3.1-3.2爆炸理论基础.pdf

第 3 章 爆炸理论基础 炸药作为一种特殊的能源，在铁路、公路、水利水电、矿业、石油、农业、金属加工等民用领域和国防建设中得到广泛的应用 爆炸现象 • 广义地讲，爆炸（ explosion）是物质急剧的能量释放过程，能量在瞬间急剧释放或转化的现象都可以称为爆炸 • 特点：大量能量在有限体积内突然释放或急剧转化 3.1 爆炸的 类别 及其破坏作用 一、爆炸的分 类 1. 按能量来源分 化学爆炸 物理爆炸 核爆炸 •物理爆炸： 物质仅发生物态的急剧变化，而物质本身的分子组成，在爆炸前后并未改变 如蒸汽锅炉的爆炸、地壳内部弹性压缩引起的地壳运动（地震、火山爆发）、强火化放电或高压电流通过细金属丝所引起的爆炸、高速物体的碰撞等 •化学爆炸 ： 在爆炸前后，不仅物质的状态发生变化，而且物质的化学性质也发生变化的爆炸现象都属于化学爆炸如煤矿中的瓦斯爆炸、甲烷、乙炔和炸药等的爆炸 核爆炸 ： 核爆炸的能量是核 裂变 或核的 聚变 反应所释放出的能量 化学性爆炸 • 物 质 在短 时间 内完成化学反 应 ，形成其他物 质 ， 产 生高温、高 压 而引起的爆炸称 为 化学性爆炸。

• 化学性爆炸的特点是反 应 速度快，放出大量的 热 ，同 时产 生具有 强 大威力的冲 击 波 • 例如 TNT炸 药 爆炸只需要十万分之几秒，爆炸的 传 播速度（称 为 爆速） 约 7000m/s（密度 为 1.6g/cm3时 ），放出 热 量（称 为 爆 热 ） 约 4200~5000KJ/Kg，生成气体 产 物，比容在标 准状况下 约 740L/Kg，爆炸瞬 间 放出的 热 量使气体 产 物的温度可以高达 3000℃ , 气体 产 物的 压 力按理 论计 算 约 等于2000MPa • 化学性爆炸按爆炸 时 所 发 生的化学 变 化不同又可以分 为 三小类 ① 简单 分解爆炸，如乙炔在 压 力下的分解爆炸 这 种爆炸不一定 发 生燃 烧 反 应 ，所需要的 热 量由爆炸物 质 本身分解 时产 生，受 轻 微振 动 即可引爆 ②复 杂 分解爆炸，如炸 药 的爆炸 ③爆炸性混合物的爆炸，指所有可燃气体、蒸气、粉 尘 和 雾 滴与空气所形成的混合物的爆炸，如 氢 气、天然气、石油、煤粉等与空气混合的爆炸均属 这 种 类 型 —— 直接 进 行化学反应 返 回 核爆炸 核爆炸是指由物 质 的原子核在 发 生“裂 变 ”或“聚 变 ”的 链锁 反 应 瞬 间 放出巨大能量而 产 生的爆炸，如原子 弹 、 氢弹 的爆炸。

① 裂 变 裂 变 是指重核在受到其他粒子（如中子） 轰击时 分裂 为质 量相近的两个核的 过 程，同 时还 放出若干中子如 U235受到慢中子 轰击时 ，裂 变 成 为氙核和 锶 核，同 时 放出两个中子和 200MeV的能量： ② 聚 变 聚 变 是指 轻 原子核聚合 为较 重的原子核并放出能量的 过 程例如 氘 核和 氚 核 发 生聚 变结 合成氦核，并放出一个中子，同 时还 放出 17.58MeV的能量 浙江工业大学 2. 按反 应 相 气相爆炸 液相爆炸 固相爆炸 3. 按爆炸速度 爆燃 （数米 /秒） 爆炸 （ 10米 ~数百米 /秒） 爆轰 （数千米 /秒） 爆炸速度： 爆炸 过 程所形成的特征物 质 的 传 播速度称 为 爆炸速度 浙江工业大学 二、化学爆炸的基本特征 1.爆炸的 现 象 •过 程的放 热 性 •过 程的高速度性 •产 生大量气体 炸药发生快速的化学变化，瞬间放出大量能量，借助于系统原有气体或生成的气体的膨胀，对周围介质做功，使之发生巨大的破坏效应，同时可能伴随有声光热效应 浙江工业大学 三、 化学 爆炸的条件 1、 放 热 性 *说 明：靠外界供 给 能量来 维 持其分解的物 质不能成 为 爆炸 2、高速度性 3、 形成气体 *爆炸所 释 放的 热 能必 须 借助气体介 质 的膨 胀 才能 转 化 为 机械功因此，生成气体 产 物是炸 药 作功不可缺少的条件。

