代啟兵，方江敏，柯甜甜

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510641)

液化天然氣罐車泄漏原因分析及事故后果模擬

代啟兵，方江敏，柯甜甜

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510641)

收集和整理了2006年1月至2016年6月間81起液化天然氣罐車事故案例，并針對交通事故后經(jīng)常發(fā)生泄漏事故進行了原因分析及后果分析。以廣東省某高速公路上發(fā)生液化天然氣罐車泄漏為例，運用ALOHA軟件對泄漏后引發(fā)的噴射火、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸3種事故后果進行模擬，定量得出事故危害范圍，并利用Google Earth進行可視化。同時，模擬了不同風(fēng)速條件下對3種事故后果危害距離的影響情況，結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)速處在1.5～2.5 m/s時，風(fēng)速的增大會使噴射火、蒸氣云爆炸事故危害距離逐步增大；但風(fēng)力的大小不會影響到沸騰液體擴展蒸氣爆炸所形成的熱輻射傷害區(qū)域。

液化天然氣 噴射火 蒸氣云爆炸 事故后果 傷害區(qū)域

1 LNG罐車事故概述

隨著綠色可持續(xù)發(fā)展理念的貫徹落實，以液化天然氣(LNG)為動力的汽車發(fā)展迅猛，據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2015年，我國LNG汽車保有量達到25萬輛左右，其中LNG運輸罐車達到7 500輛左右。LNG運輸罐車的不斷增加，所帶來的事故亦不斷增多，圖1為近10年我國LNG罐車道路運輸事故情況。

從對近10年的事故分析來看，碰擦追尾和車體失衡是罐車常見的事故類型，占事故總數(shù)的88%，圖2為2006年1月-2016年6月LNG罐車事故類型分析。由于LNG是天然氣在超低溫(-162 ℃)常壓液化下形成的，所以罐車一旦在運輸中發(fā)生事故導(dǎo)致泄漏，將迅速氣化并向周圍擴散，遇到點火源后極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，進而導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。因此，對LNG運輸罐車泄漏原因和火災(zāi)爆炸事故后果進行分析，并提出相應(yīng)對策措施，對預(yù)防重特大事故具有重要意義。

圖1 2006年1月-2016年6月LNG罐車事故情況

2 LNG罐車泄漏原因和后果分析

2.1 罐車泄漏原因分析

道路貨物運輸系統(tǒng)是由人、物、環(huán)境3個子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)。因此，影響LNG罐車運輸安全的風(fēng)險主要有人員因素、車輛因素和環(huán)境因素[2]。

圖2 2006年1月-2016年6月LNG罐車事故類型分析

a)人員因素：①駕駛?cè)藛T的不安全行為，通常包括：超速行駛、超載超高、疲勞駕駛、帶病駕駛、駕駛技術(shù)不熟練、對行駛路線不熟悉等，導(dǎo)致與其他車輛發(fā)生碰撞、追尾，或撞擊路肩導(dǎo)致車體失衡發(fā)生側(cè)翻，進而導(dǎo)致閥門、管路斷裂或罐體破裂發(fā)生泄漏；②裝卸人員的不安全行為，通常包括：未能嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作，致使LNG灌裝時接頭松脫、破裂或使得LNG灌裝速度過快、充裝過量發(fā)生溢流；以及罐車啟動時未及時拆下連接管等，導(dǎo)致LNG罐車發(fā)生泄漏[3]。

b)車輛因素：包括運輸車輛本身及其安全附件，以及承載LNG的容器、罐體等。車輛安全技術(shù)等級的高低和自身狀況的好壞，直接影響LNG罐車道路運輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。車輛的不安全狀態(tài)通常包括：車輛的制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在故障或技術(shù)缺陷；導(dǎo)除靜電拖地帶、阻火器以及其他安全附屬設(shè)施失效；容器和罐體的質(zhì)量不合格或其配件老化、磨損未及時更換、維修等，導(dǎo)致車輛的穩(wěn)定性和安全性下降，駕駛員對罐車的操控能力削弱，給車輛行駛安全埋下隱患。

