魯盈利 呂植勇 莊學強

（武漢理工大學智能交通系統(tǒng)研究中心1） 武漢 430063） （國家水運安全工程技術(shù)研究中心2） 武漢 430063）（集美大學輪機工程學院3） 廈門 361021）

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，運送液體危險化學品的罐車和船舶數(shù)量陡增.運輸?shù)奈；贩N類包括汽油、柴油、液化天然氣、硫酸、鹽酸、液氨等，從危險性上看，這些介質(zhì)具有易燃易爆、毒害、腐蝕等特性，在運輸、儲存、經(jīng)營和使用中容易造成人身傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染［1］.

LNG是天然氣經(jīng)過液化和凈化處理后得到的低溫液體，多儲存在絕熱罐體中.LNG作為一種綠色能源在長江綠色航運中發(fā)揮著重要的作用，同時LNG也是一種易燃易爆的危險化學品，使得LNG儲罐發(fā)生泄漏時極易引起火災爆炸事故，LNG加注躉船一旦發(fā)生蒸氣云爆炸事故，不僅對加注躉船和周圍建筑設備造成嚴重的破壞，還對內(nèi)行航道的通航安全和周圍人員的生命安全造成了嚴重的威脅.

國內(nèi)外圍繞LNG泄漏爆炸事故開展了研究工作，Juan A.Vilchez等［2－3］提出了 LNG蒸氣云擴散安全系數(shù)（DSF）的定義，即可燃蒸氣云達到燃燒下限濃度（LFL）的下風向距離與對應的蒸氣云可見輪廓的下風向長度之比；張凡等［4］分析了國內(nèi)外在水幕法控制LNG蒸氣云擴散方面的研究進展，給出了不同水幕的優(yōu)缺點；關(guān)麗等［5］做的受限空間爆炸試驗表明在天然氣濃度為7%～11%時，蒸氣云爆炸的TNT當量模型與實驗結(jié)果最為接近.本文對LNG加注躉船上LNG儲罐的泄露源強進行了模型分析，對泄漏可能造成的蒸氣云爆炸事故進行了定量計算，得到了爆炸事故的TNT當量以及可能造成的危害區(qū)域半徑.

1 LNG儲罐泄露導致的危害后果

1.1 LNG的危險性

常壓下，LNG以大約－162℃的低溫儲存在儲罐或船舶艙室中，其初始密度為426kg／m3，臨界蒸發(fā)溫度90.7K，沸騰溫度111.66K.LNG泄露或者溢出時溫度便會升高，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，氣態(tài)時的體積可達液態(tài)時的600倍，因此，當其泄露至水中時它將漂浮在水面并以爆炸速度產(chǎn)生大量閃蒸氣.當LNG閃蒸氣的溫度上升至高于－58℃時，其密度將小于周圍空氣的密度，能夠自由的在空氣發(fā)生擴散.

當蒸氣云在空氣中擴散至體積分數(shù)達到燃燒范圍時，如遇明火將會發(fā)生燃燒.在燃燒發(fā)生前的這段時間里，如果LNG仍持續(xù)溢出或泄漏，則火災將有可能蔓延到液池內(nèi)，形成池火.如果蒸氣云不能在空氣中自由的擴散，或者蒸氣云中含有大量更重的碳氫化合物，那么火焰就會加速燃燒并引起爆炸.

1.2 LNG儲罐泄露的危害后果

大量的LNG蒸氣在空氣中擴散的過程中不僅會發(fā)生燃燒，當其體積分數(shù)稀釋至5%～15%時還將發(fā)生爆炸事故——蒸氣云爆炸（vapor cloud explosion，VCE）.LNG儲罐在火焰的高溫作用下，液化天然氣的溫度將迅速升高，蒸發(fā)量增大，當罐內(nèi)壓力升高到某一值時有可能造成儲罐崩塌.如果爆炸發(fā)生在有限的空間，那么破壞力將是毀滅性的.

2 蒸氣云爆炸風險評估模型

2.1 泄漏源強模型

很多權(quán)威的LNG安全評估機構(gòu)（如Quest公司、MIT、DNV（挪威船級社）、ABS（美國船級社）等）都采納由伯努力方程推導得到的泄漏源強模型，其模型如下.

