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爆炸事故中破片伤害准则综述

2022-04-29王浩喆

安全、健康和环境 2022年4期
关键词:破片战斗力动能

王浩喆

(1.中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266104 (2.中石化国家石化项目风险评估技术中心有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

石化厂区中设备众多,在爆炸事故中受到冲击时产生的破片威胁不容忽视。设备受冲击产生的破片数量与容器类型以及破裂方式密切相关。前人[1-2]统计了143 宗爆炸破片抛射事故,得出卧罐与球罐事故数量最多,分别占70.6%与 7.0%。在事故形态方面,BLEVE引发的破片抛射占绝大多数[3]。

卧罐与球罐的破片数量通常由式(1)、式(2)计算[2,4]。

(1)

式中:Zp,1与Zp,2——为[0,1]区间内的2个独立随机数;

n卧——卧罐破片总数。

n球=-0.425+6.115×10-3V

(2)

式中:V——球罐体积,m3;

n球——球罐破片总数。

卧罐破片质量可由式(3)、式(4)计算。

mf=k×Mt

(3)

式中:mf——破片质量,kg;

Mt——储罐总质量,kg;

k——服从Beta分布的因子。

(4)

式中:Γ()——Gamma 函数,a=0.412,b=1.393;当k∈[0,1]时,1[0,1](k) =1,否则取0。

可见,化工爆炸事故中产生的破片数量—质量分布跨度较大,目前破片杀伤机制与杀伤准则研究主要集中于军工领域,在当前多米诺效应等连锁事故受到空前重视,而工业爆炸破片风险研究不足的大背景下,军工相关研究成果对于工业爆炸防护研究具有重要的借鉴意义。本文从破片对人体杀伤机制以及破片伤害准则两个方面开展综述。

1 破片杀伤机制

破片命中人体后急剧减速,自身动能向人体组织传递造成损伤,前人对该过程开展了大量研究,认为主要的杀伤机制可分为4种。

1.1 破片的直接损伤作用

破片击中机体组织后,会对机体组织产生直接的挤压、切割、撕裂、穿透等破坏作用。破片直接损伤作用大小取决于以下物理参数[6]:①破片的动能,破片能量与其致伤力呈正相关,对于常规小破片而言,当破片入射人体时,动能向人体组织的传递率与破片速度的3次方成正比,与破片在体内的运动时间成反比[7]。对大质量超高速破片而言,致伤能力与破片质量的关系最密切[8],当破片的速度大于2 000 m/s后,速度的变化对损伤程度的影响很小,而破片的质量则对损伤程度起着重要的作用[9]。②破片的形状主要影响伤道的形态、损伤范围以及组织吸收能量的多少。一般来说,球形、柱状破片在空气与组织中减速较慢,而三角形、方形等规则破片在机体中的速度衰减快,传递的能量多。另外,不规则破片在组织中容易失稳发生偏斜,摇摆和翻滚,更容易造成更严重的损伤[10]。③破片击中机体部位的特性和解剖结构,组织的密度越大,受伤部位的厚度越大,伤道越长,损伤就越严重。

1.2 高速破片压力波的致伤作用

高速破片击中组织后,除切割作用外,一部分能量以压力波的形式传递给组织。高速破片击中组织后可产生2种压力波:一种是冲击波,它运行于破片之前,扫掠后可产生局部高压,峰值可达到数十个大气压,但持续时间较短。另一种是运行于高速破片后,又称瞬时空腔压,大于数个大气压,压迫组织向四周运动造成损伤[11-14]。

1.3 瞬时空腔效应

高速破片入射人体后,在破片后形成数倍于其直径、持续数毫秒、搏动数次的瞬时空腔,在空腔形成的过程中牵拉和撕裂组织而致伤。一般来说,破片的速度越高,组织的密度越大,伤道越长,破片在组织中的稳定性越差,瞬时空腔效应造成的组织损伤就越大。

1.4 远达效应

远达效应是指发生在原发弹道外远隔脏器的损伤,其对机体损伤是在击中瞬间或伤后极短时间内发生。远达效应的概念自20世纪30年代Calender首次提出以来,先后被国内外的学者研究所证实并认为其发生机制是在机体局部致伤瞬间形成的空腔效应引起机体循环系统产生急剧变化的压力脉冲波,扰动波能量主要在3级血管释放,从而引起终末小血管出血[14-16]。

