機場貨站易爆危險品存儲區(qū)外部安全防護距離研究*

杜 珺，施 文，程東浩

(1.中國民航大學 經(jīng)濟與管理學院，天津 300300； 2.中國民航科學技術(shù)研究院 危險品運輸管理中心，北京 100086)

0 引言

隨我國物流業(yè)發(fā)展與航空貨運能力提高，危險品航空貨郵運輸量持續(xù)增加。2019年全國機場危險品貨物吞吐量為93.7萬t，同比增長15.25%。全國機場危險品貨物吞吐量占全國機場貨郵吞吐量5.48%，同比增長0.62個百分點[1]。2020年，航空貨運發(fā)展提升為國家戰(zhàn)略，為滿足發(fā)展需求，大量機場貨站需新建或改擴建。機場貨站作為航空貨郵運輸樞紐，是各類危險品集散地,部分易燃易爆危險品在特定條件下會引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，嚴重威脅人員生命財產(chǎn)安全,破壞周圍環(huán)境。因此，對機場貨站進行外部安全防護距離規(guī)劃意義重大。

部分學者針對危險品存儲區(qū)安全防護距離進行研究：劉星[2]通過爆炸與毒氣擴散2種災(zāi)害模式，將沖擊波傷害與毒氣中毒有效劑量作為綜合判斷標準，確定物流基地危險化學品存儲區(qū)域外部安全防護距離；段志男等[3]通過仿真方法構(gòu)建危險品堆場選址模型發(fā)現(xiàn)，間接經(jīng)濟損失應(yīng)被重點考慮；高建明等[4]通過風險分析法將個人與社會風險容許值應(yīng)用于危險化學品生產(chǎn)儲存裝置安全防護距離研究。上述研究均基于某種特定危險品進行，而機場貨站危險品種類與存儲量具有明顯隨機性和不確定性。因此，陳武爭等[5]采用隨機模擬方法，建立危險品集裝箱堆場爆炸威力計算模型，解決爆炸威力計算時堆場內(nèi)危險品種類和數(shù)目不確定問題，但未考慮危險品包裝約束對計算結(jié)果影響。本文基于爆炸威力計算模型，利用有限元分析軟件AUTODYN模擬包裝約束下爆炸品爆炸沖擊波特性，通過引入包裝約束系數(shù)描述包裝材料對爆炸威力影響，以期更精確計算航空運輸易爆危險品存儲區(qū)爆炸事故影響范圍。

1 危險品航空運輸特點

1.1 機場貨站危險品存儲特點

機場貨站是危險品航空運輸轉(zhuǎn)運中心，主要工作包括對貨物進行安全檢查、打板組裝、短時存儲等。相對普通存儲倉庫，機場貨站存儲危險品貨物包裝要求高，存儲量小，存儲周期短，且必須按要求分類存放于貨站內(nèi)危險品存儲專用區(qū)或存儲專用庫。因此，普遍認為機場貨站危險品存儲區(qū)安全風險較低，導(dǎo)致機場貨站危險品存儲區(qū)外部安全防護距離規(guī)劃建設(shè)不完善。

隨商業(yè)化發(fā)展，機場貨站距離商業(yè)建筑、居民小區(qū)越來越近，而易燃易爆危險品本質(zhì)危險性始終存在，同時伴隨包裝件破損、存儲環(huán)境變化、長期滯留等潛在不安全因素，可能直接或間接引發(fā)存儲區(qū)內(nèi)不安全事故。因此，設(shè)置有效安全防護距離十分必要。

1.2 航空運輸易爆危險品及其包裝件特點

航空運輸主要涉及易爆危險品包括：第1類爆炸品中1.3項即具有起火危險性、輕微爆炸危險性或輕微噴射危險性、或兩者兼而有之但無整體爆炸危險性的物品和物質(zhì)；第1.4項即不存在顯著危險性的物品和物質(zhì)；第4類易燃固體中第4.1項即易燃固體、自反應(yīng)物質(zhì)和減敏固體爆炸品；第5類氧化性物質(zhì)和有機過氧化物中第5.2項即有機過氧化物等。危險品航空運輸技術(shù)要求見表1。由表1可知，硝化淀粉UN編號1337，屬減敏固體爆炸品：空運時，選用外包裝必須為UN規(guī)格I級包裝，包裝性能標準較高，安全防護較好；客機運輸時，每個包裝件最大凈重1 kg；貨機運輸時，每個包裝件最大凈重不能超過15 kg，可通過限定減敏固體爆炸物重量控制其事故危害程度。

