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温岭槽罐车爆炸为何威力如此之大？（终）

来源：

2020-07-02

1877

作者：谭霖与苏德亮

随着前三期的内容，我们知道了事故发生的过程，也详细分析了槽罐车飞行路线。那么大家是不是都非常想知道：

一辆我们日常可见的液体槽罐车为什么会发生物理爆炸？
这种物理爆炸还如此的剧烈，可以导致一个总重合计可能数十吨的金属容器及部分物料夸张的飞过数百米距离？
为何有如此高的冲量？

做为本次事故分析的最后一期，我们试着用理论演算的方法，进一步挖掘事实、分析原因、验证猜想。

有什么样的物质可能导致如此剧烈的爆炸？

一个最原始直观看法是，罐体里的物质是否是一种凝聚相爆炸物质？比如国内外多次出过事故的重点监管物质环氧乙烷（EO）？通常来说，有氧气参与的气体可燃物爆炸，是不会造成激波速度远大于火光传播速度的现象的。

凝聚性爆炸往往相对更为剧烈，乃至产生激波超过音速的爆轰现象。结合视频中迅速上升的帽子型冲击波，其传播速度很可能大于声速。同时在储罐内的凝聚相爆炸也可以轻易的撕裂压力容器。当然这种猜想也非常容易在现场勘验中得到证实或证伪。比如：

检查这辆车的运单
询问车辆物品的装载方到底运输的是什么物品
检查现场爆炸残留物（凝聚相爆炸残余物检查是最直接的证据）
槽罐车断口的特征（爆燃型爆炸和爆轰型爆炸的断口晶相是不同的）
等等

在事故调查结果正式公布之前，这仍旧是一个开放的话题。不过从媒体的报道来看，这种可能性微乎其微。

如果不是凝聚相爆炸物，就是液化石油气（LPG），有没有可能仅依靠物理爆炸就能达到这样的后果？

我们首先分析最激烈的沸腾液体膨胀爆炸BLEVE。对于BLEVE，公众和业界众所周知的一些案例与现象，大多伴随在容器在火焰烘烤下的失效，尤其涉及到承装液化气体的容器。在池火的烘烤下，在十数乃至数十分钟内，没有被液体浸润的表面材料的温度会上升到数百度，伴随着饱和蒸汽压的逐步上升。在这一过程中，材质在高温下抗拉强度快速下降，而容器内饱和蒸汽压逐渐上升，超过临界点时造成一个灾难性的容器破损，容器被瞬间撕裂为碎片。这种灾难性的容器破损常常伴随着喷射膨胀的过热液体与汽云被引燃后形成的巨型火球。

如在前面两期所解释的，此次发生的是一个非典型的容器机械完整性的瞬间失效。从几个视频中，我们可以清晰的看到，容器的初始爆炸并没有伴随着火光与显著的冲击波。并且，容器的大部分保持了相对完整在空中飞行。我们不禁要问，这种冷态的“爆炸”还是BLEVE么？

首先，“冷”爆炸的BLEVE现象是可能发生的。BLEVE的必要条件之一：需要存在“过热液体”。液化气体已经满足了此条件，池火并不是必须的。那么这个条件充分么？或者说，槽罐车中的液体是否可以将槽罐车推动400多米远？以及这是如何做到的？

首先来看以下到底爆炸总做功量有多少：

1. 爆炸将整个槽罐车剩余部分推高了10米的势能。

2. 爆炸让整个槽罐车剩余部分产生了速度为20m/s的动能。

为了简化起见，我们将这个需要的总能量标记为Q。这个Q值用高中物理知识就可以计算。

再来从静态的热力学角度来分析，来看看如果不考虑液化石油气的化学能，其物理内能是否能够造成一个数十吨的物体在几百米的范围内飞行？在液化气瞬间蒸发的过程中，主要的能量变化有以下两部分：

