低溫壓力容器罐區(qū)發(fā)生爆炸的事故后果模擬分析

鐘俊

(湖南泰新諾衛(wèi)安全技術(shù)咨詢有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

在涉及到低溫液體儲(chǔ)罐區(qū)的企業(yè)，存在的最為嚴(yán)重的危險(xiǎn)有害因素為爆炸。低溫壓力容器罐區(qū)發(fā)生爆炸之后，展開(kāi)事故后果模擬分析，這是安全系統(tǒng)工程中非常關(guān)鍵的一部分，而且事故模擬分析也支持可能造成事故對(duì)周?chē)h(huán)境、人員等帶來(lái)危害程度的定量描述。最后得出分析結(jié)果，管理者以及主管部門(mén)可以從中獲知事故后果有關(guān)信息，從而幫助決策者、設(shè)計(jì)者總結(jié)切實(shí)可行的防護(hù)建議。常見(jiàn)的有自動(dòng)滅火系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、機(jī)械安全連鎖系統(tǒng)，根據(jù)上述系統(tǒng)獲取到的信息，可以有效規(guī)避或者減小事故造成的影響。

開(kāi)展事故后果模擬分析，此方法比較適合在火災(zāi)、爆炸以及有毒有害物質(zhì)泄漏等一些重大事故的危害程度評(píng)價(jià)中應(yīng)用，即便面臨事故和問(wèn)題比較復(fù)雜，也可以發(fā)揮該方法優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。一般面向事故后果模擬分析所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，需要分析人員做出假設(shè)，在假設(shè)的引導(dǎo)下，根據(jù)相對(duì)理想情況進(jìn)行建模，一些模擬模型提前經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，但也有部分模型可能和實(shí)際存在出入，但實(shí)際得出的描述信息，對(duì)于事故后果評(píng)價(jià)而言存在一定參考價(jià)值。

綜上，在安全評(píng)價(jià)工作中需要采用事故后果模擬分析法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，計(jì)算一旦發(fā)生事故可能造成的后果，從而采取有效的防護(hù)措施來(lái)減弱對(duì)周邊的影響，進(jìn)一步指導(dǎo)企業(yè)涉及的控制室是否需要采用防爆設(shè)計(jì)。基于此，圍繞低溫壓力容器罐區(qū)發(fā)生爆炸這一事故，采用事故后果模擬分析的方式，總結(jié)爆炸事故的原因，通過(guò)低溫液體儲(chǔ)罐區(qū)事故模擬分析與計(jì)算，得出爆炸事故造成的后果，為今后預(yù)防此類爆炸事故積累經(jīng)驗(yàn)。

1 爆炸事故與原因

爆炸是由于某種物質(zhì)出現(xiàn)急劇的化學(xué)變化或者物理變化，且快速迅速釋放的一種現(xiàn)象[1]，主要是在氣體膨脹功的作用下實(shí)現(xiàn)。在正常情況下，爆炸事故通常具有爆炸過(guò)程快、爆炸點(diǎn)附近壓力高，造成嚴(yán)重沖擊波、發(fā)出較大異響等特征，一旦其出現(xiàn)爆炸安全事故，很容易給周?chē)挛锖腿藥?lái)嚴(yán)重影響。

低溫壓力容器罐區(qū)發(fā)生爆炸之后，進(jìn)行事故后果的模擬分析，在安全系統(tǒng)工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)中非常重要，通過(guò)事故后果模擬分析，定量描述爆炸事故可能對(duì)附近工作人員、設(shè)施、環(huán)境等帶來(lái)的危害，并且還可以在模擬分析中確定危害的嚴(yán)重性。爆炸模擬分析得出的結(jié)果，為管理者、主管部門(mén)開(kāi)展爆炸事故后果總結(jié)提供參考依據(jù)，也是決策者、設(shè)計(jì)者總結(jié)爆炸防護(hù)建議的有效參考內(nèi)容。通過(guò)自動(dòng)滅火系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、機(jī)械安全連鎖系統(tǒng)運(yùn)行采集到的數(shù)據(jù)，降低低溫壓力容器罐區(qū)爆炸事故的發(fā)生率。此方法比較適合在火災(zāi)、爆炸以及有毒有害物質(zhì)泄漏等事故中應(yīng)用，開(kāi)展危害評(píng)價(jià)期間可以構(gòu)建數(shù)學(xué)模型分析比較復(fù)雜的問(wèn)題，從而得出模擬分析結(jié)果。如果選擇構(gòu)建爆炸事故后果模擬分析數(shù)學(xué)模型，需要工作人員提前假設(shè)，根據(jù)最為理想的情況進(jìn)行建模，其中部分容易模擬模型，需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，也有可能模型內(nèi)容和實(shí)際存在偏差，但是也會(huì)為爆炸事故后果評(píng)價(jià)提供一些參考。

