運(yùn)用蒸氣云爆炸模型分析鐵路汽油罐車運(yùn)輸?shù)奈ｋU性

陳 亮

（鄭州鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，河南 鄭州 450052）

1 鐵路汽油罐車運(yùn)輸?shù)奈ｋU特性

汽油是鐵路運(yùn)輸中常見的危險貨物，一般采用鐵路輕油罐車運(yùn)輸。根據(jù)《鐵路危險貨物品名表》(2009版)，汽油屬于一級易燃液體，鐵危編號為31001。汽油為無色或淡黃色透明液體，易揮發(fā)，具有特殊氣味，不溶于水；熔點(diǎn)＜－60℃，沸點(diǎn)為25℃～220℃；液體相對密度(水 ＝1)為0.7～0.8kg/m3，氣體相對密度(空氣＝1)為3～4kg/m3；閃點(diǎn)為－58℃～10℃，引燃溫度為250℃～530℃，爆炸極限范圍為1.3%～7.6%(V/V)。

由于汽油具有較強(qiáng)的揮發(fā)性、擴(kuò)散性，還有易燃、易爆、易產(chǎn)生靜電和熱膨脹等特性，容易引起火災(zāi)爆炸事故。因此，鐵路運(yùn)輸?shù)钠凸捃囀怯蛶扈F路專用線的安全重點(diǎn)。當(dāng)汽油發(fā)生泄漏，油氣濃度達(dá)到爆炸極限范圍，并且存在點(diǎn)火源時，就會引起火災(zāi)和爆炸，此外還可能發(fā)生物理爆炸。常見的火災(zāi)爆炸事故一般分為6種傷害模型，分別是凝聚相含能材料爆炸、自由蒸氣云爆炸、沸騰液體膨脹蒸氣云爆炸、池火災(zāi)、固體粉塵火災(zāi)、室內(nèi)火災(zāi)。不同類的物質(zhì)往往具有不同的事故形態(tài)，即使是同一類物質(zhì)，甚至同一種物質(zhì)，在不同的環(huán)境下也可能表現(xiàn)出不同的事故形態(tài)。以下主要研究與事故后果傷害較為接近的自由蒸氣云爆炸傷害模型。

大多數(shù)情況下，鐵路汽油罐車的事故為火災(zāi)，蒸氣云爆炸是一個循序漸進(jìn)的過程。泄漏的可燃物如果沒有立即引發(fā)大火，就會與空氣充分混合，在一定的范圍積聚起來，形成預(yù)混蒸氣云。如果在稍后的某一時刻遇火點(diǎn)燃，由于氣液兩相物質(zhì)已經(jīng)與空氣充分混合均勻，一經(jīng)點(diǎn)燃其過程極為劇烈，火焰前沿速度可達(dá)50～100m/s，形成的燃爆對蒸氣云覆蓋范圍內(nèi)的建筑物及設(shè)備產(chǎn)生沖擊波破壞，危及人們的生命安全。使用蒸氣云爆炸模型分析計算的前提是鐵路汽油罐車60m3罐體中的汽油全部同時氣化為蒸氣并發(fā)生爆炸，這是一種非常極端的情況，所以計算結(jié)果僅作為參考。

2 蒸氣云爆炸傷害模型計算

2.1 爆源的TNT當(dāng)量計算

TNT 當(dāng)量的計算公式為：WTNT＝ WfQf／QTNT式中：WTNT為易燃液體的TNT當(dāng)量，kg；Wf為易燃液體的質(zhì)量，kg；Qf為易燃液體的燃燒熱，MJ/kg；QTNT為 TNT的爆熱，取4.52MJ/kg。

根據(jù)《鐵路危險貨物運(yùn)輸管理規(guī)則》(鐵運(yùn)[2008]174號)第99條規(guī)定，充裝非氣體類液體危險貨物時，應(yīng)根據(jù)液體貨物的密度、罐車標(biāo)記載重量、標(biāo)記容積確定充裝量。充裝量不得大于罐車標(biāo)記載重量；同時，要留有膨脹余量，充裝量上限不得大于罐體標(biāo)記容積的95%，下限不得小于罐體標(biāo)記容積的83%。充裝量的計算公式為：

