廣東佛燃科技有限公司 范 力

氫氣儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段氫氣儲(chǔ)運(yùn)主要以氫氣長(zhǎng)管拖車為主，涉及的車輛、人員、設(shè)備都有嚴(yán)格的、能有效降低儲(chǔ)運(yùn)危險(xiǎn)性的管理規(guī)程，但在運(yùn)行過(guò)程中仍存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)氫氣儲(chǔ)運(yùn)的安全頻頻亮起紅燈，如2019 年6 月，美國(guó)加州硅谷空氣產(chǎn)品公司氫氣配送拖車泄漏爆炸，導(dǎo)致事故拖車以及現(xiàn)場(chǎng)其他多個(gè)配送拖車均受到不同程度損壞；2021 年8 月，遼寧沈陽(yáng)經(jīng)開(kāi)區(qū)內(nèi)一輛氫氣罐車的卸車軟管破裂，后發(fā)生爆燃，所幸未造成人員傷亡。氫氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域安全風(fēng)險(xiǎn)的管控，是業(yè)界亟需關(guān)注的問(wèn)題。

1 氫的基本特性

氫是自然界中最輕的元素，相對(duì)原子質(zhì)量為1.008，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為0.089 9 kg/m3。氫氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為0.61 cm2/s[1]，是天然氣的3.8 倍、汽油的12 倍。即氫氣散逸能力強(qiáng)，易發(fā)生泄漏。在高溫條件下，氫分子能夠溶入并逸散穿透金屬，且溫度越高，這種效應(yīng)的發(fā)生速度越快。同時(shí)氫氣的最小點(diǎn)火能小、燃燒和爆炸范圍寬，具有易燃易爆的特性。氫氣泄漏后，在開(kāi)放空間下較為安全可控，若在受限空間內(nèi)發(fā)生泄漏，則易形成可燃?xì)錃庠?，一旦被點(diǎn)燃就會(huì)發(fā)生爆燃、爆轟事故[2]。

(1) 燃燒熱：119.93～141.86 kJ/g；

(2) 可燃極限(體積分?jǐn)?shù))：4%～75%(常溫常壓空氣中)，4.1%～94.0%(常溫常壓氧氣中)

(3) 爆轟極限(體積分?jǐn)?shù))：18.3%～59.0%(常溫常壓空氣中)，15%～90%(常溫常壓氧氣中)

(4) 空氣中的最小點(diǎn)火能量：0.017 MJ

(5) 空氣中的著火溫度：858 K

(6) 空氣中的火焰溫度：2 318 K

(7) 空氣中的燃燒速度：2.65～3.25 m/s (常溫常壓)

這一次，青辰再也招架不住。面對(duì)壓下來(lái)的血盆大口，他瞪起雙眼，惡狠狠地與那對(duì)幽深而邪惡的狼眸對(duì)視。從對(duì)方的眼中，他看到了自己猙獰的臉，那張臉齜著牙，瞪著眼，被搏斗時(shí)飛濺的鮮血染紅了半扇，恐怖而兇戾。

2 氫氣長(zhǎng)管拖車規(guī)格

當(dāng)前我國(guó)氫氣儲(chǔ)運(yùn)仍屬于發(fā)展初期，相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)落后于國(guó)外水平。氫氣長(zhǎng)管拖車普遍使用20 MPa 鋼制儲(chǔ)氫罐(Ⅰ型)，單車運(yùn)氫量約300 kg。2018 年中集安瑞科控股有限公司和浙江藍(lán)能氫能科技股份有限公司開(kāi)發(fā)并推出Ⅱ型大容積纏繞氣瓶，單車運(yùn)氫量達(dá)到450 kg 以上。目前安瑞科、浙江藍(lán)能和中材科技股份有限公司正在積極研發(fā)和制造30 MPa 的Ⅱ型運(yùn)氫產(chǎn)品，以安瑞科30 MPa 氫氣運(yùn)輸車為例，單車最大允許充裝量能達(dá)到625 kg。國(guó)外已實(shí)現(xiàn)45 MPa 及以上的纖維全纏繞氫瓶(Ⅳ型)長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫量達(dá)700 kg 以上，如美國(guó)空氣產(chǎn)品公司已推出52 MPa 的Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶長(zhǎng)管拖車，單車運(yùn)氫約700 kg。

