液化石油气储罐区火灾爆炸事故危害范围的探讨

朱明辉 武成杰 殷晴 刘超

摘要：为充分掌握石油化工储罐区火灾爆炸事故的危害后果，该研究以某罐区为例，选取蒸气云爆炸TNT模型及热辐射伤害模型分别对其发生蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸的危害范围进行预测和探讨。结果表明：在蒸气云爆炸中，火灾爆炸区的近场区域热辐射对人员的伤害程度较冲击波更为严重，而在中远场区域冲击波对人员的伤害将更为突出;当参与爆炸的燃料质量相同时，沸腾液体扩展蒸气爆炸的热辐射伤害半径远大于蒸气云爆炸。研究结果可为石化储罐库区安全管理、重大危险源监控及应急部门实施救援行动提供理论支撑。

关键词：液化石油气蒸气云爆炸沸腾液体扩展蒸气爆炸危害范围

中图分类号： TE88      文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）01（a）-0000-00

Discussion the Hazard Range of Fire and Explosion Accident in Liquefied Petroleum

Gas Tanks Areas

ZHU Minghui  WU Chenjie*  YIN QingLIU Chao

（Institute of NBC Defence ，PLA ARMY，Beijing 102205 China）

Abstract： In order to fully grasp the harmful consequences of fire and explosion accident in petrochemical storage tank area， this paper takes a tank area as an example， and uses TNT model of steam cloud explosion and thermal radiation damage model to predict and discuss the hazard range of the vapor cloud explosion（VCE） and boiling liquid expanding vapor explosion（BLEVE） respectively. The results show that the damage of thermal radiation is more serious than the shock wave in the near-field region of VCE， while the damage of shock wave is more serious in the medium and far field region. When the same fuel quality， the hazard range of the thermal radiation about BLEVE is much larger than the VCE. The conclusions can provide theoretical support for the oil storage safety management， the monitoring of major hazard sources and the implementation of rescue actions by emergency departments.

Key Words： The Liquefied Petroleum Gas;Vapor Cloud Explosion;Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion;Hazard Range

隨着石油化工企业向大型化发展，其储罐区总容量和单罐容量越来越大，该区域一旦出现管理不善、操作不当等过失或遭遇袭击会引发火灾爆炸事故，将造成人员和财产的重大损失[1]。因此，储罐区成为当前大型石化企业及成品油库的重点管控单元。

对于石化罐区而言，蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸是该罐区常见的事故模式[2]。为进一步掌握石化储罐区火灾爆炸事故的危害后果，该文选取某石化企业液化石油气储罐区为工程实例（罐区包含10个3000m3的液化石油气球罐，均为常温压力罐），重点对其蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸的危害后果进行模拟分析。研究结果可以为石化储罐库区安全管理、重大危险源监控及应急部门救援决策提供理论及数据支撑。

1 蒸气云爆炸危害范围模拟分析

蒸气云爆炸是指混合气体在爆炸极限范围内，并延迟点火的情况下造成的爆炸[3]。蒸气云爆炸产生的热辐射和冲击波会对周围人员、建筑物及储罐等设备造成伤害和破坏。该文以单罐液化石油气泄漏遇明火引发蒸气云爆炸进行分析。

1.1 蒸气云爆炸热辐射伤害分析

热辐射危害范围可结合普适火球模型和热辐射传播公式进行估算[4]。

1.1.1 火球半径和持续时间的计算

蒸气云火球爆炸公式如下：

D=2.9W^（1/3）（1）

t=0.45W^□（1/3）（2）

式（1）（2）中，D为火球的半径（m）;t为火球持续时间（s）;W为火球中消耗的可燃物质质量（kg）。单罐储存取罐容量的50%，双罐储存取罐容量的70%，多罐储存取罐容量的90%。

假设单罐液化石油气，满罐约1 325 000 kg，泄漏量为30%，且泄漏的气体均参与了爆炸反应，则计算可得：

火球中消耗的燃烧质量：W=1325000× 30%=397500kg ;

火球直径：D=2.9W1/3=2.9×（397500） 1/3=213.23m;

