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冲击波的破坏范围——从连霍高速义昌大桥坍塌看天津港爆炸
2015/11/01
IP:福建
天津港“8.12”爆炸事故已经过去了两个多月,网上的讨论声也日益稀少了,毕竟相对来说我国现在还处于一个安全生产事故多发的阶段,群众们一时感伤与悲愤过后也就慢慢的淡忘了,毕竟事故月月有,又能有多少人会天天感叹呢。例如几天前的21号山东临沂天宝化工起爆具生产线爆炸9死2伤,同日的陕西汉中销毁过期雷管发生盲炮爆炸导致2人死亡。如此之多的实例说明爆炸事故离我们比想象中的更近,所以对大爆炸事故的分析越发显得重要。
我在网上看了一些人的计算分析,他们引经据典拿资料里的公式计算出超压,然后根据破坏范围再估算爆炸当量。但是我想说的是他们可能都把爆炸当量估高了,换而言之大爆炸的威力远比我们所想的要厉害、破坏范围要广。具体的我就拿前不久开庭审理的一件案子来做分析。
一、案例分析
1、新闻背景
连霍高速义昌大桥爆炸垮塌案:2013年2月1日上午8点52分,连霍高速洛三段南半幅741+900M处义昌大桥发生垮塌事故,坍塌桥面长80M,经勘查:事故系因运输烟花爆竹车辆爆炸引起桥面垮塌,造成车辆坠落,导致14死8伤。
检方指控称,2012年3月至2013年1月,张根林与薛运芳在联营陕西省蒲城县宏盛花炮制造有限公司期间,雇用不具备从业资格人员超标准、超范围生产。2013年1月,该公司管理人员李瑞党(已在事故中死亡)、翟工厂组织无从业资格的工人生产不属于烟花爆竹产品的“土地雷”。2013年1月30日,唐振生受李瑞党委托,电话联系陕西省蒲城县虎子货运部负责人唐进虎帮其联系车辆运输10吨左右烟花至河北省献县。后唐进虎经其妻唐雪琴、蒲城县小郭货运部经营人郭转玲联系了石家庄开发区凯达运输有限公司名下不具备危险物品运输资质的普通货车司机石彦飞(已在事故中死亡)负责运输,并签订运输合同。为逃避检查故意将货物名称填写为百货。当晚,石彦飞在宏盛花炮制造有限公司违规装载土地雷350袋(7000发)和假冒“美神”牌注册商标的开天雷270箱(5400个)。
2013年2月1日,车辆行驶至连霍高速河南省三门峡市境内义昌大桥时,车上装载的土地雷、开天雷发生爆炸,致使义昌大桥坍塌,周围民房受损,造成李瑞党、石彦飞、郭连理在内的14人死亡,2人重伤,4人轻伤,2人轻微伤的严重后果。经陕西省烟花及民爆产品质量监督检验站鉴定,土地雷单发装药量均值118克,系含烟火药的爆炸物,开天雷单筒药量48克,系严重不合格产品。
2、提取信息
2.1爆炸物药量及成分
根据新闻图片可以计算得出本次事故中爆炸的烟火药量约1085.2kg。烟火药一般为高氯酸钾、氯酸钾、硝酸钾、硝酸钡等氧化剂与铝粉、镁粉、硫磺、木炭等可燃剂的混合物。
2.2爆炸破坏范围的确定
反驳3.png
图1 新闻报道中的义昌村
反驳8.png
图2 新闻报道中的义昌村

根据网上所搜集的新闻报道离义昌大桥最近的义昌村,村子房屋受到了不同程度的破坏。村子距爆炸现场距离报道中有200m也有1000m,使用谷歌卫星地图对现场环境进行观察以确定精确的爆炸破坏范围。
反驳5.png

图3 爆炸现场周边环境

事发地点地处农村,再根据地图及网上对义昌村简介分析该村为传统型农村,远离城市主要农村经济收入为传统农作物种植及畜牧业,推断事故发生至今地形地貌及房屋建设变化不会过大。村庄周边为平整的农田,不存在障碍物有利于冲击波的传播。
反驳6.png
图4 爆炸现场周边环境
反驳4.png
图5 离现场最近的义昌村房屋
从图5分析离现场最近的义昌村房屋,自上而下数第一排房屋屋顶连为一体,第二第三排房屋及房屋之间的院落内物体呈极规律的中心对称结构,不符合独门独户院落簇居所呈现的不对称结构,推测为小型加工厂或养殖场等建筑物,排除在全村800户之外即不是媒体报道所说的民居。以此将图片导入AutoCAD 2008中,按谷歌地图给出的200米比例尺作图。
反驳9.png
图6 测量爆炸现场至义昌村距离