3 定量風(fēng)險(xiǎn)分析軟件

定量風(fēng)險(xiǎn)分析(Quantitative Risk Analysis，簡(jiǎn)稱QRA)是一種對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估的重要技術(shù)手段。近年來(lái)，隨著數(shù)字技術(shù)的革新發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了一系列定量風(fēng)險(xiǎn)分析的仿真模擬軟件。在氫氣長(zhǎng)管拖車定量風(fēng)險(xiǎn)分析方面，可以通過(guò)對(duì)歷史安全事故的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及仿真模擬軟件中內(nèi)嵌的氫氣模塊，對(duì)氫氣泄漏、擴(kuò)散、爆炸和火災(zāi)等事故后果加以定量分析。本文主要采用的風(fēng)險(xiǎn)分析軟件有：

(1) PHAST&SAFETI。該軟件由挪威船級(jí)社DNV(DET NORSKE VERITAS)負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和維護(hù)，是目前用于評(píng)估工業(yè)石油石化行業(yè)最全面、最廣泛的QRA 軟件工具。軟件集成了30 多年來(lái)評(píng)估易燃易爆、有毒物泄漏等安全事故的工程實(shí)踐，能在給定的設(shè)施結(jié)構(gòu)框架內(nèi)開(kāi)展QRA 相關(guān)的所有分析和數(shù)據(jù)處理，并清晰全面地展現(xiàn)分析結(jié)果，用以輔助重大決策。

(2) KFX(Kameleon FireEx)。該軟件也由挪威船級(jí)社DNV 負(fù)責(zé)持續(xù)開(kāi)發(fā)和維護(hù)，是目前國(guó)際上在氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸模擬等方面處于領(lǐng)先地位的三維計(jì)算流體力學(xué)CFD 軟件，并逐漸成為燃燒和火災(zāi)領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 事故風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

氫氣長(zhǎng)管拖車瓶體或附件因?yàn)橹圃烊毕莼蚴褂镁S護(hù)不當(dāng)，拖車尾部氣體充裝系統(tǒng)(如閥門(mén)或法蘭)故障失效，運(yùn)輸過(guò)程中由于事故撞擊(如追尾事故、車輛故障撞護(hù)欄側(cè)翻)等原因，均可能造成氫氣長(zhǎng)管拖車發(fā)生氫氣泄漏，氫氣泄漏后可能造成的后果有可燃?xì)怏w擴(kuò)散、噴射火、閃火和爆炸等。

氫氣長(zhǎng)管拖車泄漏場(chǎng)景樹(shù)如圖1 所示。

圖1 氫氣長(zhǎng)管拖車泄漏場(chǎng)景樹(shù)

氫氣泄漏的后果類型有很多，若氫氣連續(xù)泄漏被立即點(diǎn)燃產(chǎn)生噴射火后果，后果影響范圍取決于泄漏孔尺寸和氫氣系統(tǒng)壓力。氫氣擴(kuò)散氣云在開(kāi)放空間被延遲點(diǎn)燃，產(chǎn)生閃火后果；而在結(jié)構(gòu)密集的阻塞空間被點(diǎn)燃，或者在封閉空間被延遲點(diǎn)燃，將產(chǎn)生氣體爆炸后果。其中噴射火是氫氣泄漏后較易發(fā)生的，故本文主要對(duì)長(zhǎng)管拖車噴射火事故展開(kāi)模擬，噴射火不同熱輻射強(qiáng)度造成的傷害和損壞，詳見(jiàn)表1[3]。

表1 不同熱輻射強(qiáng)度造成的傷害和損壞

當(dāng)噴射火的熱輻射強(qiáng)度達(dá)到12.5 kW/m2及以上時(shí)，對(duì)設(shè)備造成損壞、對(duì)人員造成燒傷或死亡的可能性增加，因此將熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2作為本次模擬噴射火熱輻射強(qiáng)度影響距離的臨界點(diǎn)。

5 事故模擬

本文針對(duì)儲(chǔ)氫瓶壓力分別為20 MPa、30 MPa和45 MPa 的氫氣長(zhǎng)管拖車(水容積21 m3，泄漏孔直徑20 mm)失效泄漏的氣體擴(kuò)散和火災(zāi)事件進(jìn)行后果模擬和影響分析。

