王浩喆

(1.中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104 (2.中石化國家石化項目風(fēng)險評估技術(shù)中心有限公司，山東青島 266104)

0 前言

石化廠區(qū)中設(shè)備眾多，在爆炸事故中受到?jīng)_擊時產(chǎn)生的破片威脅不容忽視。設(shè)備受沖擊產(chǎn)生的破片數(shù)量與容器類型以及破裂方式密切相關(guān)。前人[1-2]統(tǒng)計了143 宗爆炸破片拋射事故，得出臥罐與球罐事故數(shù)量最多，分別占70.6%與 7.0%。在事故形態(tài)方面，BLEVE引發(fā)的破片拋射占絕大多數(shù)[3]。

臥罐與球罐的破片數(shù)量通常由式(1)、式(2)計算[2,4]。

(1)

式中：Zp,1與Zp,2——為[0,1]區(qū)間內(nèi)的2個獨立隨機數(shù)；

n臥——臥罐破片總數(shù)。

n球=-0.425+6.115×10-3V

(2)

式中：V——球罐體積，m3；

n球——球罐破片總數(shù)。

臥罐破片質(zhì)量可由式(3)、式(4)計算。

mf=k×Mt

(3)

式中：mf——破片質(zhì)量，kg；

Mt——儲罐總質(zhì)量，kg；

k——服從Beta分布的因子。

(4)

式中：Γ()——Gamma 函數(shù),a=0.412,b=1.393；當(dāng)k∈[0,1]時，1[0,1](k) =1，否則取0。

可見，化工爆炸事故中產(chǎn)生的破片數(shù)量—質(zhì)量分布跨度較大，目前破片殺傷機制與殺傷準(zhǔn)則研究主要集中于軍工領(lǐng)域，在當(dāng)前多米諾效應(yīng)等連鎖事故受到空前重視，而工業(yè)爆炸破片風(fēng)險研究不足的大背景下，軍工相關(guān)研究成果對于工業(yè)爆炸防護研究具有重要的借鑒意義。本文從破片對人體殺傷機制以及破片傷害準(zhǔn)則兩個方面開展綜述。

1 破片殺傷機制

破片命中人體后急劇減速，自身動能向人體組織傳遞造成損傷，前人對該過程開展了大量研究，認(rèn)為主要的殺傷機制可分為4種。

1.1 破片的直接損傷作用

破片擊中機體組織后，會對機體組織產(chǎn)生直接的擠壓、切割、撕裂、穿透等破壞作用。破片直接損傷作用大小取決于以下物理參數(shù)[6]：①破片的動能，破片能量與其致傷力呈正相關(guān)，對于常規(guī)小破片而言，當(dāng)破片入射人體時，動能向人體組織的傳遞率與破片速度的3次方成正比，與破片在體內(nèi)的運動時間成反比[7]。對大質(zhì)量超高速破片而言，致傷能力與破片質(zhì)量的關(guān)系最密切[8]，當(dāng)破片的速度大于2 000 m/s后，速度的變化對損傷程度的影響很小，而破片的質(zhì)量則對損傷程度起著重要的作用[9]。②破片的形狀主要影響傷道的形態(tài)、損傷范圍以及組織吸收能量的多少。一般來說，球形、柱狀破片在空氣與組織中減速較慢，而三角形、方形等規(guī)則破片在機體中的速度衰減快，傳遞的能量多。另外，不規(guī)則破片在組織中容易失穩(wěn)發(fā)生偏斜，搖擺和翻滾，更容易造成更嚴(yán)重的損傷[10]。③破片擊中機體部位的特性和解剖結(jié)構(gòu)，組織的密度越大，受傷部位的厚度越大，傷道越長，損傷就越嚴(yán)重。

1.2 高速破片壓力波的致傷作用

高速破片擊中組織后，除切割作用外，一部分能量以壓力波的形式傳遞給組織。高速破片擊中組織后可產(chǎn)生2種壓力波：一種是沖擊波，它運行于破片之前，掃掠后可產(chǎn)生局部高壓，峰值可達(dá)到數(shù)十個大氣壓，但持續(xù)時間較短。另一種是運行于高速破片后，又稱瞬時空腔壓，大于數(shù)個大氣壓，壓迫組織向四周運動造成損傷[11-14]。

1.3 瞬時空腔效應(yīng)

