LPG罐車罐體爆炸原因分析及事故處置

李海江

0 引言

2020年6月13日，沈海高速一輛LPG（Lique fied Petroleum Gas，縮寫為L(zhǎng)PG，中文：液化石油氣）罐車爆炸，導(dǎo)致20人死亡，172人受傷，周邊部分民房及廠房倒塌，多輛汽車燒毀。據(jù)事故車后方車輛行車記錄儀顯示，16時(shí)55分43秒，罐車在匝道正常行駛，罐體及罐車后方?jīng)]有白霧產(chǎn)生，罐車一切正常；16時(shí)55分45秒，罐體突然發(fā)生斷裂并飛出；大約2min后，泄漏的液化石油氣起火發(fā)生爆炸，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。誘發(fā)罐體爆炸的直接原因是由于罐體內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所致。因此，研究罐車罐體爆炸原因，對(duì)預(yù)防和減少LPG罐車運(yùn)輸爆炸事故、減少人員傷亡有著重要意義。

1 罐體爆炸分析方法

常用的事故分析方法有事故樹、事件樹、安全檢查表、失效模式與影響分析等。為更好分析罐體爆炸的原因，通常采用事故樹分析法進(jìn)行分析。事故樹分析法（Fault Tree Analysis,縮寫為FTA）又稱故障樹分析，是從結(jié)果到原因采用圖形演繹和邏輯推理，把事件層層展開，找出事故有關(guān)因素之間的因果關(guān)系和邏輯關(guān)系的分析法。事故樹分析法的特點(diǎn)是果因關(guān)系清晰，對(duì)導(dǎo)致事故的各種原因及邏輯關(guān)系能做出全面、簡(jiǎn)潔、形象地描述，事故發(fā)生的直接原因、間接原因一目了然。因此，采用事故樹分析法來分析LPG罐車罐體爆炸原因是十分有效的方法。LPG罐車罐體爆炸事故樹如圖1。

2 罐車罐體爆炸原因分析

從事故樹中可以看出，導(dǎo)致罐體爆炸的原因有罐體缺陷、腐蝕、外力打擊、撞擊和超壓等。

2.1 罐體缺陷

圖 1 LPG罐車罐體爆炸事故樹

罐體缺陷包括材料缺陷和焊接缺陷，材料的缺陷會(huì)造成罐體韌性降低，焊接的缺陷會(huì)導(dǎo)致焊縫開裂。按照《液化氣體汽車罐車》（GB/T19905-2017）相關(guān)規(guī)定，罐體采用碳素鋼或低合金鋼鋼材，有Q235-C、20R、16MnR和 15MnVR幾種鋼種。Q235-C和20R，許用應(yīng)力較小，罐壁較厚，自重較大，運(yùn)用較少。16MnR罐體壁厚度適中，焊接工藝成熟，是目前壓力容器行業(yè)最常用的鋼種。15MnVR性能與16MnR相似，價(jià)格較高，運(yùn)用較少。按照特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG R7001-2013）相關(guān)規(guī)定，壓力容器要做壁厚測(cè)定、表面缺陷檢測(cè)、埋藏缺陷檢測(cè)、材料分析、強(qiáng)度校核、耐壓試驗(yàn)等檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)。罐體生產(chǎn)和定期檢驗(yàn)均有非常高的要求，罐體有先天性缺陷的概率較低，由先天性缺陷導(dǎo)致罐體破裂概率較小。

2.2 腐蝕

LPG罐車罐體材質(zhì)為鋼，油漆層脫落、LPG 中含有超標(biāo)的H2S和少量的水等容易造成罐體腐蝕。腐蝕致使罐壁變薄，罐體整體強(qiáng)度下降，造成罐體滲透、局部開孔或者LPG罐車腐蝕主要有：油漆層脫落且長(zhǎng)期暴露在惡劣天氣環(huán)境下造成外壁腐蝕；工藝的原因，LPG 中含有超標(biāo)的H2S和少量的水，形成了濕硫化氫環(huán)境，造成內(nèi)部腐蝕；在濕硫化氫腐蝕環(huán)境下，罐體會(huì)發(fā)生氫鼓泡，造成氫致開裂（氫脆）[1]。

