基于火災(zāi)爆炸量化的液化天然氣槽車火災(zāi)分析及對(duì)策研究

王 玉

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北廊坊 065000)

0 引言

液化天然氣(LNG)是天然氣在常壓下深冷到－162℃制成的，主要成份是甲烷(90%～98%)、少量的C2～C5烴類和氮?dú)猓芏仁菤鈶B(tài)體積的600 倍，爆炸極限為5%～15%。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的LNG 是用槽車運(yùn)送到用戶的，運(yùn)輸中稍有不慎發(fā)生交通事故引起LNG 泄漏起火時(shí)，罐體受外部火焰長(zhǎng)時(shí)間烘烤，強(qiáng)度逐漸降低，到達(dá)一定程度時(shí)，罐體將突然爆裂，罐內(nèi)LNG 迅速氣化并燃燒，引起沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸(BLEVE)。2011年10月，在西班牙穆爾西亞市，一輛載有20t 的LNG 槽車在高速公路上追尾起火，1h 后發(fā)生了爆炸，距事故槽車50m 內(nèi)的植物全部被引燃，125m 外的高速公路服務(wù)區(qū)玻璃被全部震碎，由于消防隊(duì)及時(shí)疏散了500m 內(nèi)的人群，所幸沒有造成人員傷亡。

由于具有較大的火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)性，近年很多學(xué)者對(duì)LNG 槽車泄漏爆炸事故展開了研究，王露熹［1］用 ALOHA 軟件模擬分析了 LNG 槽車泄漏事故的風(fēng)力影響因素。屈宜生［2］和余勁松［3］針對(duì)LNG 的理化特性和LNG 槽車性能分別提出了事故處置的對(duì)策和堵漏方法。這些研究多采用模擬或定性的方法，缺乏量化分析，本文介紹了LNG 槽車發(fā)生火災(zāi)爆炸模型，并以20t 的LNG槽車為例定量評(píng)價(jià)了爆炸事故后果，其結(jié)果為制定合理的滅火救援方案提供依據(jù)。

1 液化天然氣槽車蒸氣爆炸模型

LNG 槽車發(fā)生蒸氣爆炸事故后果十分嚴(yán)重，可造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。其爆炸能量來(lái)源于兩個(gè)方面:一是熱輻射。大量液化氣體瞬間泄放到空中，形成球形蒸氣云，遇到火源后迅速燃燒，釋放大量熱能，產(chǎn)生巨大的火球和強(qiáng)烈的熱輻射，可引起一定范圍內(nèi)的火災(zāi)。二是沖擊波超壓。槽車儲(chǔ)罐受熱，其內(nèi)部產(chǎn)生高壓，突然爆裂時(shí)能釋放出巨大的能量，引起沖擊波破壞。

1.1 火球熱輻射模型

由于實(shí)驗(yàn)條件不同，BLEVE 的火球模型和熱通量計(jì)算方法也存在差異，主要有 Greenberg-Cramer 模型、Roberts 模型、ILO 模型等。其中，ILO 模型與Roberts 模型計(jì)算的火球直徑和火球持續(xù)時(shí)間相當(dāng);火球直徑稍小于 Greenberg-Cramer 模型的計(jì)算值，火球持續(xù)時(shí)間約為Greenberg-Cramer 模型的 0.4 倍。在 Greenberg-Cramer 模型和Roberts 模型中，熱輻射通量計(jì)算采用的是點(diǎn)源模型，考慮了目標(biāo)處的熱輻射通量與其到火球中心距離間的關(guān)系。而ILO 模型采用的是球形模型，除了距離之外，還考慮了火球與目標(biāo)形狀、相對(duì)角度間的關(guān)系。由于ILO 模型計(jì)算出火球直徑和火球持續(xù)時(shí)間的數(shù)值適中，熱輻射通量值計(jì)算中還考慮了多種因素，因此本文采用該模型計(jì)算火球熱輻射。

(1)火球最大直徑:

式中，D是火球最大直徑，m;m是火球中消耗可燃物的質(zhì)量，kg;對(duì)于槽車泄漏，m取罐容積的50%。

(2)火球持續(xù)時(shí)間:

式中，t是火球持續(xù)時(shí)間，s。

(3)火球抬升高度［4］:

式中，H是火球中心距地面高度，m;

(4)目標(biāo)接受的熱輻射通量:

式中，q是目標(biāo)接受的熱輻射通量，kW·m－2;(1－0.058lnr)是大氣傳遞系數(shù);r是火球中心與目標(biāo)的直線距離，m;E是火球表面最大熱輻射通量，kW·m－2;F 為視角系數(shù)。

(5)視角系數(shù)［5］:

式中，X是火球中心與目標(biāo)在地面投影的距離，m。

(6)火球表面最大熱輻射通量［6］:

式中，p是發(fā)生爆炸時(shí)槽罐的壓力，MPa;對(duì)于由于外部火災(zāi)引起的BLEVE 事故，P值可取儲(chǔ)罐安全閥啟動(dòng)壓力的 1.21 倍［7］。

(7)火球熱輻射傷害

由于BLEVE 火球的持續(xù)時(shí)間很短，火球?qū)θ梭w的傷害可以用熱強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)判定，用計(jì)算的目標(biāo)接受的熱輻射通量(q)與火球持續(xù)時(shí)間(t)的乘積來(lái)估算熱強(qiáng)度值［8］，并與相應(yīng)的閾值比較。同時(shí)還可以通過(guò)閾值反推，估算出各類傷害半徑。

1.2 槽罐爆炸沖擊波超壓模型

(1)槽罐爆炸能量

LNG 槽罐破裂爆炸時(shí)，氣體劇烈膨脹做功的同時(shí)，過(guò)熱液體還激烈的蒸發(fā)。通常爆炸前槽罐內(nèi)飽和LNG 占有氣液相總質(zhì)量的絕大部分，它的爆炸能量要比氣相的飽和天然氣大得多，因此一般計(jì)算時(shí)不考慮氣體膨脹做的功［9］，過(guò)熱LNG在槽罐破裂時(shí)釋放的能量可按下式計(jì)算:

式中，EL是液化氣體介質(zhì)壓力容器爆炸能量，kJ;H1是爆炸前液化氣體的焓，kJ·kg－1;H2是大氣壓力下液化氣體的焓，kJ·kg－1;S1是爆炸前液化氣體的熵，kJ·kg－1·K－1;S2是大氣壓力下液化氣體的熵，kJ·kg－1·K－1;T是大氣壓力下液化氣體的沸點(diǎn)，K;m是下液化氣體質(zhì)量，kg。

(2)近地面槽罐的爆炸能量［10］:

(3)TNT 爆炸當(dāng)量:

式中，QTNT是 TNT 的爆炸當(dāng)量能量，一般取4686kJ·kg－1。

(4)當(dāng)量比距離:

(5)沖擊波超壓［11］:

式中，Pa是環(huán)境壓力，kPa;Δp是爆炸沖擊波超壓，kPa。

2 液化天然氣槽車發(fā)生BLEVE事故評(píng)價(jià)

2.1 基本情況

以20 t 的LNG 槽車在平原地區(qū)發(fā)生交通事故并起火為背景，量化分析槽車發(fā)生BLEVE 事故后果，考慮50%容量的 LNG 參與了 BLEVE，即10000kg。LNG 槽車的基本情況如表1所示。

2.2 火球熱輻射評(píng)價(jià)

由式(1)、式(2)和式(6)可計(jì)算出火球直徑約為125m，火球持續(xù)時(shí)間為9.7s，火球表面最大熱輻射通量為220kW·m－2。由式(3)、式(4)和式(5)可計(jì)算出不同距離下目標(biāo)接受的熱輻射通量，如圖1所示?？芍?，在距離火球正下方，熱輻射通量為72kW·m－2，距火球地面水平距離500m處的熱輻射通量為2.1kW·m－2。

表1 LNG槽車參數(shù)Tab.1 Parameters of LNG tankers wagons

采用熱強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算傷害半徑時(shí)，由于計(jì)算出火球持續(xù)時(shí)間為9.7s，取人體接受輻射時(shí)間為10 s 估算傷害半徑，結(jié)果見表2。

圖1 目標(biāo)接受到的熱輻射通量Fig.1 Heat flux of the target received

表2 采用熱強(qiáng)度準(zhǔn)則估算的各類傷害半徑Tab.2 Damage radius estimated by hot strength criterion

2.3 沖擊波傷害評(píng)價(jià)