按比例尺作图得到最近的民居离爆炸现场约448m,整体的村庄框架离现场682m,村子中心离现场约896m。
[ 修改于11年1个月前 - 2015/11/01 03:11:28 ]
来自:
化学/含能材料
17
11年1个月前IP:上海
795181
1楼
2、简化分析
⑴烟火药简化为爆热最高的,高氯酸钾、铝粉、硫磺三元混合物,其爆热在8000~9000kj/kg之间,取中值8500kj/kg用于后续计算。
⑵所有烟花在同一时间爆炸,且烟花包装对能量的传播和爆轰产物的扩散没有阻隔和吸收。
⑶按爆热的换算来折合TNT当量。
3、数据处理与对比
冲击波超压公式使用《煤矿爆破实用手册》、《爆破工程》、《工程爆破》第二版等书籍一致给出的:
图片1.png

根据法院庭审材料中烟花装药量与烟火药爆热,该事故中爆炸物TNT当量约为2049.6kg。
经计算可得
距离R(m) 药量Q(kg) 超压Δp(105pa)
448 2049.6 0.035
682 2049.6 0.022
896 2049.6 0.016
各项资料里一般把0.02×105pa作为门窗破坏阀值,在数据的选取上我均是按爆炸物爆炸性能最理想化处理的,实际上小作坊烟火药会使用一部分氯酸钾代替高氯酸钾,烟火药中使用的是铝镁合金粉这都将降低爆热。而且烟花的壳体属于惰性介质影响着1085kg烟火药作为一个整体的能量统一释放,再者村落聚集状态下冲击波会被处于较前的建筑物严重削弱,当冲击波传至村落中心处时超压会低于理想状态下的计算值。理想计算时村落中心超压也降低至0.016×105pa,无法达到新闻报道里的“800多户村民,几乎家家户户玻璃都被震掉”。
这使我想到按文献进行计算得到的数据,要么是低于0.02×105pa房屋门窗玻璃依然会大量破碎,要么是以烟火药爆热折换当量进行计算得到的数值要小于这样的烟火药大量爆炸时的实际值。不论哪一点,在大当量烟火药爆炸时,它的破坏力要远超我们的计算。
+1
学术分
科创网
2015/11/02
理论性综述
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11年1个月前IP:福建
795183
2楼
2、天津港事故的粗略分析
从新闻报道提取信息,现场有硝酸铵800t和硝酸钾500t,硝酸铵与硝酸钾均与可燃物形成爆炸性混合物,根据报道有可能的可燃物是电石遇水分解形成的乙炔,由此形成固-气混合爆炸物,因为甲苯等液体与硝酸铵和硝酸钾充分混合需要大量时间,所以我就简化成固-气混合爆炸物模型,当然我提出的这个模型极为粗糙,实际上的爆炸当量要小于我所提出的这个爆炸模型当量。
按爆炸能量最大化计算得硝酸铵-乙炔混合物852吨爆热4302kj/kg,硝酸钾-乙炔混合物564.3吨爆热3497.8kj/kg。折合TNT 1253.1吨。
Img418829417.jpg
图7 天津港爆炸影响范围
反驳10.png
图8 泰达医院采访