高速破片入射人體后，在破片后形成數(shù)倍于其直徑、持續(xù)數(shù)毫秒、搏動數(shù)次的瞬時空腔，在空腔形成的過程中牽拉和撕裂組織而致傷。一般來說，破片的速度越高，組織的密度越大，傷道越長，破片在組織中的穩(wěn)定性越差，瞬時空腔效應(yīng)造成的組織損傷就越大。

1.4 遠(yuǎn)達(dá)效應(yīng)

遠(yuǎn)達(dá)效應(yīng)是指發(fā)生在原發(fā)彈道外遠(yuǎn)隔臟器的損傷，其對機體損傷是在擊中瞬間或傷后極短時間內(nèi)發(fā)生。遠(yuǎn)達(dá)效應(yīng)的概念自20世紀(jì)30年代Calender首次提出以來,先后被國內(nèi)外的學(xué)者研究所證實并認(rèn)為其發(fā)生機制是在機體局部致傷瞬間形成的空腔效應(yīng)引起機體循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生急劇變化的壓力脈沖波，擾動波能量主要在3級血管釋放，從而引起終末小血管出血[14-16]。

2 破片傷害準(zhǔn)則

基于上述定性與定量研究成果，前人制定了幾類破片傷害準(zhǔn)則，用于在工程應(yīng)用層面描述的對人員造成傷害時破片(金屬、建筑材料等)參數(shù)的臨界值，在風(fēng)險定量評價、防護結(jié)構(gòu)設(shè)計以及軍事工業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

目前常見的傷害準(zhǔn)則主要有4類：動能準(zhǔn)則、比動能標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量準(zhǔn)則、條件準(zhǔn)則，實際評估時可視情況選用其中一種或若干種作為石化危險破片的評判準(zhǔn)則。

2.1 動能準(zhǔn)則

由于破片的傷害作用主要靠撞擊與擊穿體現(xiàn)，而撞擊又與動能直接相關(guān)，Bircher于1899年率先提出了以動能作為傷害準(zhǔn)則[17]，見式(5)。

E=0.5mv2

(5)

式中：E——破片動能，J;

m——破片質(zhì)量，kg;

v——破片終點速度，m/s。

該準(zhǔn)則推出后受到了廣泛的認(rèn)可，例如法國對人員傷害準(zhǔn)則為39 J，德國為78 J，美軍標(biāo)STD—2105C規(guī)定人員傷害效率準(zhǔn)則為79 J[18]。

使用動能準(zhǔn)則時，當(dāng)破片動能大于等于準(zhǔn)則值(例如78 J)，即認(rèn)為該破片與人體接觸后會導(dǎo)致傷害(死亡)[17]。因此在動能準(zhǔn)則下人員的傷害概率P(I/H)服從1-0分布，見式(6)。

(6)

式中：P(I/H)——人員被破片命中時的傷害概率；

E——動能，J。

動能準(zhǔn)則對于較重且形狀相對規(guī)則的破片適用度較高，且具有簡單易用，測試方便等優(yōu)點[19]。前人通過大量實驗得出了破片在不同動能下的傷害效果，匯總?cè)绫?所示。

表1 破片毀傷動能準(zhǔn)則 J

由表中可以看出，認(rèn)可較為廣泛的人員傷害動能存在78.5 J與98 J兩種說法，這可能是由于不同破片的質(zhì)量與形狀差異導(dǎo)致的[20]，兩種取值均有較為廣泛的應(yīng)用，例如：王樹山[17]在《終點效應(yīng)學(xué)》中提到，以動能為準(zhǔn)則時，一般認(rèn)為人員傷害動能為78.4 J。王林[21]等人通過靶場靜爆試驗研究了某型帶殼爆炸物的傷害半徑，認(rèn)為人員傷害動能為98 J。王樹山，韓旭光[22]等人同樣在研究金屬殼體爆炸物破片場時，認(rèn)為破片對人的致死動能為78～98 J，或以是否能穿透25 mm松木靶判定。

在此基礎(chǔ)上前人還開展了很多機制研究，例如：Fackler ML[23]等對動物活體靶開展金屬破片沖擊試驗，并對其擊傷情況進行了研究。認(rèn)為擊穿生物體時造成的瞬時空腔是重要的傷害效應(yīng)，而對于一定的傷害元，該空腔效應(yīng)與動能呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