1. 液化气的热容（室温下的液化气储存的能量）

2. 物质的相变焓（液化气气化需要吸收的能量）

以上两部分决定了液体气化可以向外做工的总能量。

一个简单的计算，可保守的得到液体的热容值。从液体在大气压下的沸点开始，计算到它在破损瞬间体系温度的温差来的过热度。LPG的比热容值可以查询得到，可以粗略的用丙烷的沸点-42°C计算到室温25°C，这个温差在77K左右。而液态丙烷的比热容值是一个伴随温度变化的物理量，当然在-50到50度的区间内的变化并不会带来一个数量级的偏差。这样，温度差与比热容能够粗略的得到单位过热液体的热容值。

同样，可以查询丙烷的蒸发焓，比较发现丙烷单位质量蒸发焓比前面算出来的热容值的五倍还大。也就是说，这个储罐如果发生BLEVE，自身的热量仅够不到五分之一的物质参与液体到气体的气化和膨胀。其实，这也是大部分过热液体的共同特性。比如说锅炉爆炸过程，通常来说，普通过热的水的热量，仅仅能够支持很小的一部分蒸发，从而锅炉爆炸的罐体的飞行不会很远。

用理想气体的膨胀做功来初步计算一下五分之一个槽罐车的液化石油气，也就是8吨LPG在其初始条件为常压沸点下，室温饱和蒸汽压（9barg/25°C）时的膨胀做功大概是Q的9.5倍。因此，热力学的静态计算第二步告诉我们，100%没有能量损失的内能与动能之间的转换，似乎可以实现罐体的飞行。然而，不能忽略的是，这是一种液气在无约束情况下的相变。不能以理想气体的绝热压缩作为容器承压的极限，因为可能在远未达到极端压力之前，体系内已经出现冷凝了。所以结论大体是：能量够，但是要这么快释放出来恐怕有些困难。

那么接着我们来看一个普通的破口是否足以支撑这么快的能量释放？

我们需要考察一个压力容器的破损。网上流传着很多关于这个储罐是由于阀门箱破损的猜测，这样的猜测是合理的。通常来说，钢制压力容器的超压破损仅仅会引起有限的破口。有很多的研究表明，这些破口是与容器，法兰直径相关的，并不依赖于其他物理和设备参数，我们假设此次在爆炸中首先撕裂的是一个直径1米的口子（远大于阀门箱的尺寸）。

这种破口下储罐飞行的速度可以用两种方法计算：

1. 当内部气体持续喷射出，给容器带来的反冲作用，类似于火箭发射。

2. 当带压容器破损时，内部压力气体给与容器的初始冲量，类似于碎片崩射。

为了验证一，我们假设这个1米直径的破口同时还在喷涌而出的是高速的气体分子，由于在初始爆炸视频中没有听到音爆，我们假设其喷出速度是音速。计算可得这样的一个冲量的反作用力大概在20吨左右，这个力作用于带给一半物料的罐体所带来的加速度将小于10m/s。这仅仅是冲量给出的加速度，不要忘记，还要考虑重力。所以气体喷射不能让槽罐车飞起来。

为了验证二，我们尝试用荷兰国家应用科学研究院（TNO）的指导性模型来做一个模拟，假设一个槽罐内部充满了250bar丙烷蒸气。那么在一个非常近的近场，几乎可以获得高达80000Psi*ms的高冲量。这也是爆破后冲量传递给罐体动量的来源。依据这个瞬时值，在迎风面的1个十吨的空罐大概会获得10m/s初速下的动量。不能忽略的是，我们是在进行一个极端假设条件下的数值模拟，实际上这个物理爆炸的近场冲量曲线是一个特别陡峭下降的模式。几乎在一秒内降低到数轴的底部。这个速度是我们可能看到的最大值。每秒10米的速度，罐体应该在高速下匝道的上空飞行超过2秒，但是我们在视频中看到的瞬息即逝。

上面的两个计算证明了很多猜测高速反喷的气体推动槽罐飞行400的猜测在理论计算中并不支持，这一点其实从视频中也可以得到佐证，在前面两期的视频中，可以看到槽罐有明显的翻滚，如果槽罐是靠反推完成的飞行，那么应该看到槽罐飞行线路的改变，但是从视频中其实可以看到槽罐是相对直线的飞行的。当然，此处话题仍旧是一个开放式的话题。我们欢迎有学识与经验的专家给我们的初步分析提供更多的指教。也许，一个完全定量化的分析，将会是对此问题具有结题性的判断工具。