2 破片伤害准则

基于上述定性与定量研究成果,前人制定了几类破片伤害准则,用于在工程应用层面描述的对人员造成伤害时破片(金属、建筑材料等)参数的临界值,在风险定量评价、防护结构设计以及军事工业等领域均有广泛的应用。

目前常见的伤害准则主要有4类:动能准则、比动能标准、质量准则、条件准则,实际评估时可视情况选用其中一种或若干种作为石化危险破片的评判准则。

2.1 动能准则

由于破片的伤害作用主要靠撞击与击穿体现,而撞击又与动能直接相关,Bircher于1899年率先提出了以动能作为伤害准则[17],见式(5)。

E=0.5mv2

(5)

式中:E——破片动能,J;

m——破片质量,kg;

v——破片终点速度,m/s。

该准则推出后受到了广泛的认可,例如法国对人员伤害准则为39 J,德国为78 J,美军标STD—2105C规定人员伤害效率准则为79 J[18]。

使用动能准则时,当破片动能大于等于准则值(例如78 J),即认为该破片与人体接触后会导致伤害(死亡)[17]。因此在动能准则下人员的伤害概率P(I/H)服从1-0分布,见式(6)。

(6)

式中:P(I/H)——人员被破片命中时的伤害概率;

E——动能,J。

动能准则对于较重且形状相对规则的破片适用度较高,且具有简单易用,测试方便等优点[19]。前人通过大量实验得出了破片在不同动能下的伤害效果,汇总如表1所示。

表1 破片毁伤动能准则 J

由表中可以看出,认可较为广泛的人员伤害动能存在78.5 J与98 J两种说法,这可能是由于不同破片的质量与形状差异导致的[20],两种取值均有较为广泛的应用,例如:王树山[17]在《终点效应学》中提到,以动能为准则时,一般认为人员伤害动能为78.4 J。王林[21]等人通过靶场静爆试验研究了某型带壳爆炸物的伤害半径,认为人员伤害动能为98 J。王树山,韩旭光[22]等人同样在研究金属壳体爆炸物破片场时,认为破片对人的致死动能为78~98 J,或以是否能穿透25 mm松木靶判定。

在此基础上前人还开展了很多机制研究,例如:Fackler ML[23]等对动物活体靶开展金属破片冲击试验,并对其击伤情况进行了研究。认为击穿生物体时造成的瞬时空腔是重要的伤害效应,而对于一定的伤害元,该空腔效应与动能呈现正相关关系。

Owen smith[24]等人对超高速破片(2 350~4 000 m/s)的伤害效能进行了研究,利用初速3 000 m/s的钢球射击生物活体靶,认为超高速破片对生物的伤害机理主要是贯穿时伤道侧壁受到的高压,该压力的首要影响因素为破片动能,在破片动能相等情况下,破片质量越大,伤道侧壁所受压力越大。

Bouget D,Baillargeon Y[25]等人为评估某型军用爆炸物的伤害威力,开展了静爆研究,依据动能准则利用25 mm松木靶、6 mm钢靶以及12 mm钢靶,分别模拟人员、军用车辆以及轻装甲目标,得出了破片对于以上目标不同的毁伤范围。赵振荣[26]等人利用胶皮-有机玻璃-肥皂3层靶板等效人体胸部结构,给出了破片对有防护人体的伤害动能。

在标准方面,目前我国很多军工标准也采用了动能准则,例如:GJB6907—2009《小型伤害榴弹威力评价方法》,GJB349.3—1987《常规兵器定型试验方法 延期爆炸伤害手榴弹》以及GJB3197—1998《炮弹试验方法》中均规定,对人员的伤害致死以是否穿透25 mm厚松木靶为判据,其中对松木的要求为无瘢痕、无大面积腐蚀、两面抛光。一般认为,穿透该松木靶可等效为动能超过78 J(也有观点认为是98 J)。

GJB349.1—1987《常规兵器定型试验方法 枪弹》,GJB4388—2002《普通枪弹定型试验规程》中还规定侵彻测试时,在钢制靶板后,也同样使用78 J-25 mm厚松木靶作为击穿钢板后伤害效能的评估靶板。