式中：Wf為易燃液體的充裝量，kg；ρ?為易燃液體密度，kg/m3；V許裝為罐車允許充裝體積，m3，0.83V標(biāo)≤V許裝≤0.95V標(biāo)。

汽油密度 ρ?取730kg/m3，一輛鐵路汽油罐車標(biāo)記容積V標(biāo)為60m3，計算裝料系數(shù)取0.9。汽油的燃燒熱值 Qf為43.69MJ/kg，TNT 爆熱 QTNT為4.52MJ/kg。

一輛罐車汽油的TNT當(dāng)量為：WTNT＝730×0.9×60×43.69/4.52＝3.81×105kg

2.2 自由蒸氣云爆炸時的死亡半徑

根據(jù)易燃液體的 TNT 當(dāng)量，并且考慮爆炸對形成沖擊波有實(shí)際作用的蒸氣云的量，結(jié)合專用線及周邊布置情況，采取地面爆炸系數(shù)1.8，蒸氣云的 TNT 當(dāng)量系數(shù)0.04，運(yùn)用范登伯格(VandenBerg)和蘭諾伊(Lannoy)方程計算蒸氣云爆炸時的死亡半徑為：R ＝13.6×(1.8×0.04× WTNT/1000)0.37

一輛鐵路罐車汽油爆炸時的死亡半徑為：R ＝13.6×(1.8×0.04×3.81×105/1000)0.37＝46.3m

2.3 爆炸事故危害后果分析

若在油庫鐵路專用線中有一輛鐵路汽油罐車發(fā)生蒸氣云爆炸，其死亡半徑達(dá)46.3m，不難設(shè)想它將殃及前后罐車的連鎖爆炸，災(zāi)害程度將成倍擴(kuò)大，使裝卸作業(yè)線兩側(cè)近百米范圍的所有建筑物、設(shè)施及人員受到慘重傷害。

3 重大危險源的危險性分級

對重大危險源分級是政府主管部門對重大危險源進(jìn)行宏觀分級監(jiān)控和管理的需要。分級的依據(jù)是對重大危險源可能導(dǎo)致的事故后果進(jìn)行評價，以預(yù)測事故發(fā)生的死亡半徑為主要評價指標(biāo)，按死亡半徑的大小對重大危險源進(jìn)行分級。

目前，國內(nèi)外通用的做法是以單元固有危險性大小作為分級的依據(jù)。決定固有危險性大小的因素基礎(chǔ)是單元的生產(chǎn)屬性。因此，用固有危險性作為分級依據(jù)能使受控目標(biāo)保持穩(wěn)定。分級標(biāo)準(zhǔn)劃定不僅是一項技術(shù)方法，而且是一項政策性行為，分級標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)或?qū)拰⒅苯佑绊懜骷壵块T控制危險源的數(shù)量配比。分級標(biāo)準(zhǔn)劃定原則應(yīng)使各級政府直接控制的危險源總量自下而上呈遞減趨勢。

按照目前國內(nèi)外通用的做法，用重大危險源的死亡半徑 R 作為危險源分級標(biāo)準(zhǔn)，常將易燃、易爆、有毒重大危險源劃分為4級，具體定義如下。

一級重大危險源：R≥200m；二級重大危險源：100m≤R＜200m；三級重大危險源：50m≤R＜100m；四級重大危險源：R＜50m。

據(jù)此可知，在油庫鐵路專用線的裝卸作業(yè)區(qū)內(nèi)一輛鐵路汽油罐車在臨時停留或裝卸過程中，如發(fā)生爆炸，其死亡半徑是46.3m，故可比照四級重大危險源進(jìn)行管理。

4 重大事故后果評價結(jié)果和安全建議

采用數(shù)學(xué)模型定量計算分析表明，在油庫鐵路專用線的裝卸作業(yè)區(qū)內(nèi)一輛鐵路汽油罐車在臨時停留或裝卸過程中，為四級重大危險源。鐵路運(yùn)輸汽油時，多采用整列運(yùn)輸，如果整列油罐車停在編組站，站內(nèi)可能還停有裝載其他危險貨物的車輛，一旦發(fā)生重大火災(zāi)爆炸事故，后果將不堪設(shè)想。