Owen smith[24]等人對超高速破片(2 350～4 000 m/s)的傷害效能進行了研究，利用初速3 000 m/s的鋼球射擊生物活體靶，認(rèn)為超高速破片對生物的傷害機理主要是貫穿時傷道側(cè)壁受到的高壓，該壓力的首要影響因素為破片動能，在破片動能相等情況下，破片質(zhì)量越大，傷道側(cè)壁所受壓力越大。

Bouget D，Baillargeon Y[25]等人為評估某型軍用爆炸物的傷害威力，開展了靜爆研究，依據(jù)動能準(zhǔn)則利用25 mm松木靶、6 mm鋼靶以及12 mm鋼靶，分別模擬人員、軍用車輛以及輕裝甲目標(biāo)，得出了破片對于以上目標(biāo)不同的毀傷范圍。趙振榮[26]等人利用膠皮-有機玻璃-肥皂3層靶板等效人體胸部結(jié)構(gòu)，給出了破片對有防護人體的傷害動能。

在標(biāo)準(zhǔn)方面，目前我國很多軍工標(biāo)準(zhǔn)也采用了動能準(zhǔn)則，例如：GJB6907—2009《小型傷害榴彈威力評價方法》，GJB349.3—1987《常規(guī)兵器定型試驗方法 延期爆炸傷害手榴彈》以及GJB3197—1998《炮彈試驗方法》中均規(guī)定，對人員的傷害致死以是否穿透25 mm厚松木靶為判據(jù)，其中對松木的要求為無瘢痕、無大面積腐蝕、兩面拋光。一般認(rèn)為，穿透該松木靶可等效為動能超過78 J(也有觀點認(rèn)為是98 J)。

GJB349.1—1987《常規(guī)兵器定型試驗方法 槍彈》，GJB4388—2002《普通槍彈定型試驗規(guī)程》中還規(guī)定侵徹測試時，在鋼制靶板后，也同樣使用78 J-25 mm厚松木靶作為擊穿鋼板后傷害效能的評估靶板。

2.2 比動能準(zhǔn)則

在實際應(yīng)用中，由于工業(yè)爆炸事故中破片來源眾多，材質(zhì)各異，相應(yīng)的破片形狀與大小區(qū)別很大。人們發(fā)現(xiàn)具有相同動能、不同形狀的破片對人員的損傷是不一樣的。這是由于破片與目標(biāo)遭遇時的面積是不同的，相同動能下，顯然較小的遭遇面積更有利于穿透。而且破片在飛行過程中往往伴隨翻滾與自轉(zhuǎn)，實際上同一破片遭遇目標(biāo)時的面積也并不固定。因此提出了比動能準(zhǔn)則，見式(7)。

(7)

式中：e——破片比動能，J/cm2；

E——破片動能，J；

s——破片與目標(biāo)接觸面積，cm2。

對于翻滾破片，s通常取其迎風(fēng)面積的期望值。比動能準(zhǔn)則與動能準(zhǔn)則一樣，服從1-0分布。

Z. Sapperazza等人最早提出了該準(zhǔn)則[27]，在研究不同尺寸破片對皮膚的穿透效應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)穿透皮膚所需的最小著速為50 m/s，侵徹肌體2～3 cm時所需著速為70 m/s，并提出了穿透皮膚所需的比動能公式(8)。

(8)

式中：et——比動能，J/cm2；

m——破片質(zhì)量，kg；

Vt——破片命中速度，m/s；

A——破片迎風(fēng)面積，m2，對于不規(guī)則建筑破片等，可取為破片表面積的1/4。

隨后人們對比動能的準(zhǔn)則與動能準(zhǔn)則開展了一系列對比研究：Berlin R等[27]人利用質(zhì)量相同而形狀不同的破片撞擊肥皂靶(密度與含水量類似于肌肉組織)，發(fā)現(xiàn)近似球形破片與形狀不規(guī)則的破片相比，在撞擊速度同為1 100 m/s，貫穿50 mm的肥皂靶時，球形破片的傳遞能量為碰撞動能的69%，而不規(guī)則破片傳遞能量為碰撞動能的85%～89%。

劉茵秋[28]等人利用不同形狀破片分別射擊25 mm松木靶與狗胸部，結(jié)果表明，不同質(zhì)量、不同形狀的破片貫穿狗胸腔與松木板的動能不同，但比動能大致相同。

