大質(zhì)量熔融鋁液遇水爆炸效應(yīng)評估*

沈正祥 陳虎 沈建民 牛亞平 王杜 呂中杰

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院臨港設(shè)備安全評價中心 浙江寧波 315048；2.北京理工大學爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室 北京 100081)

0 引言

蒸汽爆炸本質(zhì)屬于多相流反應(yīng)，由于高溫流體與冷卻水劇烈混合和熱量交換，冷卻水快速汽化并對外膨脹壓縮周圍空氣做功，形成沖擊波又進一步導致高溫流體碎化放熱，最終導致混合體系在較短時間內(nèi)形成爆炸。與化學爆炸類似，蒸汽爆炸同樣涉及潛在能量釋放，并伴隨沖擊波超壓、熱輻射和碎片撞擊等破壞效應(yīng)，通常發(fā)生在核反應(yīng)堆工程、金屬冶金、火山噴發(fā)、液化氣儲運等環(huán)節(jié)[1-2]。由于是物理變化主導的過程，蒸汽爆炸的風險常常被人們忽視，由此造成一些災(zāi)難性事故。如2011年3月，地震誘發(fā)的日本福島核電站事故，由于反應(yīng)堆控制系統(tǒng)失靈，高溫金屬堆芯材料與水作用引發(fā)一系列爆炸事故，造成大量輻射物質(zhì)釋入大海[3]。類似的爆炸事故在金屬鑄造行業(yè)中也發(fā)生多起，造成很多的人員傷亡和財產(chǎn)損失。如果對熔融金屬與冷卻水爆炸機制認識不清，就無法提出有效的防爆控制措施，這樣的工作場所依然存在非常高的人身傷害風險[4]。

國外學者對此爆炸現(xiàn)象的研究起步較早，迄今仍未形成統(tǒng)一的結(jié)論[5]。早在1957年,LONG G[6]最先從安全生產(chǎn)角度，研究了熔融鋁液與水接觸發(fā)生爆炸反應(yīng)的原因和預防措施。ZIELINSKI S M， SANSONE A A等[7-8]把多種金屬熔液滴入冷卻水中，對比分析不同金屬成分和觸發(fā)條件對爆炸形成的影響規(guī)律；NELSON L S等[9]針對核反應(yīng)堆中蒸汽爆炸風險，研究了高溫不銹鋼熔液和核燃料倒入冷卻水的熱爆炸反應(yīng)，認為某些金屬元素可能對爆炸觸發(fā)有一定的促進作用。國內(nèi)相關(guān)研究集中在核電領(lǐng)域，林千、游曦鳴等[10-11]研究了小質(zhì)量、低熔點金屬液滴(如錫鉍、錫鉛合金等)與冷卻水的相互混合、碎化及蒸汽爆炸發(fā)生機制。由以上可知，針對大質(zhì)量熔融金屬與冷卻水爆炸反應(yīng)的研究較少，有待進一步完善。

基于一套自主設(shè)計的大質(zhì)量熔融金屬遇水自觸發(fā)爆炸模擬裝置，在實驗室條件下研究了熔融鋁液遇水爆炸反應(yīng)現(xiàn)象，定量化描述了爆炸反應(yīng)的沖擊波破壞和熱效應(yīng)，探討了熔融鋁液-冷卻水的爆炸形成熱力學機制。

1 實驗系統(tǒng)與過程

圖1為熔融鋁液遇水爆炸反應(yīng)模擬裝置，上方錐形容器與加熱爐連通，用于臨時盛放鋁液，溫度由熱電偶實時監(jiān)控。錐形容器內(nèi)壁帶有硅酸鹽紙，底塞經(jīng)鋼絲繩與提升馬達相連。反應(yīng)容器為鋼質(zhì)薄壁圓筒，用于盛放冷卻水，直徑為158 mm，高度為300 mm。主要實驗條件如表1所示，采用商業(yè)用高純鋁，鋁含量≥99%，通過加熱爐熔化后，鋁液溫度控制在973～1 083 K內(nèi)，然后倒入錐形容器內(nèi)，此過程中溫度降低不超過283 K，鋁液質(zhì)量為7～8 kg。反應(yīng)容器內(nèi)水量保持2 kg不變，溫度為291～293 K，水面與鋁液(底塞)距離約為240 mm。

實驗開始時，首先通過提升馬達拉動底塞，鋁液下落至反應(yīng)容器內(nèi)與水混合后自動觸發(fā)形成爆炸。實驗過程中采用攝像系統(tǒng)對爆炸近景進行實時監(jiān)測，爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓由埋設(shè)于爆點附近的壓力傳感器測定，溫度變化則由紅外測溫儀記錄，爆炸產(chǎn)物回收后做必要的粒徑分析。

