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      高速公路車輛發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的危險(xiǎn)性分析

      2021-09-22 20:12:19孫雪偉高培偉張萬磊廖啟旺陳光玲王珂
      交通科技與管理 2021年27期
      關(guān)鍵詞:評(píng)估方法熱輻射火災(zāi)

      孫雪偉 高培偉 張萬磊 廖啟旺 陳光玲 王珂

      摘 要:近幾年來,我國高速公路迅速發(fā)展的同時(shí)公路車輛火災(zāi)爆炸事件時(shí)有發(fā)生,不僅造成財(cái)產(chǎn)損失、交通堵塞等事故,高溫產(chǎn)生的熱輻射還會(huì)對(duì)公路周圍的人員和建筑物產(chǎn)生影響。將熱輻射作為火災(zāi)危害程度和傷害范圍的一個(gè)判定值,采用合理的熱輻射評(píng)估方法進(jìn)行預(yù)測可以有效降低損失,為災(zāi)害防治提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

      關(guān)鍵詞:高速公路;火災(zāi);熱輻射;評(píng)估方法

      中圖分類號(hào):U492.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

      0 引言

      高速公路具有通行速度快、車流量大的特點(diǎn),給人們帶來交通便利的同時(shí),車輛在高速行駛時(shí),因物的不安全狀態(tài)、環(huán)境、駕駛?cè)藛T的不安全行為等因素,也存在著較大的安全事故隱患,一旦發(fā)生事故將會(huì)引起火災(zāi)、爆炸等將嚴(yán)重威脅人類生命安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前全世界70多億人口每年有100多萬死于交通事故,其中車輛發(fā)生火災(zāi)爆炸產(chǎn)生的影響最為嚴(yán)重。國內(nèi)外對(duì)于高速公路的火災(zāi)爆炸事件極為重視,有很多學(xué)者也展開了一系列的研究[1-3]。目前,關(guān)于火災(zāi)、爆炸導(dǎo)致熱輻射后果的研究主要分為人體燒傷、物體損壞(包括對(duì)木材、草地、建筑等)兩方面。評(píng)估人體燒傷的方法主要有兩種:熱輻射通量準(zhǔn)則[4]和熱劑量傷害方程。Henriques提出可以使用一階阿倫尼烏斯(Arrhenius)公式來計(jì)算皮膚燒傷的累積程度,以此判斷燒傷等級(jí)的方法。對(duì)于評(píng)估物體損害方面的研究較少,大多數(shù)通過臨界熱流和臨界溫度兩個(gè)參數(shù)來判斷物體是否被損壞,但該方法僅適用于穩(wěn)態(tài)火災(zāi),難以評(píng)估非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)熱輻射危害因此,建立相應(yīng)的評(píng)估方法對(duì)高速公路車輛火災(zāi)爆炸事故的危險(xiǎn)性進(jìn)行研究是十分必要的,對(duì)于降低高速公路火災(zāi)、爆炸事故的危險(xiǎn)性具有重要的實(shí)際意義。

      1 高速公路車輛火災(zāi)事故成因及特點(diǎn)

      1.1 事故成因

      (1)物的不安全狀態(tài)。車輛本身存在安全隱患,如車輛的老化會(huì)導(dǎo)致部件失靈,主要包括輪胎磨損破裂,車輛制動(dòng)系統(tǒng)失效,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)有沉淀物等。(2)環(huán)境因素。高速路段環(huán)境的變化也是導(dǎo)致事故的原因之一,遇到惡劣天氣如雷雨天氣導(dǎo)致車外視線模糊不清,或出現(xiàn)山體滑坡或者地震等自然災(zāi)害也會(huì)導(dǎo)致車輛來不及躲避出現(xiàn)交通事故繼而引發(fā)火災(zāi)事故。(3)人的不安全行為。駕駛?cè)藛T的不安全行為是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因,主要的不安全行為有:駕駛?cè)藛T不具備行駛資格或?qū)囕v性能了解不足導(dǎo)致的操作失誤;駕駛?cè)藛T對(duì)載有易燃易爆物品的車輛缺乏安全救援意識(shí),未能按要求定期進(jìn)行安全檢查,采取相應(yīng)的預(yù)防措施;駕駛?cè)藛T主觀存在違章行為和心理特征。

