液化石油氣儲罐區(qū)火災爆炸事故危害范圍的探討

朱明輝 武成杰 殷晴 劉超

摘要：為充分掌握石油化工儲罐區(qū)火災爆炸事故的危害后果，該研究以某罐區(qū)為例，選取蒸氣云爆炸TNT模型及熱輻射傷害模型分別對其發(fā)生蒸氣云爆炸和沸騰液體擴展蒸氣爆炸的危害范圍進行預測和探討。結(jié)果表明：在蒸氣云爆炸中，火災爆炸區(qū)的近場區(qū)域熱輻射對人員的傷害程度較沖擊波更為嚴重，而在中遠場區(qū)域沖擊波對人員的傷害將更為突出;當參與爆炸的燃料質(zhì)量相同時，沸騰液體擴展蒸氣爆炸的熱輻射傷害半徑遠大于蒸氣云爆炸。研究結(jié)果可為石化儲罐庫區(qū)安全管理、重大危險源監(jiān)控及應急部門實施救援行動提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：液化石油氣蒸氣云爆炸沸騰液體擴展蒸氣爆炸危害范圍

中圖分類號： TE88 ? ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）01（a）-0000-00

Discussion the Hazard Range of Fire and Explosion Accident in Liquefied Petroleum

Gas Tanks Areas

ZHU Minghui ?WU Chenjie* ?YIN QingLIU Chao

（Institute of NBC Defence ，PLA ARMY，Beijing 102205 China）

Abstract： In order to fully grasp the harmful consequences of fire and explosion accident in petrochemical storage tank area， this paper takes a tank area as an example， and uses TNT model of steam cloud explosion and thermal radiation damage model to predict and discuss the hazard range of the vapor cloud explosion（VCE） and boiling liquid expanding vapor explosion（BLEVE） respectively. The results show that the damage of thermal radiation is more serious than the shock wave in the near-field region of VCE， while the damage of shock wave is more serious in the medium and far field region. When the same fuel quality， the hazard range of the thermal radiation about BLEVE is much larger than the VCE. The conclusions can provide theoretical support for the oil storage safety management， the monitoring of major hazard sources and the implementation of rescue actions by emergency departments.

Key Words： The Liquefied Petroleum Gas;Vapor Cloud Explosion;Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion;Hazard Range

隨著石油化工企業(yè)向大型化發(fā)展，其儲罐區(qū)總?cè)萘亢蛦喂奕萘吭絹碓酱?，該區(qū)域一旦出現(xiàn)管理不善、操作不當?shù)冗^失或遭遇襲擊會引發(fā)火災爆炸事故，將造成人員和財產(chǎn)的重大損失[1]。因此，儲罐區(qū)成為當前大型石化企業(yè)及成品油庫的重點管控單元。

對于石化罐區(qū)而言，蒸氣云爆炸和沸騰液體擴展蒸氣爆炸是該罐區(qū)常見的事故模式[2]。為進一步掌握石化儲罐區(qū)火災爆炸事故的危害后果，該文選取某石化企業(yè)液化石油氣儲罐區(qū)為工程實例（罐區(qū)包含10個3000m3的液化石油氣球罐，均為常溫壓力罐），重點對其蒸氣云爆炸和沸騰液體擴展蒸氣爆炸的危害后果進行模擬分析。研究結(jié)果可以為石化儲罐庫區(qū)安全管理、重大危險源監(jiān)控及應急部門救援決策提供理論及數(shù)據(jù)支撐。

1 蒸氣云爆炸危害范圍模擬分析

蒸氣云爆炸是指混合氣體在爆炸極限范圍內(nèi)，并延遲點火的情況下造成的爆炸[3]。蒸氣云爆炸產(chǎn)生的熱輻射和沖擊波會對周圍人員、建筑物及儲罐等設(shè)備造成傷害和破壞。該文以單罐液化石油氣泄漏遇明火引發(fā)蒸氣云爆炸進行分析。

1.1 蒸氣云爆炸熱輻射傷害分析

熱輻射危害范圍可結(jié)合普適火球模型和熱輻射傳播公式進行估算[4]。

1.1.1 火球半徑和持續(xù)時間的計算

蒸氣云火球爆炸公式如下：

D=2.9W^（1/3）（1）

t=0.45W^□（1/3）（2）

式（1）（2）中，D為火球的半徑（m）;t為火球持續(xù)時間（s）;W為火球中消耗的可燃物質(zhì)質(zhì)量（kg）。單罐儲存取罐容量的50%，雙罐儲存取罐容量的70%，多罐儲存取罐容量的90%。

假設(shè)單罐液化石油氣，滿罐約1 325 000 kg，泄漏量為30%，且泄漏的氣體均參與了爆炸反應，則計算可得：

火球中消耗的燃燒質(zhì)量：W=1325000× 30%=397500kg ;

