侯淑雅,王 智,欒笑陽,劉應(yīng)春,鞏亞文,郭川川,王紹瑞,張 彬

(南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

1 背景

隨著現(xiàn)代化、工業(yè)化的發(fā)展,液化石油氣(LPG)由于其低硫分、高熱值和可以常溫加壓儲存的優(yōu)點,不僅應(yīng)用于石油化工行業(yè),也在人們?nèi)粘Ｉ钪衅鸬搅酥匾淖饔谩?017年中國的液化石油氣消費量超過美國,成為全球最大的液化石油氣消費國[1]。

近年來,隨著我國液化石油氣的需求量及運輸量的增大,?；返缆愤\輸事故頻發(fā),給人們的生命、財產(chǎn)安全造成了一定的威脅[2-6]。《道路危險貨物運輸管理規(guī)定》[7]對容易造成人身傷亡、財產(chǎn)損毀或者環(huán)境污染而需要特別防護的物質(zhì)和物品等危險貨物道路運輸(軍事危險貨物運輸除外)提出了明確的要求。該規(guī)定為加強道路危險貨物運輸管理、保障運輸安全提供了有力的依據(jù),在規(guī)范危險貨物道路運輸市場秩序、加強危險貨物道路運輸市場監(jiān)管、規(guī)范危險貨物道路運輸經(jīng)營者行為等方面發(fā)揮積極作用。

2020年6月13日16時41分19秒,G15沈海高速浙江省溫嶺市大溪鎮(zhèn)良山村附近高速公路上發(fā)生了槽罐車爆炸事故,造成周邊民房及廠房倒塌,樹木和周圍田地嚴(yán)重受損,事故共造成20人死亡,175人受傷,直接經(jīng)濟損失高達9 477.815萬元,引起了社會廣泛關(guān)注[8]。

液化石油氣爆炸極限為1.5%～9.5%,爆炸范圍廣,所需點火能僅為萬分之幾毫焦耳[9],并且運輸方式為加壓運輸,所以極易發(fā)生爆炸事故。如果在運輸中發(fā)生液化石油氣泄漏,會對周圍造成大范圍的破壞,因此，其運輸過程已成為燃氣運輸監(jiān)管部門的主要監(jiān)管對象[10]。

2 事故過程

根據(jù)事故現(xiàn)場視頻分析,2020年6月13日16時41分19秒,一輛車牌號為浙C M9535的牽引車,掛車車牌號為浙C F138的液化石油氣槽罐車行駛至G15沈海高速良山村附近高速公路，發(fā)生了第1次物理爆炸。距離事故發(fā)生地西南方向約90 m處是浙江省溫嶺市大溪鎮(zhèn)良山工業(yè)區(qū),事故發(fā)生時,工業(yè)區(qū)處于生產(chǎn)狀態(tài),廠區(qū)內(nèi)有大量員工;正西方向70 m左右往北是居民樓聚集區(qū),人員密集。經(jīng)調(diào)查,該槽罐車制造商為湖北程力集團,槽罐車容積為61.9 m3。

槽罐車發(fā)生的物理爆炸使事故車輛車頭被炸出約100 m外,落在高速公路側(cè)下方的草坪上,為圖1中的B點,后方承裝液化石油氣的臥式儲罐發(fā)生了失效斷裂，飛出距離事發(fā)地點約360 m,為圖1中的D點。儲罐內(nèi)26 t液化石油氣瞬間傾倒在現(xiàn)場的草坪上,事故現(xiàn)場由于液化石油氣泄漏造成大量白霧,液化石油氣的氣態(tài)密度是空氣的1.5～2倍,一部分液化石油氣積聚在地面上。現(xiàn)場地勢由西向東逐漸升高,且當(dāng)天風(fēng)向為南風(fēng),所以液化石油氣泄漏后氣化造成的蒸氣云向西北方向居民區(qū)擴散。

16時42分58秒現(xiàn)場液化石油氣蒸氣云團被點燃,發(fā)生了第2次蒸氣云爆炸,火勢迅速傳播,到16時43分6秒時,發(fā)生了造成后果最嚴(yán)重的第3次爆炸。第3次爆炸對周邊的居民和樓房造成了嚴(yán)重的損傷,周邊一工廠倒塌。

