运用蒸气云爆炸模型分析铁路汽油罐车运输的危险性

陈 亮

（郑州铁路局 科学技术研究所，河南 郑州 450052）

1 铁路汽油罐车运输的危险特性

汽油是铁路运输中常见的危险货物，一般采用铁路轻油罐车运输。根据《铁路危险货物品名表》(2009版)，汽油属于一级易燃液体，铁危编号为31001。汽油为无色或淡黄色透明液体，易挥发，具有特殊气味，不溶于水；熔点＜－60℃，沸点为25℃～220℃；液体相对密度(水 ＝1)为0.7～0.8kg/m3，气体相对密度(空气＝1)为3～4kg/m3；闪点为－58℃～10℃，引燃温度为250℃～530℃，爆炸极限范围为1.3%～7.6%(V/V)。

由于汽油具有较强的挥发性、扩散性，还有易燃、易爆、易产生静电和热膨胀等特性，容易引起火灾爆炸事故。因此，铁路运输的汽油罐车是油库铁路专用线的安全重点。当汽油发生泄漏，油气浓度达到爆炸极限范围，并且存在点火源时，就会引起火灾和爆炸，此外还可能发生物理爆炸。常见的火灾爆炸事故一般分为6种伤害模型，分别是凝聚相含能材料爆炸、自由蒸气云爆炸、沸腾液体膨胀蒸气云爆炸、池火灾、固体粉尘火灾、室内火灾。不同类的物质往往具有不同的事故形态，即使是同一类物质，甚至同一种物质，在不同的环境下也可能表现出不同的事故形态。以下主要研究与事故后果伤害较为接近的自由蒸气云爆炸伤害模型。

大多数情况下，铁路汽油罐车的事故为火灾，蒸气云爆炸是一个循序渐进的过程。泄漏的可燃物如果没有立即引发大火，就会与空气充分混合，在一定的范围积聚起来，形成预混蒸气云。如果在稍后的某一时刻遇火点燃，由于气液两相物质已经与空气充分混合均匀，一经点燃其过程极为剧烈，火焰前沿速度可达50～100m/s，形成的燃爆对蒸气云覆盖范围内的建筑物及设备产生冲击波破坏，危及人们的生命安全。使用蒸气云爆炸模型分析计算的前提是铁路汽油罐车60m3罐体中的汽油全部同时气化为蒸气并发生爆炸，这是一种非常极端的情况，所以计算结果仅作为参考。

2 蒸气云爆炸伤害模型计算

2.1 爆源的TNT当量计算

TNT 当量的计算公式为：WTNT＝ WfQf／QTNT式中：WTNT为易燃液体的TNT当量，kg；Wf为易燃液体的质量，kg；Qf为易燃液体的燃烧热，MJ/kg；QTNT为 TNT的爆热，取4.52MJ/kg。

根据《铁路危险货物运输管理规则》(铁运[2008]174号)第99条规定，充装非气体类液体危险货物时，应根据液体货物的密度、罐车标记载重量、标记容积确定充装量。充装量不得大于罐车标记载重量；同时，要留有膨胀余量，充装量上限不得大于罐体标记容积的95%，下限不得小于罐体标记容积的83%。充装量的计算公式为：

式中：Wf为易燃液体的充装量，kg；ρ 为易燃液体密度，kg/m3；V许装为罐车允许充装体积，m3，0.83V标≤V许装≤0.95V标。

汽油密度 ρ 取730kg/m3，一辆铁路汽油罐车标记容积V标为60m3，计算装料系数取0.9。汽油的燃烧热值 Qf为43.69MJ/kg，TNT 爆热 QTNT为4.52MJ/kg。

一辆罐车汽油的TNT当量为：WTNT＝730×0.9×60×43.69/4.52＝3.81×105kg

2.2 自由蒸气云爆炸时的死亡半径

根据易燃液体的 TNT 当量，并且考虑爆炸对形成冲击波有实际作用的蒸气云的量，结合专用线及周边布置情况，采取地面爆炸系数1.8，蒸气云的 TNT 当量系数0.04，运用范登伯格(VandenBerg)和兰诺伊(Lannoy)方程计算蒸气云爆炸时的死亡半径为：R ＝13.6×(1.8×0.04× WTNT/1000)0.37

一辆铁路罐车汽油爆炸时的死亡半径为：R ＝13.6×(1.8×0.04×3.81×105/1000)0.37＝46.3m

2.3 爆炸事故危害后果分析

若在油库铁路专用线中有一辆铁路汽油罐车发生蒸气云爆炸，其死亡半径达46.3m，不难设想它将殃及前后罐车的连锁爆炸，灾害程度将成倍扩大，使装卸作业线两侧近百米范围的所有建筑物、设施及人员受到惨重伤害。

