爆炸危險源危險性定量評估方法的改進
［摘 要］ 在火炸藥、彈藥企業重大事故隱患定量評估方法（BZA-1）基礎上，根據炸藥爆炸理論和炸藥的組成及特性，提出了用感度的參數值q／Ea代替BZA-1法數學模型中物性危險系數α，作為表征危險品在受到外界作用時發生爆炸反應的難易程度的量，拓寬了BZA-1定量評估方法的適用范圍。
［關鍵詞］ 爆炸危險源 定量評估 爆炸 感度 物性危險系數
The Improvement of Quantitative Evaluation Method for
Hazard of Explosion Dangerous Source
Han Aijun，Chen Tianyun，Li Fengsheng，Liu Ronghai
Nanjing University of Science and Techn ology（Nanjing，210094）
［ABSTRACT］In this paper，an improvement on the existing quantitative hazard evaluation method （BZA-1 method） to evaluate the plants of explosive，propell ant or ammunition was proposed according to the theory of explosion and the comp osition and speciality of explosive．The substantial risk index α was replaced by the sensitivity parametric q／Ea -an explosion degree indication of expl osion dangerous source under external action．The advancement extents the applica tion range of BZA-1 method．
［KEY WORDS］explosion dangerous source，quantitative evaluation，explosion，sensiti vity，substantial risk index
1 引言
隨著我國經濟形勢的發展，建立和完善爆炸危險源的定量評估方法，對辨識和控制危險源中的各種危險性，避免重大爆炸事故的發生或把可能造成的損失限制在最低限度極為重要。目前國外對爆炸危險源的定量評估方法主要是依據美國道化學公司（Dow’sChamicalCo．）提出的火災爆炸指數法和美國格雷哈姆（K．J．Graham）提出的LEC法，以及英國帝國化學工業公司（ICI）提出的Mond法等［1］。它們都是以物質內在特性(理化特性、熱特性、燃燒性和有毒有害性)為基礎，再考慮工藝過程其它因素(操作方式、工藝條件、設備狀況、物料處理量和安全裝置等)的影響，計算每個單元的危險度數值。
我國自80年代初期開始對危險源的定量評估方法進行研究，BZA-1法就是在借鑒國外經驗的基礎上，認真研究我國兵器行業的特點和評估對象，結合具體實際探索出的爆炸危險源定量評估方法，即火炸藥、彈藥企業重大事故隱患危險性評估方法，具體數學模型如下：
H總＝H內＋H外
H內＝α.β.γ＋KB
式中 H內、H外、H總——分別表示爆炸危險源系統內、外危險度及系統總的危險度；
α、β、γ——分別表示危險品物性危險系數、物量危險系數、工藝條件系數；
K——系統內可控危險性未受控程度系數，或稱不安全隱患系數；
B——系統內可控危險度。