2.3 外力打擊、撞擊

當(dāng)LPG罐車罐體在行駛的過程中遭受外部強(qiáng)力打擊、撞擊，或者因交通事故造成罐車側(cè)翻、翻滾等突發(fā)狀況時(shí)，罐體都可能發(fā)生形變受損，造成罐體應(yīng)力改變、使罐體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致罐體局部韌性開裂，從而引發(fā)爆炸。

2.4 超壓

造成超壓的原因有壓力表失效、安全閥失效、充裝過量、溫度升高、LPG組分等因素。

2.4.1 罐體爆炸所需壓力

LPG罐體出廠時(shí)和使用一定的周期后都要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，一般采用液壓試驗(yàn)，液壓試驗(yàn)壓力為罐體設(shè)計(jì)壓力的1.5倍即3.3MPa，但這個(gè)壓力小于罐體材料的破裂壓力。以現(xiàn)役的某種罐體為例，罐體設(shè)計(jì)壓力2.16MPa，材質(zhì)為16MnR，內(nèi)徑2400mm，外徑2436mm，壁厚18mm，根據(jù)中徑公式計(jì)算其罐體的破裂壓力為[2]：

不同廠家不同型號(hào)的罐體直徑、壁厚、設(shè)計(jì)壓力不同，如BJ431Y固定式液化石油氣罐車設(shè)計(jì)壓力1.8 MPa、直徑1500mm、壁厚10mm、材質(zhì)為16MnR[3]，根據(jù)中徑公式計(jì)算其罐體的爆破壓力為7.15 MPa。解放牌半掛式LPG罐車設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa、直徑1400mm，壁厚12mm、材質(zhì)為16MnR[3]，根據(jù)中徑公式計(jì)算其罐體的爆破壓力為9.18 MPa?？梢钥闯觯m然不同型號(hào)的罐體耐壓不同，但其能承受的壓力均比罐體設(shè)計(jì)壓力大，正常情況下使用，罐體不易發(fā)生爆炸。

表1 液化石油氣主要成分的臨界溫度和臨界壓力

2.4.2 安全閥、壓力表故障

液化石油氣主要成分C4H10約60%、C3H8約30%，C3～C4烯烴及其他烴類約10%[2]。其主要成分的臨界溫度和臨界壓力見表1。

從表1中可以看出，液化石油氣主要成分的臨界溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，只需要加壓就能液化。LPG罐車罐體設(shè)計(jì)溫度為50℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa～2.2 MPa， 工 作 壓 力 為 0.8 MPa。C3H8在64℃時(shí)飽和蒸氣壓為2.2MPa、50℃時(shí)飽和蒸氣壓為1.6 MPa、24 ℃時(shí)飽和蒸氣壓為0.8 MPa。相同溫度下C3H8的飽和蒸氣壓比C4H10高，正常運(yùn)輸狀態(tài)下的LPG溫度達(dá)不到50～64 ℃，罐體內(nèi)壓力達(dá)不到1.6～2.2 MPa。所以，壓力表、安全閥等安全附件故障，只要環(huán)境溫度沒有明顯上升，罐體內(nèi)壓力為介質(zhì)溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓，這個(gè)壓力小于罐體設(shè)計(jì)壓力，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于罐體的爆破壓力，不會(huì)造成未受損罐體爆炸。

2.4.3 液位計(jì)故障，過量充裝

因液位計(jì)失效、操作人員失誤等都會(huì)導(dǎo)致過量充裝。LPG液體具有熱脹冷縮的特點(diǎn)，隨著環(huán)境溫度升高，液體體積膨脹，罐體壓力增大。由于壓力的增長(zhǎng)是一個(gè)漸進(jìn)過程，罐體會(huì)產(chǎn)生鼓桶等變形現(xiàn)象，最終會(huì)使罐體發(fā)生韌性斷裂。

2.4.4 液化石油氣的溫度

LPG溫度升高，飽和蒸氣壓增大，罐體壓力增大。LPG溫度若僅受環(huán)境影響，溫度不會(huì)驟變，壓力不會(huì)驟增。如果罐體受到烘烤或接受大量熱輻射，LPG溫度快速上升，壓力會(huì)驟增，會(huì)造成罐體爆炸。

2.4.5 烯烴、二烯烴含量

LPG中含有10%的丙烯、丁烯等物質(zhì)，烯烴會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，放出熱量，可使罐體壓力升高，但是烯烴的聚合要具備一定的條件，一般條件下不容易發(fā)生。