      1.2 高速公路火災(zāi)事故特點(diǎn)

      (1)燃燒蔓延迅速。高速公路路面風(fēng)較大,且車輛行駛中加快了空氣對(duì)流,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后,充足的氧氣會(huì)使火勢迅速蔓延,短時(shí)間內(nèi)從最初的緩慢燃燒發(fā)展到充分燃燒階段。(2)火災(zāi)控制難度大。易燃易爆危化品在運(yùn)輸中發(fā)生泄漏,短時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速擴(kuò)散,遇到點(diǎn)火源會(huì)發(fā)生火災(zāi)甚至引起爆炸,火勢會(huì)根據(jù)環(huán)境發(fā)生變化,加大了消防救援難度。(3)傷害范圍大。車輛起火通常為發(fā)動(dòng)機(jī)起火,高速行駛過程中空氣流通強(qiáng),火勢變化難以控制。一旦火勢蔓延到附近山林、住宅區(qū),將可能造成群死群傷事故。(4)受客觀條件限制,救援相對(duì)困難。高速公路發(fā)生火災(zāi)后消防車以及救護(hù)車受到高速公路入口和方向的限制難以及時(shí)救援。另外,在救援過程中有時(shí)需要大量的水源,會(huì)出現(xiàn)消防車自備水用完的情況,延誤消防時(shí)間。(5)易引發(fā)次生災(zāi)害和二次事故。未燃燒的有毒氣體會(huì)造成中毒、窒息乃至死亡,引發(fā)二次交通事故。

      2 高速公路火災(zāi)事故熱輻射危害評(píng)估方法

      熱通量準(zhǔn)則一直是評(píng)估火災(zāi)事故中熱輻射危害后果的主要方法,該準(zhǔn)則以目標(biāo)接收到的熱通量作為衡量其是否被破壞的標(biāo)準(zhǔn),它適用于穩(wěn)態(tài)火災(zāi),具體評(píng)判準(zhǔn)則如表1所示。

      實(shí)際情況下,高速公路環(huán)境復(fù)雜,單一的熱通量準(zhǔn)則很難去判斷對(duì)人體,對(duì)物體的損傷。因此,將分別介紹適用于變熱流下對(duì)人體、物體熱輻射損害評(píng)估方法。

      2.1 人體損傷的計(jì)算方法

      熱輻射劑量法認(rèn)為目標(biāo)是否被破壞必須由熱通量和作用時(shí)間共同決定,熱輻射劑量(r)計(jì)算公式如下:

      (1)

      當(dāng)r=1 060(kW/m2)4/3s時(shí),死亡概率為1%;r=2 300 (kW/m2)4/3s時(shí),死亡概率為50%;r=3 500(kW/m2)4/3s時(shí),

      死亡概率為99%。Eisenberg通過研究得到皮膚暴露面積為20%時(shí),熱輻射劑量和傷害概率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為:

      死亡: (2)

      二級(jí)燒傷: (3)

      一級(jí)燒傷: (4)

      傷害百分?jǐn)?shù): (5)

      Rausch推薦管道泄漏熱輻射對(duì)人體的暴露時(shí)間為30 s。實(shí)際事故中,熱輻射會(huì)隨著泄漏時(shí)間而減小,為了更加準(zhǔn)確的預(yù)測變熱流對(duì)周圍人員和物體造成的危害,結(jié)合微積分的思想,將熱輻射通量—