火球直徑：D=2.9W1/3=2.9×（397500） 1/3=213.23m;

火球持續(xù)時間：t=0.45W1/3=0.45×（397500） 1/3=33.09s 。

1.1.2 熱輻射的計算

熱輻射傳播公式[5]如下：

Q/（（bG）W^□（1/3） θ^□（2/3） ）=（D^2/R^2 ）/（（F+D^2/R^2 ））（3）

Q=qt（4）

式（3）（4）中，Q為熱劑量（J/m2）;q為火球熱輻射強度（W/m2）;bG為常量，2.04×104;θ為火球溫度（K），對于蒸氣云爆炸取2 200K;R為到火球中心的距離（m）;F為常量，161.7。

熱輻射對人員的傷害閾值[6]及相應計算結(jié)果見表1。

1.2 蒸氣云爆炸沖擊波傷害分析

沖擊波造成的危害范圍擬選用TNT蒸氣云爆炸模型進行估算[7]。

1.2.1 蒸氣云TNT當量及能量的計算

TNT當量WTNT、爆炸能量E的計算見公式（5）（6）。

W_TNT=αAW_f Q_f/Q_TNT ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

E=α〖AW〗_f Q_f ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式（5）（6）中，WTNT為蒸氣云的TNT當量（kg）;E為爆炸總能量（kJ）;α為地面爆炸系數(shù)，取1.8;A為蒸氣云當量系數(shù)，取4%;Wf為易燃易爆物質(zhì)的總質(zhì)量（kg）;Qf為燃料的燃燒熱（kJ/kg），液化石油氣的燃燒熱為46500 kJ/kg;QTNT為TNT的爆燃熱（kJ/kg），取4500 kJ/kg。

結(jié)合公式（5）（6）計算可得：

E=1.8×0.04×397500×46500=1330830000kJ;

WTNT=E/Qf=133083000/4500=295740kg。

1.2.2 沖擊波傷害分區(qū)的計算

沖擊波超壓對建筑物和人員的破壞傷害閾值見表2[8]。

參照表2情況，結(jié)合熱輻射對人體和建筑物的傷害程度，可以將傷害閾值分為財產(chǎn)損失、死亡、重傷、輕傷四級，閾值分別為財產(chǎn)損失閾值100 kPa，死亡閾值90 kPa，重傷閾值60 kPa，輕傷閾值20 kPa。

關(guān)于沖擊波危害半徑的計算主要有以下兩種方法。

方法一：參照超壓破壞閾值，結(jié)合無約束蒸氣云爆炸沖擊波正向最大超壓△P核算傷害半徑[7]。具體見公式（7）（8）（9）。

r=z〖（E/P_0 ）〗^□（1/3）（7）

?P_S=0.137Z^（-3）+0.119Z^（-2）+0.269Z^（-1）-0.019（8）

?P_S=?P/P_0 （9）

式（7）（8）（9）中，r為傷害半徑（m）;E為爆炸總能量（J）;P0為大氣環(huán)境壓力（Pa），取101 300;Z為中間因子，無量綱單位;△P為沖擊波超壓（Pa）。

結(jié)合式（7）（8）（9），各傷害半徑計算如下。

財產(chǎn)損失半徑：△PS=100/101.3=0.9872，近似法求得Z=0.707，r=166.83m;同理，死亡半徑r=175.73m，重傷半徑r=216.62m，輕傷半徑r=415.23m。

方法二：參照超壓破壞閾值，采用模擬比法[9]核算傷害半徑，具體公式見（10）。1000kgTNT爆炸沖擊波實驗數(shù)據(jù)見表3。

r=R_0 〖（W_TNT/1000）〗^□（1/3） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式（10）中，R0為1 000 kg TNT爆炸沖擊波危害半徑（m）。

結(jié)合表3和式（10），計算如下。

財產(chǎn)損失半徑：當超壓為100 kPa時，取R0=23 m，r/R0=（WTNT/1000）（1/3），則r=153.24 m;同理死亡半徑r=159.90 m，重傷半徑r=198.34 m，輕傷半徑r=373.10 m。

方法1與方法2計算對比分析結(jié)果見表4。

由表4可以看出，兩種方法的計算結(jié)果，財產(chǎn)損失半徑最為接近，誤差僅為8.1%;輕傷半徑誤差稍大，誤差超過10%;死亡半徑和重傷半徑誤差值不超過9%。結(jié)果表明，兩種方法計算結(jié)果量級一致且比較接近，誤差平均值不超過8.9%。

1.3 蒸氣云爆炸熱輻射與沖擊波對人員造成傷害情況分析

為進一步掌握蒸氣云爆炸中，熱輻射與沖擊波的傷害隨距離變化的規(guī)律，以下結(jié)合案例中熱輻射傷害距離對比分析相同距離下沖擊波對人體的影響（此處以沖擊波傷害半徑的計算方法一進行示例）。

