MATLAB在專用線危險品裝卸區(qū)安全評價中的應用

楊 波，徐 姣

（中國地質(zhì)大學 (武漢)工程學院，湖北 武漢 430074）

1 研究背景

鐵路專用線 (含專用鐵路，以下簡稱專用線) 是由企業(yè)或其他單位管理的與國家鐵路或其他鐵路線接軌的岔線，在我國鐵路貨運中發(fā)揮著重要作用。目前，全國鐵路油品裝卸專用線數(shù)量眾多，易燃易爆危險品的運輸安全是鐵路部門安全監(jiān)管的重要方面，其裝卸區(qū)安全也是企業(yè)安全管理的重點。鑒于易燃易爆危險品在裝卸過程中具有事故多發(fā)性，對其安全狀況進行客觀評價，有助于及時發(fā)現(xiàn)隱患，找出安全控制重點，以便采取措施，預防事故的發(fā)生，同時也有助于調(diào)動工作人員保安全的積極性和主動性，增強安全責任和意識，有效加強各接軌車站對專用線的監(jiān)督管理。

目前，對專用線運輸和裝卸危險化學品的安全評價理論已經(jīng)比較成熟，從評價過程和評價重點可以看出，在專用線危險化學品的裝卸作業(yè)過程中，火災爆炸是最大的安全隱患，也是安全評價的關(guān)鍵點。鑒于目前主要采用道化學法 (第七版) 對火災爆炸危險性進行評價，而對火災爆炸事故后果模擬主要采用爆源的 TNT 當量計算模型進行分析，根據(jù)大量專用線安全現(xiàn)狀評價實踐，這兩種方法還存在一些弊端和不足。

（1）兩種方法在評價過程中程序比較煩瑣，而且存在較多的數(shù)學運算。

（2）最終結(jié)果只有一個數(shù)據(jù)，在進行分析時需要對數(shù)據(jù)進行比較，不直觀。

（3）不利于直觀與迅速地判斷事故后果的傷害區(qū)域，不利于企業(yè)查閱和制定安全措施。

（4）目前已開發(fā)出多款道化學計算軟件，但TNT 當量計算模型較少。

因此，有必要對 TNT 當量計算模型的使用進行改進。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助量化風險已成為風險評價的一個重要手段。通過在分析某公司提供的專用線易燃易爆危險品的危險性基礎(chǔ)上，利用 MATLAB 軟件編程，對易燃易爆液體蒸氣云爆炸后果進行模擬，得出死亡半徑，并將結(jié)果用各種圖形表示。同時也證明 MATLAB 在專用線易燃易爆危險品裝卸區(qū)安全評價中具有一定的計算和分析優(yōu)勢，可以有效減少計算工作量，縮短評價周期，提高評價效率[1]。

2 易燃易爆危險品裝卸危險性分析

2.1 危險品理化性質(zhì)

某公司專用線運輸物質(zhì)為甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液，三者均為易燃易爆液體，了解其理化性質(zhì)是進行安全評價的必要前提。

（1）甲醇。甲醇是一種無色、透明、易燃、易揮發(fā)的有毒液體，鐵危編號為 32058，屬于第 3.1類低閃點易燃液體。甲醇常溫下對金屬無腐蝕性(鉛、鋁除外)，略有酒精氣味。其分子量為32.04，相對密度為 0.793 g/m3(20/4℃)，熔點為 -97.8℃，沸點為 64.5℃，燃燒熱為 725.76 kJ/mol，閃點為12.22℃，自燃點為 463.89℃，蒸氣密度為 1.11g/m3，蒸氣壓為13.33 kPa (100 mmHg，21.2℃)，蒸氣與空氣混合物爆炸極限為 6%～36.5% (體積比)，能與水、乙醇、乙醚、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機溶劑相混溶，遇熱、明火或氧化劑易燃燒。甲醇易燃，其蒸氣與空氣能形成爆炸混合物，甲醇完全燃燒生成二氧化碳和水蒸汽，同時放出熱量。

