孫 峰

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266104)

0 前言

爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓是爆炸的主要危害形式。目前，存在多種模型計(jì)算爆炸的超壓效應(yīng)，如計(jì)算蒸氣云爆炸超壓的TNT法、多能法與Bake-Strehlow法等，計(jì)算物理爆炸超壓的Baker-Tang法等。沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE)是物理爆炸的主要形式之一。

本文以一起反應(yīng)失控導(dǎo)致的BLEVE爆炸事故為例，通過TNT法與Baker-Tang爆炸曲線法對(duì)事故超壓后果進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)證據(jù)相比較，考察不同模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，確定反應(yīng)失控導(dǎo)致爆炸超壓的優(yōu)化計(jì)算模型。

1 事故概況

2016年8月，某丁二醇(BDO)工廠的廢催化劑儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸。該廢催化劑儲(chǔ)罐的物料組成見表1，經(jīng)分析，事故是由于儲(chǔ)罐中物料的放熱反應(yīng)引起溫度、壓力上升，罐體撕裂失壓，最終導(dǎo)致沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE)而引起。

表1 轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)罐B中的反應(yīng)混合物組成

爆炸造成儲(chǔ)罐解體，部分設(shè)施及周邊建筑物嚴(yán)重?fù)p壞，1人死亡。圖1是事故中兩個(gè)最大碎片飛行軌跡的俯視圖。圖2顯示了爆炸造成的管廊和建筑物損壞情況。

圖1 碎片飛行軌跡俯視圖

圖2 爆炸造成的管廊和建筑物損壞情況

2 爆炸后果計(jì)算模型與方法

2.1 不同爆炸超壓下的現(xiàn)象

參照TNO紫皮書與《化工過程安全理論及應(yīng)用》，可以得到爆炸現(xiàn)場(chǎng)不同破壞情況時(shí)的爆炸超壓，典型的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 不同超壓下的破壞情況

2.2 爆炸超壓的理論確定方法

爆炸超壓理論上的確定方法可分為TNT法和Baker-Tang爆炸曲線法。

TNT法爆炸超壓的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：

z

——比擬距離，m/kg；

x

——距爆炸源的距離，m；

m

——TNT當(dāng)量質(zhì)量，kg。

m

的計(jì)算方法為：

(2)

式中：Δ

H

——爆炸釋放用于沖擊波的能量,kJ；Δ

H

——TNT釋放能量,4 600 kJ/kg。

(3)

式中：

p

——

x

位置處的爆炸超壓,kPa；

P

——環(huán)境壓力,100 kPa；

式(3)對(duì)發(fā)生在地面上的TNT爆炸有效，對(duì)于發(fā)生在高空中的爆炸，超壓應(yīng)該乘以0.5。

(4)

式中：

E

——爆炸能量,kJ；

然后根據(jù)圖3所示Baker-Tang爆炸曲線確定爆炸超壓,圖中

P

/

P

為初始?jí)毫εc環(huán)境壓力比值。

圖3 不同容器壓力下的爆炸能量

2.3 爆炸能量的估算方法

爆炸前儲(chǔ)罐的溫度高于環(huán)境溫度下水的沸點(diǎn)，因此選擇閃蒸液體法計(jì)算爆炸能量。考慮地面反射效應(yīng)，爆炸能量需要加倍。爆炸能量可以用下面的方程式來確定。

E

=2(1-

η

)

e

m

(5)

式中：

E

——膨脹能量,kJ；

η

——用于拋射物的能量比；

m

——液體的質(zhì)量,kg；

e

——單位質(zhì)量釋放總能量,kJ/kg，計(jì)算方法如下：

e

=

u

-

u

(6)

u

=

h

-

P

v

1

(7)

u

=(1+

X

)

h

2+

Xh

2-(1-

X

)

P

v

2-

XP

v

2

(8)

(9)

