液化石油气槽车爆炸事故风险分析

液化石油气槽车爆炸事故风险分析

武警学院研究生一队 刘柏林

摘 要：本文分析了液化石油气的基本性质及事故后果，并着重对发生率较高的蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸两种爆炸事故进行了讨论。建立了相应的伤害模型，并利用ALOHA软件对伤害区域进行模拟，得到了相应的伤害区域。能为消防部队处置此类灾害时划定相应的警戒区域提供一定的参考。

关键词：液化石油气；槽车；爆炸；ALOHA

0 引言

液化石油气(LPG)是十大危险化学品之一，具有易燃易爆的特性，其生产、贮运和使用过程中存在发生火灾爆炸事故的危险性。液化石油气槽车发生事故性破损，导致大量的蒸汽泄放到空中，形成的蒸气云，当达到燃烧极限的蒸气云遇到点火源就会产生剧烈燃烧爆炸对周围的人员和设施造成不同程度的伤害和破坏。近年来，液化石油气槽车爆炸事故层出不穷，时有发生，造成了大量的人员伤亡和财产损失，严重影响到了居民正常生活。例如：2009年8月5日，贵州关岭县液化气槽车遇车祸爆炸3人死亡[1]；2012年04月27日，广东韶关3车相撞 22吨液化气槽车爆炸造成2人死亡[2]；2012年10月6日，湖南常吉高速一辆液化气槽罐车侧翻爆炸造成5人死亡2人受伤[3]。这些都事故造成人员伤亡和巨大经济损失，因此对于液化石油气槽车在运输过程中的爆炸危险性进行研究对消防部队处置此类事故的有一定的指导意义。

1 液化石油气的基本特性

液化石油气（Liquefied petroleum gas、Compressed petroleum gas）是原油蒸馏或其他石油加工过程中所得出的各类烃类化合物，主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯[4]。它为物色气体或黄棕色液体，具有特殊臭味，其液态时相对密度0.5（比水轻），气态时相对密度1.5~2（比空气重），微溶于水，易气化膨胀（气化后体积膨胀250~300倍），易燃，闪点为60℃，引燃温度为426~537℃，爆炸极限(体积分数)为1.5~9.5%，点火能量小，气态石油气易于在低洼处积聚，或沿地表扩散，遇火源即会发生燃烧、爆炸。

2 事故后果分析

根据 LPG 危险特性、储存特点及失效形式和对以往LPG 事故归类分析，按储罐事故可能发生的先后顺序，把事故类型分为扩散、喷射火（Jet Fire）、闪火（Flash Fire）、蒸气云爆炸(Vapor Cloud Explosion,简称VCE)、沸腾液体扩展蒸气爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion,简称BLEVE)五类[5]，如图1。

图1 LPG储罐泄漏事故类型分析图

LPG槽车泄漏一般可分为灾难性的瞬时泄漏和裂口的持续泄漏。当储罐裂口处发生连续泄漏时，如立即点燃会引发喷射火；如延迟点燃，会发生蒸气云爆炸或闪火。当储罐发生灾难性的瞬时泄漏时，如立即点燃，会导致沸腾液体扩展蒸汽爆炸，产生巨大的火球；如延迟点燃，会发生蒸气云爆炸或闪火。由此可见，根据液化石油气储罐泄漏的类型和点火条件的不同，液化石油气火灾爆炸事故的类型主要有沸腾液体扩展蒸汽爆炸、蒸气云爆炸、喷射火、闪火四种。由于VCE和BLEVE最容易发生,且危害最大,所以本文只探讨这两种事故后果。

3.1 VCE后果分析

蒸气云爆炸(VCE )是由于气体或易挥发液体燃料的大量快速泄漏,与周围空气混合形成“预混云”遇点火而导致的爆炸。液化气槽车在机械作用、化学作用或热作用下发生破坏导致液化气快速泄漏后与周围空气形成爆炸性混合气云,在遇到延迟点火的情况下被引爆,发生VCE。VCE的破坏作用有爆炸冲击波、爆炸火球热辐射对周围人员、建筑物的伤害、破坏作用,其中爆炸冲击波的破坏作用最强,破坏区域最大，所以探讨蒸气云爆炸时一般只讨论其冲击波效应。

蒸气云爆炸的能量通常用TNT当量描述,即将参与爆炸的可燃气体释放的能量折合为能释放相同能量的TNT炸药的量,这样就可以利用有关TNT爆炸效应的实验数据预测蒸汽云爆炸效应[6]。其计算步骤为：

3.1.1 TNT当量计算

TNT当量计算见下式:

式中:WTNT一蒸气云的TNT当量,kg;

Wf一蒸气云中泄漏可燃物的总质量,kg:

a一蒸汽云爆炸的效率因子,取0.04;

