导致的火焰加速引起的压力发展。

这一机制被认为是在海上平台上典型的复杂几何形状中发生爆炸的主要原因。

对这种现象进行了小规模和大规模的研究（0.2米3和50米3）,其几何布局

越来越复杂。最复杂的布局是一个比例为1:5的海上模块。研究了不同的气体

和点火强度，以及点火位置和通风安排。

这些实验的结果有两个目的：它们提供了关于复杂几何形状下的火焰加速的新

见解，也为验证为爆炸超压预测而开发的计算机准则提供了数据。这些准则被

命名为FLACS（火焰加速模拟器），是在建模活动中开发的，集中在可压缩、

湍流反应流的建模和由此产生的偏微分方程组的数值解。研究的一些结果已经

发表在公开文献中（Bakke等人，1986,1987；Hjertager等人，1988a,

1988b）o

在1986年结束的七年计划之后，1987年启动了一个为期三年的计划，重点是复

杂几何形状下的气体扩散和陆上工厂的爆炸问题。该计划的目标是通过实验提

供更多的知识，并应用这些知识来评估一个增强的FLACS准则，同时考虑到不

同燃料与空气混合时的气体扩散和爆炸。

GexCon是CMR的气爆咨询公司，成立于1987年。GexCon是一个独立的单位，

与CMR的气体爆炸和工艺安全部门紧密合作，在库珀蒂诺运作。通过GexCon,

CMR的研究已经对工程实践产生了影响。CMR的人员被业界积极用作气体爆

炸安全方面的顾问。我们的实验设施被用来测试暴露在预先确定强度的气体爆

炸中的设备和结构的完整性和功能。FLACS准则被广泛用于提供有关海上和陆

上意外爆炸的压力负荷的定量信息。自1989年以来，已经为特定的工厂和装置

进行了40多个项目。这些工作包括安全分析、使用FLACS进行爆炸模拟、实验

研究和气体爆炸课程，包括实际爆炸的演示。

页码6

1990年，一个新的大型多赞助方方案开始实施。该计划的目标是改善气体安全

o这可以通过提供知识、预测技术和测试程序/设施来实现，并通过向工业界转

让成果，使设计和操作方面的日常工作程序、规则和条例能够适当考虑到最新

的知识。目前的许多研发课题具有普遍性，因为它们在近海（勘探/生产/储存/

运输）和陆上（运输/储存/加工/利用）都很重要。以下是对这些课题的简要描

述。

实验测试方案

这一部分的目标是提供直接适用于工程工作的知识，为模拟准则

的验证提供数据，也为设备和爆炸安全概念提供测试。例如，在开发方面进行

了工作：

・关于真实工艺流（燃料混合物）如何爆炸的知识

.用于防爆的水冲刷系统的使用指南

・了解如何通过评估结构件和设备的负荷来确保重要设备的完整性

・关于小型复杂工艺设备对爆炸影响的知识

・关于雾状爆炸与大规模几何形状下的气体爆炸的比较数据

增强FLACS的功能

重点是改进FLACS的接口（包括与用户和其他软件的接口），以方便其使用，

并提高FLACS的预测能力。因此，这部分计划的目标是：

・为综合安全分析和设计提供一个全面的模拟包，使用一个共同的框架

和用户界面。该仿真包将是CASD/FLACS的扩展和改进。

・通过改进物理子模型和数字求解方案，提高准则的准确性和可靠性

应用安全技术

许多较小的工业公司无法获得今天安全研究小组中通常存在的大量知识和专门

领域的专业知识。此外，技术转让经常被认为是研究项目的最终活动。在该计

划中，向工业界的技术转让从一开始就是一项重要的持续努力，并构成该计划

的三个主要部分之一。

在过去的十年中，研究的重点是发展知识，现在已经到了可以制定指导方针和

实际结果的阶段。现在有大量的数据可以被分析和系统化。目前，CMR正沿着

这些方向努力的领域包括：

・气体爆炸手册

•用于气体爆炸分析的PC工具（pFlacs）

・安全墙的设计考虑到了工作环境、气体扩散（自然通风）和气体爆炸

安全（这三个方面可能不兼容！）。

・用于减轻爆炸的水喷射系统。

页码7

第一章1.1什么是气体爆炸

1.2损失经验

1.3气体爆炸安全的分

气体爆炸简介析和管理

我们都听说过意外的气体爆炸以及它们可能导致的破坏。幸运的是，我们大多

数人不会经历意外爆炸。但要防止它们发生，就必须充分了解什么是气体爆炸

，以及如何才能减少此类事件的发生频率和后果。

本章的目标是：

i）对气体爆炸领域进行介绍

ii）概述损失情况

iii）以显示我们如何利用我们的知识来改善安全。

本章简要介绍了气体爆炸的这些方面。它旨在作为该领域的首次介绍，应在首

次使用该手册时阅读。

1.1什么是气体爆炸

我们将气体爆炸定义为预混气体云的燃烧过程，即燃料-空气或燃料/氧化剂的

燃烧导致压力迅速上升。气体爆炸可能发生在工艺设备或管道内、建筑物或离

岸模块内、开放的工艺区或非封闭区域内。当我们把气体爆炸作为一个事件来

讨论时，它是一个更广泛的术语。那么通常包括气体爆炸过程前后的事件，见

下图。

页码8

图LL事件树显示可燃气体或蒸发液体意外释放到大气中的典型后果。

图1.1显示了如果可燃气体或蒸发的液体被意外地释放到大气中会发生什么。如

果释放后形成的气体云不在可燃性限度内，或者缺乏点火源，气体云可能被稀

释并消失。点火可能立即发生，也可能延迟到数十分钟，这一切都取决于情况。

如果立即点燃（即在与空气或氧化剂混合之前），将发生火灾。

如果形成并点燃了大量可燃的预混燃料空气云，将出现最危险的情况。从释放

开始到点燃的时间可以从几秒钟到几十分钟。燃料的数量可以从几公斤到几吨。

燃烧波产生的压力将取决于火焰传播的速度，以及压力如何才能扩大到远离气

体云的地方（由封闭性决定）。气体爆炸的后果从没有损害到完全毁灭不等。

气体爆炸导致的压力增加会损害人员和材料，或者导致火灾和BLEVE（多米诺骨

牌效应）等事故。火灾是气体爆炸后非常常见的事件。

当云被点燃时，火焰可以通过云的可燃部分以两种不同的模式传播。这些模式是:

i）爆燃

ii）弓I爆

页码9

火焰传播的爆燃模式是最常见的。爆燃相对于未燃烧的气体以亚音速传播，典

型的火焰速度（即相对于静止的观察者）为1至1000米/秒。爆炸压力可能达到

几巴格的数值，这取决于火焰速度（见第5.1节）0

爆炸波是一种超音速（相对于波前未燃烧的气体的音速）的燃烧波。在这种情

况下，冲击波和燃烧波是耦合的。在燃料-空气云中，爆燃波将以1500-2000米

/秒的速度传播，其峰值压力通常为15至20巴。

在碳氢化合物-空气云的意外气体爆炸中（由弱源-火花点燃），火焰通常以缓

慢的层状火焰开始（见2.12和4.10节）,速度约为3-4米/秒。如果云是真正的

无限制和无障碍的（即没有设备或其他结构被云吞噬），火焰不可能加速到超

过20-25米/秒的速度，如果云没有被限制，超压将是可以忽略的。

图12有加工设备的部分密闭区域的气体爆炸。

在建筑物中或在有加工设备的海上模块中，如图L2所示的示意图，火焰可能加

速到每秒几百米。当气体燃烧时，温度会升高，气体会以高达8或9的倍数膨胀。

因此，未燃烧的气体被推到火焰的前面，并产生一个湍流场。当火焰传播到湍

流流场时，有效燃烧率将增加，火焰前方的流速和湍流进一步增加。这种强大

的正反馈机制正在导致火焰加速和高爆炸压力，并在某些情况下过渡到引爆。

在密闭情况下，如封闭容器，高火焰速度不是产生压力的要求。在密闭容器中，

没有或很少有爆炸压力的释放（即排放），因此即使是缓慢的燃烧过程也会产

生压力（恒定体积燃烧，见4.9节）0

燃气爆炸的后果将取决于：

・燃料和氧化剂的类型

・可燃物云的大小和燃料浓度

・着火点的位置

页码10

・点火源的强度

・泄爆区的大小、位置和类型

・结构件和设备的位置和尺寸

・缓解计划

气体爆炸可能对这些因素的变化非常敏感。因此，估计气体爆炸的后果并不是

一项简单的任务。

1.2损失经验

如果我们回顾一下《损失预防公告》（IChemE）中的年度事故清单，就会发现

每年都有许多严重的爆炸事件。此外，还有大量的轻微爆炸或差点发生的事故

从未被报告。

Garrison（1988年）回顾了1957年至1986年期间碳氢化合物加工工业的一百次

最大损失（见图L3）。他发现，这些事故中有42%是由蒸汽云爆炸引起的。在

他的分类中，蒸汽云爆炸包括建筑物内以及室外的气体爆炸（非封闭式爆炸）。

被归类为爆炸的事件占22猊这些爆炸可能是逃逸反应、固体爆炸、BLEVE's、

安全壳丢失以及工艺设备内部的气体爆炸。

□

□Vapoxixcloudexpbsuons

□FUM

■Explceioxtf

Wind

图13.1957年至1986年,碳氢化合物加工行业100大损失的损失类型分布（

Garrison,1988年）。

当我们研究已经发生的个别意外爆炸的细节时，我们会发现爆炸的规模和损失

经历有很大的不同。从事故记录中我们可以得知，气体爆炸有在类似条件下重