表1 實驗條件

圖1 熔融鋁液遇水爆炸反應(yīng)裝置示意

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 爆炸反應(yīng)類型

熔融鋁液與水在反應(yīng)容器內(nèi)經(jīng)過快速的熱交換，在無外觸發(fā)載荷的前提下，同樣可能會自發(fā)形成爆炸反應(yīng)。爆炸反應(yīng)的自觸發(fā)與鋁水相對質(zhì)量比、鋁液溫度、水溫、容器表面的粗糙度、氧化物等因素相關(guān)，呈現(xiàn)明顯的概率特征。按照反應(yīng)特征和破壞程度，對現(xiàn)有條件下爆炸反應(yīng)類型進行劃分：柔和爆炸、劇烈爆炸和猛烈爆炸，主要特征如表2所示。柔和爆炸由鋁液層夾裹的水分快速汽化膨脹形成，產(chǎn)物呈片狀且噴濺距離一般不超過5 m，對周圍影響較小，可歸于蒸汽爆炸范疇；劇烈爆炸的反應(yīng)程度較為強烈，壓力波動幅度較大，產(chǎn)物呈顆粒狀且飛濺距離通常可達10 m左右，反應(yīng)容器變形嚴重甚至開裂，發(fā)生概率超過80%。與柔和爆炸的主要區(qū)別是產(chǎn)物碎化率高，能量釋放速度快，但本質(zhì)上仍屬于蒸汽爆炸。猛烈爆炸特指包含化學反應(yīng)和物理效應(yīng)的爆炸反應(yīng)，伴有明顯亮光和強烈的沖擊波效應(yīng)，產(chǎn)物為白色氧化鋁粉末且飛濺距離超過15 m，對周圍環(huán)境破壞極為嚴重。猛烈爆炸由于涉及到高溫下鋁顆粒點火效應(yīng)，形成機制復雜，且發(fā)生概率低，本文暫不做深入討論。

表2 爆炸類型

2.2 沖擊波破壞效應(yīng)

爆炸反應(yīng)本質(zhì)上是一個能量瞬間釋放的過程。與單一流體汽化的體積膨脹相比，鋁液-水體系的膨脹速率要快得多，壓縮周圍空氣形成沖擊波，對周圍造成破壞。波陣面上超壓值與鋁液-水體系的爆炸能量有關(guān)。在其他條件相同的前提下，爆炸能量越大，沖擊波的強度越大，相應(yīng)的超壓值也越大。

由于目前缺乏完善的蒸汽爆炸破壞效應(yīng)的評估方法，為定量化描述鋁液-水體系的爆炸效應(yīng)，采用爆炸相似準則，即沖擊波超壓與爆炸中心至測點的距離以及爆炸中心的TNT當量的相互關(guān)系符合爆炸相似率[12-13]。

(1)

表3 熔融鋁液遇水爆炸能量評估

發(fā)生在平坦地面的炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓與比例距離之間的關(guān)系可由式(2)描述[14]，其中P0為環(huán)境壓力。根據(jù)爆炸中心的TNT當量值和式(2)，可近似估算爆炸沖擊波的傷害破壞范圍，結(jié)果如圖2所示。沖擊波的破壞傷害一般由超壓造成的，參照相應(yīng)的目標傷害破壞準則，認為本文實驗條件下距爆炸中心R≤Rd(≈1.3 m)范圍為危險區(qū)域，對人員傷害或設(shè)備破壞最為嚴重。

(2)

圖2 爆炸沖擊波破壞效應(yīng)

2.3 熱效應(yīng)

爆炸發(fā)生瞬間，鋁液-水體系的熱量一般以沖擊波、光和熱等能量形態(tài)釋放出去，其中放熱導致的熱效應(yīng)(高溫或熱輻射)同樣會對人員或設(shè)備造成損傷。熱效應(yīng)一般來自以下幾個方面[15-16]：(1)火球形成的熱輻射；(2)沖擊波絕熱壓縮引起空氣溫度快速上升；(3)爆炸產(chǎn)物的擴散作用。實驗中首次運用紅外熱成像儀記錄了爆炸反應(yīng)形成的溫度場，范圍包括反應(yīng)容器及上方的有限空間。當鋁液溫度為1 046 K、水溫為291 K、鋁液-水相對質(zhì)量比為3.81時，爆炸產(chǎn)生溫度變化如圖3所示。

爆炸反應(yīng)在容器上方約1 m處形成高溫云團，最高溫度約為520 K。相對于周圍環(huán)境，溫度場盡管存在明顯的突躍(反應(yīng)容器自身的溫度)，但總體低于水的過熱極限溫度，溫升幅度不大。根據(jù)沖擊波絕熱壓縮Hugoniot方程和氣體狀態(tài)方程[17]，可以近似估算爆炸場附近的溫度變化。當沖擊波超壓為0.1 MPa左右時，波陣面后氣體溫度升高至336 K。由于實驗中未觀察到火球現(xiàn)象，爆炸場的溫度變化除了沖擊波絕熱壓縮，產(chǎn)物與空氣的熱交換也作了部分貢獻。

