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爆炸事件中相关概念,爆炸类型/TNT当量/冲击波及毁伤机理

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发表于 2015-12-23 11:43:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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作者:希弦-军事



前注:
    笔者非业内人士,勉强能谈得上一丝关联的是,笔者大学军工专业,对TNT当量、冲击波的概念在专业课中稍有接触。之所以成此文,是在目前媒体的报道与官方的回应发布的空白和疑惑间,理清这次事件中相关的几点概念,爆炸类型、TNT当量、“小型战术核武器”之说、冲击波,及爆炸中冲击波的毁伤机理。所以本文谈不上观点之争,更遑论言之凿凿,只是代大家就相关概念、技术细节简单查阅下资料并整理一番。仓促成文,权当抛砖引玉,纰漏之处还多指正、理性探讨。
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 楼主| 发表于 2015-12-23 11:45:20 | 显示全部楼层
本帖最后由 万磁王 于 2015-12-23 11:47 编辑

概念一:可能存储的危险化学品、易燃爆炸物

天然气,压缩气体,易燃
硫磺,易燃固体,产物二氧化硫,眼睛、皮肤、粘膜、呼吸道强刺激性。
硝化纤维素,空气中自燃,明火高温易燃爆炸,产物一氧化碳 二氧化碳 氮氧化物。
电石(碳化钙),遇湿易燃物品,遇水产生可燃气体乙炔。
硝酸钾,氧化剂,中度毒性,与有机物、磷、硫接触或撞击加热燃烧爆炸,刺激性。
氰化钾,极毒,致死0.1g,与酸性物分解,氰化氢气体,易燃易爆剧毒。
甲苯二异氰酸脂,中度毒性,眼睛、呼吸道的过敏。蒸汽密度比空气大,遇火源燃烧、爆炸。
甲乙酮,闪点(见1)易燃液体,中度毒性,刺激性,分解物一氧化碳、二氧化碳。
乙酸乙酯,闪点易燃,轻度毒性,一氧化碳、二氧化碳。
磷酸,酸性腐蚀,中度毒性,蒸汽刺激性。
甲酸,中度毒性,酸性腐蚀,蒸汽与空气(氧化剂)混合形成爆炸性混合物,刺激性,一氧化碳。
甲基磺酸,酸性腐蚀,明火高热高温可燃,分解为甲醛和二氧化硫,刺激性,二氧化硫。
烧碱,碱性强腐蚀,粘膜糜烂、出血、休克,消化道、皮肤、眼睛、口鼻腔的灼伤。
硫化钾,易燃,强腐蚀、刺激性灼伤,产物硫化氢和二氧化硫。
1,易燃、可燃液体(包括具有升华性的可燃固体)表面挥发的蒸气与空气形成的混合气接触火源时发出的瞬间燃烧,称为闪燃,液体发生闪燃的最低温度称为闪点。闪点越低,着火危险性越大。
这些可能存储的化学品,除了可燃及爆炸外,自身也多半是有着毒性和刺激性的。刺激性,通俗来说就是这些化学品的气态蒸汽对我们裸露的、与空气接触的眼睛、口腔、皮肤、呼吸系统、粘膜、消化道的刺激、灼伤,甚至出血糜烂。同时这些化学品的反应后产物多是一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物,气体的毒性、刺激性明显。后来武警8630部门在起火点500米处的检测结果也是映证。参与救援的消防官兵,以及事发当时现场周围的公安人员都有化学中毒的出现。


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原尺寸高清卫星图片见文末网盘链接下载。




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 楼主| 发表于 2015-12-23 11:47:59 | 显示全部楼层
概念二,爆炸类型