該評估方法的建立，為我國兵器行業的火炸藥、彈藥企業的安全管理提供了理論與科學依據。該方法的數學模型中的重要參數——物性危險系數α是表示危險品受到外界作用時發生爆炸反應難易程度的量，是其敏感度的綜合反映，目前取值為危險品感度的綜合特征值。但是該取值方法存在很大的局限性，其主要表現：第一，要對某種危險品的感度作出正確的綜合評價，就必須掌握該危險品的多種感度數據，但通常有些感度數據是很難查找的；第二，在如何確定某種危險品的物性危險系數α時，該取值方法只是將該危險品的各種感度危險性系數進行簡單的加和，取其算術平均值，而沒有考慮這些感度對危險品危險性所起作用的差異。
為了克服上述局限性，在深入研究的基礎上，本文提出了應用危險品的活化能及爆熱參數作為危險品的物性危險系數α。
炸藥的起爆一般是借助于熱量、機械沖量或者是爆轟波直接作用而產生的，當被起爆的炸藥裝藥的性質和裝藥的條件一定時，所產生爆轟的條件取決于起爆沖量的特性。但無論哪種起爆形式，要引爆炸藥，必須給予一定的外部能量。炸藥起爆過程中能量的變化可以用圖1表示，在圖1中，狀態Ⅰ表示初始態，狀態K表示激發態，狀態Ⅱ表示終點態。炸藥通常是處于能柵圖中Ⅰ的狀態，在受到足夠的外界作用后，位能由Ⅰ上升到K，炸藥便發生爆炸反應，釋放能量，最后生成反應產物，處于Ⅱ的狀態。這說明炸藥由狀態Ⅰ激發到狀態K發生爆炸變化時，必須吸收能量Ea，Ea為活化能。Ea越大，引起爆炸所需外界能量越大，此時感度越低；反之，Ea越小，感度越高。因此，可以看出炸藥的感度與活化能Ea有密切的關系。
圖1 物質系統內能變化(能柵圖)
通過以上起爆過程和反應機理的討論，可以看出分子活化能是表示其安定性的一個尺度，活化能越大，安定性越好。對于某個爆炸物來說，如果它的分子不安定，則當爆炸物在其某個局部被起爆時必然導致整體爆炸物完全爆炸；如果該爆炸物是不安定的，則當局部爆炸時由于所釋放的能量足夠大，以致使其相鄰的足夠多的分子被同時活化，這些作為活化的物質，絕大多數是爆炸物開始起爆時分子所分解的生成物，它是形成爆炸連鎖反應的活化中心——起爆中心。
在爆炸連鎖反應中，反應鏈傳播和分支的概率隨感度參數值q／Ea增大而增大［2］。也就是說，q／Ea越大，炸藥的爆炸性越大，且爆炸越容易在其體系內傳播。因此參數q／Ea值反映了爆炸物發生爆炸反應的難易程度，可以用它來代替BZA-1評估法數學模型中的物性危險系數α。
為了驗證應用感度參數q／Ea值作為物性危險系數的可靠性，對幾種常見的爆炸危險品，分別計算它們的綜合感度特征值和感度參數值，通過計算對這些危險品發生爆炸反應難易程度進行評價，以驗證感度參數值作為物性危險系數α的可靠性和準確性。
炸藥及其制品在生產和處理過程中受到的外界作用能量主要是熱、明火、機械(撞擊、摩擦)以及沖擊波的作用，所以炸藥感度分別為熱感度、火焰感度、機械感度、爆轟(沖擊波)感度等。但到目前為止，尚未發現這些感度之間的相互換算的當量關系，因此，在考慮其危險性時不宜只用某一種感度或某幾種感度，必須綜合所有的感度。鑒于在生產過程中，炸藥主要受到的作用是熱和機械，同時也限于資料條件，本文取5s爆發點TE（℃）、真空安定性Sv（cm3）、落錘撞擊感度Sh（cm）、摩擦感度Sf（N）和爆轟感度Sd五種感度作為評價炸藥綜合感度特征的基礎。五種感度對應的危險性系數分別為熱爆炸危險性系數α1、熱分解危險性系數α2、撞擊危險性系數α3、摩擦危險性系數α4和起爆危險性系數α5。于是，常用火炸藥的綜合感度特征值α＝（α1＋α2＋α3＋α4＋α5）／5。應用綜合感度特征值和感度參數值對幾種常見的單質炸藥的計算結果分別如表1和表2所示。
由綜合感度特征值(表1)評價上述幾種單質炸藥的危險性順序如下：
表1 幾種單質炸藥綜合感度特征值
|
炸藥名稱 |
a1 |
α2 |
α3 |
α4 |
α5 |
α |
|
硝酸銨 |
0．94 |
0．38 |
0．16 |
0 |
1．0 |
0．50 |
|
高氯酸銨 |
1．77 |
0．16 |
2．38 |
0 |
1．0 |
1．06 |
|
二硝基甲苯 |
5．25 |
0．05 |
1．75 |
0 |
1．0 |
1．61 |
|
三硝基甲苯 |
0．66 |
0．13 |
5．56 |
0 |
4．6 |
2．19 |
|
黑索今 |
6．63 |
