基于TNT模型的液氨儲(chǔ)罐蒸氣云爆炸事故影響范圍及救援處置對(duì)策分析

郭曉曉 湯 楊 馬曉龍 郭 慧

（1.重慶文理學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 400000；2.山東瑞祥注冊(cè)安全工程師事務(wù)所有限公司，山東 濰坊 261000；3.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100000）

0 引言

氨氣屬于有毒、易燃、易爆氣體，常以液氨的形式儲(chǔ)存于儲(chǔ)罐或管道中。一旦容器泄漏，極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒、環(huán)境污染等事故。泄漏的液氨與周?chē)諝庑纬梢兹家妆茍F(tuán)，若遇火源可能發(fā)生蒸氣云爆炸，本文采用TNT 模型，以某液氨儲(chǔ)罐為例，研究液氨泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸事故的影響范圍，希望能夠?qū)?xiàng)目選址、安全防護(hù)和應(yīng)急處置等提供參考。

1 蒸氣云爆炸模型

1.1 Baker—Strehlow 模型

Baker—Strehlow 模型將能量釋放看作是從中心向外傳出一道火焰速度為馬赫數(shù)且具有一定厚度的波，通過(guò)對(duì)敞開(kāi)空間蒸氣云爆炸進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出無(wú)量綱峰值超壓隨無(wú)量綱距離變化的曲線。

此模型認(rèn)為：只有受約束的那部分氣體對(duì)爆炸產(chǎn)生顯著的效果，其他不在約束條件下的氣體只是發(fā)生燃燒，對(duì)爆炸效應(yīng)幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)[1]。

1.2 多能（Multi-Energy）模型

多能模型是在TNO 模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。假設(shè)氣云為半球形，在中心發(fā)生點(diǎn)火，火焰以恒定速度傳播，然后計(jì)算出不同燃燒速度下的氣云爆炸強(qiáng)度，得出無(wú)量綱爆炸超壓與無(wú)量綱距離的關(guān)系曲線。多能模型在實(shí)際應(yīng)用中存在一些不足：

（1）如何確定受限區(qū)域的尺寸是個(gè)難題；

（2）讀取無(wú)量綱爆炸超壓與無(wú)量綱距離的關(guān)系曲線時(shí)，個(gè)體間存在主觀差異。

1.3 TNT 當(dāng)量模型

TNT 當(dāng)量法是將參與爆炸的可燃?xì)怏w釋放的能量折合為能釋放相同能量的TNT 炸藥的量。蒸氣云爆炸能產(chǎn)生多種破壞效應(yīng)，但最危險(xiǎn)、破壞力最強(qiáng)的是沖擊波。

式中：WTNT為蒸氣云的TNT 當(dāng)量（kg）；Wf為蒸氣云中泄漏可燃物的總質(zhì)量（kg）；α 為蒸氣云爆炸的效率因子，取0.04；Qf為氨氣的燃燒熱（MJ/kg），氨氣取18.6MJ/kg；QTNT為T(mén)NT 的爆炸熱，一般取4.52 MJ/kg。

重傷、輕傷半徑的計(jì)算：ΔP/P0=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

式中：ΔP 為沖擊波超壓（Pa）；R 為目標(biāo)到爆源的水平距離（m）；P0為環(huán)境壓力（1.01×105Pa）。

式中，K2為二級(jí)破壞系數(shù)，取4.6。

2 液氨儲(chǔ)罐蒸氣云爆炸實(shí)例分析

某公司廠區(qū)地勢(shì)平坦，廠內(nèi)液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力為4.3 Mpa，日常工作壓力為2.3 Mpa。充裝系數(shù)為90%，液氨的總重量為20.3 t。假設(shè)儲(chǔ)罐內(nèi)的液氨全部泄漏形成蒸氣云并且參與爆炸反應(yīng)。

2.1 傷害準(zhǔn)則

文章采用超壓準(zhǔn)則計(jì)算沖擊波造成的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)。表1 為沖擊波對(duì)人員傷害的超壓準(zhǔn)則。