    说完化学品,那么我们要理清的概念是新闻报道中的“爆炸”,在笼统的可燃物与空气接触混合燃烧爆炸的背后,现场的“爆炸”可能存在的爆炸分类。爆炸是极为迅速的物理或化学的能量释放过程,以机械能、光和热的辐射等形式来释放。爆炸破坏的直接原因是,爆炸点周围介质中发生急剧的压力突变。正是因为上述该公司所存储的化学品类型可能是复杂多种的,所以现场的爆炸可能存在以下几种细分类型。
蒸汽爆炸,这可能与我们意识中“爆炸”概念有着不同(也是笔者在准备这篇文章前没有的概念)。蒸汽爆炸,是物理性质的爆炸,处于过热状态的水、有机液体、液化气体等,瞬间气化而产生的爆炸现象,称为蒸气爆炸。在爆炸的过程中,物质的化学成分、化学性质没有变化,没有发生化学反应,也没有出现火焰。着火源也不是蒸气爆炸的必备条件,只要气体、液体这两相的平衡遭到破坏就能引起蒸气爆炸。
比如说水,沸点会随着压力变化升降,运行中的锅炉,炉内的水100℃以上因压强还未到沸点,但炉体出现破裂后,在大气压中炉内的水就会突然沸腾,体积急剧膨胀转化为水蒸气,发生了水蒸气爆炸,这也是锅炉爆炸的原因之一。就这次事件而言,存储化学品的罐体容器被高压状态下的液体充满着,此时罐体若因外部火源或热源的加热破裂、罐体缺陷出现了少许裂缝,便会因少量液体的泄漏,引起内压的迅速下降而处于过热状态,最终导致蒸气爆炸。一旦容器破裂,常温下的蒸气爆炸发生后,转为气态的易燃易爆的危险化学品不仅有着毒性和刺激性的中毒危害,再与空气的接触后便有了二次爆炸,爆炸类型是下文中说的气云爆炸。
另外,在此前曾有的石化企业原油油罐起火爆炸中,难以扑救的原因之一就是原油含有一定的水分,发生火灾后引起的水蒸气爆炸,蒸汽上冲将燃烧着的原油推出了罐外,造成沸溢和喷溅。
分解爆炸  在热源作用下,爆炸性物质、热敏感性物质、某些单一气体以及化合物可能在极短的时间内发生分解爆炸。这过程中并不一定发生了燃烧反应,爆炸所需的热量可以由爆炸物自身的分解来产生。比如说有些化学品受到震动即可引起这种分解爆炸。之所以提到分解爆炸是因为,这次事件中据说存有着电石,电石遇水反应生成乙炔,乙炔接下来的反应除了与水反应外,还存在这种分解爆炸的可能,会产生极大的热量,火焰温度很高。
此外,事件中可能还存在的相对“小众”的爆炸类型还有着喷雾爆炸的可能,可燃性液体雾滴与空气形成的爆炸性混合物。这类概念不难理解,都是可燃物与助燃物的混合后燃烧、爆炸的概念。这种爆炸性混合物,燃烧爆炸破坏性最大的形式就是接下来要说的“气云爆炸”。
气云爆炸是由于气体或易挥发的液体燃料的大量快速泄漏,与周围空气混合,形成覆盖很大范围的可燃气体混合物,在(高温、高热、明火)点火源的作用下而产生的爆炸。与一般的燃烧或爆炸相比,气云爆炸的破坏范围要大得多,所造成的危害程度也要严重得多。气云爆炸,在气云被点燃的初期还只是低速燃烧,但向广泛区域覆盖过程中燃烧扩散的速度逐渐变为每秒10米至数百米的爆炸,甚至每秒千米以上的爆轰。爆炸破坏效应的火球、爆炸云,冲击波在气云爆炸中进一步凸显。与气云爆炸多有相似的是粉尘爆炸,6月份台湾新北游乐园的爆炸事故就是活动中抛洒的粉尘与空气的混合后遇热源发生的爆炸。
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如果一定要对事件中的爆炸TNT当量进行与军用武器的类比转换,可能选择燃料空气炸弹(图为美国的“炸弹之母”,TNT当量10吨)在爆炸机理上较其他更为贴切些。

这种气云爆炸形式,在军事领域的弹药中的应用就是云爆弹,也称燃烧空气炸弹。美俄的“炸弹之母”、“炸弹之父”就是这样炸弹的极端威力代表。挥发性的液体燃料在目标区上空起爆释放后,与空气混合形成一定浓度的气溶胶云雾。随后引爆产生千度以上的高温和爆轰冲击波,进而摧毁目标和杀伤人员的作用。也因此说,若媒体一定要将这次事件中爆炸的TNT当量以军用武器来类比的话,说是2枚“炸弹之母”这样的燃料空气炸弹是更为恰当些。原因见下。

