黃拴雷，孫寶平

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100070)

0 引言

液化石油氣是以丙烷為主的石油氣通過(guò)加高壓形成的，具有燃燒與爆炸危險(xiǎn)性，其泄漏導(dǎo)致的燃爆事故近幾年時(shí)有發(fā)生,且其產(chǎn)生的爆炸沖擊波和火球熱輻射，危害范圍大且破壞力強(qiáng)。如1998年3月，西安市煤氣公司液化石油氣管理所儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)生BLEVE爆炸事故，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)470余萬(wàn)元[1]；1984年11月19日，墨西哥圣胡安.伊克斯華特佩克的1座化工廠(chǎng)LPG儲(chǔ)罐發(fā)生BLEVE事故，產(chǎn)生巨大的火球，造成嚴(yán)重后果[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)BLEVE事故及其影響評(píng)價(jià)模型方面開(kāi)展了大量研究工作。王露熹[3]等利用ALOHA 軟件，模擬不同風(fēng)力因素對(duì)液化天然氣槽車(chē)火災(zāi)爆炸后果的破壞影響規(guī)律；俞昌銘[4]采用仿真軟件PLGS99, 研究了儲(chǔ)罐受熱引發(fā)BLEVE爆炸的機(jī)理；Nilambar Bariha[5]等通過(guò)軟件和建模,計(jì)算BLEVE火球的尺寸及輻射通量；E.Planas等[6]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算BLEVE火球的尺寸、持續(xù)時(shí)間和熱輻射通量。總結(jié)以上現(xiàn)有研究成果，大多是采用物理模型的方式計(jì)算火球的大小、燃燒時(shí)間，沒(méi)有考慮空氣濕度、儲(chǔ)存溫度、泄漏量等對(duì)其后果的影響。因此，本文基于液化石油氣泄漏量、儲(chǔ)存溫度、空氣濕度等爆炸事故后果影響因素,進(jìn)行數(shù)值模擬,力圖更全面地評(píng)估液化石油氣BLEVE事故的影響后果。

1 BLEVE事故簡(jiǎn)介

圖1以1個(gè)液化石油氣儲(chǔ)罐破裂為例，說(shuō)明不同條件下可能會(huì)出現(xiàn)的一系列災(zāi)害形式，其中以沸騰液體蒸汽云爆炸的破壞力為甚[7]。如圖1所示，液化石油氣泄漏可產(chǎn)生BLEVE爆炸、噴射火焰等事故，BLEVE爆炸是液體受熱沸騰后形成氣體，導(dǎo)致容器爆裂后氣體泄出而產(chǎn)生爆炸的情況，該爆炸的特征是需經(jīng)一段火災(zāi)時(shí)間，然后劇烈爆炸，該爆炸可形成很大的火球，并且爆炸容器殘骸飛散很遠(yuǎn)，人員被碎片擊中以及受極高溫度輻射熱影響，傷亡很大。BLEVE爆炸的主要危害有火球熱輻射、爆炸沖擊波超壓以及產(chǎn)生的容器碎片，與火球熱輻射造成的危害相比，沖擊波超壓及容器碎片的危害較小[8]。

圖1 LPG泄漏事故后果分析Fig.1 The analysis on LPG leakage

BLEVE作為1種危害極大的物理性爆炸事故，其直接原因有高溫罐體的超壓(過(guò)充或是安全閥失效)、機(jī)械損傷(罐體材料缺陷，腐蝕以及邊角、焊縫處的強(qiáng)度降低)、熱應(yīng)力、壓應(yīng)力、操作不當(dāng)以及火焰的侵蝕等[9-11]，但該類(lèi)事故經(jīng)常會(huì)伴隨有化學(xué)過(guò)程(燃燒或氣體爆炸)，其危害更為嚴(yán)重，Jan Stawcyk[12]研究結(jié)果表明：1個(gè)盛裝11 kg丙烷-丁烷混合液化氣的標(biāo)準(zhǔn)壓力容器發(fā)生BLEVE爆炸的強(qiáng)度相當(dāng)于0.7 kg的TNT爆炸。

2 基于ALOHA的事故模擬

ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmospheres)軟件是美國(guó)環(huán)保署同美國(guó)海洋和大氣管理辦公室聯(lián)合開(kāi)發(fā)的CAMEO系列軟件之一。ALOHA經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，功能逐步完善，目前主要可以用于計(jì)算危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏后的毒氣擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸等事故后果，其針對(duì)?；肥鹿蕦?dǎo)致的毒性、熱輻射和沖擊波等危害進(jìn)行針對(duì)性計(jì)算分析，包括利用大氣擴(kuò)散模型評(píng)估短時(shí)化學(xué)品泄漏區(qū)域，利用高斯和重氣擴(kuò)散模型進(jìn)行有毒氣體的擴(kuò)散模擬，下面以1個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 事故概況及后果模擬分析

