基于危险分析的液化石油气罐事故应急处置

郑 园

(中国石化燕山石化消防支队，北京燕山 102500)

基于危险分析的液化石油气罐事故应急处置

郑 园

(中国石化燕山石化消防支队，北京燕山102500)

分析了液化石油气的火灾危险性，描述液化气储罐发生泄漏时引发的火灾爆炸事故特点，通过模拟储罐蒸气云爆炸模型，利用TNT当量法来预测蒸气云爆炸的严重程度并进行定量分析，计算出爆炸死亡半径、重伤半径、轻伤半径和财产损失半径，确定储罐发生火灾爆炸时的安全距离，为液化气储罐预案的制订及事故状态下应急抢险救援任务提供参考依据。

蒸气云 液化石油气 储罐 爆炸

1 液化石油气的危险性特征

液化石油气由丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等组分混合构成，丙烷是液化石油气的主要组分。主要物化特性[1]见表1。

在常温常压下，液态的石油气极易挥发，气化后体积能迅速扩大250～350倍，即1 L液化石油气挥发，能变成250 L以上的气体，而且其气体密度约为空气密度的1.5～2.0倍。其爆炸下限低，与空气混合能很快形成爆炸性混合物，一旦遇有火源或高热就有爆炸、燃烧的危险。而且其爆炸破坏性极强，爆炸速度达2 000～3 000 m/s，火焰温度高达2 000 ℃，闪点在0 ℃以下，各组分最小引燃能量都在0.2～0.3 mJ左右，在标准状况下，1 m3液化石油气完全燃烧，其发热量高达104.7 MJ。由于燃烧热值大，爆炸速度快，瞬时就会完成化学性爆炸，爆炸的威力大，破坏性很强。

2 液化石油气储罐的火灾危险性

液化气储罐泄漏会引发不同的事故，主要为火灾爆炸危险,见图1[2]。

液化气储罐最大的火灾爆炸危险就是液化气的燃烧爆炸，这里主要介绍不可控蒸气云爆炸类型。

蒸气云爆炸[3]是指可燃气体或蒸气与空气混合形成的云状混合物，在某一有限空间遇到点火源引发的爆炸。当液化石油气储罐发生泄漏后，在常温常压下，液化气迅速在空气中气化，从空气环境中吸收大量的热量，使空气中水分冷却成为细小雾滴，形成液化气蒸气云，并从泄漏点沿下风向或低洼处扩散、积聚，当蒸气云浓度高于爆炸下限，且低于爆炸上限时，遇到点火源后被点燃，就会发生不可控蒸气云爆炸。蒸气云爆炸的发生有一定的条件，包括一定量的液化石油气泄漏，并与周围空气预混、延迟点燃等有关，其爆炸破坏作用有爆炸冲击波和火球热辐射作用对周围的人员、建筑物和设备的破坏和伤害，其中超压破坏作用最强，破坏区域最大。

表1 液化石油气物理化学特性

图1 液化气泄漏事故分析

3 蒸气云爆炸后果定量分析

下面对液化石油气储罐的伤害模型蒸气云爆炸进行模拟评价。

蒸气云爆炸模型：通过采用TNT当量法[3]来预测蒸气云爆炸的严重度，原理是假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献，并以TNT当量来表示蒸气云爆炸的威力。

3.1 蒸气云爆炸的TNT当量WTNT

WTNT=E/QTNT=αAWfQf/QTNT

式中:A—蒸气云的TNT当量系数，取4%

WTNT—蒸气云的TNT当量，kg；

Wf—蒸气云中燃料的总质量，kg；

Qf—燃料的燃烧热，MJ/kg；

α—地面爆炸系数，取1.8；

QTNT—TNT的爆热，取4.52 MJ/kg。

对在爆炸中人员的伤害评价, 最有意义的是划分出死亡区、重伤区、轻伤区及财产损失范围, 评价标准[4]如表2所示。

掌握爆炸对人员伤害的评价标准后，根据荷兰应用科研院(TNO)实验数据建议，可按下列公式[5]来计算蒸气云爆炸的冲击波损害半径，即死亡半径、重伤半径、轻伤半径及财产损失半径。

