四、三级轨迹交互方式——事故原区

在很多情况下，同一类事故其实是由很多性质相同但能量不同的事故原线组成的事故原区，理论上说，事故原区内有无穷的事故原点，甚至是无穷的事故原线，在这里我们称其为三级轨迹交互方式。

在具体案例中，事故原区、爆炸原区和燃烧原区是同义的不同表述；而原区、区间和区域也是同义的不同表述。

其实，图3-9中的甲烷爆炸原线、丙烷的爆炸原线和戊烷的爆炸原线，它们的内侧区域就是各自的爆炸原区.如果在此基础上再增加一个压力轨迹变量，甲烷的爆炸函数关系(爆炸原区)就将显得更复杂。下面以氢和氧的混合物发生爆炸为例来说明爆炸原区(也称事故原区)的构成。

氢和氧的混合物发生爆炸是热反应和支链反应两种不同机理的协同结果，一旦反应速率达到阈值就会发生爆炸，因此，爆炸是反应速率的函数：

E=f/(v)          (3-10)

式中，v表示反应速率。

支链反应是指在反应中一个游离基能生成多个新的游离基(活性质点)，随之瞬间连锁扩延可使反应速率急剧加速增大，如图3-10所示，温度也急剧上升，但体积膨胀受限，导致压力加速提高，最后形成爆炸。

在链增长即反应可以增值游离基的情况下，如果与之同时发生的销毁游离基(链终止)的反应速率不高，则游离基的数日就会增多，反应链的数目也会增加，反应速率也随之加快，这样又会增加更多的游离基，如此循环进展，在极短的时间内使反应速率(v)加速到爆炸的等级，令

图3-10支链反应示意图

式中，F(c)表示反应物浓度的函数；f_s表示链在器壁上的销毁因素；f_c表示链在气相中的销毁因素；A表示与反应物浓度有关的函数；a表示链的分支数，在直链中a=1，在支链中a>1。

根据上述链式反应的机理，增加气体混合物的温度可使连锁反应的速率增加，使因热运动而生成的游离基的数量增加。在某一温度下，连锁的分支数超过中断数，这时反应便可以加速并达到混合物自行着火的反应速率，所以可认为气体混合物自行着火的临界条件是连锁反应的分支数等于中断数。当连锁分支数超过中断数时，即使混合物的温度保持不变，仍可导致自行着火。在一定条件卜，如当[f_s+f_c+A(1-a)]→0时，就会发生爆炸。根据危险物受热发生的热反应历程，反应在一定空间内进行时，如果散热不良会使反应温度不断升高，温度的升高又会使反应速率加快，使得释放热大于散热，导致爆炸发生。至于在什么情况下发生热反应，什么情况下发生支链反应，需根据具体情况而定，其至同一爆炸性混合物在不同条件下有时也会有所不同：如图3-11所示为氢气和氧气按化学当量浓度(2H₂+O₂)组成的混合气发生爆炸的温度和压力区间，黑色区域为爆炸原区(或称事故原区)，区内任何一个点都是爆炸原点(或称事故原点)，区内任何一条连续的曲线都是爆炸原线(或称事故原线)。

从图3-11中可以看出当压力很低且温度不高时(如在温度500℃和压力不超过200Pa时)，由于游离基很容易扩散到器壁上销毁，此时链中断速率超过支链产生速率，因而反应进行得较慢，混合物不会发生爆炸；当温度为500℃，压力升高到200~6666Pa(图3-11中的a点和b点之间)时，由于产生支链的速率大于销毁速率，链反应很猛烈，就会发生爆炸；当压力继续提高超过b点(大于6666Pa)以后，由于混合物内分子的浓度增高，容易发生链中断反应，致使游离基销毁速率又超过链产生速率，链反应速率趋丁缓和，混合物又不会发生爆炸了。

图3-11氢气和氧气混合物(2：1)爆炸区间

图3-11中a点和b点所处的的压力，即200Pa和6666Pa，分别是混合物在500℃时的爆炸下限和爆炸上限。随着温度升高，爆炸极限会变宽。这是由于链反应需要有一定的活化能，链分支反应的反应速率随温度升高而增加，而链终止的反应速率却随温度的升高而降低，因此升高温度对发生链反应有利，结果使爆炸极限变宽，在图3-11中呈现半岛形。当压力再升高超过c点(大于666610Pa)时，开始出现下列反应：

H·+O₂→HO₂·

HO₂·+H₂→H·+H₂O₂

HO₂·+H₂O→OH·+H₂O₂

产生游离基H·和OH·的这两个反应是放热的。结果使反应释放的热量超过从器壁散失的热量，从而使混合物的温度升高，进一步加快反应，促使更多的热量释放，导致发生热爆炸。

上述是仅以氢氧混合物的压力和温度两个变量轨迹来表述事故原区，而更多的事故是由很多轨迹决定的，可用如式(3-12)所示的抽象线性函数关系式来描述事故原区的产生：

A_nf(H，M，E)=f(H_n，M_n，E_n)            (3-12)

以氢气引起爆炸事故为例，先排除人的因素，仅以物的不安全状态分析，至少有三个主要轨迹：氢气在空气中的比例(即爆炸极限或燃烧极限C)、最低点火能(E)、混合气体压力(p)。

事故原点：A=f(C，E，p)

式中，C、E和p为连续主变量，A为连续应变量。

事故原线：A_c=f(C_n，E，p)，A_E=f(C，E_n，p)，A_p=f(C，E，p_n)

如果A_c成立，则Ac是C_n、E和p的函数，同时C_n又是E和p的函数；

如果AE成立，则AE是C、E，和p的函数，同时E_n又是C和p的函数；

如果Ap成立，则A_p是C、E和p_n的函数，同时p_n又是C和E的函数。

事故原区：A_nf(C,E,p)=f(C_n，E_n，p_n)

式中，A_n，是C_n、E_n，和p_n，的函数。

以上公式中的n均为连续子变量，

事故原区(三级轨迹交互方式)实际上是多维立体动态轨迹逻辑交合的完整表达形式。综上可知，多维立体动态轨迹交合论不但是一个有本质和普遍意义的事故致因理论，而且通过深入细致的科学剖析(定性和定量分析)，能更科学、更实际、更生动地把可能的事故成因、过程、结果全面地展现在人们面前。

多维立体动态轨迹交合论是安全科学中一个全新的重要研究领域。

文章来源：《有机合成安全学》

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