粗苯儲罐蒸氣云爆炸后果定量分析*

王慧思， 王保民

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

近年來， 國內(nèi)外因危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏而造成火災(zāi)或爆炸的事故頻發(fā). 1984年， 墨西哥某液化氣廠因人為因素導(dǎo)致球罐破裂致使儲存的液化氣泄漏， 并引發(fā)火災(zāi)爆炸事故， 造成500多人死亡， 7 000多人受傷[1]. 2010年， 江蘇南京某液化氣廠乙烯泄漏遇明火發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿剩?導(dǎo)致3人死亡， 300多人受傷. 粗苯作為焦炭生產(chǎn)的副產(chǎn)品， 用途廣泛， 是重要的化工原料和中間產(chǎn)物. 但粗苯液體多儲存于大型儲罐中， 考慮到粗苯液體具有易燃易爆和高揮發(fā)性的特點(diǎn)， 粗苯液體的高度集中存儲大大提高了儲罐區(qū)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn). 儲罐在燃爆超壓下的強(qiáng)度失效形式與儲罐中液位的高度有關(guān)[2]. 當(dāng)儲罐液位較高時(shí)(不低于半滿狀態(tài))， 儲罐表現(xiàn)為罐頂破裂. 當(dāng)儲罐液位較低時(shí)(低于半滿)， 儲罐表現(xiàn)為罐底破裂. 儲罐破裂位置不同， 儲罐事故類型也不同. 結(jié)合實(shí)際常見粗苯儲罐事故類型， 選取蒸氣云爆炸模型， 采用TNT當(dāng)量法對5 000 m3粗苯儲罐在不同充裝量條件下因燃爆超壓引起儲罐罐頂破裂的蒸汽云爆炸進(jìn)行后果定量分析. 對于任何充裝量下的儲罐蒸氣云爆炸事故， 定量計(jì)算死亡半徑、 重傷半徑、 輕傷半徑和財(cái)產(chǎn)損失半徑的臨界值， 結(jié)合大量事故統(tǒng)計(jì)案例的數(shù)據(jù)分析， 預(yù)測出實(shí)際值. 對于儲罐區(qū)防火間距的合理設(shè)置具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

1　蒸氣云爆炸理論

蒸氣云爆炸是由于氣體或易于揮發(fā)的液體可燃物的大面積泄漏， 與周圍空氣混合形成大面積的“預(yù)混云”， 在某一有限空間遇點(diǎn)火源而導(dǎo)致的爆炸[3]. 蒸氣云爆炸產(chǎn)生的破壞效應(yīng)主要有沖擊波超壓、 熱輻射、 碎片作用等， 但最危險(xiǎn)、 破壞力最強(qiáng)的是沖擊波的破壞效應(yīng)[4]. 近年來， 國內(nèi)外學(xué)者針對蒸氣云爆炸事故做了大量的研究工作， 使得蒸氣云爆炸的理論日益成熟. 一般采用TNT當(dāng)量法對蒸氣云爆炸的破壞強(qiáng)度進(jìn)行定量評估.

1.1　TNT當(dāng)量法

TNT當(dāng)量法是評價(jià)蒸氣云爆炸破壞力的典型方法[5]. 其原理是采用能量相當(dāng)?shù)姆▌t， 將蒸氣云爆炸釋放的能量換算為能釋放相同能量時(shí)對應(yīng)的TNT炸藥的質(zhì)量， 從而把未知的蒸氣云的量轉(zhuǎn)化為已知的TNT當(dāng)量, 進(jìn)而用TNT爆炸的結(jié)果和規(guī)律預(yù)測蒸氣云爆炸的強(qiáng)度.

1.1.1爆炸釋放的總能量

E=1.8×a×Wf×Hf,

(1)

式中:E為爆炸釋放的能量， 單位： kJ；a為蒸氣云當(dāng)量系數(shù)， 取0.04；Wf為蒸氣云中可燃物的質(zhì)量， 單位： kg；Hf為物質(zhì)的燃燒熱， 單位： kJ/kg.

1.1.2爆炸物質(zhì)的TNT當(dāng)量

WTNT=E/HTNT,

(2)

式中：WTNT為爆炸物質(zhì)的TNT當(dāng)量， 單位： kg；HTNT為TNT的爆熱， 單位： kJ/kg； 取4 520 kJ/kg.

1.2　爆炸沖擊波的各級損害半徑定量計(jì)算

通常采用沖擊波超壓準(zhǔn)則， 沖量準(zhǔn)則以及超壓-沖量準(zhǔn)則等對爆炸沖擊波的破壞效應(yīng)進(jìn)行評價(jià). 而爆炸沖擊波的各級損害半徑按對人和物的破壞嚴(yán)重度分為死亡區(qū)、 重傷區(qū)、 輕傷區(qū)和財(cái)產(chǎn)損失區(qū)[6].

1.2.1死亡區(qū)半徑的計(jì)算

死亡區(qū)半徑R1按沖擊波超壓-沖量準(zhǔn)則[7]公式計(jì)算

R1=13.6×(WTNT/1 000)0.37,

(3)

式中：R1為死亡區(qū)半徑， 單位： m.

