壓力容器物理爆炸事故及壓力容器泄漏物發(fā)生蒸汽云爆炸事故后果模擬分析

魯昱昊

（華東冶金地質(zhì)勘查局八一一地質(zhì)隊(duì)，安徽 滁州 239000）

事故后果模擬分析是安全系統(tǒng)工程的一個(gè)重要組成部分，該方法可以定量地描述出一個(gè)可能發(fā)生的事故對(duì)周?chē)O(shè)施、人員和對(duì)環(huán)境造成危害的嚴(yán)重程度。分析結(jié)果為管理者或主管部門(mén)提供關(guān)于事故后果的信息，為決策者和設(shè)計(jì)者提供采取何種防護(hù)措施的參考，如自動(dòng)滅火系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)或機(jī)械安全連鎖系統(tǒng)等的信息，以達(dá)到減少和避免事故影響的目的。該方法適用于火災(zāi)、爆炸、有毒有害物質(zhì)泄漏等重大事故的事故危害程度的評(píng)價(jià)，是將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題或事故現(xiàn)場(chǎng)用數(shù)學(xué)的模型來(lái)描述。事故后果模擬分析的數(shù)學(xué)模型往往是在一系列的假設(shè)前提下按照理想的情況建立的，有部分容易模擬的模型經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的驗(yàn)證，有的則可能與實(shí)際情況有較多出入，但是對(duì)事故后果評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)是可以參考的。

1 10m3 空氣儲(chǔ)氣罐超壓發(fā)生物理爆炸事故模擬分析

10m3空氣儲(chǔ)氣罐超壓發(fā)生物理爆炸為模型進(jìn)行事故模擬分析過(guò)程，模擬分析如下：

（1）壓縮氣體爆破能量值計(jì)算公式為：

式中：Eg為氣體爆破能量，kJ；Cg為壓縮氣體爆破能量系數(shù)，kJ/m3，介質(zhì)為空氣，表壓為0.85MPa。查表得：Cg=1.2×103kJ/m3；V 為儲(chǔ)氣罐容積，m3。

（2）換算成TNT 當(dāng)量為：1kg TNT 爆炸所發(fā)出的爆炸能量為4230 ～4836kJ，取其平均值4500kJ/kg 計(jì)算。

q=Eg/4500=1.2×104/4500=2.66kg(TNT)

（3）爆炸模擬比為a：a=0.1×2.661/3=0.14

（4）求出在1000kgTNT 爆炸試驗(yàn)中相當(dāng)距離Ro的相應(yīng)值：Ro=R/a=R/0.14

用單位球面襯托鏡面的變化,從某種層度上講是受向量方法的影響,也就是將向量的模特殊化,這類(lèi)似于三角函數(shù)中借助單位圓思考問(wèn)題.對(duì)于不熟悉空間向量的學(xué)生來(lái)說(shuō),也許會(huì)有一定的難度.在立體幾何初步教學(xué)中,長(zhǎng)方體或直棱柱等幾何體是學(xué)生較為熟悉的空間模型,在這樣的幾何體中研究問(wèn)題,學(xué)生往往更能找到“空間感覺(jué)”.因此,我們也可以嘗試用學(xué)生熟悉的模型來(lái)研究問(wèn)題.

1000kg TNT 在空氣中爆炸試驗(yàn)中所產(chǎn)生的沖擊波距離Ro/m 值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，沖擊波傷害見(jiàn)表2、3。依據(jù)表2 和表3，計(jì)算儲(chǔ)氣罐超壓物理爆炸的傷害距離：1000kg 的TNT，可致人輕微損傷的標(biāo)準(zhǔn)距離為R0=55m，最小沖擊波超壓△P0=0.02MPa，則：

儲(chǔ)氣罐超壓爆炸致人輕、微傷的距離：

R=aR0=0.14×55=7.7m

1000kg 的TNT，可致人聽(tīng)覺(jué)器官損傷或骨折的標(biāo)準(zhǔn)距離為R0=42.5m，最小沖擊波超壓△P0=0.03MPa，則：