3 事故分析

3.1 事故原因分析

液化石油氣的主要組分是丙烷和丁烷,還有少量的丙烯、丁烯和甲烷等[11],屬于易燃易爆物質(zhì),液化石油氣的運輸方式一般為常溫加壓運輸。在常溫下,液化石油氣屬于過熱液體。過熱液體是指液體的溫度超過其沸騰溫度而沒有沸騰的液體,此時若有可以引起液體沸騰的條件,則會令液體暴沸[12]。在大氣溫度下，石油氣為氣態(tài),一般通過加壓的方式可使石油氣液化,從而承裝在儲罐中加以儲存,但是若失去壓力,液化石油氣的液體會瞬間氣化,按照體積膨脹系數(shù)，體積快速增大,對儲罐造成巨大的沖擊力,最終導(dǎo)致儲罐破裂，發(fā)生物理爆炸。

本次溫嶺市槽罐車事故中,槽罐車首先在圖1中的A點發(fā)生了一次物理爆炸,但是在初期的物理爆炸過程中儲罐沒有受到熱輻射的作用,那么在這種條件下,對此次物理爆炸的定義該如何解釋呢?Reid[13]將沸騰液體擴散蒸氣爆炸定義為過熱溫度下液體的突然失控現(xiàn)象。在1993年,Birk[14]通過定義冷和熱兩種類型的沸騰液體擴散蒸氣爆炸，擴展了該爆炸的范圍。當(dāng)破裂壓力和溫度高到足以在減壓后達到過熱極限溫度時,就會發(fā)生沸騰液體擴散蒸氣爆炸。廣泛使用的沸騰液體擴散蒸氣爆炸定義是由美國化工過程安全中心(CCPS)提出的,即認為沸騰液體擴散蒸氣爆炸是“一個容器在正常大氣壓和高于沸點的溫度下,裝有液體的容器發(fā)生故障而導(dǎo)致的爆炸”[15-16]。根據(jù)美國化工過程安全中心對沸騰液體擴散蒸氣爆炸的定義,判定為沸騰液體擴散蒸氣爆炸的必要條件為過熱液體引起的爆炸。由于液化石油氣的運輸為常溫加壓儲存,故泄漏時儲罐釋放的液體溫度接近環(huán)境溫度且遠高于其常壓下液體沸點-42.07 ℃[17],所以槽罐車發(fā)生的第1次爆炸為過熱液體引起的沸騰液體擴散蒸氣爆炸。當(dāng)容器破裂時,處于過熱狀態(tài)的大量液體經(jīng)歷突然的壓力下降,使氣體產(chǎn)生迅速膨脹。氣化產(chǎn)生的高壓具有強沖擊力,導(dǎo)致儲罐破損的碎片高速飛射而引起附近的財產(chǎn)損失和人員傷亡。

發(fā)生此次事故的槽罐車所屬公司為浙江省瑞安市瑞陽危險品運輸有限公司,該公司在2016—2018年受到瑞安市道路運輸管理局、溫州市道路運輸管理局等單位的行政處罰共計10次,如表1所示[18]。

圖1 溫嶺槽罐車爆炸事故關(guān)鍵位置標(biāo)注圖片F(xiàn)ig.1 Labeled pictures of Wenling tanker explosion accident key positions

表1 瑞陽危險品運輸有限公司2016—2018年受處罰情況

經(jīng)分析,本次事故發(fā)生的沸騰液體擴散蒸氣爆炸事故可能的原因如下:① 行駛過程中由于超速等原因,導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻事故;② 駕駛員操作不當(dāng)引起的爆炸事故;③ 儲罐超量充裝(國家規(guī)定液化石油氣儲罐充裝量必須小于儲罐容積的85%,工作壓力不得超過1 600 MPa;④ 槽罐車?yán)吓f,未進行定期檢測,設(shè)備本身存在缺陷;⑤ 運輸之前對安全閥、壓力表等安全檢查不到位。

根據(jù)現(xiàn)場視頻分析,事故車輛未發(fā)生追尾事故,所以排除由于追尾事故造成的外力撞擊導(dǎo)致沸騰液體擴散蒸氣爆炸事故。但是由于事故發(fā)生路段屬于彎道,存在行駛過程中速度過快或者由于路況原因?qū)е碌能囕v側(cè)翻,從而使儲罐受到撞擊發(fā)生泄漏事故。另外,通過對該槽罐車所屬運輸公司的調(diào)查可以明顯看出,瑞陽危險品運輸有限公司的管理狀況存在很多問題,未按照規(guī)定的周期和頻次進行車輛綜合性能檢測和技術(shù)等級評定,車輛可能存在很多安全隱患,從而導(dǎo)致在行駛過程中發(fā)生事故。該公司多次受到“未按照規(guī)定實施安全生產(chǎn)管理制度”的處罰,因此該公司的安全生產(chǎn)管理制度不健全或者未能落實安全生產(chǎn)管理制度,也是造成該事故發(fā)生的原因之一。