c)環(huán)境因素：①道路環(huán)境，道路狀況的好壞直接關(guān)系到LNG罐車是否安全運行。當(dāng)路面的平整性差時，罐車行車產(chǎn)生劇烈的震動，可能會使車胎的壓力升高導(dǎo)致爆胎，或使罐體內(nèi)的LNG發(fā)生搖晃導(dǎo)致車體失衡。若道路的彎道多且拐彎幅度過大，易導(dǎo)致罐車發(fā)生側(cè)翻。如果道路的上下坡較多，則會使車輛頻繁制動導(dǎo)致引發(fā)車胎自燃或爆胎。②氣象環(huán)境，不良的氣象環(huán)境是貨物道路運輸事故多發(fā)的主要誘因之一，比如在暴雨、大霧、大雪等天氣狀況下行駛，駕駛員會因路滑、前方能見度低等原因造成車輛發(fā)生追尾、碰撞而引發(fā)LNG罐車受損發(fā)生泄漏。在高溫的環(huán)境下，LNG的揮發(fā)將會加快，導(dǎo)致容器內(nèi)的壓力上升甚至出現(xiàn)超壓，引發(fā)LNG泄漏。③交通環(huán)境，影響道路交通安全還與道路的交通量、交通混雜程度和行車速度有關(guān)。LNG罐車由于載重大而降低了自身的靈活性，在路上遇到突發(fā)狀況后，不能像普通車輛那樣及時做出反應(yīng)，因此，運輸線路的選擇應(yīng)盡量避開人流和車流量大的路段，以減少碰撞、追尾事故的發(fā)生[4]。

通過對2006年1月-2016年6月81起LNG罐車事故中33起泄漏事故原因統(tǒng)計分析可知，導(dǎo)致罐車泄漏的主要原因有：駕駛員操作不當(dāng) 、疲勞駕駛、行駛車速過快、車輛故障、道路狀況差、天氣狀況不良等。人員因素和車輛因素是最主要因素。其中66%的事故是由駕駛員操作不當(dāng) 、疲勞駕駛、行駛車速過快等人員因素所致。圖3為33起LNG罐車泄漏事故原因統(tǒng)計情況。

圖3 33起LNG罐車泄漏事故原因統(tǒng)計情況

2.2 罐車泄漏事故后果分析

當(dāng)LNG罐車發(fā)生追尾、碰撞、側(cè)翻等事故后，極易導(dǎo)致罐體的閥門、管線斷裂或罐體破損，出現(xiàn)泄漏孔，遇到點火源可能會導(dǎo)致噴射火、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸3種類型事故后果。

a)由于罐車中LNG是以液態(tài)的形式進行儲存，當(dāng)發(fā)生泄漏時將迅速氣化向外噴出。在噴射的過程中產(chǎn)生靜電火花或遇到明火、電火花或其他點火源，則很有可能形成向外噴射的火焰，導(dǎo)致噴射火火災(zāi)(Jet Fire)。

b)當(dāng)罐車發(fā)生泄漏后并未發(fā)生立即點火，而是在不斷逸散并形成蒸氣云，當(dāng)其達到爆炸濃度極限范圍內(nèi)并處在受約束(例如建筑物、設(shè)備等障礙物)空間，遇到點火源，則發(fā)生蒸氣云爆炸(Vapors Cloud Explosion, VCE)。

c)當(dāng)罐車在交通事故中發(fā)生泄漏后，內(nèi)部氣化的天然氣從泄漏口溢出導(dǎo)致儲罐壓力平衡破壞，儲罐內(nèi)的液化天然氣急劇沸騰蒸發(fā)，已氣化的氣體以及卷在其中的液體以極大的沖擊力向外噴出，遇點火源形成沸騰液體擴展蒸汽爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion, BLEVE)。

3 事故后果模擬

3.1 ALOHA軟件

本文采用ALOHA軟件對LNG罐車泄漏事故的影響進行分析。ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmospheres)是由美國EPA化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室(CEPPO)、國家海洋和大氣管理響應(yīng)和恢復(fù)辦公室(NOAA)共同開發(fā)的程序，是計算機輔助突發(fā)事件操作管理(CAMEO)套裝中的一部分[5]。ALOHA包括一個近1 000種常見化學(xué)品的數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫的信息包括化學(xué)品類型、意外事故位置(市區(qū)或城郊)、天氣情況(問題、風(fēng)速和風(fēng)向)，意外事故變量(儲存物料、泄漏孔尺寸、儲存壓力)等[6]。ALOHA采用的數(shù)學(xué)模型有：噴射火災(zāi)、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸等成熟的計算模型，其具體計算流程如圖4。

圖4 基于ALOHA的LNG罐車泄漏火災(zāi)爆炸模擬流程

3.2 事故情景

2014年8月13日上午，一輛液化天然氣罐車在京港澳公路韶關(guān)段行駛過程中被后方貨車追尾，導(dǎo)致罐車氣閥斷裂發(fā)生泄漏。本文以此事故為例，模擬當(dāng)液化天然氣罐車泄漏后發(fā)生噴射火火災(zāi)、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸汽爆炸對事故現(xiàn)場周圍的人員、建筑或環(huán)境的影響。事故當(dāng)天，大氣溫度為25 ℃，天氣晴間多云，濕度為78%。罐車罐長為12.6 m，罐體直徑2.4 m，實際載有20.24 t液化天然氣。LNG從閥門泄漏，泄漏處為圓形，當(dāng)量直徑取8 cm，如表1。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1噴射火火災(zāi)