式中：Chole為泄漏口的流量系數(shù)；Ahole為泄漏口的流通面積，m2；pT為LNG儲罐液面上方的壓力，Pa；patm為大氣壓力，100kPa；ρL為 LNG 液體密度，kg／m3；H 為LNG液面離泄漏孔中心距離，m；Q 為LNG液體泄漏率，kg／s.

由式（1）可知，在其他參量不變的情況下流量系數(shù)的取值對LNG泄漏源強的確定有著重要影響.但不同的評定機構(gòu)對流量系數(shù)的取值存在著較大的差別.通常，DNV和Sandia的取值為0.6，而Fay和ABS則取值1.0［6］，因此計算得到的結(jié)果也有較大差異.

2.2 泄漏口流量系數(shù)

流體流過泄漏孔時的流動狀態(tài)可分為單相流動、空穴流動和反流流動［7］，而實際情況下LNG儲罐的泄漏可視為是射流流動.根據(jù)C.Soteriou等［8］對平口射流的研究可知，射流流動的流量系數(shù)取決于流體流過泄露孔時的流動狀態(tài).

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗模型，流體流過泄露孔時的流動狀態(tài)主要受泄漏孔直徑d、泄漏孔長度L、泄漏孔進口倒角半徑r、泄漏孔上游壓力p1、泄漏孔下游壓力p2、液體粘度μ、液體密度ρL和液體飽和蒸汽壓pv這些參數(shù)的影響.

根據(jù)影響泄露孔內(nèi)流動狀態(tài)的因素，引入幾個量綱一的量判斷參數(shù).將判斷空穴是否發(fā)生的基本參數(shù)記為空穴參數(shù)K，其表達為［9］

空穴流發(fā)生時的臨界K值定義為Kincep：Kincep＝1.9（1－r／d）2－1 000／Re式中，Re為雷諾數(shù)，

將K，Kincep，Kcrit按圖1的對比方案進行比較，可判斷出流體流過泄露孔時的流動狀態(tài).

圖1 流動狀態(tài)判斷決策樹

流體流過泄露孔時的流動狀態(tài)確定后，流量系數(shù)Chole的求解可遵循如下方法.

對于單相流泄漏

對于空穴流泄漏

對于返流泄漏：Cd＝Cct.

Cct等于0.611的理論常數(shù)，它是從返流噴嘴的勢流分析中得到的.

2.3 蒸氣云爆炸的TNT當量模型

液化天然氣泄漏后引發(fā)的蒸氣云爆炸的破壞形式主要有爆炸產(chǎn)生的超壓沖擊波和火球熱輻射，且超壓沖擊波對周圍人員和建筑設施的破壞作用最大.本文采用TNT當量法和超壓準則［11－14］來對其后果進行預測，具體如下.

1）TNT當量的計算

式中：α為地面爆炸系數(shù)，由于蒸氣云爆炸是地面或近地面爆炸，爆炸總能量是實際能量的1.8倍［15］，取1.8；WTNT為LNG蒸氣云的TNT當量，kg；A為LNG蒸氣云的TNT當量系數(shù)；Wf為LNG蒸氣云的總質(zhì)量，kg；Qf為天然氣的高熱值，kJ／kg，為55 900kJ／kg；QTNT為TNT的爆熱，kJ／kg，取4 500kJ／kg；

2）傷害分區(qū)的劃分 利用超壓準則對蒸氣云爆炸的危害后果進行分析預測時，可以以加注躉船的LNG儲存罐為源心，簡單的按死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)對周圍區(qū)域進行劃分.各傷害分區(qū)內(nèi)的人員在沒有任何防護的情況下，則被視為將遭受相應分區(qū)內(nèi)的傷害.

以加注躉船的LNG儲存罐為中心源，死亡區(qū)的內(nèi)徑為0，外徑是人員因沖擊波作用導致肺出血而死亡的概率為0.5時距離中心源的最大距離，用R1來表示.它與TNT當量之間的關(guān)系式為

重傷區(qū)的內(nèi)徑就是死亡區(qū)的外徑R1，外徑用R2來表示.R2是人員因沖擊波作用造成耳膜破裂的概率為0.5時距離中心源的最大距離.通常情況下能造成這一傷害的沖擊波超壓峰值至少為0.07MPa，本文按0.07MPa計算.

