氫氣緩沖罐雷擊火災(zāi)爆炸事故后果分析

秦 健 杜 睿 何 宇

1.重慶市防雷中心 2.重慶市雷電災(zāi)害鑒定與防御工程技術(shù)研究中心

氫是主要的工業(yè)原料，也是最重要的工業(yè)氣體和特種氣體，在石油化工、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工等方面有著廣泛應(yīng)用[1]。某制氣基地采用水電解法制氫，氫氣緩沖罐遭受雷擊產(chǎn)生破裂，氫氣發(fā)生泄漏，其理化性質(zhì)決定了發(fā)生火災(zāi)、爆炸危險程度較高，往往造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

路世昌等對氫氣長管拖車集裝管束火災(zāi)爆炸風(fēng)險進(jìn)行評估[2]，王飛躍等研究濕式氫氣貯柜爆炸事故原因[3]，張武等對可燃?xì)怏w儲罐區(qū)泄漏危險性進(jìn)行分析[4]，趙英漢等探討引起氫氣瓶爆炸的直接原因[5]。但對于雷擊引起氫氣緩沖罐火災(zāi)、爆炸事故的后果分析較少，本文分析雷擊引起緩沖罐破裂泄漏的危險性，利用噴射火、蒸氣云爆炸模型對火災(zāi)爆炸后果進(jìn)行模擬分析。

1 雷擊氫氣緩沖罐危險性

原西德慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)的高壓實驗室研究得出，長時間雷擊電荷Q1=200C時，對2mm厚的鋼板在各種情況下均穿孔，穿孔的直徑鋼板約為4～12mm。雷電屬于多脈沖放電，雷擊電流電壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于假定值，因此存在雷擊擊穿氫氣緩沖罐的可能。

2 氫氣火災(zāi)爆炸危險辨識

2.1 氫氣火災(zāi)爆炸危險性

2.1.1 易燃性

氫氣燃燒只有加熱和氧化兩個步驟，燃燒速度極快。氫氣點火能量很低，雷電感應(yīng)、電磁輻射、不同電位之間的放電等都有可能點燃?xì)洌諝饣旌衔铩?/p>

2.1.2 易爆性

氫氣爆炸范圍較寬，氫氣積聚在室內(nèi)，當(dāng)含量達(dá)到爆炸限時氫氣－空氣混合物極易產(chǎn)生爆炸燃燒，并產(chǎn)生熱氣體迅速膨脹，形成沖擊波。

2.2 氫氣緩沖罐火災(zāi)爆炸危險性

2.2.1 泄漏

密封結(jié)構(gòu)安全性很大程度上決定了高壓容器密封的可靠性，高壓化學(xué)介質(zhì)一旦發(fā)生泄漏，后果非常嚴(yán)重[8]。

2.2.2 破裂

緩沖罐及其承壓部件在使用操作中，尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變，最常見的失效形式為破裂失效。

2.2.3 氧氣混入

電解過程中少量的氧氣通過氫氣管道進(jìn)入氫氣緩沖罐，高壓氣流與管道摩擦容易產(chǎn)生靜電，可能發(fā)生化學(xué)爆炸[9]。

2.2.4 雷擊

閃電放電時在氫氣緩沖罐產(chǎn)生雷電靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng)，使金屬部件之間產(chǎn)生很高的電動勢。如緩沖罐遭受雷擊造成破裂，在泄漏裂口處被點燃，形成噴射火，達(dá)到爆炸限值發(fā)生氣體爆炸。

3 氫氣緩沖罐雷擊火災(zāi)爆炸事故模型

3.1 氫氣緩沖罐噴射火模型

整個噴射火看成是由沿噴射中心線上的所有幾個點熱源組成，每個點熱源的熱輻射通量相等，則某一目標(biāo)點處的入射熱輻射強度等于噴射火的全部點熱源對目標(biāo)的熱輻射強度的總和[10]，見式(1)。