表1 人員傷害超壓準(zhǔn)則

2.2 傷害半徑計(jì)算結(jié)果

（1）蒸氣云TNT 當(dāng)量的計(jì)算：

齒輪毛坯，先通過(guò)銑削、車(chē)削等成形工藝加工成形，然后通過(guò)熱處理工藝，改變齒面材質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善齒面硬度，但與此同時(shí)，齒形輪廓也將發(fā)生變化，因而需要進(jìn)行最后的精密磨削加工。齒輪精密加工通常采用幾何不規(guī)律的切削刃進(jìn)行加工，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)重要的目標(biāo)值：齒面最大的承載能力和齒輪嚙合產(chǎn)生最低的噪聲。齒輪質(zhì)量的高低取決于漸開(kāi)線齒面的精度。

（2）爆炸總能量的計(jì)算：

E=1.8×0.04×20.3×103×18.6=27 185.76 MJ

（3）死亡半徑。死亡半徑表示處于該半徑內(nèi)人員若無(wú)防護(hù)則無(wú)一例外受到嚴(yán)重傷害或死亡[3]。

（4）重傷半徑、輕傷半徑。重傷半徑表示處于該半徑內(nèi)人員若無(wú)防護(hù)則絕大多數(shù)受到嚴(yán)重傷害[3]，沖擊波峰值超壓為44 000 Pa。輕傷半徑表示處于該半徑內(nèi)人員絕大多數(shù)遭受輕微傷害[3]，沖擊波峰值超壓為17 000 Pa。將重傷、輕傷半徑的沖擊波超壓分別帶入公式，得出重傷半徑R2=69.66 m，輕傷半徑R3=126.26 m。

（5）財(cái)產(chǎn)損失半徑。財(cái)產(chǎn)損失半徑表示在此半徑內(nèi)的財(cái)產(chǎn)全部損失，通過(guò)公式，得出R4=83.65 m。

由以上計(jì)算可得，液氨儲(chǔ)罐發(fā)生蒸氣云爆炸的死亡區(qū)為0～26.41 m，重傷區(qū)為26.41～69.66 m，輕傷區(qū)為69.66～126.26 m，126.26 m 以外的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)，財(cái)產(chǎn)損失半徑為83.65 m。定量計(jì)算的事故影響范圍為應(yīng)急救援提供了數(shù)據(jù)參考，有利于相關(guān)部門(mén)應(yīng)急處置的決策。

3 事故救援處置對(duì)策

3.1 設(shè)置警戒區(qū)域

3.2 防護(hù)措施

氨具有易燃、有毒、刺激性等特性，救援人員應(yīng)做好個(gè)人防護(hù)，佩戴自給正壓式呼吸器，戴過(guò)濾式防毒面具，戴化學(xué)安全防護(hù)眼鏡，戴橡膠手套，穿防靜電服，穿戴面罩式膠布防毒衣或者穿戴防毒滲透服，保護(hù)好呼吸系統(tǒng)、眼睛、雙手以及身體皮膚等部位。

3.3 堵漏措施

如果泄漏點(diǎn)位于閥門(mén)之后的管道上，應(yīng)由專(zhuān)業(yè)人員關(guān)閉閥門(mén)，切斷泄漏源。若無(wú)法關(guān)閉，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取合適的堵漏措施。如果泄漏點(diǎn)位于罐體或管道上，可以用金屬外殼內(nèi)襯橡膠墊片、使用專(zhuān)用的管道的內(nèi)外封式、利用螺絲釘加粘合劑旋擰等。如果發(fā)生罐體撕裂，可以從外部使用充氣墊片或空心橡膠加壓充氣器具等進(jìn)行堵漏。如果因法蘭老化導(dǎo)致泄漏則可以用同型號(hào)的法蘭夾具注膠堵漏[2]；若是螺栓松動(dòng)導(dǎo)致法蘭泄漏，可以用不產(chǎn)生火花的工具擰緊螺栓。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）介紹了幾種常用的定量計(jì)算蒸氣云爆炸的模型，TNT 當(dāng)量模型簡(jiǎn)便實(shí)用，易于操作，計(jì)算結(jié)果具有指導(dǎo)意義，可作為具有相似性質(zhì)的物質(zhì)在計(jì)算蒸氣云爆炸事故后果時(shí)的模型參考。

（2）運(yùn)用TNT 當(dāng)量法計(jì)算出液氨儲(chǔ)罐蒸氣云爆炸事故的死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑、財(cái)產(chǎn)損失半徑，為應(yīng)急救援提供數(shù)據(jù)參考。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置應(yīng)急處置警戒區(qū)，并提出了救援處置中的個(gè)體防護(hù)措施、堵漏措施。