火球持续时间：t=0.45W1/3=0.45×（397500） 1/3=33.09s 。

1.1.2 热辐射的计算

热辐射传播公式[5]如下：

Q/（（bG）W^□（1/3） θ^□（2/3） ）=（D^2/R^2 ）/（（F+D^2/R^2 ））（3）

Q=qt（4）

式（3）（4）中，Q为热剂量（J/m2）;q为火球热辐射强度（W/m2）;bG为常量，2.04×104;θ为火球温度（K），对于蒸气云爆炸取2 200K;R为到火球中心的距离（m）;F为常量，161.7。

热辐射对人员的伤害阈值[6]及相应计算结果见表1。

1.2 蒸气云爆炸冲击波伤害分析

冲击波造成的危害范围拟选用TNT蒸气云爆炸模型进行估算[7]。

1.2.1 蒸气云TNT当量及能量的计算

TNT当量WTNT、爆炸能量E的计算见公式（5）（6）。

W_TNT=αAW_f Q_f/Q_TNT                        （5）

E=α〖AW〗_f Q_f                                （6）

式（5）（6）中，WTNT為蒸气云的TNT当量（kg）;E为爆炸总能量（kJ）;α为地面爆炸系数，取1.8;A为蒸气云当量系数，取4%;Wf为易燃易爆物质的总质量（kg）;Qf为燃料的燃烧热（kJ/kg），液化石油气的燃烧热为46500 kJ/kg;QTNT为TNT的爆燃热（kJ/kg），取4500 kJ/kg。

结合公式（5）（6）计算可得：

E=1.8×0.04×397500×46500=1330830000kJ;

WTNT=E/Qf=133083000/4500=295740kg。

1.2.2 冲击波伤害分区的计算

冲击波超压对建筑物和人员的破坏伤害阈值见表2[8]。

参照表2情况，结合热辐射对人体和建筑物的伤害程度，可以将伤害阈值分为财产损失、死亡、重伤、轻伤四级，阈值分别为财产损失阈值100 kPa，死亡阈值90 kPa，重伤阈值60 kPa，轻伤阈值20 kPa。

关于冲击波危害半径的计算主要有以下两种方法。

方法一：参照超压破坏阈值，结合无约束蒸气云爆炸冲击波正向最大超压△P核算伤害半径[7]。具体见公式（7）（8）（9）。

r=z〖（E/P_0 ）〗^□（1/3）（7）

∆P_S=0.137Z^（-3）+0.119Z^（-2）+0.269Z^（-1）-0.019（8）

∆P_S=∆P/P_0 （9）

式（7）（8）（9）中，r为伤害半径（m）;E为爆炸总能量（J）;P0为大气环境压力（Pa），取101 300;Z为中间因子，无量纲单位;△P为冲击波超压（Pa）。

结合式（7）（8）（9），各伤害半径计算如下。

财产损失半径：△PS=100/101.3=0.9872，近似法求得Z=0.707，r=166.83m;同理，死亡半径r=175.73m，重伤半径r=216.62m，轻伤半径r=415.23m。

方法二：参照超压破坏阈值，采用模拟比法[9]核算伤害半径，具体公式见（10）。1000kgTNT爆炸冲击波实验数据见表3。

r=R_0 〖（W_TNT/1000）〗^□（1/3）                      （10）

式（10）中，R0为1 000 kg TNT爆炸冲击波危害半径（m）。

结合表3和式（10），计算如下。

财产损失半径：当超压为100 kPa时，取R0=23 m，r/R0=（WTNT/1000）（1/3），则r=153.24 m;同理死亡半径r=159.90 m，重伤半径r=198.34 m，轻伤半径r=373.10 m。

方法1与方法2计算对比分析结果见表4。

由表4可以看出，两种方法的计算结果，财产损失半径最为接近，误差仅为8.1%;轻伤半径误差稍大，误差超过10%;死亡半径和重伤半径误差值不超过9%。结果表明，两种方法计算结果量级一致且比较接近，误差平均值不超过8.9%。

1.3 蒸气云爆炸热辐射与冲击波对人员造成伤害情况分析

为进一步掌握蒸气云爆炸中，热辐射与冲击波的伤害随距离变化的规律，以下结合案例中热辐射伤害距离对比分析相同距离下冲击波对人体的影响（此处以冲击波伤害半径的计算方法一进行示例）。