复发生的趋势。因此，调查事故、在公开文献中报告调查结果并采取纠正措施

是很重要的。

Flixborough,1974

1974年6月1日位于Flixborough的Nypro工厂的爆炸是化学工业历史上最严重的

事故之一。在弗利克斯堡，工厂被完全摧毁，现场有28人死亡，36人受伤。在

工厂外，据报道有53人受伤，1.821所房屋和167家商店受到损害。损失超过1亿

美元（Theodore等人，1989）。弗利克斯堡爆炸的原因是大约50吨环己烷的释

放，可能是由于一个临时管道的故障。释放后大约1分钟左右，易燃云被点燃。

发生了非常剧烈的爆炸。爆炸相当于约16吨TNT的爆炸。弗利克斯堡气体爆炸

页码11

的特点是，密集的燃料(环己烷)能够形成巨大的可燃气体云，而且工厂内的

封闭性和阻塞性导致了高爆炸压力。从Flixborough事件中，我们可以了解到：i)

如果库存较少，可燃气体云就会较少，即减少库存；ii)控制工厂和修改工艺

很重要；iii)使用抗爆控制室和建筑物。

布拉赫加丹，1983

1983年3月3日，在斯德哥尔摩的一条露天街道上发生了一起氢气爆炸事件(Per

sson,1984)。事件发生时，从一辆卡车上卸下气瓶，氢气突然开始泄漏。氢

气被储存在一个由18个气瓶组成的库中，其中含有大约10公斤的氢气。爆炸产

生的冲击波打破了大约90米范围内的窗户。有16人受伤。

从Brahegatan事件中我们可以了解到，氢气的反应性很强，即使在开放区域，

氢气的爆炸也会非常剧烈。

西部先锋报，1985年

1985年10月7日晚，WestVanguard钻井平台在挪威区的Haltenbanken钻井时发生

了井喷(NOU1986:16)。泄漏的气体被吸入发动机室，发生了非常剧烈的气

体爆炸。机房的侧墙被炸开，一名男子被炸死。作为此类事故的典型，爆炸后

发生了火灾。幸运的是，钻井平台的主要完整性没有受到严重破坏，其余的船

员也获救了。从WestVanguard事件中我们可以了解到，泄漏的气体可以通过通

风管道被吸入或扩散到密闭区域。因此，进气口的位置应谨慎选择。

冰淇淋工厂

在一家冰淇淋工厂里，含有氨的制冷系统在一次火灾中发生了泄漏。突然间，

整个地下室爆炸了，建筑物被部分摧毁。从这一事件中我们可以了解到，即使

像氨这样燃烧非常缓慢的物质，如果在密闭的区域内爆炸，也会引起严重的气

体爆炸。

Devnya,1986

1986年，保加利亚Devnya的一家PVC工厂发生了非常严重的爆炸和火灾(NTB,

1986)o该事故是由管道故障引起的。该管道没有经过X光检查。17人在这次

事故中死亡，其中有8名在实验室工作的妇女。从Devnya事件中，我们可以了

解到：i)检查是安全操作的关键因素；ii)所有不是工厂运行绝对必要的活动

(如实验室工作)都应该从潜在的危险区域移开。

"BergeIstra”