王樹山[17]在《終點效應(yīng)學(xué)》中指出，在慣常使用的比準(zhǔn)則中，e=160 J/cm2為人員傷害準(zhǔn)則，擦破皮膚的比動能e=9.8 J/cm2。王林[21]等人在評估金屬殼體爆炸物風(fēng)險范圍時，分別采用動能(78 J)、比動能(160 J/cm2)兩種準(zhǔn)則計算了該爆炸物的最大傷害半徑以及破片臨界傷害速度，發(fā)現(xiàn)動能準(zhǔn)則下的最大傷害半徑比比動能準(zhǔn)則半徑大了約13%，而比動能準(zhǔn)則的臨界速度則比動能準(zhǔn)則大了約31.5%。

張正飛[29]等人利用18.4 mm口徑發(fā)射器分別發(fā)射豆袋彈與軟體變形彈，發(fā)射時動能與比動能均遠(yuǎn)低于致死準(zhǔn)則，但在近距離生物試驗中卻出現(xiàn)了致命效果，因此認(rèn)為對于易于形變的彈丸，使用比動能準(zhǔn)則需加入動量項修正。

標(biāo)準(zhǔn)方面，使用比動能準(zhǔn)則的多為易于大變形或大尺寸低速破片。

GJBZ20263—1995《防爆動能彈威力標(biāo)準(zhǔn)》，GJB3287—1998《防爆彈藥定型試驗規(guī)程》中規(guī)定防爆彈藥進行威力測試時，使用的等效靶也為25 mm松木靶，但考核指標(biāo)為侵徹深度、空腔半徑，以及空腔容積，與動能準(zhǔn)則下僅考量是否穿透有所不同。

GJB573A—1998《引信環(huán)境與性能試驗方法》，美MLL-STD-331A以及MLL-STD-331B中均規(guī)定，對人眼造成傷害的破片可等效為擊穿9.07 kg膠合紙，折合比動能為78.6 J/cm2。

2.3 質(zhì)量準(zhǔn)則

為了直觀表述大尺寸破片(例如建筑破片或儲罐破片)的傷害效果，早期采用過破片質(zhì)量作為傷害準(zhǔn)則[17]，一般認(rèn)為在低爆速凝聚相爆源條件下，外部殼體破碎形成的自然破片初速往往在800～1 000 m/s之間，這時傷害人員的破片質(zhì)量一般取1 g，隨著破片速度的增加，也有取0.5 g甚至0.2 g的，本質(zhì)上說，質(zhì)量準(zhǔn)則是動能準(zhǔn)則的延伸。

質(zhì)量準(zhǔn)則有時會作為其他傷害準(zhǔn)則的補充出現(xiàn)，例如GJB3197—1998《炮彈試驗方法》中除規(guī)定破片動能需達(dá)到78 J(穿透25 mm松木靶)之外，還規(guī)定了大于1 g的破片為有效破片，大于4 g的破片為傷害破片。

2.4 條件準(zhǔn)則

該類準(zhǔn)則通常認(rèn)為人體是由不同系統(tǒng)組成的，各系統(tǒng)由功能相關(guān)的器官組成，并共同完成連續(xù)的生理過程。GJB160—1991《鋼制球形破片對人員傷害判據(jù)》中認(rèn)為，人體任何一部分受到損傷，都將或多或少的影響人員的戰(zhàn)斗技術(shù)動作。所謂“傷害”用現(xiàn)代觀點是指作戰(zhàn)人員在規(guī)定的時間內(nèi)失去執(zhí)行規(guī)定戰(zhàn)斗任務(wù)的能力，即喪失戰(zhàn)斗力。因此，人員喪失戰(zhàn)斗力與兩個因素有關(guān)：人員所擔(dān)負(fù)的戰(zhàn)斗任務(wù)和人員的喪失戰(zhàn)斗能力時間。人員在戰(zhàn)場上必須具備思維、能觀察、能交換信息、能自主運動諸項能力，這些是執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的基本必要條件。喪失戰(zhàn)斗力時間是根據(jù)不同的戰(zhàn)斗任務(wù)，人員受到傷害因素作用的瞬時起至開始喪失戰(zhàn)斗力為止的時間。例如，美軍喪失戰(zhàn)斗力時間分為防御30 s，進攻30 s，進攻5 min，補給1/2 d等。以條件傷害概率為準(zhǔn)則的傷害判據(jù)，實際上是表征執(zhí)行不同戰(zhàn)斗任務(wù)的人員在規(guī)定的喪失戰(zhàn)斗力的時間內(nèi)，被特定(質(zhì)量、形狀、速度)破片命中后，喪失戰(zhàn)斗力的程度。