（2）丙烯酸甲酯。丙烯酸甲酯是一種有類似大蒜氣味的無色易燃透明液體，鐵危編號為 32146，屬于第3.1類中閃點易燃液體。丙烯酸甲酯微溶于水，用于聚丙烯腈纖維的第二單體，膠粘劑等。其相對密度 (水＝1) 為 0.95g/m3，熔點為 -75℃，沸點為 80℃，飽和蒸氣壓為 13.33 kPa/28℃，閃點為 -3℃，引燃溫度為 468℃，穩(wěn)定，爆炸下限為1.2 V%，爆炸上限為 25.0 V%，禁忌物為酸類、堿類、強氧化劑。丙烯酸甲酯蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸，與氧化劑能發(fā)生強烈反應，容易自聚，聚合反應隨著溫度的上升而急驟加劇。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇火源會著火回燃。

（3）甲醛溶液。甲醛溶液的鐵危編號為83012，屬于一種具有強烈氣味的無色液體。其主要用于塑料工業(yè) (如制酚醛樹脂、脲醛塑料——電玉)、合成纖維 (如聚乙烯醇縮甲醛——合成維尼綸)、皮革工業(yè)、醫(yī)藥、染料等。甲醛溶液有刺激性氣味，蒸氣有窒息性，液體比重為 1.09，閃點為50℃，熔點為 -118℃，沸點為 -19.5℃，相對密度(水＝1) 為1.083 g/m3，爆炸下限為 7 V%，爆炸上限為 73 V%，自燃溫度為 300℃，易溶于水，有腐蝕性，能灼傷皮膚，刺激眼睛和黏膜，易聚合。

2.2 危險品裝卸作業(yè)的危險性分析

（1）接卸作業(yè)流程。接卸作業(yè)采用棧橋、液下鶴管，當重罐車到達貨位并做好防溜防護后，專用線裝卸人員進行檢車、取樣分析，檢驗合格后將鶴管插入鐵路罐車內(nèi)，啟動卸車泵，按操作規(guī)程進行卸車。

（2）裝車作業(yè)流程。裝車作業(yè)采用棧橋、液下鶴管，當空罐車到達貨位并做好防溜防護后，專用線裝卸人員檢查車輛，確保罐車內(nèi)各項設(shè)施齊全完好，車內(nèi)清潔無雜物，管道暢通清潔，符合要求后啟動裝車泵，按操作規(guī)程將物料送入罐車。

（3）易燃易爆液體 (罐車) 具體裝卸作業(yè)流程。計劃車輛進線對位、設(shè)置防護→人員、設(shè)備消除靜電→開啟人孔蓋、插入鶴管→啟動輸送泵→計量控制裝車，由庫區(qū)儲罐抽入罐車；計量控制卸車，由罐車抽入庫區(qū)儲罐→關(guān)閉輸送泵→抽出鶴管、關(guān)緊人孔蓋→撤除防護、車輛牽出裝卸線→車輛牽至停車線待命、設(shè)置防護。

（4）危險性分析。在專用線易燃易爆危險品裝卸作業(yè)過程中，存在一般作業(yè)場所具有的電氣傷害、車輛傷害、機械傷害、高空墜落、物體打擊等危險因素，更為重要的是，由于操作的物質(zhì)具有易燃易爆性、毒性和腐蝕性，作業(yè)過程中還存在導致火災爆炸、中毒和腐蝕灼傷事故的危險有害因素。以下主要研究燃燒爆炸事故后果。

3 蒸氣云爆炸事故后果模型

3.1 爆炸的形成分析

甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3種易燃易爆液體，在運輸裝卸作業(yè)過程中有兩種狀態(tài)：①相對靜止狀態(tài)，即整車裝載狀態(tài)；②裝卸作業(yè)時的流動狀態(tài)，此時液體處于罐車、管線、泵房和儲罐組成的工藝系統(tǒng)中。無論哪種狀態(tài)都有可能因意外原因?qū)е挛ｋU物品失控，發(fā)生泄漏，形成燃燒爆炸的條件之一。由于裝卸作業(yè)時液體流經(jīng)眾多設(shè)備且管線分布范圍廣，作業(yè)過程持續(xù)時間較長，操作方式屬于間歇作業(yè)，相對整車裝載狀態(tài)而言，液體失控、泄漏的可能性更大。易燃液體一旦發(fā)生泄漏，就直接暴露在空氣中?？諝庵泻趿枯^大，有很強的助燃性，此時易燃液體遇明火即會燃燒。并且泄漏的易燃液體不斷揮發(fā)出可燃氣體，當其與空氣的混合比例達到爆炸下限濃度時，遇火花即能爆炸。