式中：

Ii—點熱源i至目標(biāo)點x處的熱輻射強度，W/m2；

n—計算時選取的點熱源數(shù)，一般取n=5。

3.1.1 氫氣泄漏速度

計算氧氣泄漏量需首先判斷泄漏時氣體流動屬于音速還是亞音速流動，分別用臨界流或亞臨界流來描述，泄漏速度公式(2)[10]。

式中：

Y—氣體膨脹因子；

Cd—氣體泄漏系數(shù)，裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90；

A—裂口面積，m2；

ρ—氫氣密度, kg/m3；

M—分子量；

k—氣體的絕熱指數(shù)；

R—氣體常數(shù)，J/mol·K；

T—環(huán)境溫度；

P0—大氣環(huán)境壓力；

P—緩沖罐內(nèi)的氫氣壓力。

式中P0、P、k符號意義同前。

3.1.2 熱輻射強度

點熱源的熱輻射通量為[10]

式中：

q—點熱源輻射能量，W；

η—效率因子；

Q0—氫氣泄漏速度，kg/s；

Hc—氫氣燃燒熱，J/kg。

射流軸線上某點熱源i到距離該點x處一點的熱輻射強度計算，見式(5)[2]。

式中：

Ii—點熱源i至目標(biāo)點x處的熱輻射強度，W/m2；

q—點熱源輻射通量，W；

λ—輻射率；

x—點熱源到目標(biāo)點的距離，m。

3.1.3 傷害損失

變換式(5)得到火災(zāi)影響的范圍式(6)[2]，結(jié)合表1，可確定噴射火造成不同傷害損失的半徑。

表1 熱輻射的不同入射通量對設(shè)備及人員所造成的損失

3.2 氫氣緩沖罐蒸氣云爆炸模型

蒸氣云爆炸模型采用TNT當(dāng)量模型[11]，再結(jié)合超壓－沖量準(zhǔn)則預(yù)測蒸氣云爆炸傷害范圍。

3.2.1 蒸氣云爆炸總能量

蒸氣云爆炸總能量由式(7)[2]計算：

式中：

E—蒸氣云爆炸總能量，kJ；

α—地面爆炸系數(shù)，取1.8；

A—可燃?xì)怏w蒸氣云的當(dāng)量系數(shù)，取0.04；

Vf—氫氣緩沖罐內(nèi)氣體體積，m3；

Hc—氫氣燃燒熱，J/kg。

3.2.2 蒸氣云爆炸當(dāng)量

蒸氣云TNT當(dāng)量由式(8)[2]計算：

式中：

WTNT—蒸氣云TNT當(dāng)量，kg；

E—蒸氣云爆炸總能量，kJ；

QTNT—TNT爆炸熱，kJ/kg。

3.2.3 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

肺損傷是造成人類死亡的一個重要原因[12]，以區(qū)域內(nèi)人員因沖擊波作用導(dǎo)致耳膜、肺損失的概率劃分評估標(biāo)準(zhǔn)，見表2，結(jié)合參與爆炸的氫氣釋放的能量折合為能釋放相同能量的TNT炸藥的重量，得到?jīng)_擊波超壓傷害范圍。

表2 爆炸沖擊波導(dǎo)致的人員傷害的評估標(biāo)準(zhǔn)

（1）死亡區(qū)范圍[2]。

式中：WTNT—蒸氣云TNT當(dāng)量，kg。

（2）重傷和輕傷區(qū)范圍。

蒸氣云爆炸沖擊波超壓?P按式（10）[2]計算：

比例距離Z按式（11）[2]計算：

超壓引起的傷害半徑R按式（12）[2]計算：

式中：

R—目標(biāo)到蒸氣云中心距離，m；

Z—比例距離，m/kg1/3；

P0—大氣環(huán)境壓力，取值97310Pa；

E—蒸氣云爆炸總能量，取值3116.571MJ。

4 實例模擬分析

某制氫站氫氣生產(chǎn)規(guī)模75t/a，2臺鋼制立式氫氣緩沖罐，每臺容積30m3，事故預(yù)測按超壓10MPa、溫度按30℃計算。

4.1 泄漏火災(zāi)模擬計算

首先判斷氣體流動速度與音速的關(guān)系：

雷擊每庫侖(C)能熔化軟鋼4mm3/C，雷電流電荷Q=200C，則雷電流熔化的軟鋼的體積V=8×10-7m2；假設(shè)雷電流擊穿緩沖罐形狀為圓柱形，壁厚H=0.004m，泄漏面積：