1975年12月30日，石油/矿石运输船M/S"BergeIstra"(Solberg,1981)在摩鹿加海

沉没。两名船员被救起。他们报告说，一连发生了三次巨大的爆炸，随后船舶

立即沉没。1979年10月，姐妹船M/S"BergeVanga”号在大西洋上消失了。关于

这一事件几乎一无所知。没有人获救。

BergeIstra”号的迅速沉没表明，该船双层底部的气体爆炸将船舶结构撕开，水

淹没了双层甲板和机房。

页码12

从"BergeIstra"事件中，我们可以了解到：i)气体爆炸可以破坏大型建筑的完

整性，如超级油轮；ii)可燃气体云在一个密闭的空间，如船舶的双层底部，将

很容易产生破坏性的压力。

道路交通事故

两个人开着车，车上有一个装满氧气/乙焕的塑料袋。4到5公里后，袋子爆炸

了。车上的两个人相当幸运，他们唯一的伤害是耳鼓破裂和一些头发被烧掉。

车子的损失为6万挪威克朗。这两个人打算通过制造“爆炸〃来找点乐子。其

中一个人是汽车修理工，他在工作时顺便把乙焕火炬的乙快和氧气装在一个塑

料袋里。这一事件听起来似乎并不罕见，但事实并非如此。在挪威，在过去的

五年中，我们听说过另外两起爆炸事件，原因是人们携带或试图以类似于车内

两人的方式制造〃爆炸”。从这起道路事故中，我们可以了解到：i)不应该玩

弄预混的可燃气体；它非常危险；ii)大多数人丝毫不知道如果不小心处理可

燃气体会有多危险。

PiperAlpha/988

PiperAlpha是近海工业中的”弗利克斯堡事故"。在PiperAlpha,一个压缩

机模块的相当小的气体爆炸引起火灾，随后导致立管破裂。该平台的主要部分

被烧毁。167人死亡。根据FLACS准则(LordCullen,1990)的计算,最可能

的气体云的气体爆炸超压约为0.3巴。从PiperAlpha事件中我们可以了解到，

气体爆炸很容易导致多米诺骨牌效应和失去控制。装置的设计应避免多米诺骨

牌效应。

除臭剂工厂

由于环境问题，作为除臭剂雾化器驱动气体的氟利昂被改为丁烷。在短时间的

生产之后，工厂的主要部分被气体爆炸摧毁(Anon1986)。从除臭剂工厂的

事故中，我们可以了解到必须控制工艺的改变。

页码13

密苏里州哈德逊港，1970年

在这次事件中，液态丙烷从管道中释放出来。气体云流入一个山谷，在释放开

始后约20分钟，气体云发生了剧烈爆炸。爆炸可能是一次引爆。爆炸开始于一

个泵房的内部爆炸，这引发了非封闭云的引爆。从哈德逊港我们可以了解到，

密闭区域的爆炸可以启动引爆，造成非密闭区域的高压。

Rafnes,1988

1988年发生在挪威Rafnes的事件被称为一场大火。然而，第一次事件实际上是

一次气体爆炸。坐在抗爆控制室里的人，感觉到整个建筑都在摇晃。爆炸没有

造成重大损失，也没有人受伤。爆炸的压力可能在100毫巴左右。

拉夫内斯的工厂在设计上采用了抗爆建筑。如果在拉夫内斯发生的释放是发生

在一个老式的工厂里，那么气体爆炸的后果很可能会完全不同。这是一个保护

措施如期发挥作用的例子。从Rafnes事件中，我们可以学到：i）控制室和建

筑物应该是抗爆的，ii）火灾是爆炸后的常见事件，iii）可以建立一个防爆

屏障，以减轻和保护气体爆炸的后果。

1.3气体爆炸安全的分析和管理

损失经验表明，仅仅通过减少意外释放、形成爆炸云和点火的风险来预防气体

爆炸是不够的。气体爆炸的频率仍然不低，而且气体爆炸的后果可能是巨大的。

因此，我们必须在我们的设施中建立一个防止气体爆炸的最后屏障。这可以通

过进行安全分析和遵循良好的工程实践来实现。通过这样做，气体爆炸的风险

可以大大降低。本节的目的是讨论我们如何应用气体爆炸的知识和预测此类事

件的工具来使这最后一道屏障有效。

Pappas（1990）讨论了挪威的一个离岸开发项目的安全管理模式。

Pappas提出的安全管理活动的一些例子，如图1.4所示。

页码14

1.主要布局已经确定，并检查了负载方面的分离情况。

2.模块形状已定/爆炸通风。

概念性研究3.估计事故载荷。

4.度开放-封闭墙/与暖通空调一致。

1.最终计算爆炸载荷，用于事故载荷规范。

2.确保爆炸载荷包括在相关规格中，如暖通空调

包、防火墙、格栅、封闭甲板等。

详细工程3.从一个模块排出的爆炸物可能会影响到其他模块。检

查相互连接的承包商。

1.检查制造承包商是否已经理解了设计和功能要求的

原因。

2.检查防爆板的规格和安装。

3.检查通风板的规格和安装，即重量、紧固机制和开

制造和安装口区域的封锁。

4.检查墙体的变形是否会对未计划的管道产生不可接

受的后果