根据热辐射死亡半径r=73.95m，按照公式（7）（8）（9）可z=0.3134，

△PS=6.5015，△p=△PS×P0=0.659MPa;同理r=91.34m，△p=0.388MPa;r=130.25m，△p=0.170MPa;r=231.57m，△p=0.053MPa;r=366.74m，△p=0.024MPa。

相同距离下热辐射和冲击波对人员伤害对比情况见表5。

由表5可以看出，冲击波危害半径的两种计算方法在相同伤害距离处的超压值匹配度高达87.38%;在距离爆炸源小于91.34m时，热辐射伤害和冲击波伤害均处于各自的死亡区（重大伤亡区）范围，但从表5中的各自伤害情况表述来看，前者对人体的伤害更大;当距离位于区间（91.34m130.25m]时，热辐射伤害和冲击波伤害分别处于各自的重伤区和死亡区，显然后者对人体的伤害程度更大;当距离大于130.25m后，热辐射伤害对人体的伤害愈加微弱，而冲击波对人体的伤害依然处于重度和轻度伤害区域之间，显然后者对于人体的伤害远远高于前者。对比分析结果表明，蒸气云爆炸产生的热辐射和冲击波伤害均会对周围的人和建筑物产生副作用，热辐射伤害作用在距离爆炸中心越近处越突出，冲击波在爆炸区域的中远场伤害作用更明显。

2沸腾液体扩展蒸气爆炸危害范围模拟分析

沸腾液体扩展蒸气爆炸是指储罐外部受到火焰烘烤导致体系突然泄压迅速气化，造成容器内蒸气压力骤升而引发的爆炸[3]。该类爆炸主要危害源自爆炸产生火球的热辐射。其定量评价主要通过计算火球半径、目标接收到的热辐射通量、热辐射对人体的伤害等参数来实现。

2.1 爆炸火球半径的计算

以单罐液化石油气发生沸腾液体扩展蒸气爆炸考虑。爆炸火球的半径计算见公式（1）。

火球中消耗的燃烧质量（按单罐取罐容量的50%示例）：、W=1325000×50%=662500kg

火球直径：

D=2.9W1/3=2.9×（662500） 1/3=252.81m

2.2 伤害分区的计算

目标接受到的热辐射通量的计算见式（11）[2]。

q（r）=ED^2 r （（1-0.058lnr））⁄〖（D^2+r^2）〗^□（3/2）                     （11）

式（11）中，q（r）为对目标的热辐射通量（kW/m2）;E为火球表面辐射通量，（kW/m2），对于球罐，E取200 kW/m2;D为火球的半径（m）;r为目标到火球中心水平距离（m）。

结合热辐射伤害阈值可以计算相对应的伤害半径，计算结果见表6。

由表6可知，当火球燃烧质量均为罐容量的30%时，沸腾液体扩展蒸气爆炸的热辐射死亡区半径为蒸气云爆炸的3.97倍，前者的重大伤亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径分别为后者的4.44倍、4.77倍、4.88倍，其伤害半径平均水平提升了3.58倍。结果表明，相同质量的燃料参与爆炸，沸腾液体扩展蒸气爆炸的热辐射伤害范围要远远大于蒸气云爆炸。

3 结论

（1）石化储罐发生蒸气云爆炸，会产生热辐射和冲击波伤害，在火灾爆炸区的近场区域热辐射对人员的伤害程度较冲击波更为严重，而在中远场区域冲击波对人员的伤害将更为突出。因此，发生蒸气云爆炸时应当按照沖击波伤害的危害半径划分危害范围，而且爆炸区的近场区域热辐射和冲击波伤害将形成更为严重的复合伤害。

（2）选用蒸气云爆炸TNT模型预测爆炸危害后果，两种常见模型的计算结果非常接近，可任选一种进行危害后果预测。

（3）石化储罐沸腾液体扩展蒸气云爆炸较蒸气云爆炸更为剧烈，当参与爆炸的燃料质量相同时，其产生的危害后果更为严重，对人员的热辐射伤害半径远大于蒸气云爆炸。

参考文献

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