可查得0.7 MPa 和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下LNG 的熵和焓值，如表3所示。常壓下LNG 沸點(diǎn)為－162℃，爆炸時(shí)液化氣體質(zhì)量按10000 kg 估算，由式(7)和式(8)計(jì)算出槽罐爆炸能量約為1162 MJ。

表3 爆炸前后LNG熵值和焓值Tab.3 Entropy and enthalpy values before and after LNG tanker explosion

由式(9)計(jì)算出TNT 當(dāng)量約為247.9 kg，由式(10)和式(11)可計(jì)算出槽罐爆炸的沖擊波超壓，其隨距離變化的曲線如圖2所示。

根據(jù)沖擊波對(duì)建筑物和人員的破壞傷害作用，還可計(jì)算出不同破壞效應(yīng)下的傷害半徑，結(jié)果見表4。

圖2 目標(biāo)接受到的沖擊波超壓Fig.2 Overpressure of the target received

3 滅火救援對(duì)策

結(jié)合上文的評(píng)價(jià)結(jié)果，在20t 的LNG 槽車火災(zāi)事故中，從防止熱輻射和沖擊波傷害角度提出如下滅火救援對(duì)策:

(1)設(shè)立警戒，疏散群眾。表2中人員感覺疼痛的半徑為283m，可將事故點(diǎn)300m 以內(nèi)的區(qū)域作為警戒區(qū)，消防隊(duì)場(chǎng)到后，須將消防車?？吭诰鋮^(qū)外的上風(fēng)向處，車頭朝向事發(fā)地相反方向，并及時(shí)疏散該區(qū)域內(nèi)的人員。由于表4中門窗破碎的半徑為109m，當(dāng)疏散有困難時(shí)，可將150m以外人員安排在建筑物內(nèi)避難，關(guān)閉門窗，注意不要在門窗前走動(dòng)。

表4 沖擊波超壓對(duì)建筑和人員的傷害半徑Tab.4 Damage radius of overpressure to the buildings and staff

(2)冷卻罐體，預(yù)防爆炸。LNG 槽車泄漏起火時(shí)，滅火救援中應(yīng)積極采取措施冷卻罐壁，防止罐體長(zhǎng)時(shí)間受熱引發(fā)BLEVE 爆炸?？稍诓圮噧蓚?cè)布置帶架水槍陣地，噴射開花水，同時(shí)保證水流覆蓋罐體。

(3)加強(qiáng)防護(hù)，確保安全。深入警戒區(qū)的事故處置人員要少而精，做好安全防護(hù)，實(shí)施堵漏作業(yè)人員應(yīng)佩戴空氣呼吸器，穿著避火防護(hù)服。并布置水槍掩護(hù)力量同時(shí)跟進(jìn)，掩護(hù)人員應(yīng)穿著隔熱防護(hù)服，為減少爆炸帶來(lái)的傷害，可利用地形地物或槽車周圍環(huán)境掩蔽身體進(jìn)行射水。

(4)注意觀察，及時(shí)撤離。滅火救援中要設(shè)立現(xiàn)場(chǎng)觀察哨，觀察罐體情況，起火槽罐發(fā)出嘶鳴聲時(shí)，預(yù)示即將發(fā)生爆炸，應(yīng)按既定路線組織撤退，參考表2中一度燒傷半徑值(196m)，消防員穿著防護(hù)服裝時(shí)撤退的距離至少為200m。

4 結(jié)論

本文用火災(zāi)爆炸量化方法分析了LNG 槽車爆炸危險(xiǎn)性，估算了火球熱輻射和爆炸沖擊波超壓的傷害半徑，從警戒和安全防護(hù)方面提出了滅火救援的基本對(duì)策。量化分析方法是根據(jù)槽車實(shí)際噸位計(jì)算出各類傷害半徑，從而有針對(duì)性的做好警戒和安全防護(hù)工作，可以克服經(jīng)驗(yàn)值法劃分警戒區(qū)域的不足。但由于蒸氣爆炸模型是由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的，不同研究人員得到的模型各不相同，其估算的結(jié)果也各有差異。在該類事故的消防滅火救援中，警戒區(qū)域值一般不需要絕對(duì)精確，只需要大概參考值，為此選取火災(zāi)爆炸量化方法進(jìn)行分析具有一定的合理性和實(shí)用性，對(duì)LNG 槽車滅火救援中的警戒和安全防護(hù)具有一定的指導(dǎo)作用。

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