1.2.2重傷區(qū)、 輕傷區(qū)半徑的計(jì)算

重傷區(qū)半徑R2、 輕傷區(qū)半徑R3按沖擊波超壓準(zhǔn)則[8]公式計(jì)算

Ln(ΔPs/P0)=-0.912 6-1.505 8lnZ+0.167ln2Z-0.032ln3Z,

(4)

式中:Z為中間因子， 其計(jì)算公式為Z=R/(E/P0)1/3；R為目標(biāo)到蒸氣云中心的距離， 單位為m； ΔPs為蒸氣云爆炸沖擊波超壓值， 單位為Pa； 計(jì)算重傷半徑時(shí)取44 kPa, 計(jì)算輕傷半徑時(shí)取17 kPa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓， 單位為Pa； 取101 325 Pa.

利用Matlab計(jì)算上述公式， 求得重傷半徑時(shí)， 相應(yīng)的實(shí)數(shù)解Z2=0.949 5； 輕傷半徑時(shí)， 相應(yīng)的實(shí)數(shù)解Z3=1.852 7.

1.2.3財(cái)產(chǎn)損失半徑的計(jì)算

財(cái)產(chǎn)損失半徑R4根據(jù)建筑物破壞等級為二級時(shí)按式(5)計(jì)算

(5)

式中：R4為財(cái)產(chǎn)損失半徑， 單位為m.

2　實(shí)例分析

以山西某化工廠粗苯儲罐為例， 建立該儲罐罐頂破裂的蒸氣云爆炸模型， 分別選取最高液位的1/2,2/3,3/4,4/5,5/6 5組不同液位的粗苯儲罐數(shù)據(jù)， 采用TNT當(dāng)量法對蒸氣云爆炸后果進(jìn)行定量分析.

該儲罐容積為5 000 m3， 高度為18.4 m， 最高液位為16 m， 粗苯的燃燒熱為42 050 kJ/kg， 密度為0.874 t/m3, 計(jì)算得到該儲罐內(nèi)粗苯液體的最大存儲量為3 496 t(參考儲罐最高液位， 按儲罐容積的80%計(jì)).

2.1　計(jì)算儲罐內(nèi)粗苯蒸氣云爆炸沖擊波作用下破壞強(qiáng)度的最小值

粗苯蒸氣的燃燒需要氧氣的參與， 不考慮儲罐罐頂破裂后粗苯蒸氣泄漏擴(kuò)散引起的蒸氣云爆炸的二次破壞后果， 儲罐內(nèi)氧氣含量的多少決定了粗苯實(shí)際參與燃爆反應(yīng)的最小值.

2.1.1基本假設(shè)

1) 空氣組成成分按體積百分?jǐn)?shù)計(jì)， O2占21%， N2占79%， 其余成分忽略不計(jì)；

2) 所有氣體都看作理想氣體， 單位摩爾體積取22.4 m3/kmol；

3) 可燃物與氧氣完全燃燒， 化學(xué)反應(yīng)符合化學(xué)計(jì)量比.

2.1.2計(jì)算實(shí)際參與反應(yīng)的粗苯量

1) 參與反應(yīng)的方程式為

C6H6+7.5O2=6CO2+3H2O

(6)

即1 m3粗苯蒸氣參與反應(yīng)， 需要消耗7.5 m3O2.

2) 儲罐內(nèi)氧氣含量最大值

VO2=0.21Vair=0.21×(5 000-0.5×3 496/0.874)=630 m3.

(7)

3) 實(shí)際參與反應(yīng)的粗苯量

MC=0.874×630/7.5=73.416 t.

(8)

2.1.3計(jì)算儲罐內(nèi)蒸氣云爆炸沖擊波作用下破壞強(qiáng)度指標(biāo)的最小值

粗苯儲罐內(nèi)液位水平分別為最高液位的1/2,2/3,3/4,4/5,5/6時(shí)， 意外燃爆超壓引起蒸氣云爆炸， 其各級強(qiáng)度破壞指標(biāo)計(jì)算所得最小值見表 1.

表 1　儲罐內(nèi)不同液位蒸氣云爆炸破壞評價(jià)指標(biāo)最小值

從表 1 可以得出： 儲罐內(nèi)參與反應(yīng)的粗苯量與儲罐的液位高度呈負(fù)相關(guān). 即儲罐內(nèi)粗苯液體的液位越高， 參與反應(yīng)的粗苯量越少， 各級傷害半徑的破壞強(qiáng)度越小. 這是因?yàn)榇直絻迌?nèi)粗苯液體的液位越高， 儲罐液面上方氣相空間的體積越小， 相應(yīng)的氧氣含量越少， 氧氣的量決定了參與反應(yīng)的粗苯蒸氣的量. 對于儲罐內(nèi)任意給定的液位水平下發(fā)生蒸氣云爆炸， 均可以定量計(jì)算其各級破壞強(qiáng)度， 破壞強(qiáng)度相對大小關(guān)系為：R3>R4>R2>R1.

