基于TNT模型的液氨储罐蒸气云爆炸事故影响范围及救援处置对策分析

郭晓晓 汤 杨 马晓龙 郭 慧

（1.重庆文理学院土木工程学院，重庆 400000；2.山东瑞祥注册安全工程师事务所有限公司，山东 潍坊 261000；3.北京航天发射技术研究所，北京 100000）

0 引言

氨气属于有毒、易燃、易爆气体，常以液氨的形式储存于储罐或管道中。一旦容器泄漏，极易发生火灾、爆炸、中毒、环境污染等事故。泄漏的液氨与周围空气形成易燃易爆云团，若遇火源可能发生蒸气云爆炸，本文采用TNT 模型，以某液氨储罐为例，研究液氨泄漏发生蒸气云爆炸事故的影响范围，希望能够对项目选址、安全防护和应急处置等提供参考。

1 蒸气云爆炸模型

1.1 Baker—Strehlow 模型

Baker—Strehlow 模型将能量释放看作是从中心向外传出一道火焰速度为马赫数且具有一定厚度的波，通过对敞开空间蒸气云爆炸进行数值计算，得出无量纲峰值超压随无量纲距离变化的曲线。

此模型认为：只有受约束的那部分气体对爆炸产生显著的效果，其他不在约束条件下的气体只是发生燃烧，对爆炸效应几乎没有贡献[1]。

1.2 多能（Multi-Energy）模型

多能模型是在TNO 模型的基础上改进的。假设气云为半球形，在中心发生点火，火焰以恒定速度传播，然后计算出不同燃烧速度下的气云爆炸强度，得出无量纲爆炸超压与无量纲距离的关系曲线。多能模型在实际应用中存在一些不足：

（1）如何确定受限区域的尺寸是个难题；

（2）读取无量纲爆炸超压与无量纲距离的关系曲线时，个体间存在主观差异。

1.3 TNT 当量模型

TNT 当量法是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。蒸气云爆炸能产生多种破坏效应，但最危险、破坏力最强的是冲击波。

式中：WTNT为蒸气云的TNT 当量（kg）；Wf为蒸气云中泄漏可燃物的总质量（kg）；α 为蒸气云爆炸的效率因子，取0.04；Qf为氨气的燃烧热（MJ/kg），氨气取18.6MJ/kg；QTNT为TNT 的爆炸热，一般取4.52 MJ/kg。

重伤、轻伤半径的计算：ΔP/P0=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

式中：ΔP 为冲击波超压（Pa）；R 为目标到爆源的水平距离（m）；P0为环境压力（1.01×105Pa）。

式中，K2为二级破坏系数，取4.6。

2 液氨储罐蒸气云爆炸实例分析

某公司厂区地势平坦，厂内液氨储罐设计压力为4.3 Mpa，日常工作压力为2.3 Mpa。充装系数为90%，液氨的总重量为20.3 t。假设储罐内的液氨全部泄漏形成蒸气云并且参与爆炸反应。

2.1 伤害准则

文章采用超压准则计算冲击波造成的死亡区、重伤区、轻伤区。表1 为冲击波对人员伤害的超压准则。

表1 人员伤害超压准则

2.2 伤害半径计算结果

（1）蒸气云TNT 当量的计算：

齿轮毛坯，先通过铣削、车削等成形工艺加工成形，然后通过热处理工艺，改变齿面材质的内部结构，改善齿面硬度，但与此同时，齿形轮廓也将发生变化，因而需要进行最后的精密磨削加工。齿轮精密加工通常采用几何不规律的切削刃进行加工，以实现两个重要的目标值：齿面最大的承载能力和齿轮啮合产生最低的噪声。齿轮质量的高低取决于渐开线齿面的精度。

（2）爆炸总能量的计算：

E=1.8×0.04×20.3×103×18.6=27 185.76 MJ

（3）死亡半径。死亡半径表示处于该半径内人员若无防护则无一例外受到严重伤害或死亡[3]。

（4）重伤半径、轻伤半径。重伤半径表示处于该半径内人员若无防护则绝大多数受到严重伤害[3]，冲击波峰值超压为44 000 Pa。轻伤半径表示处于该半径内人员绝大多数遭受轻微伤害[3]，冲击波峰值超压为17 000 Pa。将重伤、轻伤半径的冲击波超压分别带入公式，得出重伤半径R2=69.66 m，轻伤半径R3=126.26 m。

（5）财产损失半径。财产损失半径表示在此半径内的财产全部损失，通过公式，得出R4=83.65 m。

由以上计算可得，液氨储罐发生蒸气云爆炸的死亡区为0～26.41 m，重伤区为26.41～69.66 m，轻伤区为69.66～126.26 m，126.26 m 以外的区域为安全区，财产损失半径为83.65 m。定量计算的事故影响范围为应急救援提供了数据参考，有利于相关部门应急处置的决策。

3 事故救援处置对策

3.1 设置警戒区域

3.2 防护措施

氨具有易燃、有毒、刺激性等特性，救援人员应做好个人防护，佩戴自给正压式呼吸器，戴过滤式防毒面具，戴化学安全防护眼镜，戴橡胶手套，穿防静电服，穿戴面罩式胶布防毒衣或者穿戴防毒渗透服，保护好呼吸系统、眼睛、双手以及身体皮肤等部位。

3.3 堵漏措施

如果泄漏点位于阀门之后的管道上，应由专业人员关闭阀门，切断泄漏源。若无法关闭，应根据实际情况采取合适的堵漏措施。如果泄漏点位于罐体或管道上，可以用金属外壳内衬橡胶垫片、使用专用的管道的内外封式、利用螺丝钉加粘合剂旋拧等。如果发生罐体撕裂，可以从外部使用充气垫片或空心橡胶加压充气器具等进行堵漏。如果因法兰老化导致泄漏则可以用同型号的法兰夹具注胶堵漏[2]；若是螺栓松动导致法兰泄漏，可以用不产生火花的工具拧紧螺栓。

4 结语

（1）介绍了几种常用的定量计算蒸气云爆炸的模型，TNT 当量模型简便实用，易于操作，计算结果具有指导意义，可作为具有相似性质的物质在计算蒸气云爆炸事故后果时的模型参考。

（2）运用TNT 当量法计算出液氨储罐蒸气云爆炸事故的死亡半径、重伤半径、轻伤半径、财产损失半径，为应急救援提供数据参考。

（3）根据计算结果设置应急处置警戒区，并提出了救援处置中的个体防护措施、堵漏措施。