根據(jù)熱輻射死亡半徑r=73.95m，按照公式（7）（8）（9）可z=0.3134，

△PS=6.5015，△p=△PS×P0=0.659MPa;同理r=91.34m，△p=0.388MPa;r=130.25m，△p=0.170MPa;r=231.57m，△p=0.053MPa;r=366.74m，△p=0.024MPa。

相同距離下熱輻射和沖擊波對人員傷害對比情況見表5。

由表5可以看出，沖擊波危害半徑的兩種計算方法在相同傷害距離處的超壓值匹配度高達87.38%;在距離爆炸源小于91.34m時，熱輻射傷害和沖擊波傷害均處于各自的死亡區(qū)（重大傷亡區(qū)）范圍，但從表5中的各自傷害情況表述來看，前者對人體的傷害更大;當距離位于區(qū)間（91.34m130.25m]時，熱輻射傷害和沖擊波傷害分別處于各自的重傷區(qū)和死亡區(qū)，顯然后者對人體的傷害程度更大;當距離大于130.25m后，熱輻射傷害對人體的傷害愈加微弱，而沖擊波對人體的傷害依然處于重度和輕度傷害區(qū)域之間，顯然后者對于人體的傷害遠遠高于前者。對比分析結(jié)果表明，蒸氣云爆炸產(chǎn)生的熱輻射和沖擊波傷害均會對周圍的人和建筑物產(chǎn)生副作用，熱輻射傷害作用在距離爆炸中心越近處越突出，沖擊波在爆炸區(qū)域的中遠場傷害作用更明顯。

2沸騰液體擴展蒸氣爆炸危害范圍模擬分析

沸騰液體擴展蒸氣爆炸是指儲罐外部受到火焰烘烤導致體系突然泄壓迅速氣化，造成容器內(nèi)蒸氣壓力驟升而引發(fā)的爆炸[3]。該類爆炸主要危害源自爆炸產(chǎn)生火球的熱輻射。其定量評價主要通過計算火球半徑、目標接收到的熱輻射通量、熱輻射對人體的傷害等參數(shù)來實現(xiàn)。

2.1 爆炸火球半徑的計算

以單罐液化石油氣發(fā)生沸騰液體擴展蒸氣爆炸考慮。爆炸火球的半徑計算見公式（1）。

火球中消耗的燃燒質(zhì)量（按單罐取罐容量的50%示例）：、W=1325000×50%=662500kg

火球直徑：

D=2.9W1/3=2.9×（662500） 1/3=252.81m

2.2 傷害分區(qū)的計算

目標接受到的熱輻射通量的計算見式（11）[2]。

q（r）=ED^2 r （（1-0.058lnr））?〖（D^2+r^2）〗^□（3/2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式（11）中，q（r）為對目標的熱輻射通量（kW/m2）;E為火球表面輻射通量，（kW/m2），對于球罐，E取200 kW/m2;D為火球的半徑（m）;r為目標到火球中心水平距離（m）。

結(jié)合熱輻射傷害閾值可以計算相對應的傷害半徑，計算結(jié)果見表6。

由表6可知，當火球燃燒質(zhì)量均為罐容量的30%時，沸騰液體擴展蒸氣爆炸的熱輻射死亡區(qū)半徑為蒸氣云爆炸的3.97倍，前者的重大傷亡區(qū)半徑、重傷區(qū)半徑、輕傷區(qū)半徑分別為后者的4.44倍、4.77倍、4.88倍，其傷害半徑平均水平提升了3.58倍。結(jié)果表明，相同質(zhì)量的燃料參與爆炸，沸騰液體擴展蒸氣爆炸的熱輻射傷害范圍要遠遠大于蒸氣云爆炸。

3 結(jié)論

（1）石化儲罐發(fā)生蒸氣云爆炸，會產(chǎn)生熱輻射和沖擊波傷害，在火災爆炸區(qū)的近場區(qū)域熱輻射對人員的傷害程度較沖擊波更為嚴重，而在中遠場區(qū)域沖擊波對人員的傷害將更為突出。因此，發(fā)生蒸氣云爆炸時應當按照沖擊波傷害的危害半徑劃分危害范圍，而且爆炸區(qū)的近場區(qū)域熱輻射和沖擊波傷害將形成更為嚴重的復合傷害。

（2）選用蒸氣云爆炸TNT模型預測爆炸危害后果，兩種常見模型的計算結(jié)果非常接近，可任選一種進行危害后果預測。

（3）石化儲罐沸騰液體擴展蒸氣云爆炸較蒸氣云爆炸更為劇烈，當參與爆炸的燃料質(zhì)量相同時，其產(chǎn)生的危害后果更為嚴重，對人員的熱輻射傷害半徑遠大于蒸氣云爆炸。

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