事故發(fā)生地點(diǎn)位于某大型城市交通樞紐，發(fā)生時(shí)間為中午上下班時(shí)間,液化石油氣罐車(chē)上放有1個(gè)臥式儲(chǔ)罐，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

液化石油氣從閥門(mén)泄漏，泄漏口處為圓形，泄漏點(diǎn)在液體液面以上，不考慮連鎖爆炸反應(yīng)；周?chē)巳好芏葹?.1人/m2，無(wú)障礙物；假設(shè)罐車(chē)爆炸只是由于LPG罐爆炸引起的，可以用LPG罐爆炸代替罐車(chē)爆炸；LPG主要由丙烷構(gòu)成，考慮用丙烷代替LPG；圖2給出了在上述條件下，60 s內(nèi)LPG泄漏形成沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸事故的危害范圍。

圖2 60s沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸事故危害范圍Fig.2 Boiling liquid expanding vapor explosion incident threat zone within 60 seconds

其中,潛在致死區(qū)域內(nèi)的熱輻射值遠(yuǎn)超過(guò)10 kw/m2， 60 s時(shí)間內(nèi)，在該區(qū)域人員將會(huì)死亡，該區(qū)域范圍最大半徑為441 m；深度燒傷區(qū)域內(nèi)的熱輻射值遠(yuǎn)超過(guò)5 kw/m2，60 s時(shí)間內(nèi)，在該區(qū)域人員將會(huì)造成2級(jí)深度燒傷，該區(qū)域危害范圍最大半徑為622 m；皮膚灼痛區(qū)域內(nèi)的熱輻射值遠(yuǎn)超過(guò)2 kw/m2，60 s時(shí)間內(nèi)，在該區(qū)域人員將會(huì)感到皮膚灼痛，該區(qū)域危害范圍最大半徑為969 m。

2.2 泄漏量對(duì)受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時(shí)間的影響分析

表2是以表1模擬計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為前提，在液化石油氣儲(chǔ)罐泄漏量不同時(shí)，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍、火球直徑和火球燃燒時(shí)間的變化。

表2 不同泄漏量對(duì)受害范圍、火球直徑及火球燃燒時(shí)間的影響

續(xù)表2

圖3給出了液化石油氣泄漏量不同時(shí)，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍及火球直徑的變化。

圖3 不同泄漏量對(duì)受害區(qū)域范圍及火球直徑的影響Fig.3 Influence of different leakage on damage area and fireball diameter

方框、圓圈、上三角及下三角分別代表液化石油氣泄漏量不同時(shí)，BLEVE爆炸事故潛在致死、深度燒傷、皮膚灼痛受害區(qū)域及火球直徑的變化值。隨著液化石油氣儲(chǔ)罐泄漏量的增加，受害區(qū)域范圍、火球直徑都在明顯增加，但是其增長(zhǎng)幅度在逐漸減小，即BLEVE爆炸事故產(chǎn)生的受害區(qū)域范圍、火球直徑都與泄漏量有關(guān)。

圖4給出了液化石油氣泄漏量不同時(shí)，BLEVE爆炸事故產(chǎn)生的火球燃燒時(shí)間的變化。

圖4 不同泄漏量對(duì)火球燃燒時(shí)間的影響Fig.4 Influence of different leakage on fire-fighting time of fireball

如圖4所示，泄漏量增加，火球燃燒時(shí)間也在增加，但是增加幅度較小，即火球燃燒時(shí)間與液化石油氣泄漏量有關(guān)。

2.3 儲(chǔ)存溫度對(duì)受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時(shí)間的影響分析

表3是以表1模擬計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為前提，在液化石油氣儲(chǔ)存溫度不同時(shí)，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍、火球直徑和火球燃燒時(shí)間的變化。

表3 不同儲(chǔ)存溫度對(duì)受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時(shí)間的影響

圖5給出了儲(chǔ)存溫度不同時(shí)，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍和火球直徑的變化。

圖5 不同儲(chǔ)存溫度對(duì)受害區(qū)域和火球直徑的影響Fig.5 Effects of different storage temperatures on damaged area and fireball diameter