表1 現(xiàn)場相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

熱輻射是噴射火對周圍人員、環(huán)境造成的主要危害方式。運用ALOHA軟件對罐車運輸過程中發(fā)生噴射火熱輻射進行模擬，以熱輻射強度60 s內(nèi)可能導(dǎo)致人員潛在致死(10 kW/m2)、二度燒傷(5 kW/m2)、以及皮膚疼痛(2 kW/m2)作為標(biāo)準(zhǔn)，劃分熱輻射影響區(qū)域[7]。本文模擬持續(xù)泄漏時間為1 h，瞬間最大泄漏量為202 kg/min。當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時，事故現(xiàn)場的達到熱輻射強度10，5，2 kW/m2的區(qū)域分別距泄漏點20.1，30.2，48.5 m，具體涵蓋區(qū)域見圖5。結(jié)合事故現(xiàn)場來看，噴射火熱輻射的影響區(qū)域主要為雙向車道上過往車輛，因此如果LNG罐車泄漏發(fā)生噴射火，應(yīng)迅速對距離泄漏點48.5 m范圍內(nèi)的雙向車道實施截流管制措施，防止往來人員的生命安全受到威脅。

由于事故現(xiàn)場的風(fēng)速處在變化之中，故模擬不同風(fēng)速條件下噴射火輻射的傷害距離變化規(guī)律，見圖6。

圖5 風(fēng)速為1 m/s時LNG罐車泄漏發(fā)生噴射火的熱輻射影響范圍

通過圖6可知，當(dāng)風(fēng)速處在1.5 m/s以下時，風(fēng)速的改變對噴射火火災(zāi)的熱輻射傷害區(qū)域影響不大；當(dāng)風(fēng)速處在1.5～2.5 m/s時，隨著風(fēng)速的不斷增大，熱輻射傷害區(qū)域不斷增大，使更多的現(xiàn)場人員處在危險之中；當(dāng)風(fēng)速大于2.5 m/s，熱輻射會因風(fēng)力過大被不斷削弱，導(dǎo)致其影響區(qū)域會不斷被壓縮，傷害區(qū)域亦逐漸下降。

圖6 不同風(fēng)速條件下噴射火熱輻射傷害區(qū)域的變化情況

3.3.2蒸氣云爆炸

蒸氣云爆炸主要危害來自沖擊波超壓，模擬計算造成玻璃破碎、人員嚴(yán)重?fù)p傷、房屋損壞3種后果程度的超壓[8]，即6.89，24.13，55.16 kPa來劃分蒸氣云危害距離。當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時，若液化天然氣罐車發(fā)生蒸汽云爆炸，產(chǎn)生的超壓只會導(dǎo)致32.9 m范圍內(nèi)的玻璃破碎，具體影響范圍見圖7。結(jié)合事故現(xiàn)場來看，雖然爆炸所產(chǎn)生的超壓不會對周圍的人員產(chǎn)生較大危害，但可能導(dǎo)致爆炸范圍內(nèi)的車輛玻璃破損，存在對車內(nèi)人員二次傷害的風(fēng)險。因此，當(dāng)事故現(xiàn)場發(fā)生泄漏時建議疏散32.9 m范圍內(nèi)的所有車輛及無關(guān)人員。

由于事故現(xiàn)場的風(fēng)速處在變化之中，故模擬不同風(fēng)速條件下蒸氣云爆炸超壓的危害距離變化規(guī)律，見圖8。

圖7 風(fēng)速為1 m/s時發(fā)生蒸氣云爆炸超壓危害區(qū)域

圖8 不同風(fēng)速條件下蒸氣云爆炸超壓為6.89 kPa的傷害區(qū)域的變化情況

通過圖8可知，當(dāng)風(fēng)速處在1.5 m/s以下時，蒸汽云爆炸超壓危害距離不會隨著風(fēng)速的改變而發(fā)生明顯的變化；當(dāng)風(fēng)速處在1.5～2.5 m/s時，風(fēng)速的增大會導(dǎo)致蒸氣云發(fā)生一定程度的擴散，發(fā)生燃爆后超壓危害距離也相應(yīng)發(fā)生變化；特別是，當(dāng)風(fēng)速處在2～2.5 m/s時，超壓危害距離變化明顯。當(dāng)風(fēng)速大于2.5 m/s時，由于風(fēng)速過大使蒸氣云濃度下降，導(dǎo)致燃爆時超壓危害距離縮短。