既然总能量够，小破口反推不可能飞行那么远，那就只能更加大胆的来猜测是大破口了。

我们假设整个罐体发生了超过0.5M的整个横截面等级的断裂，一个21bar的2.5米直径的罐体，其内部压强在器壁横断面带来的应力就相当大了，简单的计算得到大致在虚拟横截面有1000吨级别的压力。这种虚拟的压力仅仅在设备完全的突然失去机械完整性时，因为即不存在气体的节流膨胀，也不存在典型的焦耳汤姆逊效应在膨胀过程中内能消耗，所以表现为内能到动能的高效率的转化。从而造成了我们之前计算的过热液体蕴含内能蒸发膨胀的所有能量都有效的转化为物体飞行动能的情况。这就能够解释几十吨重罐体能够从一开始就高速飞行并落到400米以外。这么看来，恐怕开始的失效恐怕不是阀门箱，而要比预想的严重的多。

那有什么可能可以造成罐体的整个横截面失效了？

我们反过头来考察一下压力容器是否有可能产生大破口。压力容器的机械完整性的破坏，取决于材质的抗拉强度。而对于此点，中美欧的三种标准体系带来了不同的抗拉强度安全余量。

根据07年之前ASME标准制造的钢质压力容器，抗拉强度的安全系数在3.5，我国的安全系数在2.7而欧标在2.4，这就造成了一个设备的超压，并非是在设计压力之上立即导致容器的破损。而一般通常认为，容器的破损会在设计压力的2-3倍出现。因此，很多发生在容器内的爆炸情况，是不一定导致容器的机械完整性完全失去。

举个例子：常压工况的可燃气体与空气混合物的引燃，其最高压力升高的程度，如果以一个设计压力为4barg的压力容器来看，通常并不足以造成容器的破损。这也是很多抗暴容器设计的基本理念之一。以LPG罐为例。通常来说，其设计压力在18barg。一个直径2.5M的设备，在假想壁厚10毫米的情况下其器壁的拉伸应力在150MPa左右。而按照其他标准的安全系数2.4考量，一般我们认为这种压力容器的破损不会在42bar前出现，这远高于50度下丙烷的饱和蒸汽压。仅仅是丙烷恐怕很难产生如此大的破口。

那有没有可能不是丙烷？

液化石油气是一种混合介质，一般主要成分为丙烷和丁烷，其中有可能会存在一些更低碳数物料的掺混，例如乙烷，但即便如此似乎压力也不足以造成设备的失效。更不要说从视频中观察到的罐体的整体断裂。

然而事实毕竟需要纳入考虑，随着低碳数物料的掺混，变化的不仅仅是压力，为了更好的压缩和运输，或许还需要进行一些降温，而最高许用应力是一个随着温度变化的数值。是否一些工况，比如说液化石油气成分的不同带来转载物超出设计温度阈值的可能呢？在此种情况下，虽然设计压力不会被超过。然而根据温度对应的许用应力则变化显著。反复超过设计温度上下范围的充装，是否会造成应力疲劳呢？那么在某些极端驾驶情况下，应力集中点部位的疲劳造成了设备机械完整性被瞬间的突破？在这里我们把这种情况抛出。

这同样是一个开放的话题，我们也欢迎更多专家的见解与指导。同时，我们也期待，对现场容器端口的显微分析。是不是有典型的疲劳裂纹现象？如果能够证实与证伪，也不失为一个技术讨论的褒奖。

往期汇总：

温岭槽罐车爆炸为何威力如此之大？过程安全专家推断爆炸原因（一）

温岭槽罐车爆炸为何威力如此之大？过程安全专家推断爆炸原因（二）

温岭槽罐车爆炸为何威力如此之大？（三）现场分布还原分析