蒸氣云爆炸是由于以“預混云”形式擴散的蒸氣云遇火后在某一有限空間發(fā)生爆炸導致的。泄漏的易燃液體若未發(fā)生沸騰液體膨脹蒸氣云爆炸現(xiàn)象或立即引發(fā)大火，低沸點組分就會與空氣充分混合，在一定范圍聚集形成預混蒸氣云。如果在稍后某一時刻遇火點燃，由于氣液兩相物質(zhì)已經(jīng)與空氣充分混合均勻，一經(jīng)點燃其燃燒過程極為劇烈，火焰前沿速度可達 50～100 m/s，形成爆燃，對蒸氣云覆蓋范圍內(nèi)的建筑物及設(shè)備產(chǎn)生沖擊波破壞，危及人們的生命安全[2]。

3.2 爆源的 TNT 當量計算

蒸氣云爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓是其主要危害。沖擊波超壓可以將事故爆炸產(chǎn)生的爆炸能量等同于一定當量的 TNT，也可以根據(jù)爆炸能量直接計算。本文采用 TNT 當量系數(shù)法計算易燃液體爆炸產(chǎn)生的能量，計算公式為[3]：

式中：WTNT為易燃液體TNT當量 (kgTNT)；Wf為易燃液體泄漏質(zhì)量 (kg)；Q f為易燃液體燃燒熱(MJ/kg)；QTNT為TNT爆熱，4.52 MJ/kg；a為蒸氣云當量系數(shù)，通常取 0.04；1.8 為地面爆炸系數(shù)。

3.3 沖擊波傷害模型

沖擊波傷害模型是將沖擊波超壓的破壞范圍進行人員傷害分區(qū)和財產(chǎn)損失分區(qū)，即有死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)[4]，相應的用死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑表示。死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑均可根據(jù)計算公式得出結(jié)果，爆炸產(chǎn)生的沖擊波隨距離的變化情況是難以預知的，某一點的沖擊波超壓也不得而知。因此，利用 MATLAB 對死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑計算公式進行編程化，減小計算工作量，并形成沖擊波超壓—距離模型，方便計算和分析。

死亡半徑R1(超壓值90 000 Pa) 的計算公式[3]：

在得到云團中燃料質(zhì)量的情況下，可按下式直接計算爆炸沖擊波超壓。

式中：Δps為沖擊波正相最大超壓 (Pa)；Z為無量綱距離；Pa為環(huán)境壓力；R為目標到爆源的水平距離 (m)；E為爆源總能量 (J)；W為蒸氣云中對爆炸沖擊波有實際貢獻的燃料質(zhì)量 (kg)；Qc為燃料的燃燒熱 (J/kg)。

重傷半徑R2波面沖擊波超壓ΔPs＝44 000 Pa和輕傷半徑R3波面沖擊波超壓ΔPs＝17 000 Pa 為已給定值，根據(jù)其可以計算出重傷半徑和輕傷半徑，但計算頗為復雜。

4 蒸氣云爆炸后果模擬

4.1 MATLAB 簡介

MATLAB 是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司的商業(yè)數(shù)學軟件。MATLAB 廣泛用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析，以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，其應用范圍包括信號與圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試與測量、財務建模與分析，以及計算生物學等眾多領(lǐng)域，其附加工具箱(單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集) 擴展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。MATLAB 語言結(jié)構(gòu)簡單，能大大簡化計算過程，同時支持三維動畫，特別適用于工程模擬。MATLAB 強大的計算和繪圖能力，能大量簡化事故后果的計算分析，也能通過各種圖形比較直觀地反映分析結(jié)果[5]。