同樣地，輕傷區(qū)的內(nèi)徑即為重傷區(qū)的外徑R2，外徑用R3來表示.R3是人員因沖擊波作用造成耳膜破裂的概率為0.01時距離中心源的最大距離.通常情況下能造成這一傷害的沖擊波超壓峰值至少為0.025MPa，本文按0.025MPa計算.

將沖擊波超壓比記為Δp，其計算式如下.

式中：Δp為沖擊波的最大正相超壓ps與大氣壓強p0之比；Z 為中間量，表達式為：Z＝；E為蒸氣云爆炸產(chǎn)生的能量值，J，表達式為

3 LNG加注躉船蒸氣云爆炸事故分析

3.1 案例基本情況

研究考慮的LNG加注躉船是由武漢某船舶設計院設計的雙燃料加注船，擬位于武漢地區(qū)某江段.全船長90.00m，型寬16.00m，型深3.20 m，吃水1.6m，預裝LNG約213t、燃油190t，燃油艙位于甲板下方.LNG儲存裝置采用的是2個C型雙層絕熱真空全冷罐，儲罐對稱布置在船舶首尾線兩側(cè)，從岸基沿船舶橫向線看去，儲罐左側(cè)是船電控制室，儲罐右側(cè)是服務大廳和船員休息室，后側(cè)是岸基平臺，非加注狀態(tài)時前側(cè)是水面，具體見表1.LNG儲罐內(nèi)層罐體長度約為25.1 m，直徑為3.7m，外層罐體長度約為26.0m，直徑為4.2m，單罐總?cè)莘e250m3.罐子的最大設計充裝率為95%，最大充裝量為237m3，正常操作壓力1MPa，LNG的儲存溫度－162～－140℃.罐區(qū)內(nèi)有安全閥、壓力表、流量計、BOG儲存罐、監(jiān)控報警系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，以及消防系統(tǒng)等安全設施，還有加注裝置和汽化器等工藝設備.

表1 LNG儲罐周圍設施基本情況

3.2 蒸氣云爆炸后果的定量計算分析

研究假定LNG加注躉船儲罐的單罐充裝率為95%且全部發(fā)生泄漏，泄露的LNG中參與蒸氣云爆炸的比率按30%計算，天然氣蒸氣云的TNT當量系數(shù)A的取值范圍為0.02%～14.9%，均值為3%～4%［16］，取4%.計算得到蒸氣云的質(zhì)量為60 705kg，蒸氣云的TNT當量為542 95kg.

圖2 超壓比Δp與傷害半徑R的變化關(guān)系曲線

LNG加注躉船和陸上的加注站不同，其開敞空間有限，如果發(fā)生蒸氣云爆炸事故將會對周圍人員、設備產(chǎn)生巨大的破壞.由計算可知躉船上的主要建筑半徑均在蒸氣云爆炸的死亡半徑范圍內(nèi)，由圖2可知距離爆炸源60m處其正相最大超壓仍有0.25MPa左右，當沖擊波在0.20～0.30 MPa時，它能造成的傷害是大型鋼結(jié)構(gòu)被破壞，絕大多數(shù)人員死亡［17］.因此，如果躉船上發(fā)生蒸氣云爆炸事故其對船舶的破壞將是毀滅性的，同時其近200m的傷害半徑也會對內(nèi)河航道的通航安全構(gòu)成嚴重的威脅.另外，躉船上多建有燃油艙，如果燃油艙在蒸氣云爆炸事故中被破壞，也將會對周圍水域造成巨大的污染.

鑒于蒸氣云爆炸對躉船及其周邊環(huán)境的巨大破壞性.躉船在建造完成時在罐區(qū)就安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并在管路系統(tǒng)上裝有溫度、壓力、流量等各式傳感器來獲取罐子內(nèi)外的實時數(shù)據(jù)信息，一旦發(fā)生異常聲光報警系統(tǒng)就會立即發(fā)出報警信號通知值班人員檢查故障部位.躉船上的泡沫和水消防系統(tǒng)也能夠及時排除事故初期的小型火災，避免事故的擴大.