图14海上开发项目中的安全管理活动实例。（Pappas,1990）。

在开发项目中，从第一天起就应该考虑到气体爆炸的危险性。在开发项目的早

期阶段（即概念研究），要做出重大决定，如不同区域的位置、区域的分隔和

整体布局（这将影响通风口的安排和工艺本身）。在详细工程阶段，气体爆炸

负荷的最终计算是一项重要活动。在制造和安装阶段，检查设计是否得到遵循

是一项主要活动。在所有这些阶段，重要的是对气体爆炸危险有良好的理解，

并应用简单的准则和良好的工程实践。

估计气体爆炸的后果和负荷通常是风险分析的一部分。如图1.5所示，一个典型

的风险分析由5个要素组成。风险由事件的频率和后果组成。（风险=频率*后果）。

页码15

图1.5.风险分析(Ramsay1990)。

后果评估的要素如图1.6所示。当我们使用FLACS来模拟气体爆炸时，FLACS模

拟是后果评估的一个部分。情景的定义（即气体云的大小，点火位置，通风口

的安排等）是后果分析的一个非常重要的部分。情景的定义也与频率的估计有

关。一个例子是，气体云越大，其发生的频率就越低。在气体爆炸分析中，气

体爆炸模拟的结果对某些参数非常敏感。其中之一是点火点的位置。在某些情

况下，通过移动点火点并保持其他参数不变，爆炸的压力可能会有数量级的变

化。在进行后果和风险分析时，应认识到这一事实。

图16气体爆炸的后果评估。

我们可以从后果分析中获得的好处是：

・在正式的风险评估研究中对风险进行评估

・改进设计和操作

•支持决策

・知识的转让

•成本效益

・安全

页码16

2.1爆炸

第二章2.2燃烧

2.3气体爆炸

2.4密闭气体爆炸

2.5部分封闭的气体爆炸

2.6非密闭气体爆炸

2.7蒸气云爆炸（VCE）

2.8火焰速度和燃烧速度

2.9燃烧率

2.10爆燃

2.11爆轰

定义2.12湍流

2.13水力不稳定性

2.14闪燃

2.15BLEVEs

2.16冲击波

2.17爆炸波

2.18压力

“燃烧术语的重灾区"是Bradley和Weinberg（1991）的一篇论文的标题。他们

指出，燃烧术语处于一种不和谐的混乱状态。像‘燃烧速度'、’火焰速度‘、'可燃'、

‘易燃‘、‘不可燃‘、‘爆燃'和'引爆’这样的词经常被错误地使用。这也是我们的经

验。

这种缺乏连贯性的术语，使那些想在工业界的实际安全工作中使用气体爆炸研

究结果的人感到非常困难。甚至我们所讨论的现象也有几个名称："气体爆炸"、

"气态爆炸"、"非封闭蒸汽云爆炸"、"蒸汽云爆炸"或"燃料-空气爆炸"。在本

手册中，我们决定使用‘气体爆炸'这个术语。我们认为这个术语最简单，最不

容易混淆，也是预混燃料-空气或燃料-氧化剂在气相中燃烧引起的爆炸的最通

用术语。

本章的目的是介绍本手册中使用的定义。你可能会在其他文献中找到不同的定

义。如果你不同意我们的任何定义，请使用我们的选论表。

2.1爆炸

我们将爆炸定义为导致压力迅速增加的事件。这种压力增加可由以下因素引起

：核反应、高压容器的失密、高爆炸物、金属水蒸气爆炸、逃逸反应、空气中

或其他氧化剂中的灰尘、雾气或气体（包括蒸汽）的燃烧。

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2.2燃烧

燃料被氧化的气体、液体或固体的燃烧涉及到热量的释放，通常还有光的发射

o甲烷（CH4）在空气中的燃烧可以用化学方程式描述：

CH4+2（02+3.76N2）-82+2H20+2（3.76N2）+Energy

碳氢化合物燃料完全燃烧后的化学产物主要是二氧化碳和水（蒸汽）。燃烧过

程中，由于化学结合的能量转化为热量，将导致温度升高。应该强调的是，上

述公式构成了对真实燃烧过程的强烈简化。

气态燃料在空气中的燃烧可以以两种不同的模式发生。一种是火，在燃烧过程

中，燃料和氧气混合。在另一种情况下，燃料和空气（或另一种氧化剂）是预

混合的，燃料浓度必须在可燃性限度内。一般来说，预混合的情况可以使燃料

燃烧得更快，即在单位时间内消耗更多燃料。

Air

(Oxygen)

FireGasexplosion

图2.1.喷射火灾和气体爆炸的说明。

2.3气体爆炸

我我们将气体爆炸定义为预混气体云（即燃料-空气或燃料-氧化剂）的燃烧

导致压力迅速上升的过程。气体爆炸可能发生在工艺设备或管道内、建筑物

或海上模块内、开放式工艺区或非封闭区。

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气体爆炸的后果将取决于气体云所处的环境或气体云所吞噬的环境。因此，通