式中：

u

——單位質(zhì)量的內(nèi)能,kJ/kg；

h

——比焓,kJ/kg；

P

——絕對(duì)壓力,kPa；

v

——比體積,m/kg；

X

——蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

S

——比熵,kJ/(kg·K)；下標(biāo)1表示初始狀態(tài)，下標(biāo)2表示環(huán)境壓力下的狀態(tài)，下標(biāo)

f

表示液相，下標(biāo)

g

表示氣相。

3 爆炸后果分析

3.1 確定爆炸超壓

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的破壞情況，按照表2所列不同超壓下的破壞情況，爆炸超壓情況可確定為表3。

表3 根據(jù)爆炸現(xiàn)場(chǎng)確定的爆炸超壓

爆炸中心以南50 m管廊發(fā)生傾斜變形，超壓估計(jì)為15.8 kPa；爆炸中心以西92 m的房屋窗戶嚴(yán)重受損，超壓估計(jì)為7～10 kPa；爆炸中心以東107 m窗戶框架偶爾遭到破壞，房屋部分破壞，不能居住，爆炸超壓6.9 kPa。

3.2 計(jì)算爆炸能量

爆炸初始狀態(tài)下的溫度約為150 ℃。當(dāng)填充率為80%時(shí)，罐內(nèi)液體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于氣相的質(zhì)量，因此忽略了氣體物理爆炸的能量。過熱液體釋放的能量可以用式(5)～式(9)計(jì)算。表4列出了水在初始狀態(tài)和最終狀態(tài)下的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。

由表4計(jì)算可知，

u

和

u

分別為631.80，602.82 kJ/kg，因此單位質(zhì)量釋放能量

e

為28.98 kJ/kg。

表4 水在初始和最終狀態(tài)下的熱力學(xué)數(shù)據(jù)

儲(chǔ)罐容積為188 m，填充率為80%，混合料密度為1 200 kg/m，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，水質(zhì)量為90 240 kg。爆炸能量包括用來使容器破裂，拋出碎片。撕裂容器所需的能量占總能量的比例相對(duì)較低，可以忽略不計(jì)。爆炸用來推動(dòng)碎片的能量占總能量的20%～50%。因此，使用方程(5)估計(jì)膨脹能

E

為2.62E+9 J(用于碎片的能量占50%)到4.18E+9J(用于碎片的能量占20%)。

3.3 計(jì)算爆炸超壓

爆炸超壓采用TNT當(dāng)量法與Baker-Tang爆炸曲線法計(jì)算，TNT當(dāng)量法用方程(1)、(2)和(3)計(jì)算，Baker-Tang爆炸曲線法用方程(3)和圖3計(jì)算。表5列出了計(jì)算的爆炸超壓。

從表5可以看出，TNT當(dāng)量法計(jì)算的結(jié)果明顯高估超壓，這是由于TNT法建立在假設(shè)燃料爆炸行為與TNT爆炸相似的基礎(chǔ)上，而BLEVE爆炸行為顯然與TNT爆炸行為有較大不同。用Baker-Tang爆炸曲線法計(jì)算的超壓與根據(jù)爆炸現(xiàn)場(chǎng)破壞情況確定的超壓非常吻合，特別是當(dāng)估計(jì)碎片所占能量在32%～50%之間時(shí)，結(jié)果幾乎一致。因此，Baker-Tang爆炸曲線法比TNT當(dāng)量法更適合于BLEVE超壓預(yù)測(cè)。

表5 TNT當(dāng)量法與Baker-Tang爆炸曲線法計(jì)算的爆炸超壓

4 結(jié)論

通過爆炸現(xiàn)場(chǎng)的證據(jù)分析確定了BLEVE爆炸的實(shí)際超壓，通過TNT法與Baker-Tang爆炸曲線法計(jì)算了理論超壓，結(jié)果表明：用TNT當(dāng)量法計(jì)算的理論超壓過高估計(jì)了實(shí)際超壓。當(dāng)估計(jì)碎片所占能量在32%～50%之間時(shí)，Baker-Tang爆炸曲線法計(jì)算的超壓與實(shí)際爆炸超壓吻合較好。因此，Baker-Tang爆炸曲線法是沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE)超壓預(yù)測(cè)的有效工具。