0．88 |
7．46 |
6．66 |
9．0 |
6．13 |
|
太安 |
7．61 |
0．63 |
8．10 |
8．33 |
9．40 |
6．81 |
|
硝化甘油 |
7．69 |
10 |
0．84 |
6．66 |
8．00 |
8．44 |
|
雷汞 |
8．02 |
10 |
9．37 |
|
10 |
10 |
由感度計算值即感度參數值（表2)評價上述幾種單質炸藥的危險性順序如下：
表2 幾種單質炸藥感度計算值
|
炸藥名稱 |
活化能Ea ／kJ.mol-1 |
爆熱Q ／kJ.mol-1 |
產物總量m ／mol.mol-1 |
生成物放出熱量q? ／kJ.mol-1 |
危險系數 q／Ea |
|
硝酸銨 |
167．2 |
118．3 |
3．5 |
82．3 |
0．49 |
|
高氯酸銨 |
133．8 |
170．1 |
4．25 |
71．5 |
0．53 |
|
二硝基甲苯 |
166．8 |
803．4 |
11．0 |
90．7 |
0．54 |
|
三硝基甲苯 |
142．1 |
1209．7 |
11．0 |
122．9 |
0．86 |
|
黑索今 |
198．6 |
1376．1 |
9．0 |
175．1 |
0．88 |
|
太安 |
196．5 |
728．2 |
11．0 |
198．1 |
1．01 |
|
硝化甘油 |
178．1 |
1381．5 |
7．25 |
215．3 |
1．22 |
|
雷汞 |
133．8 |
659．6 |
4．0 |
198．6 |
1．48 |
注：*q＝（Q＋Ea）／m（下同）。
雷汞（1．48）＞硝化甘油（1．22）＞太安（1．01）＞黑索今（0．88）＞三硝基甲苯（0．86）＞二硝基甲苯（0．54）＞高氯酸銨（0．53）＞硝酸銨（0．49）。
由此可見，用感度計算值與綜合感度特征值評價幾種單質炸藥的危險性所得出的結論基本一致。
應用綜合感度特征值和感度計算值對幾種常見的混合炸藥［3、4］的計算結果分別如表3和表4所示。
表3 幾種混合炸藥綜合感度特征值
| 炸藥名稱 | 阿馬托 （80／20） |
賽克洛托兒 （70／30） |
賽克洛托兒 （60／40） |
特屈托兒 （80／20） |
特屈托兒 （75／25） |
特屈托兒 （70／30） |
特屈托兒 （65／35） |
| 組成（％） | 硝酸銨80 梯恩梯20 |
黑索今70 梯恩梯30 |
黑索今60 |
特屈兒80 梯恩梯20 |
特屈兒75 梯恩梯25 |
特屈兒70 梯恩梯30 |
特屈兒65 梯恩梯35 |
| α1 | 6．00 | 6．75 | 6．00 | 5．50 | 4．50 | 4．00 | 3．75 |
| α2 | 2．76 | 5．91 | 5．27 | 8．86 | 7．84 | 7．44 | 6．82 |
| α3 | 5．00 | 5．00 | 5．00 | 6．50 | 5．50 | 4．00 | 3．50 |
| α4 | 0．69 | － | 0．08 | 10．0 | 10．0 | 10．0 | 10．0 |
| α | 3．61 | 5．89 | 4．09 | 7．71 | 6．96 |
6．36 |
6．02 |
表4 幾種混合炸藥的感度計算值［5］
|
炸藥名稱 |
阿馬托 （80／20） |
賽克洛托兒 （70／30） |
賽克洛托兒 （60／40） |
特屈托兒 （80／20） |
特屈托兒 （75／25） |
特屈托兒 （70／30） |
特屈托兒 （65／35） |
|
爆熱Q ／kJ.mol-1 |
393．43 |
509．03 |
493．66 |
473．63 |
469．63 |
465．59 |
461．57 |
|
活化能Ea ／kJ.mol-1 |
181．81 |
81．35 |
78．67 |
56．80 |
57．15 |
57．52 |
57．88 |