圖5中，方框、圓圈、上三角及下三角分別代表液化石油氣儲(chǔ)存溫度不同時(shí)，BLEVE爆炸事故潛在致死、深度燒傷、皮膚灼痛區(qū)域及火球直徑的變化值。隨著液化石油氣儲(chǔ)存溫度的增加，受害區(qū)域范圍雖然都在減小(在一定溫度內(nèi)，溫度每增加2 ℃，潛在致死受害區(qū)域范圍值減少3 m，深度燒傷受害區(qū)域范圍值減少4 m)，但對(duì)于火球直徑，隨著儲(chǔ)存溫度的增加，其保持不變。即在一定溫度變化范圍內(nèi)，BLEVE爆炸事故產(chǎn)生的受害區(qū)域范圍與液化石油氣儲(chǔ)存溫度有關(guān)，火球直徑與儲(chǔ)存溫度無(wú)關(guān)。

圖6給出了儲(chǔ)存溫度不同時(shí)，BLEVE爆炸事故產(chǎn)生火球的燃燒時(shí)間的變化。

圖6 不同儲(chǔ)存溫度對(duì)火球燃燒時(shí)間的影響Fig.6 Effect of different storage temperature on combustion time of fireball

如圖6所示，儲(chǔ)存溫度增加，但是火球燃燒時(shí)間保持不變。這表明溫度的增大或減小對(duì)液化石油氣BLEVE爆炸事故產(chǎn)生火球的燃燒時(shí)間無(wú)影響，即火球燃燒時(shí)間與液化石油氣儲(chǔ)存溫度無(wú)關(guān)。

2.4 風(fēng)速對(duì)受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時(shí)間的影響

表4是以表1模擬計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為前提，在風(fēng)速不同時(shí)，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍、火球直徑和火球燃燒時(shí)間的變化。

表4 不同風(fēng)速對(duì)受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時(shí)間的影響

圖7給出了不同風(fēng)速下，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍及火球直徑的變化。

圖7 不同風(fēng)速對(duì)受害區(qū)域范圍及火球直徑的影響Fig.7 Effects of different wind speeds on the range of victims and the diameter of fireball

圖7中，方框、圓圈、上三角及下三角分別代表風(fēng)速不同時(shí)，BLEVE爆炸事故潛在致死、深度燒傷、皮膚灼痛區(qū)域及火球直徑的變化值。隨著風(fēng)速的增加，受害區(qū)域范圍及火球直徑均保持不變。這說(shuō)明風(fēng)速的增大或減小對(duì)液化石油氣BLEVE爆炸事故危害范圍無(wú)影響，即BLEVE爆炸事故產(chǎn)生的受害區(qū)域范圍、火球直徑與風(fēng)速無(wú)關(guān)。

圖8給出了不同風(fēng)速下，BLEVE爆炸事故產(chǎn)生火球的燃燒時(shí)間的變化。

圖8 不同風(fēng)速對(duì)火球燃燒時(shí)間的影響Fig.8 Influence of different wind speed on fire-fighting time of fireball

如圖8所示，風(fēng)速增加，但是火球燃燒時(shí)間保持不變。這說(shuō)明風(fēng)速的增大或減小對(duì)液化石油氣BLEVE爆炸事故產(chǎn)生火球的燃燒時(shí)間無(wú)影響，即火球燃燒時(shí)間與風(fēng)速無(wú)關(guān)。

2.5 空氣濕度對(duì)受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時(shí)間的影響

表5是以表1模擬計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為前提，在相對(duì)濕度不同時(shí)，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍及火球直徑和火球燃燒時(shí)間的變化。

圖9給出了不同相對(duì)濕度下，BLEVE爆炸事故受害區(qū)域范圍和火球直徑的變化。

圖9中，方框、圓圈、上三角及下三角分別代表液化石油氣儲(chǔ)存環(huán)境不同濕度不同時(shí)，BLEVE爆炸事故潛在致死、深度燒傷、皮膚灼痛區(qū)域及火球直徑的變化值。隨著相對(duì)濕度的增加，受害區(qū)域范圍都在減小，但是其幅度在逐漸降低。而對(duì)于火球直徑，隨著空氣相對(duì)濕度的增加，其保持不變。即在濕度變化過(guò)程中，BLEVE爆炸事故產(chǎn)生的受害區(qū)域范圍與空氣的相對(duì)濕度有關(guān)，但是變化幅度在逐漸減小，而火球直徑與相對(duì)濕度無(wú)關(guān)。

圖10給出了不同相對(duì)濕度下，BLEVE爆炸事故產(chǎn)生火球的燃燒時(shí)間的變化。

如圖10所示，隨著空氣相對(duì)濕度增加，火球燃燒時(shí)間保持不變。這表明相對(duì)濕度的增大或減小，對(duì)液化石油氣BLEVE爆炸事故產(chǎn)生火球的燃燒時(shí)間無(wú)影響，即火球燃燒時(shí)間與空氣的相對(duì)濕度無(wú)關(guān)。