4 結(jié)束語

LNG作為一種易燃易爆的危險性化學品，在儲存和運輸?shù)倪^程中一旦發(fā)生泄露引起爆炸將造成巨大的破壞.在LNG加注躉船上單罐250m3的LNG泄露造成的蒸氣云爆炸事故其死亡半徑就達到了59.6m，在該致死半徑內(nèi)爆炸產(chǎn)生的最大超壓波能造成大型鋼結(jié)構(gòu)的嚴重破壞，這意味著躉船上的絕大部分建筑設施都將遭到嚴重毀壞.同時，爆炸能造成的輕傷半徑也高達196.7 m，這必會將對內(nèi)河航道的通航安全造成嚴重的安全隱患.因此，在LNG加注躉船上除了裝配有監(jiān)控報警設備和安全設施外，工作人員還應加強對罐區(qū)的日常維護和保養(yǎng)工作，及時排除安全隱患，避免爆炸事故的發(fā)生.

LNG加注躉船作為我國內(nèi)河運輸中的新興事物，目前關(guān)于其發(fā)生事故危害的評價研究工作還較少，本文關(guān)于蒸氣云爆炸的評價結(jié)果也僅適用于加注船上LNG單罐體發(fā)生爆炸時的場景.當前，新設計的加注躉船多為雙燃料加注，即甲板下層的燃油艙裝有燃油，因此使得連鎖爆炸時的情況異常復雜，經(jīng)典的TNT當量模型可能已不適用于評價其危害后果，限于筆者當前研究進度，沒有對多罐體爆炸進行后果評價.

［1］張琴蘭，劉 湘，呂植勇.?；坟浳镌谕景踩珷顟B(tài)模糊識別方法研究［J］.交通信息與安全，2013，31（6）：136－139.

［2］VíLCHEZ J A，VILLAFANE D，CASAL J.A dispersion safety factor for LNG vapor clouds［J］.Journal of Hazardous Materials，2013，246（247）：181－188.

［3］GAVELLI F，BULLISTER E，KYTOMAA H.Application of CFD（Fluent）to LNG spills into geometrically complex environments［J］.Journal of Hazardous Materials，2008（159）：158－168.

［4］張 凡，田 震，胡 雷.水幕法控制LNG蒸氣云擴散的研究進展［J］.中國安全科學學報，2014，24（7）：30－35.

［5］關(guān) 麗，劉德俊，周志強.天然氣管道泄漏爆炸試驗分析［J］.中國安全產(chǎn)科學技術(shù)，2014，10（12）：27－32.

［6］BAIK J.Consequence modelling of LNG marine incidents［C］∥7th Professional Development Conference＆Exhibition，Kingdom of Bahrain：ASSE，2006.

［7］PAYRI F，BERMUDEZ V，PAYRI R.The influence of cavitation on the internal flow and the spray characteristics in diesel injection nozzles［J］.Fuel，2004，83（4／5）：419－431.

［8］SOTERIOU C，ANDREWS R，SMITH M.Direct injection diesel sprays and the effect of cavitation and hydraulic flip on atomization［EB／OL］.http：／／papers.sae.org／950080／，［2015－04－19］.

［9］SCHMIDT D P，CORRADINI M L.Analytical prediction of the exit flow of cavitating orifices［J］.Atomization and Sprays，1997，7（6）：603－610.

［10］NURICK W H.Orifice cavitation and its effects on spray mixing［J］.Journal of Fluids Engineering，1976，98（4）：681－687.

［11］高夢非，張哲源，張 苗，等.氨分解裝置中液氨儲罐火災爆炸危險性分析［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2014，10（8）：150－155.

［12］涂吉興，揭業(yè)香.LNG儲罐組泄漏爆炸事故后果模擬［J］.消防技術(shù)，2006（11）：25－27.

［13］劉 茂，余素林，陳紅盛，等.輸氣管道的蒸氣云爆炸災害的風險分析［J］.南開大學學報：自然科學版，2002，35（2）：84－89.

［14］CHEN Guohua，ZHOU Jianfeng，ZHANG Wenhai，et al.Probabilistic consequence analysis for vapor cloud explosion of flammable gas［J］.Computers and Applied Chemistry，2005，23（12）：1199－1204.

［15］孫 暉，張樹海，吳明亮.液氨泄露蒸汽云爆炸的風險分析［J］.安全與環(huán)境工程，2010，17（4）：64－66.

［16］狄建華.LNG儲罐蒸汽云爆炸后果分析［J］.廣州化工，2013，41（9）：271－272.

［17］宋文華，董影超，謝 飛.液化石油氣儲罐泄露發(fā)生爆炸事故的后果分析［J］.南開大學學報：自然科學版，2012，45（1）：106－111.