2.2　計(jì)算儲罐內(nèi)粗苯蒸氣云爆炸沖擊波作用下的破壞強(qiáng)度最大值

考慮到粗苯液體具有極強(qiáng)的揮發(fā)性， 計(jì)算粗苯液體在較長延滯作用下從儲罐罐頂破裂位置處全部泄漏的蒸氣云爆炸破壞強(qiáng)度指標(biāo)值[9]， 計(jì)算結(jié)果見表 2.

表 2　儲罐內(nèi)不同液位蒸氣云爆炸破壞評價(jià)指標(biāo)最大值

從表 2 可以得出:儲罐內(nèi)參與反應(yīng)的粗苯量與儲罐的液位高度呈正相關(guān). 即隨著粗苯儲罐液位的升高， 參與反應(yīng)的粗苯的量越多， 各級傷害半徑的破壞強(qiáng)度越大. 對于儲罐內(nèi)任意給定的水平下發(fā)生蒸氣云爆炸， 均可以準(zhǔn)確預(yù)測其各級破壞強(qiáng)度的最大危險(xiǎn)性， 且其破壞強(qiáng)度相對大小仍滿足關(guān)系：R3>R4>R2>R1.

2.3　儲罐內(nèi)不同液位粗苯蒸氣云爆炸破壞強(qiáng)度指標(biāo)的臨界值分析

儲罐內(nèi)易燃易爆介質(zhì)的燃爆反應(yīng)往往十分復(fù)雜， 以粗苯介質(zhì)為例， 儲罐內(nèi)粗苯蒸氣燃爆反應(yīng)不僅可能引起儲罐破裂失效， 而且儲罐破裂后粗苯液體的進(jìn)一步揮發(fā)與空氣混合遇點(diǎn)火源可能引起更嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)[10]. 因此實(shí)際發(fā)生的儲罐燃爆事故情況復(fù)雜， 但其爆炸破壞強(qiáng)度總是處在某個區(qū)間范圍. 粗苯儲罐內(nèi)不同液位下的蒸氣云爆炸比較分析見圖 1 和圖 2.

圖 1　儲罐內(nèi)不同液位高度的粗苯存儲量及其參與反應(yīng)量比較分析Fig.1　Comparative analysis of the crude-benzene storage of different liquid level in tank

從圖 1 可以得出： 儲罐內(nèi)粗苯液體的液位越高， 相應(yīng)粗苯的存儲量越大， 但實(shí)際參與反應(yīng)的粗苯量越少. 實(shí)際參與反應(yīng)的粗苯量對應(yīng)的是粗苯蒸氣云爆炸破壞強(qiáng)度的最小值. 在考慮最不利條件時(shí)， 儲罐內(nèi)存儲的粗苯液體全部泄漏對應(yīng)的是粗苯蒸氣云爆炸破壞強(qiáng)度的最大值. 結(jié)合大量事故統(tǒng)計(jì)案例的數(shù)據(jù)分析， 實(shí)際爆炸破壞強(qiáng)度總是處于最值區(qū)間， 且更接近最小值.

從圖 2 可以得出： 儲罐內(nèi)粗苯液體的液位越高， 粗苯蒸氣云爆炸的各級損害半徑的Rmax越大， 但各級損害半徑的Rmin越小， 這主要與參與反應(yīng)的粗苯液體的量有關(guān). 為儲罐處于任意液位高度下(不低于半滿狀態(tài))， 均可以得到其蒸氣云爆炸破壞強(qiáng)度范圍， 為儲罐區(qū)防火間距的合理設(shè)置提供依據(jù).

圖 2　儲罐內(nèi)不同液位高度的粗苯蒸氣云爆炸各級損害半徑比較分析Fig.2　Comparative analysis of the damage radius at all levels of crude-benzene vapor cloud explosion at different liquid level in tank

3　結(jié)　論

1) 儲罐內(nèi)粗苯液體的液位越高， 儲罐內(nèi)實(shí)際參與反應(yīng)的粗苯量越少， 各級傷害半徑的破壞強(qiáng)度越小. 考慮最不利條件的情況， 儲罐內(nèi)粗苯液體全部泄漏， 則儲罐內(nèi)粗苯液體的液位越高， 儲罐內(nèi)理論參與反應(yīng)的粗苯量越多， 各級傷害半徑的破壞強(qiáng)度越大. 各級傷害半徑的相對關(guān)系：R3>R4>R2>R1.

2) 儲罐內(nèi)粗苯液體的液位越高， 其相應(yīng)的粗苯蒸氣云爆炸的各級損害半徑的Rmax就越大， 其各級損害半徑的Rmin就越小. 對于儲罐內(nèi)某一液位高度下的蒸氣云爆炸事故， 均可以定量計(jì)算出各級損害半徑的臨界范圍， 其對于化工企業(yè)類似的事故其破壞強(qiáng)度更接近于最小值.

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