3 重大危险源的危险性分级

对重大危险源分级是政府主管部门对重大危险源进行宏观分级监控和管理的需要。分级的依据是对重大危险源可能导致的事故后果进行评价，以预测事故发生的死亡半径为主要评价指标，按死亡半径的大小对重大危险源进行分级。

目前，国内外通用的做法是以单元固有危险性大小作为分级的依据。决定固有危险性大小的因素基础是单元的生产属性。因此，用固有危险性作为分级依据能使受控目标保持稳定。分级标准划定不仅是一项技术方法，而且是一项政策性行为，分级标准严或宽将直接影响各级政府部门控制危险源的数量配比。分级标准划定原则应使各级政府直接控制的危险源总量自下而上呈递减趋势。

按照目前国内外通用的做法，用重大危险源的死亡半径 R 作为危险源分级标准，常将易燃、易爆、有毒重大危险源划分为4级，具体定义如下。

一级重大危险源：R≥200m；二级重大危险源：100m≤R＜200m；三级重大危险源：50m≤R＜100m；四级重大危险源：R＜50m。

据此可知，在油库铁路专用线的装卸作业区内一辆铁路汽油罐车在临时停留或装卸过程中，如发生爆炸，其死亡半径是46.3m，故可比照四级重大危险源进行管理。

4 重大事故后果评价结果和安全建议

采用数学模型定量计算分析表明，在油库铁路专用线的装卸作业区内一辆铁路汽油罐车在临时停留或装卸过程中，为四级重大危险源。铁路运输汽油时，多采用整列运输，如果整列油罐车停在编组站，站内可能还停有装载其他危险货物的车辆，一旦发生重大火灾爆炸事故，后果将不堪设想。

重大危险源存在的主要危险是爆炸危险和火灾危险，事故形态为自由蒸气云爆炸。重大危险源发生事故的概率较小，但火灾爆炸事故的后果极为严重，故应采取措施，积极预防。根据上述计算结果，应积极采取以下安全对策措施，防止重大危险事故发生。

（1）加强风险源头控制。发生火灾爆炸事故的一个主要原因是汽油泄漏，挥发的汽油蒸气在空气中达到爆炸极限范围。因此，汽油在铁路罐车装车前，应确认罐车是否良好，罐体外表应保持清洁，标记、文字清晰易辨。禁止使用罐体有漏裂，阀、盖、垫及仪表等附件、配件不齐全或作用不良的罐车。装车时要防止超装，充装量上限不得大于罐体标记容积的95%，下限不得小于罐体标记容积的83%。装车作业后，须及时关严罐车阀件，盖好人孔盖，拧紧螺栓，严禁混入杂质。在途中编组站作业时，须限速连挂，溜放或在驼峰上解体调车时，车辆连挂速度不得超过2km/h。

（2）严格控制点火源。发生火灾爆炸事故的另一个主要原因是存在点火源，因此应采取措施，杜绝各种火源。严禁把明火源(打火机、火柴、手机)带入禁火区域，禁穿带钉子的鞋、化纤衣物等，汽车、拖拉机等机动车辆须戴阻火罩，严禁在禁火区域内吸烟。认真执行动火制度和临时接电审批制度，维修、施工在禁区动火，必须执行动火审批，办理动火证，有专人负责、专人监护，并采取必要的救护消防措施。装卸作业区内的一切电气设备均应符合防爆等级要求，电器设备、设施老化或损伤应及时处理或更换。易燃液体铁路装卸栈桥、钢轨、铁路罐车车体及装卸鹤管，应有可靠的防静电措施。栈桥上的翻梯应装胶垫或胶轮，无胶垫或胶轮严禁使用。栈桥扶梯入口处应设置消除人体静电装置，并进行定期检查，检测防静电的连接件和接地设施，使之始终处于良好状态。

（3）加强安全管理。健全强有力的安全管理组织机构，制定完善的安全管理制度、岗位责任制和安全技术操作规程，加强安全教育培训，提高职工安全意识、安全责任感和安全技能。认真组织安全检查，督促各项规章制度的贯彻落实，发现隐患及时处理。根据运输和装卸危险货物易燃易爆的特征，制定防火、防静电安全管理措施，配备相应的消防设施、设备和消防器材，设置消防安全标志。

（4）重视应急救援。按照《铁路危险货物运输应急预案框架指南》和《危险化学品事故应急救援预案编制导则(单位版)》要求，编制切实可行的事故应急救援预案，配备相应的应急救援器材和安全防护设备，并定期组织培训和演练，提高职工应对突发事件的能力。