|
產物總量m ／mol.mol-1 |
4．01 |
4．29 |
4．37 |
4．31 |
4．35 |
4．38 |
4．41 |
|
生成物放出熱量q ／kJ.mol-1 |
143．58 |
137．59 |
130．97 |
122．98 |
121．19 |
119．43 |
117．71 |
|
危險系數q／Ea |
0．79 |
1．69 |
1．66 |
2．17 |
2．12 |
2．08 |
2.03 |
由感度計算值（表4）評價幾種混合炸藥的危險性順序如下：80／20特屈托兒（2．17）＞75／25特屈托兒（2．12）＞70／30特屈托兒（2．08）＞65／35特屈托兒（2．03）＞70／30賽克洛托兒（1．69）＞60／40賽克洛托兒（1．67）＞80／20阿馬托（0．79）。
由此可見，用感度計算值與綜合感度特征評價混合炸藥的危險性所得出的結論也基本是一致的。應用感度計算值評價工業炸藥危險性的結果如表5所示。
表5 幾種工業炸藥的感度計算值
| 炸藥名稱 | 爆熱Q ／kJ.mol-1 |
活化能Ea ／kJ.mol-1 |
生成物摩爾數m ／mol.mol-1 |
生成物放出熱量q ／kJ.mol-1 |
危險系數 q／Ea |
| 2＃巖石銨梯炸藥 | 350．10 | 186．75 | 4．12 |
130．18 |
0．70 |
| 2＃巖石銨梯油炸藥 | 355．07 | 189．54 | 4．19 | 129．98 | 0．69 |
| 巖石膨化硝銨炸藥 | 349．62 | 194．68 | 4．33 | 125．70 | 0．64 |
| 2＃煤礦銨梯炸藥 | 278．37 | 156．50 | 3．74 |
116．19 |
0．74 |
| 3＃煤礦銨梯炸藥 | 246．67 | 148．04 | 3．62 |
109．00 |
0．74 |
| 2＃煤礦膨化硝銨炸藥 | 308．72 | 175．64 | 3．88 | 124．84 | 0．71 |
| 3＃煤礦膨化硝銨炸藥 | 248．50 | 167．17 | 3．71 | 112．04 | 0．67 |
| 巖石乳化炸藥 | 166．16 | 180．78 | 4．19 | 82．74 | 0．46 |
| RJ-52乳化炸藥 | 225．30 | 169．17 | 4．26 | 92．68 | 0．54 |
| EL-101乳化炸藥 | 172．23 | 173．40 | 4．14 |
83．59 |
0．48 |
| WR乳化炸藥 | 185．59 | 177．60 | 4．18 | 86．90 | 0．48 |
| MD乳化炸藥 | 128．32 | 183．58 | 4．16 | 74．92 | 0．41 |
表5說明，乳化炸藥的危險系數明顯低于粉狀硝銨炸藥；對于同一類型粉狀硝銨炸藥來說，無梯型的危險系數明顯低于含梯型的；對于巖石型和煤礦型粉狀工業炸藥來說，煤礦型的危險系數高于巖石型的，這主要是因為加入了熔點較高和硬度較大的食鹽，使得煤礦型的工業炸藥在受到外界能量作用時，食鹽便成為強烈的摩擦中心并產生加熱中心，從而促進爆炸進行。因此，煤礦型的工業炸藥危險系數較高。
4 結論
在用BZA-1法對爆炸危險源的危險性進行定量評估時，完全可以用感度參數值q／Ea代替BZA-1評估法數學模型中的物性危險系數α。
作者單位:南京理工大學(南京，210094)
參考文獻
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3 鐘一鵬等．國外炸藥性能手冊．北京：兵器工業出版社，1990
4 呂春緒等．工業炸藥．北京：兵器工業出版社，1994
5 吉田忠雄，田村昌三．反應性化學物質與爆炸物品的安全．劉榮海等譯．北京：兵器工業出版社，1991
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