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 楼主| 发表于 2015-12-23 11:48:54 | 显示全部楼层
概念三:TNT当量

TNT当量相同,但爆炸物性质上的差异,所形成的破坏作用截然不同。化学品爆炸≠战斧≠战术核武器≠榴弹。
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爆炸中21吨TNT当量的估算,是根据震级反推出来的,考虑到还是地表爆炸,更多能量是在向空中散佚,所以这个21吨“爆炸当量”是估算的下限最小值。
爆炸物在爆炸时形成的高温、高压对周围介质产生强烈的冲击和压缩作用,使与其相接触或接近的物体产生运动、变形、破坏等有害效应,称为爆炸效应。爆炸效应的大小,用爆炸物的做功能力即爆炸威力或爆炸能量来表示。爆炸能量可以理论计算,也可能用实验求得。TNT的爆炸能量为4186. 8kJ/kg (lOOOkcal/kg)。通常以此作为TNT当量,用来计算和评价爆炸效应。
在这次事件后,媒体将事件中第二次爆炸的21吨TNT当量爆炸能量,转换为“战斧”巡航导弹、也或者军迷间所说的千枚榴弹或百枚航弹。这样的转换,看似更为易懂,但这其中却又在偷换概念,特别容易造成群众的误判。首先要说因为目前军用武器的炮弹、导弹(包括“战斧”)战斗部上早已不是单一的TNT而是以TNT、RDX黑索金、HMX奥托金、PETN太恩为主的高能混合炸药,TNT逐渐成为表述爆炸能量的基本单位。虽然在这种对比转换中的爆炸能量是近乎等同的,但因为爆炸物(化学品爆炸与军用高爆药)性质上的差异,爆炸时的“爆速”、“猛度”等重要性能衡量指标的不同,最终对周围物体破坏程度是截然不同的。
进一步来说,同样的爆炸能量,在武器的战斗部上往往是要求在极短的时间内尤为集中的在目标区释放,从而对目标形成更高温度和更强的压力(冲击波)来破坏杀伤目标。另外,像上述的榴弹、航弹等,其杀伤机理上内部装填炸药的爆炸只是一方面,另一方面还有着炸药引爆后所形成的弹体碎片。在这次事件中,化学品的爆炸,在能量释放的过程中较于战斧等军用武器的战斗部而言,无疑是作用时间更长,波及范围更广,所产生的温度和高压冲击波相对要小得多、“温和”得多。因此,媒体报道中这样相对片面草率的转换介绍,加之广大群众对军用武器装备技术细节上的陌生,难免会有群众对此的误判,会有着这次事件是几十发“战斧”或上千发炮弹或2枚战术核武器的严重理解偏差。
对于这种爆炸能量类比转换,最吸引眼球(也是最荒诞)的就是小型战术核武器之说。虽然在广义下,小型战术核武器的TNT当量都在千吨以上通过大口径火炮来发射的,但也是有着美国的可以通过无后坐力炮发射的“戴维”,TNT当量在10吨。但同样,看似这次事件等同于2枚“戴维”超迷你级的战术核武器。但还是上述原因,化学品爆炸与战术核武器的自身属性、爆炸毁伤机理上的差异,这种类比转换依旧不等价。特别是核武器,非常之迅速的核反应过程下释放出的强冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和核电磁脉冲等杀伤破坏作用,这是让所有常规的炸药这类化学能武器都汗颜的。

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 楼主| 发表于 2015-12-23 11:50:22 | 显示全部楼层
概念四:蘑菇云和冲击波

