液化石油氣BLEVE事故研究*

黃拴雷，孫寶平

(首都經濟貿易大學 安全與環(huán)境工程學院， 北京 100070)

0 引言

液化石油氣是以丙烷為主的石油氣通過加高壓形成的，具有燃燒與爆炸危險性，其泄漏導致的燃爆事故近幾年時有發(fā)生,且其產生的爆炸沖擊波和火球熱輻射，危害范圍大且破壞力強。如1998年3月，西安市煤氣公司液化石油氣管理所儲罐區(qū)發(fā)生BLEVE爆炸事故，直接經濟損失達470余萬元[1]；1984年11月19日，墨西哥圣胡安.伊克斯華特佩克的1座化工廠LPG儲罐發(fā)生BLEVE事故，產生巨大的火球，造成嚴重后果[2]。近年來，國內外學者對BLEVE事故及其影響評價模型方面開展了大量研究工作。王露熹[3]等利用ALOHA 軟件，模擬不同風力因素對液化天然氣槽車火災爆炸后果的破壞影響規(guī)律；俞昌銘[4]采用仿真軟件PLGS99, 研究了儲罐受熱引發(fā)BLEVE爆炸的機理；Nilambar Bariha[5]等通過軟件和建模,計算BLEVE火球的尺寸及輻射通量；E.Planas等[6]通過建立數(shù)學模型，計算BLEVE火球的尺寸、持續(xù)時間和熱輻射通量?？偨Y以上現(xiàn)有研究成果，大多是采用物理模型的方式計算火球的大小、燃燒時間，沒有考慮空氣濕度、儲存溫度、泄漏量等對其后果的影響。因此，本文基于液化石油氣泄漏量、儲存溫度、空氣濕度等爆炸事故后果影響因素,進行數(shù)值模擬,力圖更全面地評估液化石油氣BLEVE事故的影響后果。

1 BLEVE事故簡介

圖1以1個液化石油氣儲罐破裂為例，說明不同條件下可能會出現(xiàn)的一系列災害形式，其中以沸騰液體蒸汽云爆炸的破壞力為甚[7]。如圖1所示，液化石油氣泄漏可產生BLEVE爆炸、噴射火焰等事故，BLEVE爆炸是液體受熱沸騰后形成氣體，導致容器爆裂后氣體泄出而產生爆炸的情況，該爆炸的特征是需經一段火災時間，然后劇烈爆炸，該爆炸可形成很大的火球，并且爆炸容器殘骸飛散很遠，人員被碎片擊中以及受極高溫度輻射熱影響，傷亡很大。BLEVE爆炸的主要危害有火球熱輻射、爆炸沖擊波超壓以及產生的容器碎片，與火球熱輻射造成的危害相比，沖擊波超壓及容器碎片的危害較小[8]。

圖1 LPG泄漏事故后果分析Fig.1 The analysis on LPG leakage

BLEVE作為1種危害極大的物理性爆炸事故，其直接原因有高溫罐體的超壓(過充或是安全閥失效)、機械損傷(罐體材料缺陷，腐蝕以及邊角、焊縫處的強度降低)、熱應力、壓應力、操作不當以及火焰的侵蝕等[9-11]，但該類事故經常會伴隨有化學過程(燃燒或氣體爆炸)，其危害更為嚴重，Jan Stawcyk[12]研究結果表明：1個盛裝11 kg丙烷-丁烷混合液化氣的標準壓力容器發(fā)生BLEVE爆炸的強度相當于0.7 kg的TNT爆炸。

2 基于ALOHA的事故模擬

ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmospheres)軟件是美國環(huán)保署同美國海洋和大氣管理辦公室聯(lián)合開發(fā)的CAMEO系列軟件之一。ALOHA經過多年發(fā)展，功能逐步完善，目前主要可以用于計算危險化學品泄漏后的毒氣擴散、火災、爆炸等事故后果，其針對?；肥鹿蕦е碌亩拘?、熱輻射和沖擊波等危害進行針對性計算分析，包括利用大氣擴散模型評估短時化學品泄漏區(qū)域，利用高斯和重氣擴散模型進行有毒氣體的擴散模擬，下面以1個例子進行說明。