2017年2月28日該公司被處罰理由為“經(jīng)營者聘用無法定從業(yè)資格證的人員從事道路運輸經(jīng)營活動”,《道路運輸從業(yè)人員管理規(guī)定》[7]第十一條規(guī)定道路危險貨物運輸駕駛員必須經(jīng)考試合格,取得相應(yīng)的從業(yè)資格證才能駕駛?；奋囕v,該公司聘請未取得從業(yè)資格證的駕駛員駕駛危化品車輛,造成極大的安全隱患。若不重視駕駛員的安全教育,沒有引起駕駛員足夠的安全意識會使運輸?shù)奈ｋU大大增加。?；愤\輸行業(yè)需求量的增大導(dǎo)致此類從業(yè)人員的需求數(shù)量不斷增加,而非合格從業(yè)人員從事?；愤\輸已成為近年來交通事故多發(fā)的問題之一[19]。

3.2 事故過程分析

槽罐車進入高速公路后發(fā)生了沸騰液體擴散蒸氣爆炸,容器失效后過熱液體液化石油氣瞬間失去壓力,氣化后膨脹性較強,體積增大250倍,在液化石油氣氣化造成的動能持續(xù)作用下,把一個14 t的槽罐車后半部分(包括臥式儲罐、底座及輪胎)拋至圖1的D點,距離事發(fā)地點約360 m,右側(cè)為臥式儲罐掉落后砸塌的房屋,如圖2所示。

圖2 儲罐碎片及砸塌房屋的照片F(xiàn)ig.2 Image of storage tank debris and collapsed house

儲罐失效瞬間的壓力降低使液化石油氣頃刻噴射氣化,并且從周圍環(huán)境中吸收大量的熱量,使空氣中的水分冷卻成為細小霧滴,形成巨大的液化烴的蒸氣云,并從泄漏點沿地面向下風(fēng)向或低洼處漂移、積聚,如圖3所示。

圖3 儲罐車失效后蒸氣云擴散圖片F(xiàn)ig.3 Image of vapor cloud diffusion after tanker failure

當(dāng)蒸氣云濃度高于爆炸下限,且低于爆炸上限時,遇火源即會引發(fā)蒸氣云爆炸事故。

根據(jù)現(xiàn)場視頻分析,液化石油氣泄漏擴散初期,石油氣濃度較高,在逐漸擴散的過程中,石油氣濃度逐漸降低。液化石油氣的持續(xù)揮發(fā)造成水霧向外擴散、周圍溫度降低。在擴散了約99 s后,在蒸氣云的外圍遇到了火源而被點燃,發(fā)生了第2次爆炸,第2次蒸氣云爆炸發(fā)生后,石油氣持續(xù)燃燒,在高架橋上方出現(xiàn)火舌。液化石油氣的持續(xù)燃燒導(dǎo)致周圍溫度升高,給尚未揮發(fā)的液化石油氣提供了熱量,加速其揮發(fā),燃燒的同時造成周圍氣流的擾動也給石油氣的燃燒進一步提供了大量的氧氣,最終在8 s后發(fā)生了第3次爆炸。第3次爆炸發(fā)生時,出現(xiàn)了如圖4所示的云團,該云團是由于在火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂诼曀俚那闆r下對前方的空氣壓縮導(dǎo)致的水蒸氣液化,云團的出現(xiàn)表明第3次爆炸由爆燃轉(zhuǎn)爆轟(DDT)[20-21]。

圖4 第3次爆炸產(chǎn)生的水蒸氣云團Fig.4 Steam clouds generated by the third explosion

一旦爆燃發(fā)生,壓力前沿和反應(yīng)前沿逐漸彼此分開。當(dāng)火焰?zhèn)鞑^(qū)域中存在障礙物時,由于火焰折疊和拉伸,燃燒波的總速度將增加,從而增加了火焰的表面積,并因此使參與反應(yīng)的材料的量增多[22]。由圖1可以看出本次事故中爆轟發(fā)生地點(高架橋,A點)周圍植被茂密。大量的研究表明障礙物的形狀和布局會加速火焰的傳播,爆燃轉(zhuǎn)爆轟的發(fā)生對隨后的爆炸傳播有積極的影響[23]。爆燃發(fā)生時,燃燒波傳播路徑受到障礙物的阻擋,造成了火焰折疊和拉伸,火焰表面積增大使更多的液化石油氣參與反應(yīng)。此外,燃燒波傳播路徑中障礙物的存在有助于氣體在高溫下產(chǎn)生壓縮和未反應(yīng)氣體氣穴的形成,這些氣穴可通過沖擊而相互作用并點燃未燃燒的氣體。這些激波是以超音速傳播的激波陣面,有足夠的能量可自動點燃未燃燒的氣體。可燃物被成功點燃時,有可能產(chǎn)生自動爆炸,導(dǎo)致火焰前鋒傳播快速加速,最終造成了爆轟的發(fā)生。