表5 不同空氣濕度對(duì)受害區(qū)域范圍、火球直徑及火球燃燒時(shí)間的影響

圖9 不同濕度對(duì)受害區(qū)域范圍和火球直徑的影響Fig.9 The effect of different humidity on the affected area and the diameter of the fireball

圖10 不同濕度對(duì)火球燃燒時(shí)間的影響Fig.10 Influence of different humidity on combustion time of fireball

3 結(jié)論

1)液化石油氣泄漏量、空氣濕度、儲(chǔ)存溫度都影響B(tài)LEVE爆炸事故危害范圍，而風(fēng)速與BLEVE事故危害范圍無(wú)關(guān)。液化石油氣泄漏量越大，BLEVE爆炸事故危害范圍越大；隨著空氣濕度增加，事故危害范圍在逐漸減小；隨著液化石油氣儲(chǔ)存溫度增加，事故危害范圍在逐漸減小。

2)液化石油氣泄漏量越大，BLEVE爆炸事故產(chǎn)生的火球直徑越大，燃燒時(shí)間或熱輻射時(shí)間越長(zhǎng)；而空氣濕度、儲(chǔ)存溫度及風(fēng)速對(duì)BLEVE的火球直徑及火球燃燒時(shí)間沒(méi)有影響。

[1] 道客巴巴.西安煤氣公司液化石油氣爆炸事故案例教學(xué)講義[EB/OL].(2012-06-23)[2017-05-05]. http://www.doc88.com/p-208931279753.html.

[2] 道客巴巴.沸騰液體擴(kuò)展蒸氣云爆炸的危害與應(yīng)急[EB/OL].(2016-05-31)[2017-05-05]. http://www.doc88.com/p-5037621529893.html.

[3] 王露熹, 余勁松, 魯博. 液化天然氣槽車(chē)泄漏事故風(fēng)力影響因素模擬分析[J]. 化工生產(chǎn)與技術(shù), 2013, 20(6):30-32.

WANG Luxi,YU Jinsong,LU Bo. Simulation analysis on wind speed influencing factors of leakage of liquefied natural gas tank [J]. Chemical Production and Technology,2013,20(6):30-32.

[4] 俞昌銘, 單彥廣, 肖金生,等. 液化氣儲(chǔ)罐受熱引爆機(jī)理分析[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(4):522-530.

YU Changming,SHAN Yanguang,XIAO Jinsheng,et al. Explosion meehanism analysis of liquefied Petroleum gas tanks exposed to fire [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2013,35(4):522-530.

[5] Bariha N, Mishra I M, Srivastava V C. Fire and explosion hazard analysis during surface transport of liquefied petroleum gas (LPG): A case study of LPG truck tanker accident in Kannur, Kerala, India[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 40:449-460.

[6] Planas E, Pastor E, Casal J, et al. Analysis of the boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE) of a liquefied natural gas road tanker: The Zarzalico accident[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015, 34:127-138.

[7] 陶莉玲. 液化石油氣儲(chǔ)罐泄漏火災(zāi)爆炸事故后果模擬分析[J]. 廣州化工, 2012, 40(13):208-210.

TAO Liling. The Simulation Analysis of LPG Tanks Leakage Explosion Accident[J]. Guangzhou Chemical Industry 2012,40(13):208-210.

[8] 豆丁網(wǎng). LNG儲(chǔ)罐區(qū)BLEVE爆炸危險(xiǎn)性分析及撲救對(duì)策[EB/OL].(2012-12-07) [2017-05-05].http://www.docin.com/p-547743962.html.

[9] Abbasi T, Abbasi S A. The boiling liquid expanding vapour explosion (BLEVE): mechanism, consequence assessment, management[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 141(3):489-519.

[10] Genova B, Silvestrini M, Trujillo F J L. Evaluation of the blast-wave overpressure and fragments initial velocity for a BLEVE event via empirical correlations derived by a simplified model of released energy[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2008, 21(1):110-117.

[11] 王慶慧, 鄒偉, 榮皓月,等. BLEVE超壓模型與試驗(yàn)對(duì)比分析[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2016(4):116-120.

WANG Qinghui,ZOU Wei,RONG Haoyue.BLEVE overpressure model and its experimentalcomparative analysis [J]. Journal of Safety and Environment, 2016(4):116-120.

[12] Stawczyk J. Experimental evaluation of LPG tank explosion hazards.[J]. Journal of Hazardous Materials, 2003, 96(2-3):189-200.