基于危險分析的液化石油氣罐事故應急處置

鄭 園

(中國石化燕山石化消防支隊，北京燕山 102500)

基于危險分析的液化石油氣罐事故應急處置

鄭 園

(中國石化燕山石化消防支隊，北京燕山102500)

分析了液化石油氣的火災危險性，描述液化氣儲罐發(fā)生泄漏時引發(fā)的火災爆炸事故特點，通過模擬儲罐蒸氣云爆炸模型，利用TNT當量法來預測蒸氣云爆炸的嚴重程度并進行定量分析，計算出爆炸死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑和財產損失半徑，確定儲罐發(fā)生火災爆炸時的安全距離，為液化氣儲罐預案的制訂及事故狀態(tài)下應急搶險救援任務提供參考依據。

蒸氣云 液化石油氣 儲罐 爆炸

1 液化石油氣的危險性特征

液化石油氣由丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等組分混合構成，丙烷是液化石油氣的主要組分。主要物化特性[1]見表1。

在常溫常壓下，液態(tài)的石油氣極易揮發(fā)，氣化后體積能迅速擴大250～350倍，即1 L液化石油氣揮發(fā)，能變成250 L以上的氣體，而且其氣體密度約為空氣密度的1.5～2.0倍。其爆炸下限低，與空氣混合能很快形成爆炸性混合物，一旦遇有火源或高熱就有爆炸、燃燒的危險。而且其爆炸破壞性極強，爆炸速度達2 000～3 000 m/s，火焰溫度高達2 000 ℃，閃點在0 ℃以下，各組分最小引燃能量都在0.2～0.3 mJ左右，在標準狀況下，1 m3液化石油氣完全燃燒，其發(fā)熱量高達104.7 MJ。由于燃燒熱值大，爆炸速度快，瞬時就會完成化學性爆炸，爆炸的威力大，破壞性很強。

2 液化石油氣儲罐的火災危險性

液化氣儲罐泄漏會引發(fā)不同的事故，主要為火災爆炸危險,見圖1[2]。

液化氣儲罐最大的火災爆炸危險就是液化氣的燃燒爆炸，這里主要介紹不可控蒸氣云爆炸類型。

蒸氣云爆炸[3]是指可燃氣體或蒸氣與空氣混合形成的云狀混合物，在某一有限空間遇到點火源引發(fā)的爆炸。當液化石油氣儲罐發(fā)生泄漏后，在常溫常壓下，液化氣迅速在空氣中氣化，從空氣環(huán)境中吸收大量的熱量，使空氣中水分冷卻成為細小霧滴，形成液化氣蒸氣云，并從泄漏點沿下風向或低洼處擴散、積聚，當蒸氣云濃度高于爆炸下限，且低于爆炸上限時，遇到點火源后被點燃，就會發(fā)生不可控蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸的發(fā)生有一定的條件，包括一定量的液化石油氣泄漏，并與周圍空氣預混、延遲點燃等有關，其爆炸破壞作用有爆炸沖擊波和火球熱輻射作用對周圍的人員、建筑物和設備的破壞和傷害，其中超壓破壞作用最強，破壞區(qū)域最大。

表1 液化石油氣物理化學特性

圖1 液化氣泄漏事故分析

3 蒸氣云爆炸后果定量分析

下面對液化石油氣儲罐的傷害模型蒸氣云爆炸進行模擬評價。

蒸氣云爆炸模型：通過采用TNT當量法[3]來預測蒸氣云爆炸的嚴重度，原理是假定一定百分比的蒸氣云參與了爆炸，對形成沖擊波有實際貢獻，并以TNT當量來表示蒸氣云爆炸的威力。

3.1 蒸氣云爆炸的TNT當量WTNT

WTNT=E/QTNT=αAWfQf/QTNT

式中:A—蒸氣云的TNT當量系數，取4%

WTNT—蒸氣云的TNT當量，kg；

Wf—蒸氣云中燃料的總質量，kg；

Qf—燃料的燃燒熱，MJ/kg；

α—地面爆炸系數，取1.8；

QTNT—TNT的爆熱，取4.52 MJ/kg。

對在爆炸中人員的傷害評價, 最有意義的是劃分出死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)及財產損失范圍, 評價標準[4]如表2所示。

掌握爆炸對人員傷害的評價標準后，根據荷蘭應用科研院(TNO)實驗數據建議，可按下列公式[5]來計算蒸氣云爆炸的沖擊波損害半徑，即死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑及財產損失半徑。

表2 爆炸導致的人員傷害的評價標準

3.2 死亡半徑

該區(qū)內的人員如缺少防護，則被認為將無例外地蒙受嚴重傷害或死亡，其內徑為零，外徑記為R死(m)，表示外圓周處[6]人員因沖擊波作用導致肺出血而死亡的概率為50%，它與爆炸量間的關系由下式確定：

