《速看！TNT当量模型如何揭开高压氢气和天然气瓶爆炸的安全风险面纱》
高压氢气和天然气瓶爆炸的TNT当量分析
研究背景与目的：氢气因特殊物理和化学性质存在特殊危险性，在作为能源载体应用于汽车时，由于缺乏足够的事故统计数据，无法从经验得出氢燃料汽车的安全结论，目前只能基于氢气特性预测其安全性。本研究旨在通过 TNT 当量法分析高压氢气和天然气瓶爆炸，评估氢气系统安全性，找出风险弱点并提出改进建议。
爆炸类型及一般特征
爆炸类型分类：爆炸分为热爆炸（化学爆炸）和非热爆炸（物理爆炸）。热爆炸是突然燃烧产生高压气体，导致气体剧烈膨胀，具有强大破坏力和响声；非热爆炸是预先存在的势能耗散（无化学变化），如容器内压力积聚引发的突然破裂。
汽车高压气缸爆炸情况：汽车应用中，高压气缸爆炸可能是热爆炸或非热爆炸。热爆炸在车辆内主要视为未受限制的蒸汽云爆炸（UVCE），其发生在可燃物质释放与空气混合形成可燃云团且浓度高于爆炸下限的情况下，爆炸产生的超压通过冲击波对人和建筑物造成伤害。
实验
TNT 模型描述和限制：尽管 UVCE 爆炸与 TNT 爆炸产生的冲击波特性差异显著，但在爆炸调查中常建立 “等效 TNT 当量”，因为 TNT 爆炸特性已被充分研究。TNT 当量模型可计算高压氢气瓶爆炸超压，利用可燃气体质量、燃烧热与 TNT 爆速的比率计算 TNT 当量质量，公式为
，其中爆炸效率
通常为 0.01 - 0.1。该模型在中距离范围（0.5 - 10 psi，约 0.03 - 0.68 巴）比较有效，且不考虑碎片抛射。TNT 模型在高压氢气和天然气钢瓶中的应用：研究针对 350 和 700 bar 两个高压水平、5 和 10 kg 两种氢气容量，设置了四种爆炸情景，包括在额定工作压力下机械破裂（随后热爆、无热爆炸）以及因超压（2.35 倍工作压力）导致爆裂破裂（随后热爆、无热爆炸）。
结果
TNT 模型应用结果：计算不同情景下氢气和天然气的化学能、压力能，以及不同超压对应的安全距离。以天然气为基准，考虑 TNT 当量（kg），并计算机械能。不同超压下预期损害如下表所示：
| 超压 | 损坏情况 ||---|--
-||0.5psi（=3kPa）| 窗户破碎，房屋结构无明显损坏
||1psi（=7kPa）| 房屋部分拆除；金属板腐蚀、变形和翘曲；飞溅的玻璃划伤皮肤
||5psi（≈34kPa）| 木制电线杆断裂
||10psi（=69kPa）| 可能的建筑物倒塌和肺出血 |
结果验证：使用公开文献中类似氢气爆炸实验的数据验证计算结果。如欧盟联合研究中心监测的 700 巴氢气储存单元实验，以及西南研究院消防技术部（SwRI）进行的 350 巴 IV 型氢气瓶实验。实验发现，爆炸效率约为 1% 时，实验数据与计算数据有良好相关性，意味着压力产生的机械能对爆炸最终效果的影响可能比化学能更大。
讨论：TNT 当量模型未考虑投掷碎片或导弹，在评估高压氢气瓶爆炸事故时，还应考虑碎片分布模型、近场和远场影响以及天气条件等，可使用 CFD 工具辅助。通过计算不同燃料爆炸时受影响的公共区域，发现氢气爆炸影响区域比汽油、天然气更大。
结论：汽车应用中高压气缸爆炸有热爆炸和非热爆炸。初步结果显示，单独的高压氢气爆炸（UVCE）与车辆中相同高压气缸爆炸效果相似，可用于确定最大超压、距离等爆炸效应，但不能用于抛掷碎片。TNT 当量模型可用于计算氢气车辆安全距离和受影响公众安全区域，爆炸效率取 1% 时模型有效，但需更多实验数据验证。
关键问题
TNT 当量模型计算高压氢气瓶爆炸超压时，为什么在中距离范围比较有效？
因为 TNT 爆炸的冲击波效应以及过压波与爆炸中心距离、TNT 装药重量的关系已通过实验充分证实。在中距离范围（0.5 - 10 psi，约 0.03 - 0.68 巴），蒸汽云爆炸与 TNT 爆炸的特性比较相对更具参考性，不确定性最小，其中在约 0.5 - 3 psi 范围内不确定性最小，更适于估计蒸汽云爆炸的源强度。
研究中设置的四种爆炸情景分别是什么，这样设置的目的是什么？
四种爆炸情景分别为：在额定工作压力下发生机械破裂，随后热爆；在额定工作压力下发生机械破裂，无热爆炸；由于超压（碳钢外包装和 3、4 型容器的工作压力的 2.35 倍）导致的爆裂破裂，随后热爆；由于超压（碳钢外包装和 3、4 型容器的工作压力的 2.35 倍）导致的爆裂破裂，无热爆炸。这样设置目的是全面研究不同工况下高压氢气瓶爆炸的情况，分析各种因素对爆炸结果的影响，从而更准确评估氢气系统安全性。
为什么说 TNT 当量模型不能完全准确评估高压氢气瓶爆炸的危害？
一方面，TNT 是专门设计用于高效爆炸的炸药，而分散的蒸汽云爆炸相对低效，部分蒸汽可能被稀释到可燃下限以下或高于可燃上限，只有部分蒸汽参与爆炸，与 TNT 爆炸存在本质差异。另一方面，TNT 当量模型不考虑碎片或导弹的抛射，而在实际爆炸中，碎片抛射在许多情况下很重要，甚至占主导地位，所以该模型不能完全准确评估高压氢气瓶爆炸的危害。
本文参考：Analysis of high-pressure hydrogen and natural gas cylinders ex-plosions through TNT equivalent method.