圖3 爆炸場的溫度

2.4 產(chǎn)物形態(tài)

圖4為典型的爆炸場景及回收產(chǎn)物，容器內(nèi)殘留少量的凝固鋁液，大部分伴隨壓力波效應(yīng)以顆粒狀產(chǎn)物形態(tài)飛散至四周，其形態(tài)和粒徑與爆炸類型、能量轉(zhuǎn)化效率等因素相關(guān)[18]。

當鋁液-水質(zhì)量比較大時，以柔和爆炸為主，強度較弱，產(chǎn)物形態(tài)多為片狀，容器基本保持完整。當水量逐漸增大，爆炸機制以鋁液碎化放熱為主，強度明顯提高，以劇烈和猛烈爆炸為主，并伴隨較強的沖擊波，容器破壞嚴重，產(chǎn)物多為小粒徑白色顆粒。如圖5所示，不同類型的爆炸反應(yīng)，對應(yīng)不同粒徑的產(chǎn)物；反應(yīng)程度越劇烈，產(chǎn)物粒徑越小，既包括初始階段中水力和熱力碎化形成的顆粒，也包括后續(xù)階段中壓力波作用的碎化顆粒。

圖4 典型的爆炸產(chǎn)物

圖5 產(chǎn)物粒度

2.5 熱力學反應(yīng)機制探討

根據(jù)熱力學理論，物質(zhì)通常是以穩(wěn)定狀態(tài)存在，當物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，穩(wěn)定性也隨之發(fā)生變化[19-20]。圖6是汽-液兩相平衡狀態(tài)變化示意圖，實線為飽和液體P-V狀態(tài)線，abc線表示正常條件下飽和液體的汽化過程，最終在c點處于平衡。如果飽和液體內(nèi)部沒有核源，又無大的外加擾動，液體在到b點時不會發(fā)生汽化，繼續(xù)減壓到d點的狀態(tài)，仍以液態(tài)存在，此時d點的蒸汽壓已低于同溫度下的飽和蒸汽壓，液體處于過熱狀態(tài)[21]。雖然滿足(ΔP/ΔV)T<0的熱力學穩(wěn)定性條件，由于有更大熵值的狀態(tài)(氣相)存在，受熵增理論的制約使得bd線上的液體有自發(fā)轉(zhuǎn)變成氣相的趨勢。此時若有足夠的能量(較大擾動)克服新相生成的壁壘，將導致相變過程，形成爆炸。如果bd線上的狀態(tài)保持液態(tài)(過熱亞穩(wěn)態(tài))，將會一直持續(xù)到最低點e點，此時(ΔP/ΔV)T=0，該條件下液體將達到過熱極限，處于一種極不穩(wěn)定狀態(tài)，無論是否有核源或擾動，過熱流體將自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。該相變是一種急劇的過程，同時體積呈指數(shù)級增加。這樣的相變?nèi)舭l(fā)生在有限空間內(nèi)，會導致壓力瞬間急劇上升，從而引起蒸汽爆炸[22]。本實驗中鋁液下落后在反應(yīng)容器底面擴散，對部分水形成一種夾裹作用(圖7所示)。由于兩種流體的溫度差異很大，在快速的熱量傳遞下夾裹的水分很容易達到過熱狀態(tài)(常壓下水的過熱極限溫度為578～588 K)，過熱水在反應(yīng)容器內(nèi)急劇相變，并對周圍介質(zhì)做功，導致鋁液進一步碎化放熱，最終觸發(fā)整個混合體系形成爆炸。

圖6 水的汽-液兩相平衡狀態(tài)變化

圖7 容器底面觸發(fā)式爆炸

3 結(jié)語

(1)在實驗室條件下，熔融鋁液遇水自觸發(fā)爆炸按破壞程度可分為柔和爆炸、劇烈爆炸和猛烈爆炸，其中劇烈爆炸和柔和爆炸發(fā)生概率較高，對周圍破壞程度中等，本質(zhì)上屬于蒸汽爆炸范疇；猛烈爆炸的破壞程度最為嚴重，但發(fā)生概率較低。

(2)采用爆炸相似準則，定量化描述熔融鋁液遇水爆炸效應(yīng)，得到爆炸中心的TNT當量值，近似估算了爆炸沖擊波的破壞范圍，而爆炸反應(yīng)的熱效應(yīng)主要來自沖擊波絕熱壓縮和產(chǎn)物熱交換。

(3)在反應(yīng)容器有限空間內(nèi)，熔融鋁液與底面夾裹作用形成過熱狀態(tài)的水，可認為是目前條件下爆炸反應(yīng)觸發(fā)的根本原因。