紀(jì)純明

（大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司，遼寧 大連 116013）

LNG(Liquefied Natural Gas)即液化天然氣，天然氣液化后可以大大節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間和成本，而且具有熱值大、性能高等特點(diǎn)，同時(shí)，在液化過(guò)程中，能除去雜質(zhì)，是優(yōu)質(zhì)、清潔、高效、方便的綠色燃料，被認(rèn)為是地球上最干凈的化石能源。隨著LNG 在生產(chǎn)和生活中使用量的逐漸增大，在給我們生產(chǎn)、生活帶來(lái)方便和環(huán)保的同時(shí)，也帶來(lái)了更多的安全隱患。LNG 屬于易燃、易爆危險(xiǎn)化學(xué)品，在其生產(chǎn)、加工、處理、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、經(jīng)營(yíng)過(guò)程中一旦發(fā)生事故，極易造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。對(duì)LNG 低溫儲(chǔ)罐全部泄漏爆炸危害后果進(jìn)行估算，能夠?qū)NG 低溫儲(chǔ)罐的選址、安全防護(hù)、發(fā)生事故緊急預(yù)案等提供理論參考依據(jù)，對(duì)LNG 低溫儲(chǔ)罐的管理具有重要意義。

1 物料計(jì)算

液化天然氣（以下簡(jiǎn)稱LNG）的主要成分為甲烷，還有少量的乙烷、丙烷、氮等，液化后的天然氣，甲烷純度更高，幾乎不含二氧化碳和硫化物。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文主要計(jì)算甲烷質(zhì)量來(lái)估算整個(gè)LNG 儲(chǔ)罐的爆炸能量及危害后果。甲烷質(zhì)量按照式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中，m 為甲烷質(zhì)量，kg；ρ 為甲烷密度，kg/m3；V 為甲烷體積，m3。

2 物理爆炸能量計(jì)算

簡(jiǎn)化后，LNG 儲(chǔ)罐的成分為甲烷，狀態(tài)為液態(tài)。因此，在計(jì)算物理爆炸能量時(shí)，只需考慮LNG 的爆沸功即可，爆沸功計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。設(shè)備爆炸所釋放的能量除很少一部分（約3%～15%）消耗在撕裂鋼板、將碎片以及與設(shè)備連接的管道等拋離原地，其余能量都已沖擊波的形式向周圍擴(kuò)散，對(duì)人員和建筑物造成損傷和破壞。本文取物理爆炸能量的9%作為撕裂鋼板等消耗的能量，其余能量以爆炸沖擊波的形式釋放。

式中：Um為單位質(zhì)量物質(zhì)產(chǎn)生的爆沸功，kJ；h1、h2分別為單位質(zhì)量物質(zhì)在初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)的焓，kJ/kg；s1、s2分別為單位質(zhì)量物質(zhì)在初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)的熵，kJ/（kg·K）；T2為終止?fàn)顟B(tài)下物質(zhì)的絕對(duì)溫度，K。

3 化學(xué)爆炸能量計(jì)算

當(dāng)LNG 釋放達(dá)到一定的濃度（LNG 爆炸下限5%，爆炸上限15%），甲烷與空氣中的氧氣反應(yīng)，則會(huì)引起化學(xué)爆炸，反應(yīng)式如下：

表1 LNG 儲(chǔ)罐爆炸能量計(jì)算結(jié)果

表2 爆炸沖擊波對(duì)人員傷害的結(jié)果估算

表3 爆炸沖擊波對(duì)建筑破壞的估算結(jié)果

4 TNT 當(dāng)量計(jì)算

根據(jù)計(jì)算的物理爆炸能量和化學(xué)爆炸能量，得到爆炸總能量。利用TNT 當(dāng)量法，將能量轉(zhuǎn)化為T(mén)NT 當(dāng)量。1kg TNT 爆炸所釋放的爆破能量為4230 ～4836kJ，一般取1kg TNT 爆炸所放出的平均爆破能量為4500kJ。TNT當(dāng)量計(jì)算見(jiàn)式（4）。

式中，W 為爆炸總能量kJ；q 為爆炸沖擊波的TNT 當(dāng)量，kg。

5 爆炸沖擊波危害后果估算

爆炸沖擊波超壓對(duì)人員和建筑的危害半徑估算公式為：

式中：R 為目標(biāo)與爆炸中心的實(shí)際距離，m；R0為目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的相當(dāng)距離，m；q0為基準(zhǔn)爆炸能量，取q0=1000kg；α 為爆炸試驗(yàn)?zāi)M比。

計(jì)算時(shí)，根據(jù)式（5）計(jì)算出爆炸試驗(yàn)?zāi)M比α。根據(jù)文獻(xiàn)[4]對(duì)人員的傷害作用和對(duì)建筑的破壞作用對(duì)應(yīng)的超壓范圍，按照文獻(xiàn)中1000kg TNT 在空氣中爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓與R0的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用等距節(jié)點(diǎn)插入法，計(jì)算出對(duì)人員不同傷害作用和對(duì)建筑不同破壞作用對(duì)應(yīng)的R0。然后，再根據(jù)式（4）計(jì)算出不同傷害、破壞作用的實(shí)際距離。

6 算例

以80m3某LNG 低溫儲(chǔ)罐為例，工作壓力0.3MPa，工作溫度-149℃（124.15K），充裝系數(shù)取0.9，密度取456kg/m3，假設(shè)爆炸后的終止?fàn)顟B(tài)為常壓，溫度25℃（298.15K），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1 ～3。

7 結(jié)果分析及討論

從表2 和表3 的計(jì)算結(jié)果可以看出，LNG 的爆炸破壞范圍還是比較大的，能夠造成距離爆炸源668.53m 范圍內(nèi)大部分人員傷亡，造成人員輕傷的距離達(dá)到1644.16m，而對(duì)建筑的破壞最遠(yuǎn)距離達(dá)到了2858.20m。

對(duì)比物理爆炸和化學(xué)爆炸破壞沖擊波的影響范圍也可以看出，因?yàn)長(zhǎng)NG 體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625，燃 燒 熱 達(dá) 到55496.0kJ/mol，LNG 的 化 學(xué)爆炸的能量沖擊波的影響范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理爆炸沖擊波的影響范圍。LNG 的使用，大大降低了污染物的排放，在給世界帶來(lái)方便的同時(shí)，也給世界帶來(lái)了更多的安全隱患。因此，做好LNG 及其運(yùn)輸、儲(chǔ)存等設(shè)備的管理和監(jiān)管，增強(qiáng)相關(guān)場(chǎng)所和人員的安全防護(hù)，才能夠更多地避免安全事故，降低人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。