表2 爆炸导致的人员伤害的评价标准

3.2 死亡半径

该区内的人员如缺少防护，则被认为将无例外地蒙受严重伤害或死亡，其内径为零，外径记为R死(m)，表示外圆周处[6]人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为50%，它与爆炸量间的关系由下式确定：

R死=13.6(WTNT/1 000)0.37

3.3 重伤半径

该区内的人员如缺少防护，则绝大多数将遭受严重伤害，极少数人可能死亡或受轻伤。其内径为死亡半径R死，外径记为R重，表示该处人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为50%，它要求的冲击波峰值超压为44 kPa。

ΔP/P0=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

Z=R重*(P0/E)1/3

式中：R重——目标到爆源的水平距离，即重伤区半径，m；

ΔP——冲击波的入射超压，Pa；

P0——环境压力，Pa。

E——爆炸能量，J；

3.4 轻伤半径

该区内的人员如缺少防护，则绝大多数人员将遭受轻微伤害，少数人将受重伤或平安无事，死亡的可能性极小。该区内径为重伤区的外径R重，外径为R轻，表示外边界处耳膜因冲击波作用破裂的概率为1%，它要求的冲击波峰值超压为17 kPa。计算R轻仍用ΔP、Z公式计算。

3.5 财产损失半径

计算中可假定某半径内没有损失的财产与其半径外损失的财产相互抵消。或者说，可假定此半径内的财产完全损失，而半径外的财产完全无损失。财产损失半径计算为：

式中:R财——财产损失区半径，m；

K——常量，取4.6。

需要说明的是，上述计算公式只是某一储罐发生爆炸时的数学模拟，在实际过程中储罐一旦发生爆炸，必将影响到邻近其它储罐，如果引起了殉爆，势必将会造成更大的危害。

4 某罐区模拟分析计算

某罐区参数：液化气储罐区主要包括5个球罐，每个容积为400 m3，装料系数80%，主要储存液化石油气，操作压力0.5 MPa，液化气燃烧热为46.5 MJ/kg，密度为510 kg/m3，环境压力1.01×105Pa。

由于罐区内储罐同时发生事故概率很小，故按照单罐事故最严重情况处理，即单罐内液化气全部泄漏，则：

a)液化气最大储存量：Wf=400 m3×80%×510 kg/m3=163 200 kg

爆源爆炸能量：E=1.8×0.04×163 200×46.5MJ=546 393.6 MJ

b)TNT当量计算：

WTNT=E/4.52=120 883.5 kg

c)死亡半径：

R0.5=13.6×(WTNT/1000)0.37=80.2 m

d)重伤半径：ΔP取44 kPa，则

Z1=R重×(P0/E)1/3=0.003 3R重

R重=359.4 m

e)轻伤半径：ΔP取17 kPa，则

Z2=R轻×(P0/E)1/3=0.003 3R轻

R轻=646.1 m

f)财产损失半径：

g)将计算结果统计如表3：

表3 液化气罐蒸气云爆炸伤害破坏半径 m

5 结果分析及应急处置

根据模拟计算，该液化气储罐区单罐完全泄漏引发蒸气云爆炸的情况下，分析结果为：该400 m3液化气储罐完全泄漏引发蒸气云爆炸，爆炸导致人员死亡的区域为：以泄漏点为圆心，半径为80.2 m的圆形区域；爆炸导致人员重伤的区域为：以泄漏点为圆心，内径为80.2 m、外径为359.4 m的环形区域；爆炸导致人员轻伤的区域为：以泄漏点为圆心，内径为359.4 m、外径为646.1 m的环形区域；爆炸导致财产损失的区域为：以泄漏点为圆心，半径为227.4 m的圆形区域，区域内建筑及设备都将遭受破坏。

所以如果该罐区某一储罐全部泄漏，发生蒸气云爆炸事故，以泄漏点为圆心，半径为646.1 m的圆形范围内会造成人员伤亡和财产损失，因此应急救援人员离气云中心的最小工作安全距离为646.1 m。在实际过程中还有可能发生殉爆，危害将更大，伤害半径也会扩大，所以在实际处置中应考虑这些因素。