5.1 模擬場(chǎng)景定義

模擬場(chǎng)景假定氫氣長(zhǎng)管拖車尾部的裝卸閥門(mén)故障失效泄漏，或者車輛追尾事故造成閥門(mén)、管道失效泄漏，泄漏后首先產(chǎn)生氣體擴(kuò)散后果；氫氣尾部泄漏水平噴射，泄漏持續(xù)時(shí)間60 s，然后泄漏氣體在第60 s 被點(diǎn)燃，產(chǎn)生噴射火災(zāi)后果。模擬場(chǎng)景的氣象條件為：環(huán)境溫度25 ℃，中等風(fēng)速3 m/s，風(fēng)向與泄漏方向一致，大氣穩(wěn)定度等級(jí)為D。模擬假定行駛車輛泄漏后處于停車狀態(tài)，暫不考慮車速對(duì)氫氣擴(kuò)散的影響。氫氣長(zhǎng)管拖車建模如圖2 所示。

圖2 氫氣長(zhǎng)管拖車建模

場(chǎng)景模擬首先基于PHAST 軟件的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算泄漏孔直徑為20 mm 時(shí)，儲(chǔ)氫瓶壓力分別為20 MPa、30 MPa 和45 MPa 氫氣長(zhǎng)管拖車泄漏質(zhì)量速率分別為3.79 kg/s、5.60 kg/s 和8.22 kg/s，然后將泄漏質(zhì)量速率、環(huán)境溫度、風(fēng)速等邊界條件加載到KFX 軟件的三維計(jì)算網(wǎng)格中進(jìn)行后果模擬。

5.2 模擬后果分析

(1) 可燃?xì)怏w擴(kuò)散圖解。以儲(chǔ)氫瓶壓力為20 MPa 氫氣長(zhǎng)管拖車為例，氫氣泄漏擴(kuò)散60 s 后的可燃濃度擴(kuò)散氣云，如圖3 所示。氫氣水平噴射，遠(yuǎn)處氣團(tuán)沖擊公路表面，可燃濃度下限LFL(體積分?jǐn)?shù)4%)以上濃度擴(kuò)散距離為130 m。氫氣擴(kuò)散過(guò)程中可燃濃度氣云受風(fēng)力作用被逐漸拉長(zhǎng)，而氫氣質(zhì)量較輕，泄漏時(shí)向上逃逸速度較快，因此氣云呈現(xiàn)向上拉伸的效果。

圖3 長(zhǎng)管拖車泄漏氣體的可燃濃度擴(kuò)散氣云

(2) 噴射火熱輻射圖解。以儲(chǔ)氫瓶壓力為20 MPa 氫氣長(zhǎng)管拖車為例，尾部泄漏的氫氣被點(diǎn)燃，風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度組合條件3D(3 是指中等風(fēng)速3 m/s，D 是指大氣穩(wěn)定度等級(jí))，水平方向泄漏，風(fēng)向與泄漏方向一致，火焰水平段長(zhǎng)度為20 m。由于氫氣和燃燒產(chǎn)物(水蒸氣)的相對(duì)空氣密度小，火焰尾部存在明顯的浮力抬升效應(yīng)，如圖4 所示。

圖4 長(zhǎng)管拖車尾氣事故性泄漏的火災(zāi)后果

氫氣長(zhǎng)管拖車尾部泄漏的氫氣被點(diǎn)燃，燃燒火焰高溫區(qū)域立面圖，如圖5 所示，火焰最高溫度分布在槽車尾部近15 m 范圍。

圖5 長(zhǎng)管拖車尾部燃燒火焰立面

氫氣長(zhǎng)管拖車尾部泄漏的氫氣被點(diǎn)燃，火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度分布如圖6 所示，12.5 kW/m2以上熱輻射強(qiáng)度影響至拖車尾部45 m、槽車每側(cè)25 m 的范圍。

圖6 長(zhǎng)管拖車火災(zāi)熱輻射橫向斷面

5.3 模擬結(jié)果小結(jié)