條件準(zhǔn)則中最為常用的是美軍的A-S標(biāo)準(zhǔn)以及我國的一系列小質(zhì)量破片傷害標(biāo)準(zhǔn)。

1956年，美國的F.Allen與J.Sperrazza綜合考慮人體由負(fù)傷到喪失戰(zhàn)斗力時間、人員在戰(zhàn)場上承擔(dān)的具體戰(zhàn)斗任務(wù)，以創(chuàng)傷彈道學(xué)的研究成果提出了著名的A-S 準(zhǔn)則[17]。研究發(fā)現(xiàn)韋伯分布正適用于某一局部失效而引起的全部功能停止的現(xiàn)象。綜合大量試驗結(jié)果，F(xiàn).Allen與J.Sperrazza 提出，任何系統(tǒng)的彈體其創(chuàng)傷嚴(yán)重程度是mvβ的函數(shù)，并符合韋伯分布，見式(9)。

(9)

m——破片質(zhì)量，kg；

v——破片速度，m/s。

美軍報告AD-A956255.1969隨后又根據(jù)破片質(zhì)量的不同，對A-S標(biāo)準(zhǔn)進行了一定補充，給出了人員要害部位受到嚴(yán)重?fù)p傷的v(m)曲線，見式(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——破片質(zhì)量，kg；

v——破片速度，m/s。

與A-S標(biāo)準(zhǔn)類似的我軍標(biāo)準(zhǔn)為GJB160—1991《鋼制球形破片對人員傷害判據(jù)》,GJB2936—1997《鋼制自然破片對人員傷害判據(jù)》,GJBZ20450—1997《小質(zhì)量鋼制破片對人員傷害判據(jù)》。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)人體各大解剖部位及其維戰(zhàn)成份的受彈面積、戰(zhàn)場上多變的隱蔽條件所帶來的人體暴露部位的非均勻性、人員的戰(zhàn)斗動作、破片著靶部位及方向、喪失戰(zhàn)斗力時間及破片的質(zhì)量和速度等，以進攻和防御兩種戰(zhàn)術(shù)任務(wù)為基礎(chǔ)，建立了人員被傷害的計算模型，見式(13)、(14)。通過計算機模擬，統(tǒng)計分析出了適合我軍特點的傷害判據(jù)。

(13)

(14)

式中：K、β、a、b、c——根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)及時間確定的量。

例如：小質(zhì)量球形破片進攻5 min喪失戰(zhàn)斗力的取值為K=0.981、β=3.909 983、a=3.684 176×10-5、b=8.335 509×106、c=0.420 009 1。

小質(zhì)量球形破片防御30 s喪失戰(zhàn)斗力的取值為K=0.65、β=3.909 983、a=1.761 329×10-4、b=8.335 509×106、c=0.356 972 8。

小質(zhì)量鋼制平行六邊形破片進攻5 min喪失戰(zhàn)斗力的取值為K=0.891、β=4.811 366、a=3.603 47×10-5、b=6.328 893×108、c=0.326 443。

小質(zhì)量球形破片防御30 s喪失戰(zhàn)斗力的取值為K=0.65、β=4.811 366、a=5.514 529×10-5、b=6.328 893×108、c=0.313 765 6。

3 結(jié)論

破片傷害機制與殺傷準(zhǔn)則的研究成果已廣泛運用于爆炸防護與軍事毀傷領(lǐng)域，經(jīng)過多年發(fā)展，上述4類傷害準(zhǔn)則及相關(guān)參數(shù)取值均已較為成熟。其中條件準(zhǔn)則可以最全面的反應(yīng)破片破壞效能，在石化領(lǐng)域應(yīng)用時需要試驗確定的條件與參數(shù)較多，研究難度相對較大；比動能準(zhǔn)則較為適用于高速、小尺寸、形狀較為規(guī)則且以擊穿傷害為主的金屬破片。

值得注意的是，石化領(lǐng)域爆炸事故中爆源的爆速與爆壓通常較低，所產(chǎn)生破片通常具有大質(zhì)量、低速度與非規(guī)則等特征，在殺傷機制方面，基于前人成果，宜著力補充大質(zhì)量撞擊對人體殺傷機制與閾值研究；在殺傷準(zhǔn)則方面，可考慮依托動能與質(zhì)量準(zhǔn)則開展危險破片判據(jù)研究，為破片風(fēng)險定量評估與防護提供技術(shù)基礎(chǔ)。