4 事故后果計算

本次事故早期的物理爆炸造成的人員傷亡和對周邊的破壞程度遠遠不及蒸氣云被點燃后發(fā)生的爆炸,所以對事故后果的計算主要以蒸氣云爆炸為主。

用TNT當(dāng)量法預(yù)測本次蒸氣云爆炸事故的嚴(yán)重程度,事故車輛容積為61.9 m3,儲存溫度為298 K,環(huán)境壓力為101.325 kPa,臥式儲罐內(nèi)液化石油氣的量按照充裝率為85%計算,液化石油氣密度約為500 kg/m3,經(jīng)計算可知液化石油氣的質(zhì)量為26.3 t,車輛實際載荷為26 t,所以TNT當(dāng)量(m(TNT))按照儲罐內(nèi)液化石油氣質(zhì)量(mf)為26 t計算,本次爆炸為近地面爆炸,爆炸總能量與實際能量的比值為1.8,m(TNT)計算式見式(1)[24-25]。

(1)

式中:Qf為燃燒熱,取46.500 MJ/kg;Q(TNT)為TNT的爆炸熱,取4.520 MJ/kg;A為蒸氣云當(dāng)量系數(shù),取0.04。

蒸氣云爆炸沖擊波超壓死亡半徑(R1)、重傷半徑(R2)和輕傷半徑(R3)的計算式見式(2)—(4)。

(2)

0.167ln2Z-0.032ln3Z

(3)

(4)

式中:Δps為引起人員傷亡的沖擊波峰值,蒸氣云爆炸沖擊波引起重傷時Δps=44 kPa,輕傷時Δps=17 kPa;Ri(i=2和3)為目標(biāo)到蒸氣云中心的距離,m;p0為大氣壓,101.325 kPa;E為蒸氣云爆炸總能量,J。

經(jīng)計算得出死亡半徑R1=40 m,重傷半徑R2=90 m,輕傷半徑R3=176 m,傷害半徑直觀圖見圖5。計算結(jié)果和事故現(xiàn)場房屋受損程度吻合,證明了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 傷害半徑直觀圖Fig.5 Direct view of damage radius

5 結(jié)論及建議

本文對浙江溫嶺槽罐車爆炸事故的發(fā)生過程進行了詳細的介紹,分析了產(chǎn)生沸騰液體擴散蒸氣爆炸的可能原因為超速導(dǎo)致的撞擊和設(shè)備老舊等。詳細分析了液化石油氣泄漏后的傳播擴散過程和蒸氣云點燃后的爆炸過程。計算得到蒸氣云爆炸沖擊波超壓死亡半徑為40 m,重傷半徑為90 m,輕傷半徑為176 m,與事故現(xiàn)場房屋受損程度吻合。

本次浙江溫嶺槽罐車爆炸事故的發(fā)生造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失?；诒敬问鹿实姆治龊陀嬎憬Y(jié)果,提出以下幾點建議:

1)本次事故造成大量人員傷亡的原因為居民區(qū)距高速公路較近。根據(jù)此次蒸氣云爆炸事故計算結(jié)果,居民樓建設(shè)的位置距高速公路應(yīng)大于176 m,對于其他特定的情況應(yīng)該按照科學(xué)的計算和對比,最終判斷居民樓建設(shè)的安全位置。

2)政府應(yīng)加強對企業(yè)的安全監(jiān)管。本次事故涉事公司多次違反法律法規(guī),存在很多隱患,為造成本次事故的可能原因。對于不按照國家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求運營的運輸公司,應(yīng)給予嚴(yán)厲的處罰。對于不滿足安全運輸條件的車輛,有關(guān)部門應(yīng)堅決不予許可上路營運。

3)運輸公司應(yīng)加強安全意識,建立健全的管理制度,嚴(yán)格遵守國家法律法規(guī)。對公司運輸車輛和人員嚴(yán)格管理,注重運輸人員的安全教育培訓(xùn),培養(yǎng)應(yīng)急處理能力。

4)提高人們對?；愤\輸事故應(yīng)急處置能力。對運輸?；奋囕v進行實時監(jiān)控,對發(fā)生事故的車輛可以及時回饋信息。一旦發(fā)生事故,立即組織人員疏散,進行交通管制。對可能發(fā)生的后續(xù)事故走向進行預(yù)測評估,采取正確高效的措施以減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。