罐車運(yùn)輸?shù)娜绻嵌《?，或者曾?jīng)運(yùn)輸過丁二烯，或者液化石油氣里含有大量的丁二烯，則爆炸危險(xiǎn)性將顯著增加。丁二烯在金屬鐵離子的催化作用下常溫就能與氧氣反應(yīng)生成過氧化物聚合物[4]。丁二烯過氧化物聚合物密度比液化石油氣大、比丁二烯大，易沉積并積累于設(shè)備死角處，極不穩(wěn)定，在外界撞擊、摩擦、沖擊、熱刺激等作用下容易發(fā)生爆炸[5]。丁二烯過氧化物聚合物一旦發(fā)生爆炸，罐內(nèi)壓力就驟增，超過罐體的耐壓時(shí)罐體爆炸。沈海高速LPG罐車罐體2秒時(shí)間內(nèi)罐體壓力由工作壓力上升到罐體破裂壓力，罐體發(fā)生脆性斷裂并飛出，只有化學(xué)反應(yīng)才能達(dá)到。罐體爆炸的直接原因可能是罐體內(nèi)殘留有丁二烯過氧化物聚合物這一類型的爆炸性物質(zhì)，特定的條件下爆炸性物質(zhì)發(fā)生爆炸，使罐體內(nèi)壓力驟增超過罐體耐壓發(fā)生罐體爆炸。

3 LPG罐車事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及消防救援措施

LPG罐車事故主要有罐體未受損未泄漏、罐體受損未泄漏、泄漏、著火4種類型。消防救援人員要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)災(zāi)情準(zhǔn)確偵查研判，充分辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)，采取科學(xué)措施處置。

3.1 災(zāi)情的偵查研判

LPG罐車事故處置風(fēng)險(xiǎn)較大，必須全面地自始至終地對(duì)災(zāi)情進(jìn)行偵查，準(zhǔn)確把握災(zāi)情基本情況才能制定相應(yīng)的救援行動(dòng)方案。

3.1.1 遠(yuǎn)觀罐車狀態(tài)，判斷安全附件儀器儀表工況

救援力量抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之前，偵查員應(yīng)使用望遠(yuǎn)鏡、無人機(jī)等遠(yuǎn)距離觀察罐車。罐車罐體頂部有安全閥，側(cè)面的閥門箱有物料進(jìn)出的液相管、氣相管、溫度表和壓力表，罐體尾部有液位計(jì)，氣相管聯(lián)通罐體頂部，供氣相物料進(jìn)出，液相管聯(lián)通罐體底部，供液相物料進(jìn)出。滿液位的罐體側(cè)翻30°，安全閥、氣相管將被液體浸沒，安全閥起不到泄壓作用，氣相管充滿液相介質(zhì)，壓力表失效。滿液位的罐體側(cè)翻90°，安全閥、氣相管被液體浸沒，安全閥和壓力表失效。滿液位的罐體倒轉(zhuǎn)180°，氣相管充液變成液相管，液相管充氣變成氣相管，安全閥、溫度表和壓力表失效。

3.1.2 遠(yuǎn)觀罐體，判斷災(zāi)情形式

救援力量抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之前，偵查員應(yīng)使用望遠(yuǎn)鏡、無人機(jī)等遠(yuǎn)距離觀察罐體。LPG泄漏氣化要吸收大量的熱量，會(huì)使空氣中的水蒸氣凝結(jié)成水霧，將會(huì)看到大量的白霧。觀察到煙團(tuán)則表明罐體發(fā)生瞬時(shí)泄漏，看到煙羽則表明罐體發(fā)生連續(xù)泄漏，看到火焰則表明罐體正在燃燒，看到火球則表明發(fā)生了爆炸。

3.1.3 檢查罐體，評(píng)估罐體受損情況

救援力量抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，偵查組必須察看罐體受損情況，特別是罐車發(fā)生側(cè)翻、翻滾后，必須仔細(xì)觀察罐體是否有撞擊痕跡、是否有明顯的凹陷、是否有明顯的劃痕、是否有形變。罐體受損應(yīng)力改變、耐壓強(qiáng)度改變，如果環(huán)境溫度較高，安全閥失效，存在罐體破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.4 實(shí)時(shí)記錄參數(shù)，嚴(yán)防事故惡化