根據(jù)式（2），泄漏速度：

根據(jù)式（4），熱輻射能量：

根據(jù)式（6）：

（1）致死區(qū)目標(biāo)距雷擊點的水平距離。

（2）重傷區(qū)目標(biāo)距雷擊點的水平距離。

（3）輕傷區(qū)目標(biāo)距雷擊點的水平距離。

（4）危險區(qū)目標(biāo)距雷擊點的水平距離。

4.2 蒸氣云爆炸模擬計算

4.2.1 蒸氣云爆炸總能量

蒸氣云爆炸總能量由式（7）計算：

4.2.2 蒸氣云爆炸當(dāng)量

蒸氣云TNT當(dāng)量由式（8）計算：

4.2.3 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

（1）死亡區(qū)傷害范圍。

按式（9）計算：

（2）重傷和輕傷區(qū)傷害范圍。

輕傷區(qū)蒸氣云爆炸沖擊波超壓：

將重、輕傷區(qū)蒸氣云爆炸沖擊波超壓0.452、0.175分別帶入式（11）求得重傷區(qū)Z=0.981，輕傷區(qū)Z=1.526。

重傷和輕傷區(qū)傷害范圍按式（12）求得：重傷半徑：R=31.65m；輕傷半徑：R=49.23m。

爆炸破壞范圍計算，見表3。

表3 氫氣儲罐破裂發(fā)生爆炸傷害范圍

5 結(jié)論

在氫氣緩沖罐火災(zāi)爆炸危險性辨識的基礎(chǔ)上，運用噴射火、蒸氣云爆炸模型對緩沖罐遭受雷擊引起火災(zāi)爆炸事故后果進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果表明緩沖罐發(fā)生噴射火時的傷害范圍很小，僅為0.073m。發(fā)生爆炸的死亡、重傷、輕傷半徑較大，分別為11.85m、31.65m、49.23m。從傷害半徑數(shù)據(jù)推斷雷擊氫氣緩沖罐破裂爆炸可引起嚴(yán)重事故后果，應(yīng)采取防雷措施，盡量避免緩沖罐發(fā)生雷擊爆炸。

[1]黃建彬.工業(yè)氣體手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002

[2]路世昌,王剛,彭錦志,等.臨時加氫站火災(zāi)爆炸風(fēng)險評估及防范對策[J].消防科學(xué)與技術(shù),2012,31(2):201-204

[3]王飛躍,徐志勝.300m3易燃易爆濕式氫氣貯柜爆炸事故分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2004,30(10):14-17

[4]張武,宇德明.可燃?xì)怏w儲罐區(qū)泄漏危險性定量分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2002,2(1):14-17

[5]趙英漢,金浩.氫氣瓶爆炸原理及其防范措施探討[J].爆破,2011,28(1) :116-118

[6]楊堆元,佟健,古亮,等.雷電流與金屬屋面的防雷探索[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報,2009,11(5):40-42

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2011

[8]蔡風(fēng)英,談宗山.化工安全工程[M].北京:科學(xué)出版社,2001

[9]伍東,宋文化,張茹,等.火電廠氫氣儲罐火災(zāi)爆炸危險性分析[J].消防科學(xué)與技術(shù),2008,27(11):847-851

[10]趙鐵錘,楊富,張廣華,等.危險化學(xué)品安全評價[M].北京:中國石化出版社,2003

[11]宋元寧.TNT當(dāng)量法預(yù)測某石化設(shè)備爆炸后果評價[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2005,1(3):66-68

[12]張志江,王立群,許正光,等.爆炸物沖擊波的人體防護(hù)研究[J].中國個體防護(hù)裝備,2009,17(1):8-11