R死=13.6(WTNT/1 000)0.37

3.3 重傷半徑

該區(qū)內的人員如缺少防護，則絕大多數將遭受嚴重傷害，極少數人可能死亡或受輕傷。其內徑為死亡半徑R死，外徑記為R重，表示該處人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為50%，它要求的沖擊波峰值超壓為44 kPa。

ΔP/P0=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

Z=R重*(P0/E)1/3

式中：R重——目標到爆源的水平距離，即重傷區(qū)半徑，m；

ΔP——沖擊波的入射超壓，Pa；

P0——環(huán)境壓力，Pa。

E——爆炸能量，J；

3.4 輕傷半徑

該區(qū)內的人員如缺少防護，則絕大多數人員將遭受輕微傷害，少數人將受重傷或平安無事，死亡的可能性極小。該區(qū)內徑為重傷區(qū)的外徑R重，外徑為R輕，表示外邊界處耳膜因沖擊波作用破裂的概率為1%，它要求的沖擊波峰值超壓為17 kPa。計算R輕仍用ΔP、Z公式計算。

3.5 財產損失半徑

計算中可假定某半徑內沒有損失的財產與其半徑外損失的財產相互抵消?；蛘哒f，可假定此半徑內的財產完全損失，而半徑外的財產完全無損失。財產損失半徑計算為：

式中:R財——財產損失區(qū)半徑，m；

K——常量，取4.6。

需要說明的是，上述計算公式只是某一儲罐發(fā)生爆炸時的數學模擬，在實際過程中儲罐一旦發(fā)生爆炸，必將影響到鄰近其它儲罐，如果引起了殉爆，勢必將會造成更大的危害。

4 某罐區(qū)模擬分析計算

某罐區(qū)參數：液化氣儲罐區(qū)主要包括5個球罐，每個容積為400 m3，裝料系數80%，主要儲存液化石油氣，操作壓力0.5 MPa，液化氣燃燒熱為46.5 MJ/kg，密度為510 kg/m3，環(huán)境壓力1.01×105Pa。

由于罐區(qū)內儲罐同時發(fā)生事故概率很小，故按照單罐事故最嚴重情況處理，即單罐內液化氣全部泄漏，則：

a)液化氣最大儲存量：Wf=400 m3×80%×510 kg/m3=163 200 kg

爆源爆炸能量：E=1.8×0.04×163 200×46.5MJ=546 393.6 MJ

b)TNT當量計算：

WTNT=E/4.52=120 883.5 kg

c)死亡半徑：

R0.5=13.6×(WTNT/1000)0.37=80.2 m

d)重傷半徑：ΔP取44 kPa，則

Z1=R重×(P0/E)1/3=0.003 3R重

R重=359.4 m

e)輕傷半徑：ΔP取17 kPa，則

Z2=R輕×(P0/E)1/3=0.003 3R輕

R輕=646.1 m

f)財產損失半徑：

g)將計算結果統(tǒng)計如表3：

表3 液化氣罐蒸氣云爆炸傷害破壞半徑 m

5 結果分析及應急處置

根據模擬計算，該液化氣儲罐區(qū)單罐完全泄漏引發(fā)蒸氣云爆炸的情況下，分析結果為：該400 m3液化氣儲罐完全泄漏引發(fā)蒸氣云爆炸，爆炸導致人員死亡的區(qū)域為：以泄漏點為圓心，半徑為80.2 m的圓形區(qū)域；爆炸導致人員重傷的區(qū)域為：以泄漏點為圓心，內徑為80.2 m、外徑為359.4 m的環(huán)形區(qū)域；爆炸導致人員輕傷的區(qū)域為：以泄漏點為圓心，內徑為359.4 m、外徑為646.1 m的環(huán)形區(qū)域；爆炸導致財產損失的區(qū)域為：以泄漏點為圓心，半徑為227.4 m的圓形區(qū)域，區(qū)域內建筑及設備都將遭受破壞。

所以如果該罐區(qū)某一儲罐全部泄漏，發(fā)生蒸氣云爆炸事故，以泄漏點為圓心，半徑為646.1 m的圓形范圍內會造成人員傷亡和財產損失，因此應急救援人員離氣云中心的最小工作安全距離為646.1 m。在實際過程中還有可能發(fā)生殉爆，危害將更大，傷害半徑也會擴大，所以在實際處置中應考慮這些因素。