Qf一LPG的燃烧热,MJ/kg,LPG取46.1;

QTNT一TNT的爆炸热,一般取4.52MJ/kg;

3.1.2伤害准则

冲击波超压准则认为，接受体是否破坏完全取决于冲击波超压值，当接受体接受的冲击波超压值超过其破坏的临界超压值时，即被破坏。该准则与实际情况有一定的相似，它主要适用于冲击波作用时间较短时接受体即发生破坏的情形。人体所能承受的冲击波临界值( 冲击波阈值) 为 0. 1MPa，爆炸冲击波对目标的不同伤害或破坏标准，如表3.1所示[7]。

表3.1 冲击波超压阈值对人体的伤害

3.1.3 危害范围确定

(1)死亡半径计算

死亡半径是指区域内人员因冲击波作用导致肺出血死亡概率为50%的半径，由下式确定：

式中:R1一死亡半径,m;

WTNT一LPG的TNT当量,kg

P1一人死亡时候的冲击波超压,MPa;

(2)重伤半径

重伤半径是指人员因冲击波作用而耳膜破裂的概率为50%的区域半径，由下式确定：

式中:R2一重伤半径,m;

WTNT一LPG的TNT当量,kg；

P2一人重伤时候的冲击波超压,MPa；

(3)轻伤半径

轻伤半径是指人员人员因冲击波作用而耳膜破裂的概率为1%的区域半径，由下式确定：

式中:R3一轻伤半径,m;

WTNT一LPG的TNT当量,kg:

P3一人轻伤时候的冲击波超压;MPa

(4)财产损失半径

式中:R4一财产损失半径,m;

WTNT一LPG的TNT当量,kg;

P3一财产损失时候的冲击波超压,MPa。

3.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸后果分析

液化石油气槽车在装液情况下,由于容器遇外火灼烧使器壁的强度下降,或者由于机械碰撞、制造上的缺陷及腐蚀等因素使内部压力过高时造成容器破裂,液化气体瞬态泄漏,并在环境温度高于其沸点时急剧气化,如果遇到火源就会发生剧烈的燃烧,产生巨大的火球,形成强烈的热辐射,造成人员的伤亡和财产损失,此种现象称为沸腾液体扩展蒸气爆炸。液化石油气储罐发生沸腾液体扩展蒸汽爆炸时，其危害后果为火球热辐射、冲击波和抛射碎片。与火球热辐射相比，爆炸产生的冲击波超压和抛射碎片的危害相对较小，所以此处只讨论火球的热辐射效应。

3.2.1 火球的持续时间

沸腾液体扩展蒸汽爆炸的火球模型可采用国际劳工组织（ILO）建议的ILO模型来估计，具体计算过程为：

式中：R一火球半径，m;

W一火球中参与反应的液化石油气量，kg，此处W取罐容量的50%;

t一火球持续时间，s。

3.2.2 伤害准则

热辐射强度（单位表面积接收的热辐射功率，单位为kW/m2）准则以目标接收到的热辐射强度作为目标是否被破坏的参数。当目标接收到的热强度大于或等于目标破坏的临界热强度时，目标被破坏。

不同热辐射强度情况下，时间的长短对人员、设备所造成的危害程度如表3.2所示。

表3.2 不同热辐射强度对人体所造成的伤害

3.2.3 伤害范围计算

（1）死亡半径

（2）二度烧伤半径

（3）一度烧伤半径

（4）财产烧毁计算

3 软件简介

模拟气体扩散软件有很多，它们可以用来模拟危险化学品在空间的扩散过程,进而计算气体的浓度和确定事故影响范围。ALOHA(Area Locations of Hazardous Atmospheres,有害大气空中定位软件)就是其中一种,它可以用来计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等[8]。

ALOHA模型是CAMEO应急响应系统的核心组成部分。由美国环保署(EPA)化学制品突发事件和预备办公室(CEPPO)和美国国家海洋和大气管理(NOAA)响应和恢复办公室共同开发的应用程序。ALOHA模型利用所提供的信息和自身的综合化学物性参数库来预测发生化学事故后,有害气云如何在大气中扩散的应急响应大气扩散模型。ALOHA起初是为使应急响应器能够快速有效的使用,以便制定应急预案而开发的。经过多年的发展,功能逐渐强大,能够预测自破裂的气体管道、泄漏的罐、蒸发池的化学物质释放,也能够预测中性浮力气体或重气的扩散。在ALOHA中能够显示事故下风向浓度超过化学品限定值的区域的浓度变化图,也能够显示源强(释放速率)、浓度和剂量随时间的变化。本文采用此软件进行事故模拟。