重大危險源存在的主要危險是爆炸危險和火災(zāi)危險，事故形態(tài)為自由蒸氣云爆炸。重大危險源發(fā)生事故的概率較小，但火災(zāi)爆炸事故的后果極為嚴(yán)重，故應(yīng)采取措施，積極預(yù)防。根據(jù)上述計算結(jié)果，應(yīng)積極采取以下安全對策措施，防止重大危險事故發(fā)生。

（1）加強(qiáng)風(fēng)險源頭控制。發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的一個主要原因是汽油泄漏，揮發(fā)的汽油蒸氣在空氣中達(dá)到爆炸極限范圍。因此，汽油在鐵路罐車裝車前，應(yīng)確認(rèn)罐車是否良好，罐體外表應(yīng)保持清潔，標(biāo)記、文字清晰易辨。禁止使用罐體有漏裂，閥、蓋、墊及儀表等附件、配件不齊全或作用不良的罐車。裝車時要防止超裝，充裝量上限不得大于罐體標(biāo)記容積的95%，下限不得小于罐體標(biāo)記容積的83%。裝車作業(yè)后，須及時關(guān)嚴(yán)罐車閥件，蓋好人孔蓋，擰緊螺栓，嚴(yán)禁混入雜質(zhì)。在途中編組站作業(yè)時，須限速連掛，溜放或在駝峰上解體調(diào)車時，車輛連掛速度不得超過2km/h。

（2）嚴(yán)格控制點(diǎn)火源。發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的另一個主要原因是存在點(diǎn)火源，因此應(yīng)采取措施，杜絕各種火源。嚴(yán)禁把明火源(打火機(jī)、火柴、手機(jī))帶入禁火區(qū)域，禁穿帶釘子的鞋、化纖衣物等，汽車、拖拉機(jī)等機(jī)動車輛須戴阻火罩，嚴(yán)禁在禁火區(qū)域內(nèi)吸煙。認(rèn)真執(zhí)行動火制度和臨時接電審批制度，維修、施工在禁區(qū)動火，必須執(zhí)行動火審批，辦理動火證，有專人負(fù)責(zé)、專人監(jiān)護(hù)，并采取必要的救護(hù)消防措施。裝卸作業(yè)區(qū)內(nèi)的一切電氣設(shè)備均應(yīng)符合防爆等級要求，電器設(shè)備、設(shè)施老化或損傷應(yīng)及時處理或更換。易燃液體鐵路裝卸棧橋、鋼軌、鐵路罐車車體及裝卸鶴管，應(yīng)有可靠的防靜電措施。棧橋上的翻梯應(yīng)裝膠墊或膠輪，無膠墊或膠輪嚴(yán)禁使用。棧橋扶梯入口處應(yīng)設(shè)置消除人體靜電裝置，并進(jìn)行定期檢查，檢測防靜電的連接件和接地設(shè)施，使之始終處于良好狀態(tài)。

（3）加強(qiáng)安全管理。健全強(qiáng)有力的安全管理組織機(jī)構(gòu)，制定完善的安全管理制度、崗位責(zé)任制和安全技術(shù)操作規(guī)程，加強(qiáng)安全教育培訓(xùn)，提高職工安全意識、安全責(zé)任感和安全技能。認(rèn)真組織安全檢查，督促各項規(guī)章制度的貫徹落實(shí)，發(fā)現(xiàn)隱患及時處理。根據(jù)運(yùn)輸和裝卸危險貨物易燃易爆的特征，制定防火、防靜電安全管理措施，配備相應(yīng)的消防設(shè)施、設(shè)備和消防器材，設(shè)置消防安全標(biāo)志。

（4）重視應(yīng)急救援。按照《鐵路危險貨物運(yùn)輸應(yīng)急預(yù)案框架指南》和《危險化學(xué)品事故應(yīng)急救援預(yù)案編制導(dǎo)則(單位版)》要求，編制切實(shí)可行的事故應(yīng)急救援預(yù)案，配備相應(yīng)的應(yīng)急救援器材和安全防護(hù)設(shè)備，并定期組織培訓(xùn)和演練，提高職工應(yīng)對突發(fā)事件的能力。