   冲击波是这次爆炸的主要破坏形式,周围群众的生命安全威胁借由建筑物的庇护大幅降低,但已深入火场的消防公安人员的状况不容乐观。
爆炸云,形状上头大,下面小,得名“蘑菇云”。爆炸产生的高温高压在极短的时间内就使周围的空气升温膨胀快速上升,上冲时的巨大能量将地面的碎片、粉尘等各种物质粒上裹挟带到高空形成蘑菇茎。在爆炸云上升,与周围低温空气的接触过程中,温度逐渐降到同周围气体的温度相同,随后便向水平方向敞开形成了露菇顶,这便是爆炸中蘑菇云的形成过程。随着上升高度的增加,地面压力的逐渐减小,蘑菇茎部分裹挟到上空的物体便纷纷落下。这是爆炸中高温高压的表现形式之一。对于这次爆炸而言,高温的烧伤是爆炸中心一定区域内的伤害形式,而波及范围最广、对周围住宅小区中的群众而言爆炸主要的破坏形式其实是冲击波。
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爆炸中心旁货场中融化的汽车轮毂,但其铝合金材质熔点是660度℃。粗略对比来看,酒精灯的温度为400℃~500℃,家用液化石油气灶具的燃烧温度约为600℃~800℃。爆炸中这种高温燃烧的破坏看似恐怖,但对周边的群众而言,波及范围广的冲击波才是最大的生命威胁。
爆炸物在爆炸时,随着温度和压力急剧增高,短时间内挤压周围的空气,空气压力发生着迅速而悬殊的变化,压力突然升高,然后降低,反复循环数次直到能量衰减下去,这就是冲击波。冲击波的能量,自然是与爆炸能量的大小成正比、与传播距离成反比。冲击波的破坏作用是由爆炸产生的超压所引起的,冲击波超压就是冲击波压强与空气静止时的气压(1个大气压)的压强差。
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烧伤、化学中毒外,“患者基本都有爆震伤!”这其中病危的“公安干警”,个人推测可能就是距爆炸发生处港区交通支队或跃进路派出所的公安干警。
冲击波的破坏作用主要是由冲击波超压和冲击波作用时间来决定的。冲击波使人员受冲击、挤压、摔掷而损伤耳膜、脏器或造成脑震荡、外伤、骨折等钝挫伤。比如在事发时在窗口拍摄视频的群众被冲击掀翻倒地,视频中有着房屋的摇晃震动,窗帘窗户的向屋内冲,建筑物的玻璃破碎,门窗的倒塌等现象。除了上述的爆震伤,还有群众被冲击波所“吹起”的玻璃碎片、掉落的门窗天花板等划伤、砸伤等外伤。
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冲击波对周边建筑物的破坏效果,在这次事件的新闻报道中体现为:电梯、燃气和供水均已切断,门窗全部粉碎、墙面严重变形、天花板掉落、屋里家具尽毁、被冲击波震碎的玻璃片直插墙壁,路面有断裂凹陷痕迹、随处可见碎石和玻璃、临建房被震塌等。正是建筑物对爆炸冲击的抑制消弭,人员的伤害才得以相对降低。
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城市中大型高楼建筑的存在和复杂的环境下,对爆炸冲击波有着屏蔽抑制效应,得以使周边住宅小区群众的人身伤害大幅降低。

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 楼主| 发表于 2015-12-23 11:52:10 | 显示全部楼层
对这次事件中冲击波的破坏效应、人员伤害的讨论也如上文。虽然爆炸当量相近,但因爆炸物的性质不同,所产生的破坏效果也是有差异的。同样,对冲击波的破坏效应的讨论,不容忽视的因素是城市中大型高楼建筑的存在,对冲击波的屏蔽抑制效应,才得以使周边住宅小区的群众的人身伤害大幅降低。假若这次事爆炸是在宽阔的平原或城郊野外环境中,没有了钢筋混凝土建筑的存在,在同样的人群密集环境下冲击波所造成的人员伤亡不堪设想。
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冲击波的破坏作用主要是由冲击波超压和冲击波作用时间来决定的。
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在南方都市报的《爆炸现场疑似存放700吨剧毒氰化钠已荡然无存》的报道中,有爆炸周围五六百米住户群众的情况。
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中国青年报的《爆炸堆场以前就小事故不断》报道,提及了距离爆炸点最近的人之一,瑞海公司办公楼(卫星对比图中红色箭头处)中的员工。