常从爆炸发生的环境对气体爆炸进行分类：i）容器、管道、通道或隧道内的密

闭气体爆炸；ii）隔间、建筑物或离岸模块内的部分密闭气体爆炸；iii）加工

厂和其他非密闭区域的非密闭气体爆炸。应该指出的是，这些术语没有严格的

定义。在一个意外事件中，可能很难对爆炸进行分类。例如，加工厂的非封闭

式爆炸也可能涉及气体云泄漏到的隔间中的部分封闭式爆炸。

2.4密闭气体爆炸

密闭气体爆炸是指在储罐、加工设备、管道、涵洞、污水处理系统、封闭房间

和地下设施中发生的爆炸。密闭爆炸也被称为内部爆炸。

图2.2.罐内的密闭爆炸。

这种爆炸的典型特征是，燃烧过程不需要很快，就能造成严重的压力积聚。第

螳更详细地介绍了容器、管道、通道和隧道内的气体爆炸。

2.5部分封闭的气体爆炸

当燃料在部分开放的建筑物内意外释放时，就会发生部分密闭的爆炸。典型案

例是压缩机房和海上模块。建筑物将限制爆炸，而爆炸压力只能通过防爆口区

域来释放，即墙壁上的开放区域或在低超压时迅速打开的轻质泄压墙。正如第

地童中所讨论的，爆炸排放区的大小和位置对产生的爆炸压力都很重要。

Ventopening

图23.有加工设备的部分密闭区域内的气体爆炸。

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2.6非密闭气体爆炸

非封闭一词被用来描述开放区域的爆炸，如加工厂。大规模试验表明，由弱点

火源点燃的真正无封闭、无遮挡的气体云在燃烧时只会产生很小的超压（闪

燃）。因此，应谨慎使用无压气体爆炸这一术语。在加工厂中，有一些局部区

域是部分封闭和受阻的。在发生爆燃的情况下，正是这些区域造成了高爆炸压

力。

图24工艺区的气体爆炸。

然而，如果非封闭云爆炸，其爆炸压力将非常高，约为20barg,原则上与封闭

和障碍物无关。第11章将进一步讨论非密闭气体的爆炸。

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2.7蒸气云爆炸（VCE）

蒸气云爆炸与部分密闭或非密闭气体爆炸之间没有本质区别。在本手册中，我

们将使用气体爆炸这一术语，我们将不区分蒸汽云爆炸和气体爆炸。

2.8火焰速度和燃烧速度

火焰速度，s,定义为火焰相对于静止观察者的速度，即地面或其他固定框架。

燃烧速度，u,是指火焰前端相对于火焰前方未燃烧的气体的速度。因此，火

焰速度S和燃烧速度U之间的关系是：

S=U+u

其中U是火焰正前方未燃烧的气体的速度。对于按比例计算的（见第4.3节）碳

氢化合物-空气混合物，S是8*U的数量级。

BurnedGasUnbumedGas

图25.火焰在管内的传播。火焰速度,S,被定义为火焰相对于地面或其他固定

框架的速度。u是火焰前方未燃烧气体的速度。

2.9燃烧率

燃烧率［kg/s］是指每一时间单位内燃烧过程所消耗的燃料量。燃烧率是对爆炸中

能量释放速度的一种衡量。燃烧率也可定义为每单位时间和体积所消耗的燃料

质量。

2.10爆燃

爆燃被定义为相对于紧靠火焰前方的未燃烧气体以亚音速传播的燃烧波，即燃

烧速度U小于未燃烧气体中的音速C。火焰前方未燃烧的气体的速度是由燃烧产

物的膨胀产生的。

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在意外的气体爆炸中，爆燃是火焰传播的常见模式。在这种模式下，火焰速度