2.1 事故概況及后果模擬分析

事故發(fā)生地點位于某大型城市交通樞紐，發(fā)生時間為中午上下班時間,液化石油氣罐車上放有1個臥式儲罐，其基礎數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

液化石油氣從閥門泄漏，泄漏口處為圓形，泄漏點在液體液面以上，不考慮連鎖爆炸反應；周圍人群密度為0.1人/m2，無障礙物；假設罐車爆炸只是由于LPG罐爆炸引起的，可以用LPG罐爆炸代替罐車爆炸；LPG主要由丙烷構成，考慮用丙烷代替LPG；圖2給出了在上述條件下，60 s內LPG泄漏形成沸騰液體擴展蒸汽云爆炸事故的危害范圍。

圖2 60s沸騰液體擴展蒸汽云爆炸事故危害范圍Fig.2 Boiling liquid expanding vapor explosion incident threat zone within 60 seconds

其中,潛在致死區(qū)域內的熱輻射值遠超過10 kw/m2， 60 s時間內，在該區(qū)域人員將會死亡，該區(qū)域范圍最大半徑為441 m；深度燒傷區(qū)域內的熱輻射值遠超過5 kw/m2，60 s時間內，在該區(qū)域人員將會造成2級深度燒傷，該區(qū)域危害范圍最大半徑為622 m；皮膚灼痛區(qū)域內的熱輻射值遠超過2 kw/m2，60 s時間內，在該區(qū)域人員將會感到皮膚灼痛，該區(qū)域危害范圍最大半徑為969 m。

2.2 泄漏量對受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時間的影響分析

表2是以表1模擬計算的基礎數(shù)據(jù)為前提，在液化石油氣儲罐泄漏量不同時，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍、火球直徑和火球燃燒時間的變化。

表2 不同泄漏量對受害范圍、火球直徑及火球燃燒時間的影響

續(xù)表2

圖3給出了液化石油氣泄漏量不同時，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍及火球直徑的變化。

圖3 不同泄漏量對受害區(qū)域范圍及火球直徑的影響Fig.3 Influence of different leakage on damage area and fireball diameter

方框、圓圈、上三角及下三角分別代表液化石油氣泄漏量不同時，BLEVE爆炸事故潛在致死、深度燒傷、皮膚灼痛受害區(qū)域及火球直徑的變化值。隨著液化石油氣儲罐泄漏量的增加，受害區(qū)域范圍、火球直徑都在明顯增加，但是其增長幅度在逐漸減小，即BLEVE爆炸事故產生的受害區(qū)域范圍、火球直徑都與泄漏量有關。

圖4給出了液化石油氣泄漏量不同時，BLEVE爆炸事故產生的火球燃燒時間的變化。

圖4 不同泄漏量對火球燃燒時間的影響Fig.4 Influence of different leakage on fire-fighting time of fireball

如圖4所示，泄漏量增加，火球燃燒時間也在增加，但是增加幅度較小，即火球燃燒時間與液化石油氣泄漏量有關。

2.3 儲存溫度對受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時間的影響分析

表3是以表1模擬計算的基礎數(shù)據(jù)為前提，在液化石油氣儲存溫度不同時，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍、火球直徑和火球燃燒時間的變化。

表3 不同儲存溫度對受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時間的影響

圖5給出了儲存溫度不同時，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍和火球直徑的變化。

圖5 不同儲存溫度對受害區(qū)域和火球直徑的影響Fig.5 Effects of different storage temperatures on damaged area and fireball diameter