救援力量抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，根據(jù)罐體所處狀態(tài)，判斷溫度表、壓力表、液位計(jì)、氣相管、液相管工作情況。要指定主要負(fù)責(zé)人定時(shí)查看溫度表、壓力表、液位計(jì)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。溫度升高、壓力驟增是危險(xiǎn)信號(hào)，存在罐體破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 事故處置

3.2.1 罐體未受損未泄漏的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及救援措施

罐車交通事故或車輛系統(tǒng)故障，罐體完好未受損，液化石油氣沒有泄露。此種情況風(fēng)險(xiǎn)較低，通常無罐體爆炸的危險(xiǎn)，可采取倒灌輸轉(zhuǎn)、吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)等措施處置。

3.2.2 罐體受損未泄漏的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及救援措施

罐體因撞擊、擦碰、傾翻、墜落等原因受損，但沒有介質(zhì)泄漏。要準(zhǔn)確判斷溫度表、壓力表、液位計(jì)、氣相管、液相管工作情況。罐體受損，耐壓性能降低，受損部位可能破裂，發(fā)生物理爆炸；罐體破裂后，液化石油氣泄漏，遇到點(diǎn)火源發(fā)生蒸氣云爆炸。罐體受損必須及時(shí)冷卻降溫，降低罐體溫度，降低罐內(nèi)壓力，嚴(yán)防罐體物理爆炸。密切關(guān)注壓力表，若壓力長(zhǎng)時(shí)間較高或接近設(shè)計(jì)壓力，應(yīng)采緊急措施，打開緊急切斷閥，打開氣相管（根據(jù)罐體狀態(tài)判斷，哪個(gè)接口是氣相管）閥門，開啟氣相管泄壓，嚴(yán)防罐體爆炸?？刹扇〉构噍斵D(zhuǎn)、放空排險(xiǎn)、吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)、引流控?zé)却胧┨幹?。若罐體受損嚴(yán)重，不建議吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)，防止罐體在吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)過程中意外破裂，物質(zhì)意外釋放，發(fā)生二次災(zāi)害。

3.2.3 罐體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及救援措施

罐體因撞擊、擦碰、傾翻、墜落等原因受損泄漏。泄漏可能是氣相、液相，也可能是氣液兩相泄漏。要準(zhǔn)確判斷溫度表、壓力表、液位計(jì)、氣相管、液相管工作情況。泄漏介質(zhì)與空氣相互混合遇到點(diǎn)火源發(fā)生蒸氣云爆炸。要嚴(yán)格控制和消除點(diǎn)火源，要做好警戒，要及時(shí)出水稀釋驅(qū)散泄漏的液化石油氣，嚴(yán)防爆炸的發(fā)生?？刹扇±鋮s降溫、稀釋抑爆、堵漏封口、倒灌輸轉(zhuǎn)、放空排險(xiǎn)、引流控?zé)却胧┨幹谩?/p>

3.2.4 罐體著火的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及救援措施

罐體因撞擊、擦碰、傾翻、墜落等原因受損泄漏，蒸氣云爆炸或者罐體穩(wěn)定燃燒。要準(zhǔn)確判斷溫度表、壓力表、液位計(jì)、氣相管、液相管工作情況。燃燒區(qū)產(chǎn)生的熱量通過熱輻射、熱傳導(dǎo)使罐體受熱，罐內(nèi)的液化石油氣溫度升高，壓力增大，要及時(shí)對(duì)罐體進(jìn)行冷卻，若罐體壓力持續(xù)升高，要采取緊急泄壓措施。閥門箱、罐體較小裂口泄漏著火，可采取冷卻降溫、堵漏封口等措施；罐體裂口較大，無法堵漏，不建議滅火，可采取冷卻降溫、控制燃燒等措施，直至液化石油氣全部燒完。

4 結(jié)論

采用事故樹分析法對(duì)LPG罐車罐體爆炸事故進(jìn)行分析，對(duì)罐車罐體爆炸原因建立了科學(xué)、合理、完善的事故樹。通過對(duì)事故樹各中間事件的詳盡分析，論證了罐體缺陷、腐蝕、外力打擊、撞擊和超壓等因素對(duì)罐車罐體安全性的影響。針對(duì)汽車罐車罐體未受損未泄漏、罐體受損未泄漏、罐體泄漏、罐體著火的4種事故主要形式提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及救援措施。