低溫壓力容器罐區(qū)發(fā)生爆炸事故，其中主要有壓力容器爆炸、壓力容器泄漏物蒸汽云爆炸等，而且這兩種事故后果也相對(duì)嚴(yán)重。必須采取事故后果模擬分析的方式，科學(xué)選擇壓力容器，提出低溫壓力容器正確使用與安裝方法，加強(qiáng)安全評(píng)價(jià)，降低安全事故發(fā)生率。

2 低溫液體儲(chǔ)罐區(qū)事故模擬

由于氧、氮、氬在常溫狀態(tài)下屬于氣體，而液化氣體通常被裝在容器內(nèi)，是處于氣液兩形態(tài)存在。一旦盛裝容器破裂出現(xiàn)爆炸時(shí)，不僅會(huì)出現(xiàn)氣體急劇膨脹現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)液體過(guò)熱，導(dǎo)致液體全部蒸發(fā)。同時(shí)，該種類型容器中是由液體占據(jù)容器較大比例，其爆破能量要遠(yuǎn)超過(guò)飽和氣體[2]。下面采用重大事故的模擬分析法對(duì)事故后果進(jìn)行模擬分析(假設(shè)其中液氧為20 m3，液氮為100 m3，液氬為10 m3)。

2.1 計(jì)算步驟

(1)爆破能的計(jì)算

過(guò)熱狀態(tài)下液體在容器破裂時(shí)釋放出的爆破能量計(jì)算公式如下：

式中：E為過(guò)熱狀態(tài)液體的爆破能量(kJ)；H1為爆炸前飽和液體焓(kJ/kg)；H2為大氣壓力下飽和液體焓(kJ/kg)；S1為爆炸前飽和液體熵(kJ/(kg·K))；S2為在大氣壓力下飽和液體的熵(kJ/(kg·K))；T1為介質(zhì)在大氣壓力下的沸點(diǎn)(K)；W為飽和液體的質(zhì)量(kg)。

查《化學(xué)工程手冊(cè)》可知各物質(zhì)的H1、H2、S1、S2，各物質(zhì)的各種參數(shù)如表1所示。

表1 各特質(zhì)物性參數(shù)表

根據(jù)公式附1-1計(jì)算，各物質(zhì)的爆破能量如表2所示。

表2 各物質(zhì)爆破能量表

(2)將爆破能量換算成TNT當(dāng)量q

通常將1 kgTNT爆炸所釋放的平均爆破能量定義在4 500 kJ/kg，所以得到下面公式：

(3)求出爆炸的模擬比α

計(jì)算低溫液體罐區(qū)的q和α值(如表3所示)。

表3 低溫液體儲(chǔ)罐區(qū)q和α一覽表

(4)1 000 kg TNT爆炸試驗(yàn)中不同爆炸品距離為R0，在爆炸中不同距離沖擊波壓力也會(huì)形成差異，如表4所示。一旦發(fā)生爆炸，對(duì)周?chē)ㄖ锖腿藛T所帶來(lái)的破壞作用，如表5所示。

表4 1 000 kg TNT爆炸時(shí)的沖擊波超壓

表5 沖擊波超壓對(duì)人體和建筑的傷害作用

(5)當(dāng)數(shù)量不同的炸藥發(fā)生爆炸，和爆炸中心之間的距離R、炸藥量三次方根數(shù)值基本相同時(shí)，兩者所產(chǎn)生的沖擊波壓力同樣相似。因此可由式(4)，求出低溫液體貯罐的傷害半徑。

2.2 爆炸事故損失

在沖擊波傷害理論知識(shí)中，一旦沖擊波壓力超過(guò)某限定值后，很容易給目標(biāo)帶來(lái)嚴(yán)重破壞。根據(jù)前面的計(jì)算可以得出不同目標(biāo)距離下低溫液體儲(chǔ)罐爆炸事故所造成的損失，如表6所示。