4.2 后果模擬的實現(xiàn)

假設(shè)某公司專用線有一節(jié)滿載甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液罐車裝卸時全部泄漏，罐車型號為G60，按最大充裝系數(shù) 0.95 充裝，不得超過標記容積 60 m3。3 種物質(zhì)的燃燒熱值如表1所示。

（1）TNT當量值計算及圖形結(jié)果。利用以上基本條件，根據(jù)公式⑴和公式⑵，用 MATLAB 編程計算可以得到3種物質(zhì)蒸氣云爆炸能量和死亡半徑，并畫出直方圖進行比較，如圖1所示。

表 1 易燃液體燃燒熱值表

圖 1 3 種物質(zhì)蒸氣云爆炸當量值及死亡半徑比較圖

（2）沖擊波影響范圍后果模擬。在 MATLAB 環(huán)境中，根據(jù)公式⑶編程得到?jīng)_擊波超壓與距離的關(guān)系如圖2所示，可以通過計算或在圖中直接讀出重傷半徑和輕傷半徑。

圖2 沖擊波超壓與距離的關(guān)系圖

5 結(jié)果分析

從圖1可以直接讀出甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3種物質(zhì)的 TNT 當量和死亡半徑，經(jīng)比較，TNT 當量由大到小的排序為：WTNT丙烯酸甲酯＞W(wǎng)TNT甲醇＞W(wǎng)TNT甲醛溶液；死亡半徑由大到小的排序為：R1丙烯酸甲酯＞R1甲醇＞R1甲醛溶液。由此可知，一輛滿載丙烯酸甲酯罐車的 TNT 當量最大，相應的死亡半徑也最大。根據(jù)表征最大可能危險的原理，建立爆炸模型時應選取一輛滿載 TNT 當量最大物質(zhì)的罐車，以表征爆炸事故的最嚴重程度，即選取單輛滿載丙烯酸甲酯罐車的死亡半徑 52.00 m 作為裝卸區(qū)的死亡半徑。

由圖2可以直接、清晰地看出甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3種物質(zhì)發(fā)生蒸氣云爆炸時沖擊波超壓隨距離的變化情況，利用 MATLAB 圖形工具 data cursors 可以讀出任意距離上的沖擊波超壓，根據(jù)重傷半徑R2波面沖擊波超壓 (ΔPs＝44 000 Pa) 和輕傷半徑R3波面沖擊波超壓 (ΔPs＝17 000 Pa)，讀出3種物質(zhì)的重傷半徑和輕傷半徑，如表2所示。其結(jié)果與實際情況相符。

表 2 3 種物質(zhì)的重傷半徑和輕傷半徑

6 結(jié)束語

利用 MATLAB 軟件不僅能快速和精確地完成復雜的計算和分析，而且依靠其繪圖功能能將事故后果的計算結(jié)果多樣化地表示出來，有利于安全評價人員和企業(yè)安全工作者比較直觀與迅速地判斷事故后果的傷害區(qū)域，能夠更好地完善安全評價結(jié)果，為企業(yè)安全管理和應急管理提供準確的依據(jù)。另外，根據(jù)事故后果計算中不同的精確度要求，安全人員可以自主調(diào)節(jié)步長，以達到更好的計算和模擬效果。

[1] 艾唐偉，陸愈實，徐小賢. MATLAB 在儲罐區(qū)蒸氣云爆炸分析中的運用[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2009，35(2)：31-32.

[2] 魏伴云. 火災與爆炸災害安全工程學[M]. 武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2004.

[3] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 重大危險源分級標準(征求意見稿)[S]. 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局協(xié)調(diào)函[2007]7號，2007.

[4] 王 穎，伍 穎，陳寧寧，等. 基于 MATLAB 平臺的凝聚相爆炸模型的分析與程序?qū)崿F(xiàn)[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2009，35(11)：38-40.

[5] 張瑞華，陳國華，顏偉文，等. 基于 MATLAB 技術(shù)的 LPG儲罐重大事故動態(tài)模擬評價系統(tǒng)開發(fā)與應用[J]. 工程設(shè)計學報，2007，14(3)：220-225.