儲(chǔ)氣罐超壓爆炸致人重傷的實(shí)際距離：

表1 1000kg TNT 爆炸時(shí)的沖擊波超壓數(shù)值

表2 沖擊波對(duì)人體的傷害作用

表3 沖擊波對(duì)建筑物的破壞作用

R=aR0=0.14×42.5=5.95m

1000kg 的TNT，可致人死亡的標(biāo)準(zhǔn)距離為R0=32.5m，最小沖擊波超壓△P0=0.05MPa，則：

儲(chǔ)氣罐超壓爆炸致人死亡的實(shí)際距離：

l000kg 的TNT，導(dǎo)致防震鋼筋混凝土破壞，房屋倒塌的標(biāo)準(zhǔn)距離為R0=22.3m，最小沖擊波超壓△P0=0.1MPa，則：

儲(chǔ)氣罐超壓爆炸導(dǎo)致鋼筋混凝土破壞，房屋倒塌的實(shí)際距離：R=aR0=0.14×22.3=3.12m。

通過(guò)模擬計(jì)算，如發(fā)生壓縮空氣儲(chǔ)罐超壓爆炸事故，將造成一定范圍內(nèi)的人員傷害，因此嚴(yán)禁將壓縮空氣儲(chǔ)罐設(shè)置在控制室、休息室等人員密集場(chǎng)所。

2 石油液化氣鋼瓶泄漏后發(fā)生蒸汽云爆炸事故后果模擬分析

易燃易爆氣體，以液態(tài)存儲(chǔ)發(fā)生瞬時(shí)泄漏后遇到延遲點(diǎn)火源或氣態(tài)存儲(chǔ)時(shí)泄漏到空氣中遇到點(diǎn)火源，都可能發(fā)生蒸汽云爆炸。石油液化氣（主要成分是丁烷），一旦泄漏，能與空氣形成爆炸性氣體混合物，如果達(dá)到爆炸極限，遇到點(diǎn)火源時(shí)能形成爆炸事故。本次模擬一只石油液化氣鋼瓶中的丁烷全部泄漏（丁烷質(zhì)量按照40kg 計(jì)算）。模擬場(chǎng)景中，泄漏出的丁烷在空氣中形成爆炸性混合物，遇明火發(fā)生蒸汽云爆炸。通過(guò)建立爆炸數(shù)學(xué)模型，計(jì)算火災(zāi)、爆炸事故造成人員傷亡的范圍?？砂凑障率筋A(yù)測(cè)蒸汽云爆炸沖擊波的損害半徑：R=CS(NE)1/3

式中：R 為損傷半徑，m；E 為爆破能量，kJ，可按下式：取，E=V×Hc；V 為參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w體積，m3；Hc為可燃?xì)怏w的高燃燒熱值，kJ/m3；N 為效率因子，一般取N=10%；Cs為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取決于損害等級(jí)，取值情況見(jiàn)表4。

表4 Cs 取值情況一覽表

（1）V=40×103/58×22.4=154.48m3

式中：V 為1 只鋼瓶丁烷全部液化標(biāo)態(tài)下體積，m3；40為1 只鋼瓶丁烷的質(zhì)量，kg；58 為丁烷的分子量；22.4 為氣體摩爾體積，L。

（2）E=V×Hc=154.48×134026=20704336kJ

式中：E 為爆破能量，kJ；134026 為丁烷氣體的高燃燒值；

（3）R1=CS1(NE)1/3=0.03×（0.1×20704336）1/3=3.8m

式中：R1為人員死亡半徑；N 為效率因子，一般取N=10%。

（4）R2=CS2(NE)1/3=0.06×（0.1×20704336）1/3=7.6m

式中：R2為人員重傷半徑；N 為效率因子，一般取N=10%。

（5）R3=CS3(NE)1/3=0.15×（0.1×20704336）1/3=19.1m

式中：R3為人員輕傷半徑；N 為效率因子，一般取N=10%；

通過(guò)模擬計(jì)算可以得出，40kg 石油液化氣鋼瓶發(fā)生泄漏，遇明火發(fā)生蒸汽云爆炸事故造成人員傷亡的范圍。根據(jù)表4 的計(jì)算結(jié)果，有利于針對(duì)此類(lèi)壓力容器存放、布置位置進(jìn)行判斷。

壓力容器，是壓力容器盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備。壓力容器的用途極為廣泛，但壓力容器，尤其是簡(jiǎn)單的壓力容器，在使用管理過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，導(dǎo)致事故頻發(fā)。

3 結(jié)語(yǔ)

壓力容器事故中，一旦發(fā)生壓力容器爆炸和壓力容器泄漏物蒸汽云爆炸事故，后果往往較為嚴(yán)重。作者通過(guò)事故后果模擬分析法，為壓力容器使用單位提供壓力容器選擇、使用、安裝過(guò)程中有實(shí)際參考意義的安全評(píng)價(jià)方法，避免和減少安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。