圖5中，方框、圓圈、上三角及下三角分別代表液化石油氣儲存溫度不同時，BLEVE爆炸事故潛在致死、深度燒傷、皮膚灼痛區(qū)域及火球直徑的變化值。隨著液化石油氣儲存溫度的增加，受害區(qū)域范圍雖然都在減小(在一定溫度內，溫度每增加2 ℃，潛在致死受害區(qū)域范圍值減少3 m，深度燒傷受害區(qū)域范圍值減少4 m)，但對于火球直徑，隨著儲存溫度的增加，其保持不變。即在一定溫度變化范圍內，BLEVE爆炸事故產生的受害區(qū)域范圍與液化石油氣儲存溫度有關，火球直徑與儲存溫度無關。

圖6給出了儲存溫度不同時，BLEVE爆炸事故產生火球的燃燒時間的變化。

圖6 不同儲存溫度對火球燃燒時間的影響Fig.6 Effect of different storage temperature on combustion time of fireball

如圖6所示，儲存溫度增加，但是火球燃燒時間保持不變。這表明溫度的增大或減小對液化石油氣BLEVE爆炸事故產生火球的燃燒時間無影響，即火球燃燒時間與液化石油氣儲存溫度無關。

2.4 風速對受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時間的影響

表4是以表1模擬計算的基礎數(shù)據(jù)為前提，在風速不同時，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍、火球直徑和火球燃燒時間的變化。

表4 不同風速對受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時間的影響

圖7給出了不同風速下，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍及火球直徑的變化。

圖7 不同風速對受害區(qū)域范圍及火球直徑的影響Fig.7 Effects of different wind speeds on the range of victims and the diameter of fireball

圖7中，方框、圓圈、上三角及下三角分別代表風速不同時，BLEVE爆炸事故潛在致死、深度燒傷、皮膚灼痛區(qū)域及火球直徑的變化值。隨著風速的增加，受害區(qū)域范圍及火球直徑均保持不變。這說明風速的增大或減小對液化石油氣BLEVE爆炸事故危害范圍無影響，即BLEVE爆炸事故產生的受害區(qū)域范圍、火球直徑與風速無關。

圖8給出了不同風速下，BLEVE爆炸事故產生火球的燃燒時間的變化。

圖8 不同風速對火球燃燒時間的影響Fig.8 Influence of different wind speed on fire-fighting time of fireball

如圖8所示，風速增加，但是火球燃燒時間保持不變。這說明風速的增大或減小對液化石油氣BLEVE爆炸事故產生火球的燃燒時間無影響，即火球燃燒時間與風速無關。

2.5 空氣濕度對受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時間的影響

表5是以表1模擬計算的基礎數(shù)據(jù)為前提，在相對濕度不同時，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍及火球直徑和火球燃燒時間的變化。

圖9給出了不同相對濕度下，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍和火球直徑的變化。

圖9中，方框、圓圈、上三角及下三角分別代表液化石油氣儲存環(huán)境不同濕度不同時，BLEVE爆炸事故潛在致死、深度燒傷、皮膚灼痛區(qū)域及火球直徑的變化值。隨著相對濕度的增加，受害區(qū)域范圍都在減小，但是其幅度在逐漸降低。而對于火球直徑，隨著空氣相對濕度的增加，其保持不變。即在濕度變化過程中，BLEVE爆炸事故產生的受害區(qū)域范圍與空氣的相對濕度有關，但是變化幅度在逐漸減小，而火球直徑與相對濕度無關。

圖10給出了不同相對濕度下，BLEVE爆炸事故產生火球的燃燒時間的變化。

如圖10所示，隨著空氣相對濕度增加，火球燃燒時間保持不變。這表明相對濕度的增大或減小，對液化石油氣BLEVE爆炸事故產生火球的燃燒時間無影響，即火球燃燒時間與空氣的相對濕度無關。

表5 不同空氣濕度對受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時間的影響

圖9 不同濕度對受害區(qū)域范圍和火球直徑的影響Fig.9 The effect of different humidity on the affected area and the diameter of the fireball