如果物 质的反 应热 很大，但没有气体 产 物形成，就不会具有爆炸性 4.变 化自 动传 播 在外界能量激发下局部爆炸，持续反映下去需要靠自身提供的能量 煤炭燃 烧 ：放 热 8924.7kJ/kg, 燃 烧为 数分 钟 ， TNT： 1kg梯恩梯炸 药 爆炸 时 放出的 热 量 虽 然只有 4226kJ 反 应 速度： 10-6s 常温下 分解： NH4NO3 — NH3 + HNO3－ 170.7kJ 加热至 200℃ 左右 ： NH4NO3 — 0.5 N2 + NO + 2 H2O+36.1kJ 或 NH4NO3 →N 2O + 2 H2O+ 52.4kJ 起爆药柱引爆 ： NH4NO3 — N2 + 2H2O + 0.5O2 + 126.4kJ 下面是硝酸铵的不同化学反应形式 常温下 ，硝酸铵的分解是一个吸热反应，不能发生爆炸； 加热到 200℃ 左右时 ，分解反应为放热反应，如果放出的热量不能及时散失，炸药温度就会不断升高，促使反应速度不断加快和放出更多的热量，最终就会引起炸药的燃烧和爆炸； 如果用 起爆药柱（ primer cartridge）引爆时 ，硝酸铵发生剧烈的放热反应，即刻爆炸。

可见，只有放热反应才可能具有爆炸性 返回 如果没有气体 产 生，也就不可能造成高温高压 状 态 ，自然也就不可能 发 生化学爆炸 现 象 例如： 铝热剂 反 应 ： 反应的速度很快，反应的热效应可以使产物温度升到3000℃ ，使其呈熔融状态，但因为没有气态产物生成，而不发生爆炸只是高温产物逐渐地将热量传导到周围介质中去，慢慢冷却凝固 按每公斤放热量计算比 TNT高，并能形成 30000c的高温，使生产物熔化，但不能形成爆炸若侵湿铝热剂或在松散铝热剂中含有空气，就可能产生类似爆炸的现象 KJFeOAlOFeAl 82822 3232 返回 可见， 放出热量，生成气体产物和反应的高速度 是形成化学爆炸反应的三个充要条件 四、爆炸的破坏作用 1. 爆炸冲 击 波 2. 地震波 3. 碎片或 飞 石 碎石 飞 出 100-500米 4. 有毒气体 5. 二次爆炸 爆炸冲 击 波： 一种通 过空气 传 播的 压 力波， 产生的高温、高 压 、高能量的密度的气体 产 物，以极高的速度向周 围 膨胀 ， 强 烈 压缩 周 围 的静止空气，使其 压 力、密度和温度突然增高，像活塞一 样 向前推 进 。