      時(shí)間曲線中的時(shí)間分割為多個(gè)無限小的時(shí)間間隔如圖1所示,并假定在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi),目標(biāo)所接受的熱輻射為前后兩個(gè)相鄰時(shí)刻的輻射熱通量的平均值,則tn時(shí)刻輻射熱流可表達(dá)為: (6)

      變熱流下,熱輻射劑量計(jì)算公式為:? (7)

      2.2 對(duì)物體損傷的計(jì)算

      利用基于半無限大固體假定的物體溫度計(jì)算方法和集總熱容法可以用來預(yù)測熱輻射作用下物體的溫度。對(duì)于可燃物,通過計(jì)算出的溫度可以判斷是否被點(diǎn)燃;對(duì)于不可燃物體,則可以判斷是否會(huì)融化或者強(qiáng)度失效。

      (1)基于半無限大固體假定的物體表面溫度計(jì)算。當(dāng)物體厚度較大時(shí),如木材、墻壁等,可以將其假設(shè)成半無限大固體模型,再計(jì)算物體表面溫度。在穩(wěn)態(tài)熱流下,距離表面x位置處的溫度可以表示為:

      (8)

      式中,為凈輻射熱流,

      ,其中為空氣對(duì)流換熱系數(shù),是火焰發(fā)射率,是斯提芬波爾曼茲常數(shù);為物體初始溫度;為時(shí)刻,深度為x的溫度;α為熱擴(kuò)散系數(shù),α=k/ρc,k是導(dǎo)熱率,是密度,c是比熱容。當(dāng)x=0,即物體表面溫度為:(9)

      當(dāng)物體接受的是變輻射熱流時(shí):(10)

      因?yàn)?,?dāng),,此時(shí)因?yàn)闀r(shí)間間隔很短,為了簡化計(jì)算,則將,,。則計(jì)算變輻射熱流下物體表面溫度的公式為:(11)

      (2)基于集總熱容法的薄壁物體溫度計(jì)算。對(duì)于厚度較小的物體如樹葉、草葉等,在熱流作用下,其內(nèi)部溫度近似均勻一致,可以使用集總熱容法來計(jì)算物體的溫度。

      對(duì)于薄壁物體,應(yīng)用瞬態(tài)能量守恒方程:(12)

      式中,V是薄壁物體的體積;A是薄壁物體的接受熱流面的面積,V=Ad,d為厚度。

      則變輻射熱流作用下薄壁物體表面溫度可以表示為:(13)

      3 結(jié)論

      通過分析高速公路車輛發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的成因及特點(diǎn),針對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射對(duì)周圍環(huán)境和人員的傷害范圍及程度進(jìn)行預(yù)測。利用熱輻射計(jì)量法預(yù)測人員受到的熱輻射導(dǎo)致的皮膚燒傷等級(jí),通過半無限大固體假定的物體溫度計(jì)算方法和集總熱容法預(yù)測熱輻射作用下物體的溫度,提出了高速公路車輛火災(zāi)事故熱傷害預(yù)測范圍,有利于對(duì)事故的損失程度進(jìn)行預(yù)測,為事故應(yīng)急救援提供理論技術(shù)支持。由此可見,只有不斷優(yōu)化事故預(yù)防措施,提高事故分析能力,才能為高速公路火災(zāi)事故的預(yù)防提供更好的保障。

      參考文獻(xiàn):

      [1]Cleary M,Kornhaber R,Thapa D K,et al.A quantitative systematic review assessing the impact of burn injuries on body image[J].Body Image,2020(33):47-65.

      [2]Chauhan J,Goyal P.BPBSAM:Body part-specific burn severity assessment model[J].Burns,2020(6):1407-1423.

      [3]Kim M O,Kim K,Yun J H,et al.Fire risk assessment of cable bridges for installation of firefighting facilities[J].Fire Safety Journal,2020(115):103146.

      [4]路世昌,王剛,彭錦志,等.臨時(shí)加氫站火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防范對(duì)策[J].消防科學(xué)與技術(shù),2012(2):201-204.

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