3.3.3沸騰液體擴展蒸氣爆炸

沸騰液體擴展蒸氣爆炸的能量來源于2個方面：一是液化天然氣儲罐突然破裂釋放的巨大能量，產(chǎn)生爆炸波并將容器破片拋向遠(yuǎn)方；二是液化天然氣劇烈燃燒釋放出巨大的熱能，產(chǎn)生的巨大火球和強烈的熱輻射。BLEVE雖有爆炸波和爆炸導(dǎo)致的裂片產(chǎn)生，但爆炸火球產(chǎn)生的熱輻射是主要的傷害。因此，此處同樣以熱輻射強度60 s內(nèi)可能導(dǎo)致人員潛在致死(10 kW/m2)、二度燒傷(5 kW/m2)以及皮膚疼痛(2 kW/m2)作為標(biāo)準(zhǔn)，劃分熱輻射影響區(qū)域，具體見圖9。

通過ALOHA模擬可知，當(dāng)火球消耗儲罐中35%的LNG時，所形成的火球直徑為109 m，燃燒持續(xù)時間8 s。BLEVE所形成的熱輻射與風(fēng)力的大小無關(guān)，以泄漏點為圓心，以BLEVE所形成的熱輻射10，5，2 kW/m2作為半徑，則危害距離分別為276，390，609 m。結(jié)合事故現(xiàn)場來看，當(dāng)罐車儲罐發(fā)生災(zāi)難性失效時應(yīng)當(dāng)對周圍609 m范圍內(nèi)的道路、服務(wù)站、村莊等地的人員和車輛進行緊急疏散和管制，以避免大規(guī)模的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

圖9 風(fēng)速為1 m/s時發(fā)生沸騰液體擴展蒸氣爆炸熱輻射危害區(qū)域

4 結(jié)論

a)通過對81起LNG罐車在道路運輸事故進行統(tǒng)計分析，表明車體失衡和追尾是常見的事故類型，占事故總數(shù)的88%。LNG罐車發(fā)生交通事故后通常會出現(xiàn)泄漏事故，從人員因素、車輛因素、環(huán)境因素3個方面對事故原因進行分析，并針對其中33起泄漏事故統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，駕駛員操作不當(dāng)和車輛故障是導(dǎo)致LNG罐車泄漏事故多發(fā)主要因素。

b)運用ALOHA軟件對廣東省某高速公路上的LNG罐車泄漏事故進行噴射火火災(zāi)、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸3種事故后果進行模擬，確定事故影響范圍，并利用google earth進行危險區(qū)域的可視化。同時，為探究風(fēng)速對危害區(qū)域的影響，本文模擬了不同風(fēng)速條件下發(fā)生噴射火火災(zāi)、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸時對危害距離的影響程度，結(jié)果表明：風(fēng)速的變化會對噴射火火災(zāi)、蒸氣云爆炸的危害區(qū)域產(chǎn)生影響(當(dāng)風(fēng)速處在1.5 m/s以下時，風(fēng)速的變化對事故危害距離影響不大；當(dāng)風(fēng)速處在1.5～2.5 m/s時，風(fēng)速的增大會使事故危害距離逐步增大；當(dāng)風(fēng)速大于2.5 m/s時，風(fēng)速的增大將不斷壓縮事故危害距離)。但風(fēng)力的大小不會影響到沸騰液體擴展蒸氣爆炸所形成的熱輻射傷害區(qū)域。

c)通過實例應(yīng)用說明，政府部門或消防部門可以把ALOHA軟件作為確定LNG罐車泄漏事故影響區(qū)域的重要手段，并作為制定應(yīng)急救援預(yù)案的重要依據(jù)，提高預(yù)案的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，從而減少不必要的人力成本和時間成本。

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LeakageAnalysisandAccidentConsequenceSimulationofLNGTanker

Dai Qibing, Fang Jiangmin, Ke Tiantian

(South China University Of Technology, Mechanical & Automotive Engineering college, Guangdong, Guangzhou 510641)

To grasp the development trend of LNG tanker transport accidents and accident type, this article collects and sorts 81 LNG tanker accident cases between 2006 and 2016.6; After traffic accident often occur leakage accident, so this article analyzes the cause of the accident and accident consequences. In order to further clarify the impact of incidents that may arise, taking a highway occurred liquefied natural gas tanker leakage in Guangdong as an example, using ALOHA software simulates the accident consequence of jet fire, vapor cloud explosion, boiling liquid expanding vapor explosion to determine affected area and use Google earth reflected it. Meanwhile, in order to explore the influence of wind speed to the hazard area, simulating the effect of the accident hazard distance under different wind speed conditions. The results show that: When the wind speed is at 1.5-2.5 m/s, the increase of wind speed can make jet fire and vapor cloud explosion hazard distance increasing; but the wind speed does not affect to boiling liquid expanding vapor explosion thermal radiation damage region.

liquefied natural gas; jet fire; vapor cloud explosion; accident consequence; damage region

2016-08-08

代啟兵，華南理工大學(xué)研究生，主要研究方向是安全工程專業(yè)。