表1 危險品航空運輸技術(shù)要求

包裝是危險品運輸過程中重要組成部分，合適的包裝可將危險品危險性控制在包裝內(nèi)，防止外溢或?qū)ν猱a(chǎn)生影響，是危險品運輸重要安全措施。對每種包裝進行試驗，具體包括跌落試驗、防滲漏試驗、液壓試驗、堆碼試驗等，確保包裝達到合格標準后投入使用。航空運輸危險品包裝可有效提高危險品運輸安全性，但不同硬性材質(zhì)外包裝對易爆危險品爆炸威力影響不同。

2 爆炸威力計算模型

(1)

式中：M為n種易爆危險品等效TNT總質(zhì)量，kg；γi為易爆危險品TNT轉(zhuǎn)換系數(shù)；mi為單個包裝件內(nèi)危險品質(zhì)量，kg；pi為包裝約束系數(shù)；Ni為易爆危險品包裝件數(shù)。

利用matlab生成x組隨機數(shù)，令每組隨機數(shù)個數(shù)為n且和為N，當x足夠大時，每組隨機數(shù)取值均勻分布在一定范圍內(nèi)，將每組隨機數(shù)依次代入式(1)求解x個等效TNT當量值Mj，當x大于等于106時，Mj概率密度函數(shù)分布形態(tài)近似正態(tài)分布。當易爆危險品等效TNT當量設(shè)計值不小于真實值，認為設(shè)計防護距離有效。

3 包裝約束系數(shù)確定

航空運輸危險品包裝提高危險品運輸過程安全性，但不同硬性材質(zhì)的外包裝對易爆危險品爆炸威力影響不同。為明確不同材質(zhì)外包裝對易爆危險品爆炸威力影響，本文利用有限元分析程序AUTODYN，對不同材質(zhì)外包裝TNT炸藥在空氣中爆炸產(chǎn)生沖擊波特性進行研究。

3.1 有限元建模及材料模型選擇

本文采用二維軸對稱方式進行建模。設(shè)置炸藥為1 kg球形藥包，起爆位置為球心，起爆方式為點起爆，區(qū)域為7 m×7 m，網(wǎng)格尺寸為20 mm[7]；包裝材料選擇聚碳酸酯(POLYCARB)、鋼(STEEL 1006)和鋁(AL6061-T6)，厚度均為1 mm；空氣、炸藥模型采用Euler算法，包裝材料模型采用Lagerange算法，定義Euler-Lagerange耦合[8]；對對稱軸以外邊界施加流出邊界(flow_out)，避免沖擊波在邊界處發(fā)生反射[9]。

TNT炸藥通過JWL狀態(tài)方程描述，如式(2)所示：

(2)

式中：A、B為材料壓力參數(shù)，GPa；R1、R2、w為試驗擬合參數(shù)；e為比內(nèi)能，kJ/kg；η=ρ/ρ0；ρ0為初始密度，g/cm3；ρ為當前密度，g/cm3。TNT狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

表2 TNT狀態(tài)方程參數(shù)

空氣采用理想氣體(Ideal Gas)狀態(tài)方程如式(3)所示：

p=(γ-1)ρe

(3)

式中：γ為絕熱指數(shù)，取1.40；ρ為氣體密度，kg/m3，取1.225；e為比內(nèi)能，取206.8 kJ/kg。

突出生態(tài)優(yōu)勢，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，大力培育新興產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保和新能源等綠色產(chǎn)業(yè)，云南已成為全國外送清潔能源的第二大省份。云藥、云茶、云花等生物產(chǎn)業(yè)，多姿多彩、環(huán)境優(yōu)美、氣候宜人的生態(tài)旅游，水電、風電、太陽能等清潔能源成為云南又一張亮麗的名片。

包裝材料均通過Shock狀態(tài)方程描述，如式(4)～(6)所示：

U1=C1+S1up,U2=C2+S2up

(4)

U=U1(up≥VB),U=U2(up≤VE)

(5)

(6)

式中：U為沖擊波速度，m/s；U1、U2為材料沖擊波速度，m/s；up為粒子速度，m/s；VE為最大臨界速度，m/s；VB為最小臨界速度，m/s；C1、C2為材料速度參數(shù)，m/s；S1、S2為材料對應(yīng)曲線斜率系數(shù)。包裝材料狀態(tài)方程參數(shù)見表3。

表3 包裝材料狀態(tài)方程參數(shù)

3.2 模擬有效性驗證

通過將模擬值與經(jīng)驗值進行對比分析驗證模型有效性。文獻[10-11]基于大量試驗與理論推導(dǎo)，總結(jié)出空氣中沖擊波超壓峰值表達式，如式(7)～(8)所示：

(7)

(8)

