面向氢燃料汽车安全的高压氢 / 天然气钢瓶爆炸 TNT 当量评估
2015 年 7 月在西班牙特内里费岛的伊比利亚氢、燃料电池与先进电池研讨会上发表，通过TNT 当量法分析高压氢气（350bar、700bar）和等化学能天然气钢瓶的爆炸特性，构建了包含 “额定工作压力机械破裂（含 / 不含热爆炸）”“超压爆裂（2.35 倍工作压力，含 / 不含热爆炸）” 的 4 类场景，计算了不同场景下对应 0.5psi、1psi、5psi、10psi 超压的安全距离；经欧盟联合研究中心（JRC）和西南研究院（SwRI）的篝火实验验证，发现爆炸效率（参与爆炸的氢气质量占比）实际为1% 而非文献初始假设的 10% 时，计算结果与实验数据吻合度高，最终证实 TNT 当量法可作为估算氢燃料汽车安全距离和受影响公共安全区域的有效工具，但需注意该方法未考虑碎片抛射的影响 01 研究背景与目的 氢气因物理化学特性存在特殊风险，虽工业应用 100 余年安全记录良好，但氢燃料汽车面向 “非专业人员” 使用，且缺乏事故统计数据，无法直接评估安全水平；爆炸后果分析（回答 “失效后产生何种影响”）是风险评估的核心环节，需重点关注氢钢瓶破裂伴随爆炸的极端场景。 通过 TNT 当量法分析高压氢气（350bar、700bar）和等化学能天然气钢瓶的爆炸特性，验证该方法的有效性，为氢燃料汽车安全距离计算提供依据。 02 核心理论与方法 （1）爆炸类型划分 爆炸类型 定义 汽车场景关联 热爆炸（化学） 燃料燃烧（爆轰 / 爆燃）引发化学反应，产生高压气体剧烈膨胀，伴随破坏与噪音 氢钢瓶破裂后氢气泄漏形成可燃云，属于无约束蒸气云爆炸（UVCE） 非热爆炸（物理） 容器内预存势能释放（无化学变化），如压力累积导致的突然破裂 氢钢瓶因压力过高直接破裂，仅释放物理能量 （2）TNT 当量法原理与参数 方法局限仅适用于中距离（0.5psi~10psi，1psi≈7kPa）超压计算，近距（>10psi）和远距（<0.5psi）不确定性高；不考虑碎片抛射（部分场景下碎片危害可能超过压力波）。 初始参数假设参考文献设爆炸效率10%（保守安全角度），后经实验修正为=1%) 03 研究设计：场景与参数 （1）实验变量 350bar、700bar（氢燃料汽车常用高压标准）； 5kg、10kg（典型车载氢存储量）； 与氢气化学能相等的天然气（CH₄），用于评估氢与传统燃料的安全差异。 （2）4 类爆炸场景设计 场景编号 场景描述 适用条件 1a 额定工作压力下机械破裂 + 热爆炸 钢瓶因机械损伤（如碰撞）破裂，氢气泄漏后点燃 1b 额定工作压力下机械破裂 - 无热爆炸 钢瓶破裂但氢气未点燃，仅释放物理能量 2a 超压爆裂（2.35 倍工作压力） + 热爆炸 适用于碳包裹 III/IV 型钢瓶，压力超限破裂后点燃 2b 超压爆裂（2.35 倍工作压力） - 无热爆炸 压力超限破裂但氢气未点燃 04 实验验证与关键发现 （1）验证实验来源 实验机构 实验对象 实验条件 核心结果 欧盟 JRC 700bar III 型氢钢瓶（9L） detonating cord 引爆，700bar 充氢 钢瓶破裂为 2 块碎片（初速≈100m/s）；总 TNT 当量≈450g，其中氢热爆炸贡献≈40g（对应效率 < 1%） 美国 SwRI 350bar IV 型氢钢瓶（72.4L） 无泄压装置，丙烷篝火加热 6 分 27 秒 钢瓶失效时压力 35.7MPa，温度 39℃；1% 效率下计算超压 - 距离与实验数据吻合 美国 SwRI（车载） 350bar IV 型氢钢瓶（88L，装于 SUV） 无泄压装置，车底丙烷篝火加热 12 分 18 秒 钢瓶破裂后残骸抛射 41m；1% 效率下计算数据与实验吻合，单独钢瓶爆炸影响比车载更严重 （2）关键修正：爆炸效率从 10%→1% 物理意义：仅1% 的存储氢气参与爆炸反应，剩余氢气或稀释至爆炸下限以下，或未被点燃。 