一起反應失控爆炸事故的超壓后果分析*

孫 峰

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104)

0 前言

爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓是爆炸的主要危害形式。目前，存在多種模型計算爆炸的超壓效應，如計算蒸氣云爆炸超壓的TNT法、多能法與Bake-Strehlow法等，計算物理爆炸超壓的Baker-Tang法等。沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE)是物理爆炸的主要形式之一。

本文以一起反應失控導致的BLEVE爆炸事故為例，通過TNT法與Baker-Tang爆炸曲線法對事故超壓后果進行計算，并與現(xiàn)場證據(jù)相比較，考察不同模型計算的準確性，確定反應失控導致爆炸超壓的優(yōu)化計算模型。

1 事故概況

2016年8月，某丁二醇(BDO)工廠的廢催化劑儲罐發(fā)生爆炸。該廢催化劑儲罐的物料組成見表1，經(jīng)分析，事故是由于儲罐中物料的放熱反應引起溫度、壓力上升，罐體撕裂失壓，最終導致沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE)而引起。

表1 轉(zhuǎn)移至儲罐B中的反應混合物組成

爆炸造成儲罐解體，部分設施及周邊建筑物嚴重損壞，1人死亡。圖1是事故中兩個最大碎片飛行軌跡的俯視圖。圖2顯示了爆炸造成的管廊和建筑物損壞情況。

圖1 碎片飛行軌跡俯視圖

圖2 爆炸造成的管廊和建筑物損壞情況

2 爆炸后果計算模型與方法

2.1 不同爆炸超壓下的現(xiàn)象

參照TNO紫皮書與《化工過程安全理論及應用》，可以得到爆炸現(xiàn)場不同破壞情況時的爆炸超壓，典型的對應關(guān)系見表2。

表2 不同超壓下的破壞情況

2.2 爆炸超壓的理論確定方法

爆炸超壓理論上的確定方法可分為TNT法和Baker-Tang爆炸曲線法。

TNT法爆炸超壓的計算公式如下：

(1)

式中：

z

——比擬距離，m/kg；

x

——距爆炸源的距離，m；

m

——TNT當量質(zhì)量，kg。

m

的計算方法為：

(2)

式中：Δ

H

——爆炸釋放用于沖擊波的能量,kJ；Δ

H

——TNT釋放能量,4 600 kJ/kg。

(3)

式中：

p

——

x

位置處的爆炸超壓,kPa；

P

——環(huán)境壓力,100 kPa；

式(3)對發(fā)生在地面上的TNT爆炸有效，對于發(fā)生在高空中的爆炸，超壓應該乘以0.5。

(4)

式中：

E

——爆炸能量,kJ；

然后根據(jù)圖3所示Baker-Tang爆炸曲線確定爆炸超壓,圖中

P

/

P

為初始壓力與環(huán)境壓力比值。

圖3 不同容器壓力下的爆炸能量

2.3 爆炸能量的估算方法

爆炸前儲罐的溫度高于環(huán)境溫度下水的沸點，因此選擇閃蒸液體法計算爆炸能量。考慮地面反射效應，爆炸能量需要加倍。爆炸能量可以用下面的方程式來確定。

E

=2(1-

η

)

e

m

(5)

式中：

E

——膨脹能量,kJ；

η

——用于拋射物的能量比；

m

——液體的質(zhì)量,kg；

e

——單位質(zhì)量釋放總能量,kJ/kg，計算方法如下：

e

=

u

-

u

(6)

u

=

h

-

P

v

1

(7)

u

=(1+

X

)

h

2+

Xh

2-(1-

X

)

P

v

2-

XP

v

2

(8)

(9)

式中：

u

——單位質(zhì)量的內(nèi)能,kJ/kg；

h

——比焓,kJ/kg；

P

——絕對壓力,kPa；

v

——比體積,m/kg；

X

——蒸氣質(zhì)量分數(shù)；

S

——比熵,kJ/(kg·K)；下標1表示初始狀態(tài)，下標2表示環(huán)境壓力下的狀態(tài)，下標

f

表示液相，下標

g

表示氣相。

3 爆炸后果分析

3.1 確定爆炸超壓

根據(jù)現(xiàn)場的破壞情況，按照表2所列不同超壓下的破壞情況，爆炸超壓情況可確定為表3。

表3 根據(jù)爆炸現(xiàn)場確定的爆炸超壓

爆炸中心以南50 m管廊發(fā)生傾斜變形，超壓估計為15.8 kPa；爆炸中心以西92 m的房屋窗戶嚴重受損，超壓估計為7～10 kPa；爆炸中心以東107 m窗戶框架偶爾遭到破壞，房屋部分破壞，不能居住，爆炸超壓6.9 kPa。

3.2 計算爆炸能量

爆炸初始狀態(tài)下的溫度約為150 ℃。當填充率為80%時，罐內(nèi)液體的質(zhì)量遠大于氣相的質(zhì)量，因此忽略了氣體物理爆炸的能量。過熱液體釋放的能量可以用式(5)～式(9)計算。表4列出了水在初始狀態(tài)和最終狀態(tài)下的熱力學數(shù)據(jù)。

由表4計算可知，

u

和

u

分別為631.80，602.82 kJ/kg，因此單位質(zhì)量釋放能量

e

為28.98 kJ/kg。

表4 水在初始和最終狀態(tài)下的熱力學數(shù)據(jù)

儲罐容積為188 m，填充率為80%，混合料密度為1 200 kg/m，水質(zhì)量分數(shù)為50%，水質(zhì)量為90 240 kg。爆炸能量包括用來使容器破裂，拋出碎片。撕裂容器所需的能量占總能量的比例相對較低，可以忽略不計。爆炸用來推動碎片的能量占總能量的20%～50%。因此，使用方程(5)估計膨脹能

E

為2.62E+9 J(用于碎片的能量占50%)到4.18E+9J(用于碎片的能量占20%)。

3.3 計算爆炸超壓

爆炸超壓采用TNT當量法與Baker-Tang爆炸曲線法計算，TNT當量法用方程(1)、(2)和(3)計算，Baker-Tang爆炸曲線法用方程(3)和圖3計算。表5列出了計算的爆炸超壓。

從表5可以看出，TNT當量法計算的結(jié)果明顯高估超壓，這是由于TNT法建立在假設燃料爆炸行為與TNT爆炸相似的基礎上，而BLEVE爆炸行為顯然與TNT爆炸行為有較大不同。用Baker-Tang爆炸曲線法計算的超壓與根據(jù)爆炸現(xiàn)場破壞情況確定的超壓非常吻合，特別是當估計碎片所占能量在32%～50%之間時，結(jié)果幾乎一致。因此，Baker-Tang爆炸曲線法比TNT當量法更適合于BLEVE超壓預測。

表5 TNT當量法與Baker-Tang爆炸曲線法計算的爆炸超壓

4 結(jié)論

通過爆炸現(xiàn)場的證據(jù)分析確定了BLEVE爆炸的實際超壓，通過TNT法與Baker-Tang爆炸曲線法計算了理論超壓，結(jié)果表明：用TNT當量法計算的理論超壓過高估計了實際超壓。當估計碎片所占能量在32%～50%之間時，Baker-Tang爆炸曲線法計算的超壓與實際爆炸超壓吻合較好。因此，Baker-Tang爆炸曲線法是沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE)超壓預測的有效工具。