3.2 可燃气体的爆炸 3.2.1 可燃气体爆炸的典型形式 一、可燃气体分解 1、乙炔分解爆炸： o2 2 6 6o2 2 212 0 0 ~ 3 0 0 : 2 1 0 /37 0 0 : 2 ( ) 2 2 6 .4 k /C C H C H J m o lC C H C H J m o l  固3、氮氧化合物分解爆炸 2 4 4( ) 1 2 7 . 4 k /C H C C H J m o l  固2 2 2222 2 2181 .6 k /2190 .4 k /2133 .5 k /2N O N O J m olNO N O J m olNO N O J m ol      2、乙 烯 分解爆炸 4、 环 氧乙 烷 分解爆炸 2 4 42 4 2 4 21 3 4 . 4 k /13 3 . 4 k /2C H O C H C O J m o lC H O C H C O H J m o l     二、可燃混合气体的爆炸 1.可燃气体与空气 2.可燃气体与氧气 3.可燃气体与其它助燃气体 （ H2+CL2） 三、可燃蒸气云爆炸（ UVCE） Unconfined Vapor Cloud Explosion：流入大气中气化并与空气混合，遇到点火源 发 生爆炸。

1. 常温常压下是液体 例如：汽油，流出后从地面获取热量蒸发成气体 2.常温因加压液化的物质 特点：沸点低于常温 3.常压因低温液化的气体 液化丙 烷 （液化石油气） 液化丁 烷 LNG 哪些能形成可燃蒸气云爆炸？ 3.2.2 可燃气体爆燃与爆 轰 的反 应 波方程 理解概念： *波 阵 面、 *冲 击 波、 *波速、 *爆 轰 波 在一定条件下．物质（气体、液体、固体）、都是以一定的状态（例如，一定的压力、温度、密度等）存在的如果由于外部的作用使物质的某一局部发生了状态变化，如压力、密度等的改变称为 扰动 这是由物质的宏观的平衡状态变成了宏观不平衡状态的现象 在弹性介质中，某个局部的作用后，由于物质质点的相互作用，由近及远地物质的质点陆续发生扰动，这种扰动在介质中传播就叫波 在波传播过程中，介质原始状态与扰动状态的交界面，叫作 波阵面 波阵面在一定方向上的位移的速度就是波传播的速度，简称波速 波的基本知识 扰动 空气、水、岩体、炸药等物质的状态可以用压力、密度、温度、移动速度等参数表征物质在外界的作用下状态参数会发生一定的变化，物质局部状态的变化称为 扰动 。

扰动与波 弱扰动： 外界作用只引起物质状态参数发生微小的变化的一种扰动； 强扰动： 外界作用引起物质状态参数发生显著的变化的一种扰动 波 扰动在介质中的传播 假如波在介质中传播，则介质中的质点在其平衡点附近振动，但是并不行进 波可以传播能量，但是并不传递物质； 波阵面 （或 波头 ） 在波的传播过程中， 介质原始状态与扰动状态的交界面 波的传播方向 波阵面的移动方向 波的传播方向与介质质点振动方向平行的波称为 纵波 (P波 ) 波的传播方向与介质质点振动方向垂直的波称为 横波 (S波 ) 冲击波 冲击波的形成 活塞在管中作加速运动，后面的波速都比前面的大，于是波互相追逐、叠加、积累，压缩与未压缩区之间形成一明显的突增面这时： P＞＞ P０ ， ρ ＞＞ ρ ０ ， T＞＞ T０ → 形成冲击波 一、冲 击 波 1、冲 击 波基本方程 0 0 1 1( ) ( ) 3 1D u D u     （ ） D ***假 设 ：流体中任何一点在冲 击 波前后只做一 维 定常运 动 定常： 流体中任何一点 压 力、速度和密度等物理量不随 时间 而改变 （ 1） 质 量守恒： 单 位 时间 内流入波 阵 面的 质 量等于流出的 质 量。

（ 2）动量守恒 : 单位时间内作用介质上的冲量等于其动量的改变 1 0 0 0 1 0( ) ( ) 3 2P P D u u u     （ ） (3) 单 位 时 间 内 波 面 右 侧 流 入 的 能 量 为 波 面 左 侧 流能 量 守 恒 ： 出 能 量 由（ 3-1）、（ 3-2）式可得： …… (3-4) … .(3-5) 在 时，（ 4）、（ 5）式可变为： …… (3-6) …… (3-7) 00 u100001ppD u vvv  101 0 0 101ppu u v vvv  10001ppDvv。