05 主要结果：超压与安全距离 （1）超压 - 损伤对应关系（通用标准） 超压（psi/kPa） 对应的人员与结构损伤 0.5 / 3 窗户破碎，房屋结构仅轻微损伤 1 / 7 房屋部分损毁，波纹金属板失效弯曲，人员被飞溅玻璃划伤 5 / 34 木质电线杆折断 10 / 69 建筑大概率完全坍塌，人员肺部出血（致命风险） （2）典型场景安全距离示例（350bar 5kg 氢，场景 1a：机械破裂 + 热爆炸） 爆炸效率 超压 10psi（69kPa）距离（m） 超压 1psi（7kPa）距离（m） 超压 0.5psi（3kPa）距离（m） 10% 8.0 34.4 57.9 1% （显著降低，具体值需按修正公式重算） （显著降低） （显著降低） 06 研究结论与局限 （1）结论 TNT 当量法在爆炸效率取 1% 时，可有效计算高压氢钢瓶爆炸的安全距离，适用于氢燃料汽车安全评估； 单独高压氢钢瓶的爆炸影响（如超压、破坏范围）比车载场景更严重，UVCE 实验（如篝火测试）可用于推导车载安全距离； 氢钢瓶爆炸的物理能量（压力释放）对近场影响可能超过化学能量（燃烧爆炸）。 （2）局限 未纳入碎片抛射模型，而碎片在部分场景下（如 SwRI 车载实验中残骸抛射 41m）危害更大； 未考虑天气（如风）、地形、车辆结构对爆炸后果的影响，需结合 CFD 工具进一步优化； 验证实验数量较少（仅 2 个机构的 3 组实验），需更多数据支撑结论普适性。 07 关键问题 问题 1：TNT 当量法在高压氢钢瓶爆炸分析中的核心优势与主要局限分别是什么？如何规避部分局限以提升评估准确性？ 核心优势：TNT 爆炸的冲击波特性（超压 - 距离 - 药量关系）经大量实验验证，数据成熟，可通过 “等效 TNT 质量” 快速关联氢钢瓶爆炸的超压与安全距离，为缺乏事故统计的氢燃料汽车提供量化安全评估工具。 主要局限：①仅适用于中距离（0.5psi~10psi）超压计算，近距（>10psi）和远距（<0.5psi）误差大；②不考虑碎片抛射（部分场景下碎片危害超过压力波）；③未纳入天气、地形等环境因素。 规避方式：①爆炸效率需基于实验修正（如从 10% 修正为 1%），确保计算值与实测数据吻合；②补充碎片抛射模型（如结合钢瓶材质、破裂模式推导碎片速度与射程）；③复杂场景下结合 CFD 工具，叠加环境因素对爆炸云扩散和冲击波传播的影响。 问题 2：研究中为何将爆炸效率从初始的 10% 修正为 1%？这一修正对氢燃料汽车安全距离计算有何实际意义？ 修正原因：基于欧盟 JRC 和美国 SwRI 的实验验证 ——JRC 实验中氢热爆炸仅贡献 40g TNT 当量（总当量 450g），对应效率 < 1%；SwRI 钢瓶（含车载）实验显示，10% 效率下计算的安全距离远大于实测值，而 1% 效率时两者高度吻合，证明仅 1% 的存储氢气实际参与爆炸反应（剩余氢气或稀释至爆炸下限以下，或未被点燃）。 实际意义：①避免过度保守设计 —— 若按 10% 效率计算，安全距离过大会导致氢燃料汽车基础设施（如加氢站）选址困难、成本过高；②提升安全评估准确性 ——1% 效率更贴合实际爆炸场景，可指导制定合理的安全规范（如氢燃料汽车与建筑物的最小安全距离），平衡安全性与实用性。 问题 3：对比高压氢气与等化学能天然气钢瓶的爆炸特性，研究能为氢燃料汽车与传统天然气汽车的安全对比提供哪些关键参考？ 关键参考 1：爆炸能量分布差异 —— 相同化学能下，氢气的物理能量（压力释放）更高（如 350bar 场景下，氢钢瓶压力能量 14.5MJ，天然气钢瓶仅 3.1MJ），近场物理破坏风险（如钢瓶破裂、碎片抛射）可能更显著； 关键参考 2：安全距离差异 —— 热爆炸场景下（如场景 1a），相同超压对应的氢钢瓶安全距离略大于天然气钢瓶（如 350bar 5kg 氢在 1psi 超压下距离 34.4m，天然气为 32.7m），需针对性扩大氢燃料汽车的近场安全防护范围； 关键参考 3：公共区域影响 —— 研究引用数据显示，氢钢瓶爆炸的受影响公共区域（如 1000m²）远大于天然气（250m²）和汽油（0% 非路面区域占比），需在氢燃料汽车普及中重点关注公共空间的风险隔离（如加氢站远离居民区） 本文参考：Analysis of high-pressure hydrogen and natural gas cylinders explosions through TNT equivalent method 来源：气瓶设计的小工程师