按泰达医院为受影响位置计算
距离R(m) 药量Q(kg) 超压Δp(105pa)
5900 1253100 0.022

看来只有按最大爆炸威力,才能让文献里的公式符合实际。但意外状态下几十吨乙炔与几百吨硝酸铵在短短几分钟内完全混合,这是难以发生的。而且我个人认为爆炸后巨大的火球与四射的火雨释放能量速率与冲击波损耗能量的速率相比过小,对冲击波的后续支持不大,毕竟对于如此强大的冲击波来说,这种燃料云-空气界面反应显的过于缓慢,比不得云爆的气溶胶反应速率快。
至于云爆说,我也持否定态度,爆炸前已经发生了大火,这时产生大量的可燃蒸气云在还未来得及扩散开与空气充分混合时就会被点燃,不具备大规模扩散的条件,再者从视频看爆炸火球的膨胀与后燃反应与云爆区别较大,真正的云爆事故请参看XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
有人会觉得硝酸铵爆炸威力弱渣,ANFO爆速才2500~3000m/s,但是这种认识是片面的,小直径起爆能下ANFO确实只有不到3000m/s的爆速,但是杜邦的研究告诉我们,在大直径炮孔中ANFO的爆速可达5400m/s,即量变引起质变,大当量下的ANFO破坏力不输于TNT。
综上计算难以解释如此大范围破坏的原因,希望大家能集思广益提出一个更完善的模型,同时警惕爆炸事故,不要轻视爆炸事故的破坏力,更不能轻视造成事故的原因。
123.gif
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11年1个月前IP:福建
795184
3楼
一些乱七八糟塞不进去的随想
1、我选的这个公式计算值算高的了,有的896m处超压低到0.01×105pa。
2、当然我通篇分析是建立在新闻报道属实的情况下。
3、尊重国家,尊重逝者,没有确切证据的话,请不要乱发阴谋论。
4、至于爆炸形成地震波将玻璃震掉,我可以肯定的说,我进入爆破行业4年大大小小的爆破经历了千余次,不论是20吨炸药使用微差爆破800m外的民居,还是4.4吨炸药使用瞬发电雷管一次齐爆300m外的民居,我还真没见过玻璃被震掉的情况。所以在这种大量玻璃破碎的情况下我排除地震波的影响。
5、温压弹的后燃效应对冲击波的增益与天津港不同,温压弹的后燃反应主要靠铝微粒与气相爆轰产物反应,这个时候气相爆轰产物与铝微粒是近似于混合均匀的,而天津港的事故中可燃剂蒸气云与空气是在巨大的接触界面上进行着反应,二者能量释放速率不同。至于钠在里面所起的作用我也不认为有多大,第一时间的爆炸反应肯定不是氧化剂与固体钠均匀混合的反应,二者更可能的是互相处于接近但隔开的包装内。而钠块的体积过大,在固-液或固-汽的交界面上反应放能速率太慢,从爆炸现场发现的许多未反应完的钠块可以证明这一点。

ps:磨蹭了半个月终于憋出这个帖子了,发完收工睡觉去也~~~
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11年1个月前IP:四川
795193
4楼
当年拍摄过桥上的另外一辆大型厢式货车  并没有表现出承受巨大冲击波作用力的样子    车身无丝毫变形         大桥因为烟花爆炸垮塌这个很难说服人
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11年1个月前IP:四川
795198
5楼
很多事情 不必这么较真..
真实情况知道了你要怎么样??不知道又怎么样??
说实话..对这次天津..说是事故..但是看过google地图的都清楚..这么大的范围..
把屁民当哈J来忽悠..你们只需要知道我想要给你们知道就好了..真实..让他去吃屎..
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11年1个月前IP:江苏
795208
6楼
从视频来看有火花飞溅,可能是有活泼金属或者易燃易爆液体。据消防员说他们对着一堆可燃物喷了十多分钟的水,然后就爆炸了,这更像是活泼金属产生氢气爆炸的情形。另外根据这个帖子【https://www.kechuang.org/t/62325】所说,芳烃的开环、爆炸也较为符合视频里的情形。

有没有这种可能性,同样的爆热,爆速较低的爆炸其压力波衰减比较慢,因此更能传递到较远的距离?
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11年1个月前IP:福建
795212
7楼
引用 biggigi2002:
当年拍摄过桥上的另外一辆大型厢式货车  并没有表现出承受巨大冲击波作用力的样子    车身无丝毫变形         大桥因为烟花爆炸垮塌这个很难说服人
常吉高速可以看XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX视频拍摄者说400m外许多车窗玻璃被震碎,查看谷歌地图再根据视屏拍摄位置处于直线路段,且隧道口基本被山体遮蔽住,我认为拍摄者描述的400m是比较符合的。
地穆庵隧道.png

对比你所说的大巴上拍摄的视频,大巴位置显然要更靠前许多,但不能以单单一辆大巴车的未损坏就确定破坏力,而且从视频看只能说拍摄者所处的周边玻璃未破裂,“车身丝毫无变形”这个命题只有在在现场的人才能论证。且车辆上使用的是钢化玻璃,不能等同于普通的民宅用玻璃,要分析这起事故的话,信息量得重开一贴才够。
至于烟花爆炸大桥垮塌,这四篇文献已经把能说的说尽了,T型梁桥本来就不是个能抗艹的玩意,不管你信不信反正我是信了
attachment icon 简支T梁桥在爆炸作用下的损伤分析1.pdf 203.60KB PDF 72次下载 预览