4 实例模拟

4.1事故情景

2010年7月25日下午15时36分，江苏某化工厂一辆LPG槽车在碾庄铁路涵洞附近被大货车追尾，导致LPG槽车上的卧式储罐发生泄漏，泄漏处为圆形孔洞，距罐体底部16cm，泄漏口的当量直径为4cm，不考虑连锁反应，只考虑对室外人员的伤害。该储罐的容积为50m3，充装率为60%，泄漏前液化石油气的储量大约有16t，当时风速为7.5m/s，风向为东南风，测量高度为3.5m，天空中的云量约为20%，气温为38℃，相对湿度80%，没有逆温层。

4.2 事故模拟

通过卫星地图定位可得江苏碾庄的地理坐标为北纬34度19分，东经117度59分，平均海拔5m，在ALOHA软件中建立此地理坐标，本文选取液化石油气的主要成分—丙烷来代替液化石油气，进行模拟分析依据上述事故情景进行模拟。

4.2.1蒸气云爆炸模拟

考虑到事故现场消防人员和车辆器材的安全，通常依据冲击波超压的破坏标准，可以蒸气云爆炸造成的建筑物损伤（0.055MPa）、人员中等伤（0.025 MPa）和玻璃震碎（0.02MPa）三种危害程度作为蒸气云爆炸事故危害区域的划分标准，分别与ALOHA软件中的红色区域、橙色区域、黄色区域相对应。

输入相应参数得到如下模拟结果，取其中橙色区域表示爆炸使暴露人员重伤区域，黄色区域是爆炸使玻璃震碎区域，如图4.1。

图4.1蒸气云爆炸伤害区域模拟

由图可以看出，在设定条件下，泄漏导致的蒸汽云爆炸不会造成建筑物损毁；致人重伤的区域泄漏点下风向220m，上风向5m,侧风向41m的椭圆形区域；致玻璃区域为外泄漏点下风向240m，上风向11m,侧风向77m以内的椭圆形区域。

4.2.2沸腾液体扩展蒸气爆炸

考虑到事故现场消防人员的安全，依据不同热辐射强度下人员暴露时间60s内所伤害的程度作为判定标准，通常将泄漏源周围由里向外依次划分为致死区（10 kW/m2）、二度烧伤区（5 kW/m2）、轻度疼痛区（2 kW/m2），分别与ALOHA软件中的红色区域、橙色区域、黄色区域相对应。

输入相应参数得到如下模拟结果，其中红色区域表示火球热辐射致使暴露人员死亡区域，橙色区域表示火球热辐射致使暴露人员重伤区域，黄色区域是表示火球热辐射致使暴露人员轻伤区域，如图4.2。

图4.2沸腾液体扩展蒸气爆炸伤害区域模拟

由图可以看出，在设定条件下，泄漏导致的扩展蒸气云蒸汽云爆炸致人死亡的区域为距泄漏点300m的圆形区域；致人二度烧伤伤的区域为距泄漏点300m以外420m以内的环形区域；轻度疼痛感区域为距泄漏点420以外660m以内的环形区域。

5 结论

本文在研究液化石油气火灾爆炸事故机理的基础上，分析了不同类型爆炸事故的主要危害特点和伤害半径。结合ALOHA软件对特定的场景下液化石油气槽车泄漏可能发生的两种爆炸事故类型的危害区域进行模拟分析，得出了相应的危险区域。对消防部队在处置此类事故时的安全防护、技战术制定具有一定的参考价值。但是由于对液化石油气爆炸理论了解的不够透彻，对假定事故情形设定的不够科学，致使模拟中结果可能不够准确，不足之处将在下一步的学习中加以改进。

参考文献

[1] 佚名.贵州关岭县液化气槽车遇车祸爆炸3人死亡[EB/OL]. 新华网news.xinhuanet.com，2009年8月5日

[2] 佚名.广东韶关3车相撞 22吨液化气槽车爆炸造成2人死亡[EB/OL]. 新华网www.news365.com.cn，2012年04月27日

[3] 佚名.广东韶关3车相撞22吨液化气槽车爆炸造成2人死亡[EB/OL]. 凤凰网http://news.ifeng.com，2012年10月6日

[4] 朱亮. 浅谈液化石油气泄漏事故现场处置要点[A]. 2012年度灭火与应急救援技术学术研讨会论文集[C]，2012: 46-49

[5] 詹宏昌，张瑞华. 液化石油气储罐事故模拟评价及应用[J]. 广东化工，2009，36（2）: 90-94

[6] 夏成洋. 液氨储罐泄漏事故后果模拟研究[D]. 昆明理工大学，2009

[7] 王文和，徐志胜，俊易等. 天然气管道泄漏火球事故后果模拟评价[J]. 中国安全生产科学技术，2012，8（1）: 18-21

[8] 孔大令. 基于ALOHA软件快速模拟液氨泄漏警戒范围[J]. 消防科学与技术，2011（1）: 68-70