表6 不同目標(biāo)距離下低溫液體儲(chǔ)罐爆炸事故所造成的損失

從以上的計(jì)算結(jié)果可知：

當(dāng)液氧儲(chǔ)罐容量為20 m3出現(xiàn)爆炸時(shí)，通常會(huì)給周?chē)藛T帶來(lái)死亡半徑7.3 m的傷害，重傷半徑則是7.3～10.8 m，輕傷半徑在10.6～13.9 m，輕微損害半徑低于13.9～18.7 m；對(duì)建筑物造成的破壞作用門(mén)窗玻璃損壞半徑為18.7 m，墻、柱損壞半徑為7.3～13.9m，鋼筋混凝土破壞半徑為5.6～7.3 m，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞半徑為5.6 m。

容積為100 m3液氮罐儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸時(shí)，對(duì)人員造成的傷害作用死亡半徑為10.4 m，重傷半徑為10.4～16.6 m，聽(tīng)覺(jué)器官損傷在16.6～21.7 m，輕微損害半徑為21.7～28.7 m；對(duì)建筑物造成的破壞作用門(mén)窗玻璃損壞半徑為28.7 m，墻、柱損壞半徑為16.6～21.7 m，鋼筋混凝土破壞半徑為10.4～16.6 m，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞半徑為8.7 m。

容積為10 m3液氬罐儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸時(shí)，對(duì)人員造成的傷害作用死亡半徑為5.6 m，重傷半徑為5.6～8.1 m，輕傷半徑為8.1～10.6 m；對(duì)建筑物造成的破壞作用門(mén)窗玻璃損壞半徑為14.1 m，墻、柱損壞半徑為10.6～14.1 m，鋼筋混凝土破壞半徑為8.1～10.6 m，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞半徑為8.1 m。

3 “多米諾”效應(yīng)分析

低溫罐區(qū)一般位于企業(yè)內(nèi)部，一旦出現(xiàn)爆炸事故，很容易引發(fā)多米諾效應(yīng)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大爆炸所帶來(lái)的災(zāi)難系數(shù)，給周?chē)藗儙?lái)大量財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

而經(jīng)過(guò)工作人員統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，想要產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，通常需要滿足下面幾個(gè)條件：(1)事故所造成的破壞效應(yīng)范圍內(nèi)有敏感裝置；(2)破壞強(qiáng)度較大，導(dǎo)致所有裝置全部失去作用；(3)破壞發(fā)生出現(xiàn)大量可能性。

目前，能有效觸發(fā)多米諾效應(yīng)事故主要包括火災(zāi)、爆炸、毒物泄漏等事故行為，一旦出現(xiàn)毒物泄漏的問(wèn)題，雖然會(huì)給周?chē)巳汉铜h(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重影響，但這種毒物泄漏不會(huì)給重要設(shè)備帶來(lái)二次損壞，所以在分析多米諾效應(yīng)時(shí)可不對(duì)其進(jìn)行研究[3]。

能夠觸發(fā)多米諾效應(yīng)的重大事故具體形式主要為：火災(zāi)(池火、噴射火)、爆炸(早期點(diǎn)火爆炸、晚期點(diǎn)火爆炸)，其中池火和噴射火的多米諾效應(yīng)歸功于熱輻射作用；而爆炸所引起的多米諾效應(yīng)是沖擊波超壓和爆炸碎片相互結(jié)合的效果。

多米諾效應(yīng)分為內(nèi)部多米諾效應(yīng)和外部多米諾效應(yīng)。危險(xiǎn)單元引發(fā)工廠內(nèi)部其他單元發(fā)生事故的情況視為內(nèi)部多米諾效應(yīng)；引發(fā)其他工廠單元的事故視為外部多米諾效應(yīng)。

按最不利氣象條件以及破壞半徑最大的液氮儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸事故考慮，儲(chǔ)罐周邊28.7 m范圍內(nèi)建筑物會(huì)受到影響。

4 結(jié)語(yǔ)

低溫壓力容器罐區(qū)一旦發(fā)生爆炸事故，必然會(huì)造成較為嚴(yán)重的后果。利用事故后果模擬分析，科學(xué)選擇壓力容器，掌握正確應(yīng)用和安裝的方法，降低安全生產(chǎn)事故發(fā)生概率。在進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的事故后果模擬分析時(shí)結(jié)合多米諾效應(yīng)，對(duì)低溫液體罐區(qū)進(jìn)行定量計(jì)算，計(jì)算一旦發(fā)生事故可能造成的后果，從而采取有效的防護(hù)措施來(lái)減弱對(duì)周邊的影響，進(jìn)一步指導(dǎo)企業(yè)涉及的控制室是否需要采用防爆設(shè)計(jì)。