氢气缓冲罐雷击火灾爆炸事故后果分析

秦 健 杜 睿 何 宇

1.重庆市防雷中心 2.重庆市雷电灾害鉴定与防御工程技术研究中心

氢是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工等方面有着广泛应用[1]。某制气基地采用水电解法制氢，氢气缓冲罐遭受雷击产生破裂，氢气发生泄漏，其理化性质决定了发生火灾、爆炸危险程度较高，往往造成重大的人员伤亡和财产损失。

路世昌等对氢气长管拖车集装管束火灾爆炸风险进行评估[2]，王飞跃等研究湿式氢气贮柜爆炸事故原因[3]，张武等对可燃气体储罐区泄漏危险性进行分析[4]，赵英汉等探讨引起氢气瓶爆炸的直接原因[5]。但对于雷击引起氢气缓冲罐火灾、爆炸事故的后果分析较少，本文分析雷击引起缓冲罐破裂泄漏的危险性，利用喷射火、蒸气云爆炸模型对火灾爆炸后果进行模拟分析。

1 雷击氢气缓冲罐危险性

原西德慕尼黑联邦国防军大学的高压实验室研究得出，长时间雷击电荷Q1=200C时，对2mm厚的钢板在各种情况下均穿孔，穿孔的直径钢板约为4～12mm。雷电属于多脉冲放电，雷击电流电压降远远大于假定值，因此存在雷击击穿氢气缓冲罐的可能。

2 氢气火灾爆炸危险辨识

2.1 氢气火灾爆炸危险性

2.1.1 易燃性

氢气燃烧只有加热和氧化两个步骤，燃烧速度极快。氢气点火能量很低，雷电感应、电磁辐射、不同电位之间的放电等都有可能点燃氢－空气混合物。

2.1.2 易爆性

氢气爆炸范围较宽，氢气积聚在室内，当含量达到爆炸限时氢气－空气混合物极易产生爆炸燃烧，并产生热气体迅速膨胀，形成冲击波。

2.2 氢气缓冲罐火灾爆炸危险性

2.2.1 泄漏

密封结构安全性很大程度上决定了高压容器密封的可靠性，高压化学介质一旦发生泄漏，后果非常严重[8]。

2.2.2 破裂

缓冲罐及其承压部件在使用操作中，尺寸、形状或材料性能发生改变，最常见的失效形式为破裂失效。

2.2.3 氧气混入

电解过程中少量的氧气通过氢气管道进入氢气缓冲罐，高压气流与管道摩擦容易产生静电，可能发生化学爆炸[9]。

2.2.4 雷击

闪电放电时在氢气缓冲罐产生雷电静电感应和雷电电磁感应，使金属部件之间产生很高的电动势。如缓冲罐遭受雷击造成破裂，在泄漏裂口处被点燃，形成喷射火，达到爆炸限值发生气体爆炸。

3 氢气缓冲罐雷击火灾爆炸事故模型

3.1 氢气缓冲罐喷射火模型

整个喷射火看成是由沿喷射中心线上的所有几个点热源组成，每个点热源的热辐射通量相等，则某一目标点处的入射热辐射强度等于喷射火的全部点热源对目标的热辐射强度的总和[10]，见式(1)。

式中：

Ii—点热源i至目标点x处的热辐射强度，W/m2；

n—计算时选取的点热源数，一般取n=5。

3.1.1 氢气泄漏速度

计算氧气泄漏量需首先判断泄漏时气体流动属于音速还是亚音速流动，分别用临界流或亚临界流来描述，泄漏速度公式(2)[10]。

式中：

Y—气体膨胀因子；

Cd—气体泄漏系数，裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90；

A—裂口面积，m2；

ρ—氢气密度, kg/m3；

M—分子量；

k—气体的绝热指数；

R—气体常数，J/mol·K；

T—环境温度；

P0—大气环境压力；

P—缓冲罐内的氢气压力。

式中P0、P、k符号意义同前。

3.1.2 热辐射强度

点热源的热辐射通量为[10]