對(duì)儲(chǔ)氫瓶壓力分別為20 MPa、30 MPa 和45 MPa 氫氣長(zhǎng)管拖車失效泄漏的可燃濃度氣云(體積分?jǐn)?shù)4.0%～75%)擴(kuò)散距離及噴射火熱輻射強(qiáng)度(12.5 kW/m2)影響距離的模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)長(zhǎng)管拖車氫氣泄漏擴(kuò)散60 s 后，20 MPa、30 MPa、45 MPa 可燃濃度氣云擴(kuò)散距離分別為130 m、130 m、110 m，可燃濃度氣云擴(kuò)散距離與長(zhǎng)管拖車壓力呈負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)?5 MPa 壓力等級(jí)在泄漏點(diǎn)附近的氣云尺寸大，更多的氣云受到地面限制，對(duì)水平氣流產(chǎn)生干擾，浮力驅(qū)動(dòng)向上擴(kuò)散的主導(dǎo)作用更強(qiáng)，且由于氣云濃度高，稀釋和擴(kuò)散需要更大的距離和更多的時(shí)間，這些因素造成其可燃濃度氣云的擴(kuò)散距離在設(shè)定時(shí)間內(nèi)小于20 MPa和30 MPa 的壓力等級(jí)。

(2) 氫氣長(zhǎng)管拖車尾部泄漏的氫氣被點(diǎn)燃，20 MPa、30 MPa、45 MPa 噴射火熱輻射在水平噴射方向的影響距離分別為45 m、52 m、60 m，可見(jiàn)熱輻射影響距離與長(zhǎng)管拖車壓力呈正相關(guān)。這是因?yàn)閴毫Φ燃?jí)越高，泄漏氣云濃度越大，發(fā)生噴射火的熱輻射強(qiáng)度越大；而拖車兩側(cè)的影響距離在20 MPa 和30 MPa 兩個(gè)壓力等級(jí)下的影響距離差異不明顯，主要是兩側(cè)熱輻射受自然風(fēng)力的阻礙(假定自然風(fēng)與車輛軸向平行，與水平噴射方向一致)，在一定壓力范圍內(nèi)風(fēng)力會(huì)限制拖車兩側(cè)的熱輻射距離。當(dāng)壓力升高至45 MPa 時(shí)，熱輻射突破風(fēng)力限制，影響距離擴(kuò)散到拖車兩側(cè)35 m 范圍內(nèi)。

氫氣長(zhǎng)管拖車擴(kuò)散和火災(zāi)后果模擬結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2 氫氣長(zhǎng)管拖車尾氣泄漏的后果模擬結(jié)果

根據(jù)表3 所示的模擬結(jié)果，建議當(dāng)拖車發(fā)生泄漏火災(zāi)事故時(shí)，拖車周圍按熱輻射強(qiáng)度影響距離進(jìn)行分區(qū)管理。目前國(guó)內(nèi)常規(guī)的氫氣長(zhǎng)管拖車工作壓力主要為20 MPa，熱輻射強(qiáng)度為12.5 kW/m2的影響距離最大至拖車尾部45 m，疊加10%安全系數(shù)。因此，以事故拖車為中心，將直線距離50 m 范圍內(nèi)劃分為“熱區(qū)(hot zone)”，禁止人員停留，無(wú)關(guān)人員盡快撤離；50～150 m 范圍內(nèi)劃分為“暖區(qū)(warm zone)”，允許消防救援人員有限時(shí)間停留；150 m 以外范圍劃分為“冷區(qū)(cold zone)”，屬于安全地帶。

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析QRA 評(píng)估了長(zhǎng)管拖車氫氣泄漏事故中可燃濃度氣云的擴(kuò)散距離和噴射火熱輻射強(qiáng)度的影響距離，可為氫氣長(zhǎng)管拖車的安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供借鑒和參考。為防止或減輕長(zhǎng)管拖車事故影響，建議在生產(chǎn)階段應(yīng)重視氫氣長(zhǎng)管拖車設(shè)計(jì)、制造、安裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，強(qiáng)化設(shè)備的密封性能；在使用階段應(yīng)加強(qiáng)設(shè)施泄漏探測(cè)、加強(qiáng)完整性管理以及操作人員的培訓(xùn)防護(hù)等，必須按照T/CCGA 40003—2021《氫氣長(zhǎng)管拖車安全使用技術(shù)規(guī)范》的要求，加強(qiáng)氫氣長(zhǎng)管拖車的日常檢查和定期檢驗(yàn)，提升氫氣長(zhǎng)管拖車全生命周期安全水平。