所以才会有财经网的《检讨天津大爆炸》报道中的“海港城是万科与天津港合作开发楼盘,住户近3000人,距爆炸现场仅600米。一名业主告诉《财经》记者,他在该区域已工作5年,从未有人告知他附近存储有危化品。8月12日夜爆炸将其家中窗户玻璃全部震碎,门槛炸掉,他仓皇逃出仅来得及带手机。”这似乎在一定程度上应证了此前所说的21吨TNT当量的600米的毁伤半径一说。但我们要看到:虽然在距爆炸中心600米这个距离上的群众借助建筑的庇护伤情大幅降低或者说没有生命危险,但在当时已经深入火场的消防官兵和公安干警,以及当时周边街道上可能还会有的行人,他们因为爆炸发生时没有坚固的庇护所,离爆炸中心的非常近,所以情况或已证实不幸遇难,或仍是失联,或重伤。当时位于爆炸点400米左右的港区交通支队和跃进路派出所的5层办公楼(在上文那组爆炸前后卫星照片对图中白色箭头所指出)在爆炸中损毁严重只剩下框架空壳,目前的新闻报道中当时值班备勤、第一时间进入火场的公安干警多数“失联”或在爆炸中受伤。
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所以,即便周边小区群众借由建筑对爆炸冲击波的屏蔽抑制作用下,目前事故造成的遇难人数官方确认为85人,其中消防官兵为21人。截止本文成文前这21名遇难的消防官兵的完整名单尚未公布,同时据报道这21人名单中有极大可能不包括先于公安消防官兵抵达现场救火的天津港公安局消防支队的三支“编外消防”队伍。所以综合目前的信息来看,爆炸伤亡人数虽并未如朋友圈中散播小道秘闻那般耸人听闻的几百千余名群众遇难,但已是并不容乐观,特别是爆炸发生时火场中“失联”的消防人员和公安干警的伤亡。更何况目前700余名伤员已是非常惨痛的人员伤害。
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这次爆炸中周边群众遇难人数虽然不是传闻的成百上千,但私心的来讲笔者对这次事件的人员伤亡的判断还是悲观的,即便乐观估计也可能逾百人。这其中上升的伤亡数字可能绝大多数会是接警进入火场后爆炸发生时的消防人员和天津港自身的公安消防力量(特别是这块的人数,至今官方并未有确切的人数公布)。

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 楼主| 发表于 2015-12-23 11:53:18 | 显示全部楼层
就伤者的伤情而言,以上表的冲击波对建筑的破坏效应与爆炸后现场周边建筑的图片做粗略比对,不难看出现场的超压已是0.2、0.3、0.5甚至爆炸点很近处(或建筑的一楼底层)不排除0.7(个标准大气压)的概念。目前的重伤员的内脏挤压伤或钝挫伤以及或烧伤或外伤,伤情已是不轻,后续的救治难度风险已是不小。即便周围住宅小区所经受的冲击波超压是在0.3、0.5个大气压,也会对听觉的耳膜、肺部呼吸道有着损伤,骨折、挫伤的风险,以及室内装饰、玻璃、石块被吹起后的外伤。
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GB 18265-2000 危险化学品经营企业开业条件和技术要求



后注
1.首先对所引用的个人微博图片微博ID表示感谢。
2.除大学时的专业课基础外另简单查阅并摘录引用了如下文字:
《爆破空气冲击波及其预防》
《爆炸冲击波对人体损伤与防护分析》
《爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应行为与损伤破坏机理》
《爆炸与冲击的仿真研究》
《最新化工企业安全生产管理规章制度与强制性标准及安全事故防范全书?
《障碍物体形对爆炸波传播的影响》
《GB 18265-2000 危险化学品经营企业开业条件和技术要求》
3.限于个人水平上述文献的阅读只是浅显,所以与那组6000×4000分辨率的卫星照片一并打包上传分享。网盘下载:http://yunpan.cn/cdWtqVgXWC4Jd (提取码:cd71)
4.2个下班后晚上+1个工作日的时间仓促准备成文

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