二氧化碳充裝過程爆炸事故后果模擬分析研究

姜斌

摘要：瓶裝二氧化碳廣泛應(yīng)用于人民的生產(chǎn)生活中，二氧化碳氣體充裝過程的安全問題也越來越受重視，由于二氧化碳氣瓶受壓力、溫度影響較大，一旦發(fā)生爆炸會造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。本文對瓶裝二氧化碳充裝過程的安全問題進行了分析，以伊川縣某氣瓶充裝站為例對氣瓶充裝過程的爆炸事故后果進行了模擬計算，研究結(jié)果對提高二氧化碳充裝的安全水平和充裝項目的安全運行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：二氧化碳;充裝;安全;爆炸

引言：隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，氣體越來越廣泛的存在于各行各業(yè)的生產(chǎn)過程中，并且潛移默化地融入在我們的日常生活中。其中，CO2廣泛應(yīng)用于石油化工、食品、焊接、消防、制冷、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)及石油開采等領(lǐng)域[1]，為了滿足這些行業(yè)的不同需求，CO2運輸和使用的安全就顯得異常重要。氣瓶就是最普遍的的一種運輸方式，氣瓶充裝帶來的危險往往都不是小問題，作為具有爆炸危險可能的設(shè)備，不論是泄露還是爆炸，都會帶來巨大的損害，因此，氣瓶充裝安全的相關(guān)研究需進一步深入[2]。

一、 二氧化碳氣瓶充裝的危險性分析

氣瓶充裝工藝和過程中含有的危險因素有[3]：一具有燃燒性、二具有毒性、三具有腐蝕性、四具有爆炸性;但二氧化碳并不具有燃燒性，不參與燃燒反應(yīng)甚至會阻止燃燒，相對其他氣體而言是比較安全的氣體，也沒有毒性和腐蝕性，瓶內(nèi)氣體的溫度和壓力對氣體狀態(tài)和危險性有很大影響。

二氧化碳充裝工藝流程主要包括：低溫貯藏、低溫液體泵、氣體充裝、氣瓶儲存[4]。二氧化碳充裝時還要嚴格按照季節(jié)標準充裝量來進行充裝，否則危險性也會大大增加。除此之外，液態(tài)二氧化碳在常壓情況下容易快速氣化，可能導致接近零下80攝氏度的低溫，很容易傷害到皮膚與眼睛[5]。

二、氣瓶充裝安全問題研究方法

氣瓶充裝具有危險性，而不同氣體之間的特性也各有差別，在對氣瓶充裝進行安全評價與管理時，要根據(jù)不同情況分別分析。在進行氣瓶充裝安全評價研究時，除了按照國家要求和標準外，還需考慮具體單位設(shè)施狀況、生產(chǎn)儲存流程以及運輸流程等。其中，安全檢查表法作為一種最基本的安全評價方法，在氣瓶充裝安全評價中得到廣泛應(yīng)用，此外還有一些學者運用模糊評價、層次分析法、故障樹分析法、道化學火災、爆炸指數(shù)評價法等或是將多個方法結(jié)合起來對氣瓶充裝進行評價[6]。在此基礎(chǔ)上，也可以使用重大事故后果模擬分析對項目的固有危險程度和風險程度進行定量分析評價，重大事故后果模擬分析是安全評價過程中危險源危險性分析的一個重要組成部分。

三、爆炸事故后果模擬分析

二氧化碳氣瓶充裝工藝爆炸事故主要是物理爆炸，氣瓶受到高溫如近火或陽光暴曬時瓶內(nèi)壓力升高、野蠻裝卸、超過耐壓極限等，都易發(fā)生物理爆炸。運用二氧化碳氣瓶爆炸事故后果模擬計算，可以定量的描述氣瓶爆炸對人員、設(shè)備及周圍環(huán)境造成危害的嚴重程度。爆炸事故后果模擬分析分為兩步：

1.爆破能量的計算

當氣瓶發(fā)生物理性爆炸時，溫度、壓力、體積等物理參數(shù)迅速發(fā)生變化，在瞬間放出大量能量并對外做功，一只氣瓶爆炸后所釋放的爆破能量可由下式計算：

式中：—氣體的爆破能量，kJ;—容器內(nèi)氣體的絕對壓力，MPa;—容器的容積，m3;—氣體的絕熱指數(shù)，即氣體的定壓比熱與定容比熱之比。

2.爆炸沖擊波及其傷害、破壞作用

當氣瓶發(fā)生物理性爆炸時產(chǎn)生爆炸沖擊波，對其波及范圍內(nèi)人員、設(shè)備等造成傷害和破壞，相關(guān)參數(shù)計算如下：

（1）將爆破能量Eg換算成TNT當量q：

（2）求爆炸模擬比：

（3）計算死亡半徑：

當沖擊波超壓大于0.1MPa時將導致大部分人員死亡，以此作為超壓致人死亡的極限值。根據(jù)1000kgTNT爆炸時的沖擊波超壓試壓所知，當1000kgTNT爆炸時，在爆炸中心23m處將產(chǎn)生大于0.1MPa的超壓，其計算公式為：

以伊川縣某氣瓶充裝站為例，一只二氧化碳氣瓶的物理參數(shù)取值為：=15MPa，=0.04m3，=1.397，代入上述公式（1）-（4）計算得出：

爆破能量=1508kJ，死亡半徑為1.6m。

由此可知，單只二氧化碳氣瓶充裝時的死亡距離為1.6m，雖然單只氣瓶發(fā)生爆炸時死亡半徑不大，但對操作人員的危害不可避免，如果引起其他氣瓶連環(huán)爆炸，產(chǎn)生的破壞力將極其嚴重，后果不堪設(shè)想，因此氣瓶充裝企業(yè)和管理部門應(yīng)進一步采取自我防護措施，加強安全管理。

四、結(jié)語

二氧化碳氣瓶充裝工藝和過程中存在氣瓶爆炸的危險性，本文采用重大事故后果模擬分析對伊川縣某氣瓶充裝站二氧化碳充裝過程中的固有危險程度和風險程度進行定量分析計算，得到單個氣瓶爆炸的爆破能量為1508kJ，死亡半徑為1.6m，建議氣瓶充裝作業(yè)人員在操作時應(yīng)該注意安全距離，采取自我防護措施，并避免氣瓶連環(huán)爆炸事故的發(fā)生。

參考文獻：

[1]張美華. 二氧化碳生產(chǎn)及應(yīng)用[M]. 西安： 西北大學出版社， 1988.

[2]王慶春. 氣瓶充裝安全性的認識[J]. 川化， 2001（04）：20-21.

[3]施倚. 工業(yè)氣瓶使用中存在的較大危險因素有哪些[J]. 勞動保護， 2017（4）：95-95.

[4]王璇. 淺析自動充裝技術(shù)在工業(yè)瓶裝氣體充裝中的應(yīng)用[J]. 冶金管理， 2019， 375（13）：88-89.

[5]孫明. 瓶裝壓縮氣體的分類、危害及安全對策（上）[J]. 低溫與特氣， 2008（3）：39-42.

[6]惠志全， 毛力， 牟樂， 等. 模糊評價數(shù)學模型在特種承壓設(shè)備安全評價中的應(yīng)用[J]. 化學工程與裝備， 2016（12）： 265-266.

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