在消防救援過程中，往往由于對現場不熟悉，對物料的危險特性等情況不清楚，就盲目地進入現場進行處置，展開救援工作。特別是在泄漏情況下，因對現場一旦發(fā)生著火爆炸等，就會波及到爆炸區(qū)域內的救援人員和車輛設備的安全，造成救援人員的傷亡，就更談不上去救人和現場處置了。所以必須保障自身的生命安全，指揮員在進行泄漏應急處置時，首先能夠準確了解現場儲罐的情況，包括儲罐大小、物料名稱、存儲數量、理化性質等，考慮其泄漏爆炸的最大危害后果，掌握現場爆炸后的各類傷害半徑范圍，這些計算結果能及時為指揮員的初期處置和決策提供指導依據，達到科學施救。

掌握爆炸計算數據，對指導應急處置意義重大：①能夠為泄漏預案的制訂提供依據，使得預案更加科學合理，更加貼近實際；②通過數據結合現場實際泄漏情況，指揮員能迅速準確地將消防車輛停在安全區(qū)域范圍，避免車輛進入危險區(qū)域；③指揮員能迅速找到泄漏區(qū)域內的重點部位，包括高溫設備爐區(qū)、配電間、泵區(qū)、低洼地帶等，能夠及時布置力量采取措施將其與泄漏氣體隔離或驅散，防止可燃氣體爆炸發(fā)生；④能夠及時掌握現場所需力量，及時調集增援力量到場，抓住戰(zhàn)機，縮短救援時間，及時控制泄漏區(qū)域，保證現場救援力量一次足夠，及時驅散稀釋泄漏聚集的氣體，防止爆炸發(fā)生；⑤通過數據能夠及時劃出事故現場警戒范圍以及事故現場及周邊范圍內人員疏散的最小安全距離，禁止一切車輛、火源和無關人員進入，這樣能夠有效減少或者避免更大人員的傷亡；⑥掌握數據能夠清楚知道人員所處的危險區(qū)域，在任務展開執(zhí)行完畢后，能夠迅速撤出各個危險區(qū)域，或者在重傷區(qū)域、輕傷區(qū)域內能夠及時找到掩體掩護，防止或降低爆炸超壓沖擊波的傷害；⑦若未到場就發(fā)生了爆炸事故，掌握這些數據也能夠為后續(xù)的救援工作提供依據，包括搜救區(qū)域范圍、危險區(qū)域等，為應急救援工作快速順利開展提供數據支撐；⑧了解數據能夠為儲罐周圍的重點設備及重要部位的布置提供參考，同時也能為已經規(guī)劃好的區(qū)域制訂相應的安全措施作支撐，提高其與泄漏區(qū)的安全性，例如在爐區(qū)安裝水幕氣幕設施等，保證在泄漏情況下及時啟動，將泄漏氣體隔離，防止遇到高溫設備發(fā)生爆炸，擴大事故危害，能夠為應急救援工作爭取時間，降低損失。

[1] 周國泰主編. 危險化學品安全技術全書[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 1997.

[2] 陳思凝,孫金華,王青松.液化石油氣泄漏的危險性分析及其事故后果評價方法[J].中國工程科學，2005, 7 (9).

[3] 吳宗之,高進東,魏利軍.危險評價方法及其應用[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 2001.

[4] 叢龍海,孫寧.液化石油氣儲罐區(qū)火災危險性評價[J].武警學院學報,2011,27(10).

[5] 馬世海. 液化石油氣罐區(qū)危險性模擬評價及預防措施[J].中國職業(yè)安全衛(wèi)生管理體系認證, 2004(1): 17-20.

[6] 宇德明, 馮長根, 徐志勝，等. 炸藥爆炸事故沖擊波、熱輻射和房屋倒塌的傷害效應[J]. 兵工學報,1998,19 (1):33-37.

TheLiquefiedPetroleumGasAccidentEmergencyDisposalBasedonRiskAnalysis

Zheng Yuan

(SINOPEC Yanshan Petrochemical Fire Detachment, Beijing, 102500)

By analyzing the fire danger of liquefied petroleum gas (LPG), described the liquefied petroleum gas storage tank leakage cause of fire explosion accident characteristics, through the simulation of tank vapor cloud explosion model, TNT equivalent weight method is used to predict the severity of the vapor cloud explosion and carry on quantitative analysis, to calculate the radius of explosion radius of die radius, serious injuries, minor injuries and property damage radius, determine the safe distance of tank fire explosion, for the establishment of liquefied petroleum gas storage tank plans and accident situation provided a reference for emergency rescue mission.

vaporous cloud; liquefied petroleum gas; storage tank; explosion

2016-01-16

鄭園，助理工程師，2009年畢業(yè)于西南交通大學消防工程專業(yè)，現主要從事消防應急救援管理工作。