S从1米/秒到500-1000米/秒不等，对应的爆炸压力在几毫巴和几巴之间。

对于强爆燃，冲击波可能会在爆燃（即火焰）的前面传播。

2.11爆轰

爆轰被定义为相对于火焰前方的未燃烧气体以超音速传播的燃烧波，即爆炸速

度D大于未燃烧气体中的音速C。

简单地说，爆轰波可以被描述为紧随火焰的冲击波（ZND理论）。冲击压缩加

热了气体并引发了燃烧。然而，实际的爆轰波是一个三维的冲击波，后面是反

应区。

^2.6.爆轰波可以被描述为紧接着火焰的冲击波（ZND理论）。

对于环境压力下的燃料空气混合物，爆轰速度可高达2000米/秒，产生的最大

压力接近20巴。

爆轰可以是：i）通过引爆高爆炸药直接引发，或者ii）当爆轰由于障碍物和限

制而加速并过渡到爆炸时产生。

2.12湍流

在流体力学中，我们把流动分为层流和湍流两种状态。层流是指流体以层状或

层状流动，而湍流的特点是强加于平均（时间平均）流速的不规则随机波动。

图2.7显示了颗粒在层流和湍流中的运动轨迹。

页码22

LaminarTurbulent

图2.7.层流和湍流中颗粒轨迹的说明。

流动是层流还是湍流，主要取决于流速u、几何体的特征尺寸L和运动粘度u。

雷诺数Re,定义为：：

uL

&=—

是一个无量纲参数，用于描述流态是层流还是湍流。

图2.8显示了不同Re条件下横流中圆柱体周围的流场。这个几何形状的特征长度

尺度L是圆柱体的直径。对于低Re和低流速，圆柱体周围的流动是层状的。对

于较高的Re,圆柱体的尾部会出现涡流，体积内的流动将是湍流。

Re>400000

图2.8.不同雷诺数Re下横流中的圆柱体

湍流对于火焰在预混气体云中的传播速度非常重要。湍流会使火焰前沿起皱,

增加热量和质量的扩散，从而导致更高的燃烧率。

2.13水力不稳定性

如果流体在正的密度梯度方向上加速，轻重气体之间的界面是稳定的。然而,

如果流体在另一个方向上加速，界面是不稳定的。

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LightHeavy

Aiieelcratinn

图29说明泰勒不稳定性的密度梯度的加速度。左边是稳定的,右边是不

稳定的。

这种流体力学的不稳定性现象也发生在气体爆炸中。如果火焰前沿受到从重气

体（即燃料空气）向轻气体（即燃烧气体）传播的压缩波或向相反方向传播的

稀疏波的影响，火焰前沿就会变得皱巴巴的（不稳定），燃烧速度也会增加。

这种不稳定现象被称为“泰勒不稳定

2.14闪燃

闪燃是指预混的、真正无压的、无遮挡的气体云的缓慢爆燃，产生可忽略的超

压。

热效应是主要的危险。

2.15BLEVEs

沸腾的液体膨胀的蒸汽爆炸的缩写。BLEVE是当装有高蒸气压物质的容器发生

故障时，由于液体闪动而引起的爆炸。容器的失效通常是由外部火灾引起的,

如图2.10所示。

TankCarRupture

^2.10.可能导致BLEVE的一种情况。

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如果释放的物质是一种燃料，BLEVE可以导致非常大的火球。火箭状容器也是

与BLEVEs有关的危险。图2.10和2.11显示了油罐车事故中的BLEVE和火球，但

BLEVE也可能发生在加工区或海上模块中。

Verystrong

radiation

ofheat

Rocketing

图2.1L火球和火箭船往往是BLEYE的主要危害。

2.16冲击波

气体中的冲击波可以定义为大振幅的充分发展的压缩波，在这一波中，密度、

压力和粒子速度发生了巨大的变化(McGraw-Hill,1978)。

冲击波的厚度是平均自由路径的数量级，可以被视为不连续。

图2.12.冲击波之后是稀疏波。

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冲击波的传播速度相对于紧邻冲击波的气体来说是超音速的，也就是说，前方

的气体没有受到冲击波的干扰。冲击波的传播速度取决于冲击波的压力比。压

力的增加会带来更高的传播速度。

2.17爆炸波

爆炸波可以被定义为由爆炸引发的空气波（McGraw-Hill,1978）。

术语爆炸波包括声波压缩波、冲击波和稀薄波。图2.14从原则上说明了不同类

型的爆炸波。我们可以有i）冲击波后有稀薄波，ii）冲击波后有声波压缩波，然

后有稀薄波，iii）声波压缩波和稀薄波。爆炸波的类型取决于爆炸中能量释放

的方式和时间以及与爆炸区的距离。对于强爆炸来说，i）类是典型的。弱爆炸

最初给出的是iii）类，但当波从爆炸处传播开来时，可以震荡起来，并以i）类

结束。

图2.14.爆炸波。

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来自TNT爆炸和其他军事试验的爆炸波通常根据峰值超压划分为不同的范围。

为了避免混淆，我们应该对气体爆炸的爆炸波使用相同的分类。该分类在表2.1

中给出。然而，应该注意的是，这种分类并不完全一致，因为根据下面的定义,

远场压力可以说是发生在例如0.5巴超压的气体爆炸内部。因此，人们应确保该

范围分类仅适用于足够强的气体爆炸，并且仅在云层之外。

表2.L近距离、中距离和远距离爆炸波的分类(Shepherd等人,1991)

・分类・|峰值超压

近距离范围>10psi>0.69E

中距离0.5-10psi0.034-0.69巴

远距离<0.5psi<0.034巴

在本手册中，我们将使用自由场爆炸这一术语，作为爆炸云外传播的半球形爆炸波的

定义。

2.18压力

压力是一种在各个方向上均匀施加的压力，其衡量标准是单位面积上施加的

力(McGraw-Hill,1978)。

在流体动力学中，我们经常使用的术语有：i)静压，ii)动压和iii)停滞压力。

静压就是我们通常所说的压力。静压的严格定义是：a)如果没有声波存在，

介质中某一点会存在的压力，或者b)应力的法向分量，单位面积的力，施

加在随流体运动的表面上，特别是位于流动方向的表面上(McGraw-Hill,

1978)o

动压是指运动的流体在压力梯度下被等燧流动带到静止状态时的压力增加

(McGraw-Hill,1978)□动压也可以用流速u和密度,p:

停滞压力是指运动的流体在压力梯度作用下被等端流动带到静止状态时的压力

(McGraw-Hill,1978)。停滞压力是静态压力和动态压力之和。

Psux=PstM+P1>*

对于爆炸波和冲击波，我们使用侧向压力和反射压力两个术语。侧向压力是在

垂直于波的传播方向上测量的。侧向压力是冲击波背后的静态压力。反射压力

是在冲击波正面撞到墙壁等物体时测量的。由于反射不是一个各向同性的过程,

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所以停滞压力和反射压力之间存在差异。图2.15中说明了这些侧向压力和反射

压力的定义。

^2.15.侧向压力和反射压力。

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.3.1喷射释放和蒸发池

第三章.3.21:5比例的海上模块中

的气体扩散测试

•3.3使用FLACS进行气体扩

散模拟

爆炸气体云的形成.3.4气体云和点火

•3.5厢内通风

.3.6准则

当可燃气体或蒸发的液体被意外释放到大气中时，可能会形成可燃燃料-空气云。

图31显示了在意外释放情况下可能发生的事件。

图3.L事件树显示可燃气体或蒸发液体意外释放到大气中的典型后果。

如果释放形成的气体云在可燃浓度范围之外（即低于LFL或高于UFL,见生工

T），或缺乏点火源，则不会发生燃烧。随后，气体云将稀释并消失。如果立

即被点燃，就会发生火灾。然而，最危险的情况是，如果形成并点燃了大量的

可燃预混燃料-空气云，就会出现。这时可能会导致严重的爆炸。

本章的目的是：

i）描述喷射式释放和蒸发池之间的区别。

ii）描述在一个1:5比例的海上模块模型中喷射释放的实验结果。

iii）描述FLACS模拟气体散布的准则设施。

iv）讨论可燃气体云的形成和点火问题。

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3.1喷射释放和蒸发池

释放的物质可以是气体、蒸发的液体或气液（两相）流。来源将被描述为喷射

式释放（即气体、两相或蒸发的液体），或扩散式释放，即蒸发的水池。图3.2

中显示了喷射释放和扩散源。

图32.射流释放和蒸发池。

这两个来源具有相当不同的特点。由于额外的空气夹带，射流释放将具有很高

的动量并建立一个强大的流场。在气体浓度可以达到可燃水平的地方可能会产

生再循环区。对于建筑物或海上模块中的喷射释放，再循环可能会导致大型可

燃云的堆积。蒸发的水池将作为一个扩散的释放源，风的力量和浮力将控制分

散过程。流动速度将比喷射释放的速度低得多。如果蒸发的液体形成致密的气

体，则可能在地面上或较低的隔间中形成可燃气体层。同样，在一个开放区域,

浓密的气体云会有侵入密闭空间的趋势，如建筑物。可燃气体侵入此类密闭或

半密闭空间会带来严重问题。正如第5、6章和第9至11章所讨论的，密闭一般

会导致高爆炸压力。

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3.21:5比例的海上模块中的气体扩散测试

Bjorkhaug和Bjerketvedt（1990年）在一个1:5比例的海上模块中进行了气体散布

笈验。

气态甲烷和丙烷通过各种喷嘴（直径420毫米）在一个模块内释放。储存器是

一个3立方米的罐子，初始压力为5-20巴。舱内有强制通风，体积流速为0米/

秒至1.0米/秒。

0J-

ca-

l02

uJ.

c

u

o

wr0,1-

』

U二

l

O0.0-

A

0306090120150

Time(sec)

图3.3.两个不同地点的浓度测量。

这项测试的目的之一是确定模块中云的均匀程度。图3.3显示了同一水平上两个

不同位置的浓度与时间的关系。向上的释放在20秒时开始。在早期阶段，浓度

有差异，但在大约10秒之后，曲线就很相似。

图3.4显示了在同一地点但在不同高度的两个类似测试中的浓度。

-

nu

u.

oj

U

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8

£

s

u

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'As

306090120ISO

Time(sec)

图34两次试验中不同高度的浓度测量。

在这些试验中，浓度的变化相对较小。

此外，还研究了强制通风的影响。图3.5显示了在三次测试中，在同一来源下,

不同风速（即散流）通过模块时的浓度。

页码31

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