式中：

q—点热源辐射能量，W；

η—效率因子；

Q0—氢气泄漏速度，kg/s；

Hc—氢气燃烧热，J/kg。

射流轴线上某点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度计算，见式(5)[2]。

式中：

Ii—点热源i至目标点x处的热辐射强度，W/m2；

q—点热源辐射通量，W；

λ—辐射率；

x—点热源到目标点的距离，m。

3.1.3 伤害损失

变换式(5)得到火灾影响的范围式(6)[2]，结合表1，可确定喷射火造成不同伤害损失的半径。

表1 热辐射的不同入射通量对设备及人员所造成的损失

3.2 氢气缓冲罐蒸气云爆炸模型

蒸气云爆炸模型采用TNT当量模型[11]，再结合超压－冲量准则预测蒸气云爆炸伤害范围。

3.2.1 蒸气云爆炸总能量

蒸气云爆炸总能量由式(7)[2]计算：

式中：

E—蒸气云爆炸总能量，kJ；

α—地面爆炸系数，取1.8；

A—可燃气体蒸气云的当量系数，取0.04；

Vf—氢气缓冲罐内气体体积，m3；

Hc—氢气燃烧热，J/kg。

3.2.2 蒸气云爆炸当量

蒸气云TNT当量由式(8)[2]计算：

式中：

WTNT—蒸气云TNT当量，kg；

E—蒸气云爆炸总能量，kJ；

QTNT—TNT爆炸热，kJ/kg。

3.2.3 爆炸冲击波超压伤害范围

肺损伤是造成人类死亡的一个重要原因[12]，以区域内人员因冲击波作用导致耳膜、肺损失的概率划分评估标准，见表2，结合参与爆炸的氢气释放的能量折合为能释放相同能量的TNT炸药的重量，得到冲击波超压伤害范围。

表2 爆炸冲击波导致的人员伤害的评估标准

（1）死亡区范围[2]。

式中：WTNT—蒸气云TNT当量，kg。

（2）重伤和轻伤区范围。

蒸气云爆炸冲击波超压∆P按式（10）[2]计算：

比例距离Z按式（11）[2]计算：

超压引起的伤害半径R按式（12）[2]计算：

式中：

R—目标到蒸气云中心距离，m；

Z—比例距离，m/kg1/3；

P0—大气环境压力，取值97310Pa；

E—蒸气云爆炸总能量，取值3116.571MJ。

4 实例模拟分析

某制氢站氢气生产规模75t/a，2台钢制立式氢气缓冲罐，每台容积30m3，事故预测按超压10MPa、温度按30℃计算。

4.1 泄漏火灾模拟计算

首先判断气体流动速度与音速的关系：

雷击每库仑(C)能熔化软钢4mm3/C，雷电流电荷Q=200C，则雷电流熔化的软钢的体积V=8×10-7m2；假设雷电流击穿缓冲罐形状为圆柱形，壁厚H=0.004m，泄漏面积：

根据式（2），泄漏速度：

根据式（4），热辐射能量：

根据式（6）：

（1）致死区目标距雷击点的水平距离。

（2）重伤区目标距雷击点的水平距离。

（3）轻伤区目标距雷击点的水平距离。

（4）危险区目标距雷击点的水平距离。

4.2 蒸气云爆炸模拟计算

4.2.1 蒸气云爆炸总能量

蒸气云爆炸总能量由式（7）计算：

4.2.2 蒸气云爆炸当量

蒸气云TNT当量由式（8）计算：

4.2.3 爆炸冲击波超压伤害范围

（1）死亡区伤害范围。

按式（9）计算：

（2）重伤和轻伤区伤害范围。

轻伤区蒸气云爆炸冲击波超压：

将重、轻伤区蒸气云爆炸冲击波超压0.452、0.175分别带入式（11）求得重伤区Z=0.981，轻伤区Z=1.526。

重伤和轻伤区伤害范围按式（12）求得：重伤半径：R=31.65m；轻伤半径：R=49.23m。

爆炸破坏范围计算，见表3。

表3 氢气储罐破裂发生爆炸伤害范围

5 结论

在氢气缓冲罐火灾爆炸危险性辨识的基础上，运用喷射火、蒸气云爆炸模型对缓冲罐遭受雷击引起火灾爆炸事故后果进行了模拟计算。结果表明缓冲罐发生喷射火时的伤害范围很小，仅为0.073m。发生爆炸的死亡、重伤、轻伤半径较大，分别为11.85m、31.65m、49.23m。从伤害半径数据推断雷击氢气缓冲罐破裂爆炸可引起严重事故后果，应采取防雷措施，尽量避免缓冲罐发生雷击爆炸。

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