attachment icon 某高速公路桥梁在爆炸作用下的破坏分析_孙增寿.caj 162.00KB CAJ 2次下载

attachment icon 连霍高速义昌大桥失事原因探究2013220.pdf 1.12MB PDF 61次下载 预览

attachment icon 连霍高速义昌大桥事故调查报告.pdf 5.66MB PDF 63次下载 预览
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11年1个月前IP:福建
795215
8楼
引用 rudolf:
从视频来看有火花飞溅,可能是有活泼金属或者易燃易爆液体。据消防员说他们对着一堆可燃物喷了十多分钟的水,然后就爆炸了,这更像是活泼金属产生氢气爆炸的情形。另外根据这个帖子【https://www.kechuang.org/t/62325】...
看百度上的钠烟花视频,如何才能做到氢气刚产生的开始不被点燃而积聚如此巨量的氢气呢?我也考虑过氢气爆炸这个模型,但是始终绕不过氢气的大量积聚这个问题。其它的可燃液体形成蒸汽云也是一样,如何在形成的同时不被提前点燃以爆燃的结果结束掉。
有易燃易爆液体和活泼金属,但是在里面的作用有多少参与到第一时间的爆炸反应中,这个就不可知了,类似于影视特效,黑火药上顶着个汽油包,炸完了大火球一个黑烟一片。
同爆热低爆速会不会冲击波更强这个不好说,现有的空气燃料空气炸药虽然爆速低,但是爆热很高,难以找到同爆热的高爆速材料进行对比。不过很多资料里都提到燃料空气炸药正压持续时间长即衰减慢,和tnt对比近场效果不明显,但是由于衰减慢,远场超压反而超过tnt。
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11年1个月前IP:江苏
795224
9楼
我也仅是猜测,按照消防员的说法,没人告诉他们不能用水灭火,所以如果按照以下解释应该说得通。

如果水量比较多,形成的氢气浓度比较高的话,氢气无法在充分接触到空气的同时还能遇到足以使其着火的热点,就不会发生爆炸。氢气越来越多逐渐弥漫到四周的火焰上,最终引发大爆炸。

有机溶剂是用200L铁皮桶或者塑料桶密封储存的,加热到一定温度后会突然爆开,大量蒸发的可燃气体和空气急速混合然后爆炸。
而且即使是已经泄露出来的液体,在燃烧状态下被喷上水后也会爆发出巨大的火球。一锅食用油烧热之后浇上水,在碰到明火的时候都能形成几米高的火柱,跟不用说几十吨燃烧着的的有机溶剂被消防车大量喷水。
第三,按照那个帖子所说,芳烃爆炸时会发生两次爆炸,因此有可能第一次把大量芳烃炸成小液滴挥发,和空气混合后第二次爆炸形成类似温压弹的效果。