2.2 比动能准则

在实际应用中,由于工业爆炸事故中破片来源众多,材质各异,相应的破片形状与大小区别很大。人们发现具有相同动能、不同形状的破片对人员的损伤是不一样的。这是由于破片与目标遭遇时的面积是不同的,相同动能下,显然较小的遭遇面积更有利于穿透。而且破片在飞行过程中往往伴随翻滚与自转,实际上同一破片遭遇目标时的面积也并不固定。因此提出了比动能准则,见式(7)。

(7)

式中:e——破片比动能,J/cm2;

E——破片动能,J;

s——破片与目标接触面积,cm2。

对于翻滚破片,s通常取其迎风面积的期望值。比动能准则与动能准则一样,服从1-0分布。

Z. Sapperazza等人最早提出了该准则[27],在研究不同尺寸破片对皮肤的穿透效应时,发现穿透皮肤所需的最小着速为50 m/s,侵彻肌体2~3 cm时所需着速为70 m/s,并提出了穿透皮肤所需的比动能公式(8)。

(8)

式中:et——比动能,J/cm2;

m——破片质量,kg;

Vt——破片命中速度,m/s;

A——破片迎风面积,m2,对于不规则建筑破片等,可取为破片表面积的1/4。

随后人们对比动能的准则与动能准则开展了一系列对比研究:Berlin R等[27]人利用质量相同而形状不同的破片撞击肥皂靶(密度与含水量类似于肌肉组织),发现近似球形破片与形状不规则的破片相比,在撞击速度同为1 100 m/s,贯穿50 mm的肥皂靶时,球形破片的传递能量为碰撞动能的69%,而不规则破片传递能量为碰撞动能的85%~89%。

刘茵秋[28]等人利用不同形状破片分别射击25 mm松木靶与狗胸部,结果表明,不同质量、不同形状的破片贯穿狗胸腔与松木板的动能不同,但比动能大致相同。

王树山[17]在《终点效应学》中指出,在惯常使用的比准则中,e=160 J/cm2为人员伤害准则,擦破皮肤的比动能e=9.8 J/cm2。王林[21]等人在评估金属壳体爆炸物风险范围时,分别采用动能(78 J)、比动能(160 J/cm2)两种准则计算了该爆炸物的最大伤害半径以及破片临界伤害速度,发现动能准则下的最大伤害半径比比动能准则半径大了约13%,而比动能准则的临界速度则比动能准则大了约31.5%。

张正飞[29]等人利用18.4 mm口径发射器分别发射豆袋弹与软体变形弹,发射时动能与比动能均远低于致死准则,但在近距离生物试验中却出现了致命效果,因此认为对于易于形变的弹丸,使用比动能准则需加入动量项修正。

标准方面,使用比动能准则的多为易于大变形或大尺寸低速破片。

GJBZ20263—1995《防爆动能弹威力标准》,GJB3287—1998《防爆弹药定型试验规程》中规定防爆弹药进行威力测试时,使用的等效靶也为25 mm松木靶,但考核指标为侵彻深度、空腔半径,以及空腔容积,与动能准则下仅考量是否穿透有所不同。

GJB573A—1998《引信环境与性能试验方法》,美MLL-STD-331A以及MLL-STD-331B中均规定,对人眼造成伤害的破片可等效为击穿9.07 kg胶合纸,折合比动能为78.6 J/cm2。

2.3 质量准则

为了直观表述大尺寸破片(例如建筑破片或储罐破片)的伤害效果,早期采用过破片质量作为伤害准则[17],一般认为在低爆速凝聚相爆源条件下,外部壳体破碎形成的自然破片初速往往在800~1 000 m/s之间,这时伤害人员的破片质量一般取1 g,随着破片速度的增加,也有取0.5 g甚至0.2 g的,本质上说,质量准则是动能准则的延伸。

质量准则有时会作为其他伤害准则的补充出现,例如GJB3197—1998《炮弹试验方法》中除规定破片动能需达到78 J(穿透25 mm松木靶)之外,还规定了大于1 g的破片为有效破片,大于4 g的破片为伤害破片。