式中：ΔPf為沖擊波超壓峰值，MPa；Z為比例爆距，m/kg1/3；R為觀測位置與爆炸點距離，m；W為TNT質(zhì)量，kg。

自距爆心1 m處，每隔0.2 m設(shè)置1個觀測點，1 kg裸藥爆炸沖擊波超壓峰值計算機模擬值與經(jīng)驗值對比結(jié)果，見表4。由表4可知，誤差隨比例爆距增加而減小，且當比例爆距>3.2 m時，相對誤差均小于2%，在誤差允許范圍內(nèi)。因此，選取比例爆距>3.2 m時試驗數(shù)據(jù)模擬爆炸沖擊波在空中傳播特性。

表4 沖擊波超壓峰值模擬值與計算值對比結(jié)果

3.3 計算結(jié)果分析

分別使用聚碳酸酯、鋼和鋁作為包裝材料的1 kg TNT炸藥，在空氣中爆炸沖擊波超壓峰值模擬結(jié)果見表5。

表5 不同材料包裝約束下的沖擊波超壓峰值模擬結(jié)果

以聚碳酸酯包裝材料為例，將各觀測點沖擊波超壓峰值帶入式(7)～(8)，用各觀測點處TNT質(zhì)量平均值表征1 kg TNT在包裝約束作用下等效裸藥TNT質(zhì)量，為減小誤差，選取比例爆距>3.2 m數(shù)據(jù)進行計算，計算結(jié)果見表6。由表6可知，TNT質(zhì)量平均值約0.904 7 kg，即1 kg TNT在包裝約束下爆炸等效于0.904 7 kg TNT裸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波。引入包裝約束系數(shù)p(無量綱系數(shù))，表示單位質(zhì)量帶殼TNT炸藥可等效質(zhì)量為p的TNT裸藥，厚度1 mm聚碳酸酯包裝p值為0.904 7，厚度 1 mm鋼殼和鋁殼p值分別為0.860 1，0.870 6。

表6 聚碳酸酯包裝約束下各觀測點處沖擊波超壓峰值、比例爆距和TNT質(zhì)量

4 安全防護距離計算與討論

4.1 安全防護距離計算

某機場貨站第4類危險品存儲區(qū)擬存儲易爆危險品貨物種類見表7，擬存放包裝件上限為200件。由表7可知，表中物質(zhì)均屬于固態(tài)減敏爆炸品。固態(tài)減敏爆炸品利用與爆炸品不發(fā)生反應(yīng)的液體，將爆炸性物質(zhì)稀釋后形成固態(tài)均勻混合物，以降低爆炸品失控爆炸可能性。如果貨物包裝破損，并且抑制爆炸物質(zhì)流失，則減敏爆炸品在某些條件下可能發(fā)生爆炸[12-13]。

表7 擬存儲易爆危險品貨物種類

根據(jù)爆炸傷害半徑模型可依次求得人體分別可能遭受輕度傷害、重度傷害和死亡危害時與爆炸點最大距離，即輕傷R1、重傷R2、死亡半徑R3。同理,求得財產(chǎn)遭受損失時與爆炸點最大距離，即財產(chǎn)損失半徑R4，如式(9)～(12)所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：R1,R2,R3,R4分別為輕傷、重傷、死亡及財產(chǎn)損失半徑，m；M′為TNT質(zhì)量，kg；p0為大氣壓力，取1.01×105Pa；QTNT為TNT爆熱，取4 520 kJ/kg；K3為建筑物3級破壞系數(shù)，取4.6。爆炸傷害半徑見表8。由表8可知，為降低爆炸沖擊波對周邊人群傷害，應(yīng)將輕傷半徑作為外部安全防護距離參考值。

表8 爆炸傷害半徑

4.2 分析討論

基于機場貨站擬存放易爆危險品貨物情況，依據(jù)其他方法可得到如下安全防護距離：

1)依據(jù)事故后果法[14]計算外部安全防護距離，如式(13)所示：

(13)

式中：Δp為空氣沖擊波超壓值，105 Pa，重要防護目標安全沖擊波超壓閾值為2 000 Pa；Q為1次爆炸TNT炸藥當量，取1 717.197 kg；R為爆炸點距防護目標距離，m。通過計算可得外部安全防護距離為192.55 m。

2)依據(jù)《危險化學品經(jīng)營企業(yè)安全技術(shù)基本要求》(GB 18265—2019)[15]，爆炸物庫房與防護目標應(yīng)至少保持1 000 m距離。

3)依據(jù)《小型民用爆炸物品儲存庫安全規(guī)范》(GA 838—2009)[16]，外部安全防護距離應(yīng)大于100 m。

5 結(jié)論

1)包裝約束系數(shù)表征包裝約束對爆炸威力影響，通過計算得1 mm厚度聚碳酸酯、鋼和鋁材質(zhì)外包裝的包裝約束系數(shù)分別為0.904 7，0.860 1，0.870 6。

2)相同厚度下，相較于聚碳酸酯和鋁材質(zhì)，鋼材質(zhì)外包裝對易爆危險品爆炸威力削弱程度最大。