燃料空气炸弹爆热高是相对于等质量高爆炸药来说的。如果加大高爆炸药的数量,使两者爆热相等的话,应该是可以比较的。
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11年1个月前IP:四川
795237
10楼
辛苦d版了  学习了
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11年1个月前IP:北京
795293
11楼
赞!学习了!
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11年1个月前IP:四川
795300
12楼
引用 dracula1429:
常吉高速可以看XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX视频拍摄者说400m外许多车窗玻璃被震碎,查看谷歌地图再根据视屏拍摄位置处于直线路段,且隧道口基本被山体遮蔽住,我认为拍摄者描述的400m是...
那辆货车就停在洒满鞭炮残屑的断桥边上     如果爆炸威力足以炸断桥梁  冲击波的作用力也必然将距离很近的货车车身冲击出凹陷   至少留下冲击波的痕迹  但是 那辆车平整的车体 很难支持发生过剧烈爆炸的说法    调查报告上提到了房屋受爆炸冲击波影响导致损坏      但是距离很近的其他货车车体却未受损害     这个调查报告的说服力很难让人置信
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11年1个月前IP:四川
795301
13楼
引用 dracula1429:
常吉高速可以看XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX视频拍摄者说400m外许多车窗玻璃被震碎,查看谷歌地图再根据视屏拍摄位置处于直线路段,且隧道口基本被山体遮蔽住,我认为拍摄者描述的400m是...
同时坠落桥下的大型罐体 和集装箱也没有受到过大超压冲击的痕迹    形体保持较好
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11年1个月前IP:四川
795311
14楼
许多人低估了冲击波超压的作用,会把药量估大。近距离直接作用不能用冲击波来计算,不然也就不用区分猛度和做功能力了。
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11年1个月前IP:天津
795344
15楼
我的观点是,天津爆炸本身就是非理想炸药做功体系,是不能把爆炸点视作一个质点然后用球面波来推算当量的,这和加入粗颗粒片状铝粉的特利托哪儿炸药在远距离的作用效果达到TNT的2倍一样,天津爆炸具有极大的火球,说明很多能量都在离爆心较远的地方释放出来,实际爆炸的效果应该类似含铝炸药这么一个效果,当然,肯定是量变引起质变,根据能达到的离现场1.5公里最近的地方来看,当量100吨我是深信不疑的。
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11年1个月前IP:福建
795360
16楼
引用 biggigi2002:
那辆货车就停在洒满鞭炮残屑的断桥边上     如果爆炸威力足以炸断桥梁  冲击波的作用力也必然将距离很近的货车车身冲击出凹陷   至少留下冲击波的痕迹  但是 那辆车平整的车体 很难支持发生过剧烈爆炸的说法    调查报告上提到了房屋受爆炸...
炸毁桥梁和冲击波远场破坏是两个爆炸特性的分别作用,像虎哥所说的,近处也就是爆点处桥面主要靠猛度,即大量爆轰产物以2000~3000m/s的速度轰击桥面,桥面受剪切作用断裂、垮塌。这个爆轰参数主要是靠装药密度、爆速的影响。而各个文献中的冲击波超压研究理论只描述与爆热和作用距离有关,我所使用的公式可以看出只有爆热、作用距离作为变量。
足以炸断桥梁,与冲击波的破坏力之间没有那么必然的联系。对于你说的货车,我也看到照片了,确实车上上的遮雨布都没有被掀飞。根据事故报告及照片可以推断该车离爆点约70m,对此我依然基于烟花爆炸的基础上给出两个解释:1、说明烟花的爆炸规模比我所计算的更小,即1085kg烟火药是在一段时间内分次爆炸的。2、从桥底图片可以看出,当时现场车辆排成排并相互紧挨着,在有遮挡物时,冲击波收到了削弱。
至于桥底的罐体,有图片显示内衬有石棉等柔性保温材料,在有柔性材料覆盖时冲击波破坏效果要减小。集装箱的形变在图片上看不出来,但与之前我所解释的遮雨布一样,集装箱在车辆上排成一排,且装载集装箱车辆与爆点之间依然有着车辆间隔,它以最小受力面迎向冲击波传播方向。
看你的回复对烟花炸塌大桥持否定态度,不知道你对这个事件有什么模型解释,亦或是认为大桥质量太渣?
引用
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11年1个月前IP:福建
795365
17楼
引用 rudolf:
我也仅是猜测,按照消防员的说法,没人告诉他们不能用水灭火,所以如果按照以下解释应该说得通。

如果水量比较多,形成的氢气浓度比较高的话,氢气无法在充分接触到空气的同时还能遇到足以使其着火的热点,就不会发生爆炸。氢气越来越多逐渐弥漫到四周的火...
以那个帖子中的信息,我用关键词“芳香族、二甲苯、开环、聚合、爆炸”反复组合在知网等文献库搜索均未发现有相关文献,百度上搜索结果前几页均是这篇帖子的转载(越往后的搜索结果与关键词的相关性越低,所以我暂时认为百度不到芳香族开环/聚合的信息)。若是芳香族在燃烧或加热时容易开环/聚合引发爆炸,那么理应引起相关从业者的广泛注意与讨论,从而有许多相关资料。基于搜索结果,我排除这一点。

不过您与QQQQQQQ的回复使我想到我之前把第二次爆炸单独考虑是错误的,第一次爆炸与第二次爆炸应该有着相关性,据此我将模型修改为第一次爆炸可能是高温引起内装可燃液体的容器破裂引起的,第一次爆炸抛散了液体燃料,并引起装有氧化剂容器的破裂并有可能有部分氧化剂被抛散,这样第一次爆炸为引起第二次爆炸的爆炸物混合提供了基础,两次爆炸间隔30s,在气浪、高温等影响下可燃剂与氧化剂快速混合并起火燃烧,最终转为爆轰。
我反复观察2楼最后的gif图片,发现大爆炸发生后殉爆了周边的易燃易爆物,使小爆炸在大爆炸发生后不断地为冲击波的扩散提供着能量,这样就解释了这超乎寻常的冲击波能量从何而来。
气相爆轰无法解释这种存放大量货物的坚硬地面能造成直径60m,深度6~7m的积水坑。而且若是用氢气爆炸来释放千吨tnt能量则需要37.2吨氢气与空气完全混合,相当于855.4吨钠与669.4吨的水反应置换出氢气,这个释放氢气的时间和需要的钠、水的量都与现场有出入,所以我认为气相爆轰只是可能是在大爆炸中伴随着的一点点小殉爆。
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我也是有底线的