2.4 条件准则

该类准则通常认为人体是由不同系统组成的,各系统由功能相关的器官组成,并共同完成连续的生理过程。GJB160—1991《钢制球形破片对人员伤害判据》中认为,人体任何一部分受到损伤,都将或多或少的影响人员的战斗技术动作。所谓“伤害”用现代观点是指作战人员在规定的时间内失去执行规定战斗任务的能力,即丧失战斗力。因此,人员丧失战斗力与两个因素有关:人员所担负的战斗任务和人员的丧失战斗能力时间。人员在战场上必须具备思维、能观察、能交换信息、能自主运动诸项能力,这些是执行战斗任务的基本必要条件。丧失战斗力时间是根据不同的战斗任务,人员受到伤害因素作用的瞬时起至开始丧失战斗力为止的时间。例如,美军丧失战斗力时间分为防御30 s,进攻30 s,进攻5 min,补给1/2 d等。以条件伤害概率为准则的伤害判据,实际上是表征执行不同战斗任务的人员在规定的丧失战斗力的时间内,被特定(质量、形状、速度)破片命中后,丧失战斗力的程度。

条件准则中最为常用的是美军的A-S标准以及我国的一系列小质量破片伤害标准。

1956年,美国的F.Allen与J.Sperrazza综合考虑人体由负伤到丧失战斗力时间、人员在战场上承担的具体战斗任务,以创伤弹道学的研究成果提出了著名的A-S 准则[17]。研究发现韦伯分布正适用于某一局部失效而引起的全部功能停止的现象。综合大量试验结果,F.Allen与J.Sperrazza 提出,任何系统的弹体其创伤严重程度是mvβ的函数,并符合韦伯分布,见式(9)。

(9)

m——破片质量,kg;

v——破片速度,m/s。

美军报告AD-A956255.1969随后又根据破片质量的不同,对A-S标准进行了一定补充,给出了人员要害部位受到严重损伤的v(m)曲线,见式(10)-(12)。

v=75.2875/m0.2456687(m≤13.61 g)

(10)

v=135.3062/m0.4704199(13.61 g

(11)

v=3.048 (m>3 175 g)

(12)

式中:m——破片质量,kg;

v——破片速度,m/s。

与A-S标准类似的我军标准为GJB160—1991《钢制球形破片对人员伤害判据》,GJB2936—1997《钢制自然破片对人员伤害判据》,GJBZ20450—1997《小质量钢制破片对人员伤害判据》。在这些标准中,根据人体各大解剖部位及其维战成份的受弹面积、战场上多变的隐蔽条件所带来的人体暴露部位的非均匀性、人员的战斗动作、破片着靶部位及方向、丧失战斗力时间及破片的质量和速度等,以进攻和防御两种战术任务为基础,建立了人员被伤害的计算模型,见式(13)、(14)。通过计算机模拟,统计分析出了适合我军特点的伤害判据。

(13)

(14)

式中:K、β、a、b、c——根据作战任务及时间确定的量。

例如:小质量球形破片进攻5 min丧失战斗力的取值为K=0.981、β=3.909 983、a=3.684 176×10-5、b=8.335 509×106、c=0.420 009 1。

小质量球形破片防御30 s丧失战斗力的取值为K=0.65、β=3.909 983、a=1.761 329×10-4、b=8.335 509×106、c=0.356 972 8。

小质量钢制平行六边形破片进攻5 min丧失战斗力的取值为K=0.891、β=4.811 366、a=3.603 47×10-5、b=6.328 893×108、c=0.326 443。

小质量球形破片防御30 s丧失战斗力的取值为K=0.65、β=4.811 366、a=5.514 529×10-5、b=6.328 893×108、c=0.313 765 6。

3 结论

破片伤害机制与杀伤准则的研究成果已广泛运用于爆炸防护与军事毁伤领域,经过多年发展,上述4类伤害准则及相关参数取值均已较为成熟。其中条件准则可以最全面的反应破片破坏效能,在石化领域应用时需要试验确定的条件与参数较多,研究难度相对较大;比动能准则较为适用于高速、小尺寸、形状较为规则且以击穿伤害为主的金属破片。

值得注意的是,石化领域爆炸事故中爆源的爆速与爆压通常较低,所产生破片通常具有大质量、低速度与非规则等特征,在杀伤机制方面,基于前人成果,宜着力补充大质量撞击对人体杀伤机制与阈值研究;在杀伤准则方面,可考虑依托动能与质量准则开展危险破片判据研究,为破片风险定量评估与防护提供技术基础。

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