在消防救援过程中，往往由于对现场不熟悉，对物料的危险特性等情况不清楚，就盲目地进入现场进行处置，展开救援工作。特别是在泄漏情况下，因对现场一旦发生着火爆炸等，就会波及到爆炸区域内的救援人员和车辆设备的安全，造成救援人员的伤亡，就更谈不上去救人和现场处置了。所以必须保障自身的生命安全，指挥员在进行泄漏应急处置时，首先能够准确了解现场储罐的情况，包括储罐大小、物料名称、存储数量、理化性质等，考虑其泄漏爆炸的最大危害后果，掌握现场爆炸后的各类伤害半径范围，这些计算结果能及时为指挥员的初期处置和决策提供指导依据，达到科学施救。

掌握爆炸计算数据，对指导应急处置意义重大：①能够为泄漏预案的制订提供依据，使得预案更加科学合理，更加贴近实际；②通过数据结合现场实际泄漏情况，指挥员能迅速准确地将消防车辆停在安全区域范围，避免车辆进入危险区域；③指挥员能迅速找到泄漏区域内的重点部位，包括高温设备炉区、配电间、泵区、低洼地带等，能够及时布置力量采取措施将其与泄漏气体隔离或驱散，防止可燃气体爆炸发生；④能够及时掌握现场所需力量，及时调集增援力量到场，抓住战机，缩短救援时间，及时控制泄漏区域，保证现场救援力量一次足够，及时驱散稀释泄漏聚集的气体，防止爆炸发生；⑤通过数据能够及时划出事故现场警戒范围以及事故现场及周边范围内人员疏散的最小安全距离，禁止一切车辆、火源和无关人员进入，这样能够有效减少或者避免更大人员的伤亡；⑥掌握数据能够清楚知道人员所处的危险区域，在任务展开执行完毕后，能够迅速撤出各个危险区域，或者在重伤区域、轻伤区域内能够及时找到掩体掩护，防止或降低爆炸超压冲击波的伤害；⑦若未到场就发生了爆炸事故，掌握这些数据也能够为后续的救援工作提供依据，包括搜救区域范围、危险区域等，为应急救援工作快速顺利开展提供数据支撑；⑧了解数据能够为储罐周围的重点设备及重要部位的布置提供参考，同时也能为已经规划好的区域制订相应的安全措施作支撑，提高其与泄漏区的安全性，例如在炉区安装水幕气幕设施等，保证在泄漏情况下及时启动，将泄漏气体隔离，防止遇到高温设备发生爆炸，扩大事故危害，能够为应急救援工作争取时间，降低损失。

[1] 周国泰主编. 危险化学品安全技术全书[M]. 北京: 化学工业出版社, 1997.

[2] 陈思凝,孙金华,王青松.液化石油气泄漏的危险性分析及其事故后果评价方法[J].中国工程科学，2005, 7 (9).

[3] 吴宗之,高进东,魏利军.危险评价方法及其应用[M].北京：冶金工业出版社, 2001.

[4] 丛龙海,孙宁.液化石油气储罐区火灾危险性评价[J].武警学院学报,2011,27(10).

[5] 马世海. 液化石油气罐区危险性模拟评价及预防措施[J].中国职业安全卫生管理体系认证, 2004(1): 17-20.

[6] 宇德明, 冯长根, 徐志胜，等. 炸药爆炸事故冲击波、热辐射和房屋倒塌的伤害效应[J]. 兵工学报,1998,19 (1):33-37.

TheLiquefiedPetroleumGasAccidentEmergencyDisposalBasedonRiskAnalysis

Zheng Yuan

(SINOPEC Yanshan Petrochemical Fire Detachment, Beijing, 102500)

By analyzing the fire danger of liquefied petroleum gas (LPG), described the liquefied petroleum gas storage tank leakage cause of fire explosion accident characteristics, through the simulation of tank vapor cloud explosion model, TNT equivalent weight method is used to predict the severity of the vapor cloud explosion and carry on quantitative analysis, to calculate the radius of explosion radius of die radius, serious injuries, minor injuries and property damage radius, determine the safe distance of tank fire explosion, for the establishment of liquefied petroleum gas storage tank plans and accident situation provided a reference for emergency rescue mission.

vaporous cloud; liquefied petroleum gas; storage tank; explosion

2016-01-16

郑园，助理工程师，2009年毕业于西南交通大学消防工程专业，现主要从事消防应急救援管理工作。