圖10 不同濕度對火球燃燒時間的影響Fig.10 Influence of different humidity on combustion time of fireball

3 結論

1)液化石油氣泄漏量、空氣濕度、儲存溫度都影響B(tài)LEVE爆炸事故危害范圍，而風速與BLEVE事故危害范圍無關。液化石油氣泄漏量越大，BLEVE爆炸事故危害范圍越大；隨著空氣濕度增加，事故危害范圍在逐漸減小；隨著液化石油氣儲存溫度增加，事故危害范圍在逐漸減小。

2)液化石油氣泄漏量越大，BLEVE爆炸事故產生的火球直徑越大，燃燒時間或熱輻射時間越長；而空氣濕度、儲存溫度及風速對BLEVE的火球直徑及火球燃燒時間沒有影響。

[1] 道客巴巴.西安煤氣公司液化石油氣爆炸事故案例教學講義[EB/OL].(2012-06-23)[2017-05-05]. http://www.doc88.com/p-208931279753.html.

[2] 道客巴巴.沸騰液體擴展蒸氣云爆炸的危害與應急[EB/OL].(2016-05-31)[2017-05-05]. http://www.doc88.com/p-5037621529893.html.

[3] 王露熹, 余勁松, 魯博. 液化天然氣槽車泄漏事故風力影響因素模擬分析[J]. 化工生產與技術, 2013, 20(6):30-32.

WANG Luxi,YU Jinsong,LU Bo. Simulation analysis on wind speed influencing factors of leakage of liquefied natural gas tank [J]. Chemical Production and Technology,2013,20(6):30-32.

[4] 俞昌銘, 單彥廣, 肖金生,等. 液化氣儲罐受熱引爆機理分析[J]. 北京科技大學學報, 2013, 35(4):522-530.

YU Changming,SHAN Yanguang,XIAO Jinsheng,et al. Explosion meehanism analysis of liquefied Petroleum gas tanks exposed to fire [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2013,35(4):522-530.

[5] Bariha N, Mishra I M, Srivastava V C. Fire and explosion hazard analysis during surface transport of liquefied petroleum gas (LPG): A case study of LPG truck tanker accident in Kannur, Kerala, India[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 40:449-460.

[6] Planas E, Pastor E, Casal J, et al. Analysis of the boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE) of a liquefied natural gas road tanker: The Zarzalico accident[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015, 34:127-138.

[7] 陶莉玲. 液化石油氣儲罐泄漏火災爆炸事故后果模擬分析[J]. 廣州化工, 2012, 40(13):208-210.

TAO Liling. The Simulation Analysis of LPG Tanks Leakage Explosion Accident[J]. Guangzhou Chemical Industry 2012,40(13):208-210.

[8] 豆丁網. LNG儲罐區(qū)BLEVE爆炸危險性分析及撲救對策[EB/OL].(2012-12-07) [2017-05-05].http://www.docin.com/p-547743962.html.

[9] Abbasi T, Abbasi S A. The boiling liquid expanding vapour explosion (BLEVE): mechanism, consequence assessment, management[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 141(3):489-519.

[10] Genova B, Silvestrini M, Trujillo F J L. Evaluation of the blast-wave overpressure and fragments initial velocity for a BLEVE event via empirical correlations derived by a simplified model of released energy[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2008, 21(1):110-117.

[11] 王慶慧, 鄒偉, 榮皓月,等. BLEVE超壓模型與試驗對比分析[J]. 安全與環(huán)境學報, 2016(4):116-120.

WANG Qinghui,ZOU Wei,RONG Haoyue.BLEVE overpressure model and its experimentalcomparative analysis [J]. Journal of Safety and Environment, 2016(4):116-120.

[12] Stawczyk J. Experimental evaluation of LPG tank explosion hazards.[J]. Journal of Hazardous Materials, 2003, 96(2-3):189-200.