低溫壓力容器罐區發生爆炸的事故后果模擬分析

鐘俊

(湖南泰新諾衛安全技術咨詢有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

在涉及到低溫液體儲罐區的企業，存在的最為嚴重的危險有害因素為爆炸。低溫壓力容器罐區發生爆炸之后，展開事故后果模擬分析，這是安全系統工程中非常關鍵的一部分，而且事故模擬分析也支持可能造成事故對周圍環境、人員等帶來危害程度的定量描述。最后得出分析結果，管理者以及主管部門可以從中獲知事故后果有關信息，從而幫助決策者、設計者總結切實可行的防護建議。常見的有自動滅火系統、火災報警系統、機械安全連鎖系統，根據上述系統獲取到的信息，可以有效規避或者減小事故造成的影響。

開展事故后果模擬分析，此方法比較適合在火災、爆炸以及有毒有害物質泄漏等一些重大事故的危害程度評價中應用，即便面臨事故和問題比較復雜，也可以發揮該方法優勢，構建數學模型進行描述。一般面向事故后果模擬分析所構建數學模型，需要分析人員做出假設，在假設的引導下，根據相對理想情況進行建模，一些模擬模型提前經過試驗驗證，但也有部分模型可能和實際存在出入，但實際得出的描述信息，對于事故后果評價而言存在一定參考價值。

綜上，在安全評價工作中需要采用事故后果模擬分析法對該區域進行分析評價，計算一旦發生事故可能造成的后果，從而采取有效的防護措施來減弱對周邊的影響，進一步指導企業涉及的控制室是否需要采用防爆設計。基于此，圍繞低溫壓力容器罐區發生爆炸這一事故，采用事故后果模擬分析的方式，總結爆炸事故的原因，通過低溫液體儲罐區事故模擬分析與計算，得出爆炸事故造成的后果，為今后預防此類爆炸事故積累經驗。

1 爆炸事故與原因

爆炸是由于某種物質出現急劇的化學變化或者物理變化，且快速迅速釋放的一種現象[1]，主要是在氣體膨脹功的作用下實現。在正常情況下，爆炸事故通常具有爆炸過程快、爆炸點附近壓力高，造成嚴重沖擊波、發出較大異響等特征，一旦其出現爆炸安全事故，很容易給周圍事物和人帶來嚴重影響。

低溫壓力容器罐區發生爆炸之后，進行事故后果的模擬分析，在安全系統工程建設與運營中非常重要，通過事故后果模擬分析，定量描述爆炸事故可能對附近工作人員、設施、環境等帶來的危害，并且還可以在模擬分析中確定危害的嚴重性。爆炸模擬分析得出的結果，為管理者、主管部門開展爆炸事故后果總結提供參考依據，也是決策者、設計者總結爆炸防護建議的有效參考內容。通過自動滅火系統、火災報警系統、機械安全連鎖系統運行采集到的數據，降低低溫壓力容器罐區爆炸事故的發生率。此方法比較適合在火災、爆炸以及有毒有害物質泄漏等事故中應用，開展危害評價期間可以構建數學模型分析比較復雜的問題，從而得出模擬分析結果。如果選擇構建爆炸事故后果模擬分析數學模型，需要工作人員提前假設，根據最為理想的情況進行建模，其中部分容易模擬模型，需要經過試驗驗證，也有可能模型內容和實際存在偏差，但是也會為爆炸事故后果評價提供一些參考。

低溫壓力容器罐區發生爆炸事故，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嚴重。必須采取事故后果模擬分析的方式，科學選擇壓力容器，提出低溫壓力容器正確使用與安裝方法，加強安全評價，降低安全事故發生率。

2 低溫液體儲罐區事故模擬

由于氧、氮、氬在常溫狀態下屬于氣體，而液化氣體通常被裝在容器內，是處于氣液兩形態存在。一旦盛裝容器破裂出現爆炸時，不僅會出現氣體急劇膨脹現象，還會出現液體過熱，導致液體全部蒸發。同時，該種類型容器中是由液體占據容器較大比例，其爆破能量要遠超過飽和氣體[2]。下面采用重大事故的模擬分析法對事故后果進行模擬分析(假設其中液氧為20 m3，液氮為100 m3，液氬為10 m3)。

2.1 計算步驟

(1)爆破能的計算

過熱狀態下液體在容器破裂時釋放出的爆破能量計算公式如下：

式中：E為過熱狀態液體的爆破能量(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為介質在大氣壓力下的沸點(K)；W為飽和液體的質量(kg)。

查《化學工程手冊》可知各物質的H1、H2、S1、S2，各物質的各種參數如表1所示。

表1 各特質物性參數表

根據公式附1-1計算，各物質的爆破能量如表2所示。

表2 各物質爆破能量表

(2)將爆破能量換算成TNT當量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

計算低溫液體罐區的q和α值(如表3所示)。

表3 低溫液體儲罐區q和α一覽表

(4)1 000 kg TNT爆炸試驗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形成差異，如表4所示。一旦發生爆炸，對周圍建筑物和人員所帶來的破壞作用，如表5所示。

表4 1 000 kg TNT爆炸時的沖擊波超壓

表5 沖擊波超壓對人體和建筑的傷害作用

(5)當數量不同的炸藥發生爆炸，和爆炸中心之間的距離R、炸藥量三次方根數值基本相同時，兩者所產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中，一旦沖擊波壓力超過某限定值后，很容易給目標帶來嚴重破壞。根據前面的計算可以得出不同目標距離下低溫液體儲罐爆炸事故所造成的損失，如表6所示。

表6 不同目標距離下低溫液體儲罐爆炸事故所造成的損失

從以上的計算結果可知：

當液氧儲罐容量為20 m3出現爆炸時，通常會給周圍人員帶來死亡半徑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；對建筑物造成的破壞作用門窗玻璃損壞半徑為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，大型鋼架結構破壞半徑為5.6 m。

容積為100 m3液氮罐儲罐發生爆炸時，對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，聽覺器官損傷在16.6～21.7 m，輕微損害半徑為21.7～28.7 m；對建筑物造成的破壞作用門窗玻璃損壞半徑為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，大型鋼架結構破壞半徑為8.7 m。

容積為10 m3液氬罐儲罐發生爆炸時，對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；對建筑物造成的破壞作用門窗玻璃損壞半徑為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，大型鋼架結構破壞半徑為8.1 m。

3 “多米諾”效應分析

低溫罐區一般位于企業內部，一旦出現爆炸事故，很容易引發多米諾效應，從而進一步擴大爆炸所帶來的災難系數，給周圍人們帶來大量財產損失和人員傷亡。

而經過工作人員統計發現，想要產生多米諾效應，通常需要滿足下面幾個條件：(1)事故所造成的破壞效應范圍內有敏感裝置；(2)破壞強度較大，導致所有裝置全部失去作用；(3)破壞發生出現大量可能性。

目前，能有效觸發多米諾效應事故主要包括火災、爆炸、毒物泄漏等事故行為，一旦出現毒物泄漏的問題，雖然會給周圍人群和環境帶來嚴重影響，但這種毒物泄漏不會給重要設備帶來二次損壞，所以在分析多米諾效應時可不對其進行研究[3]。

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

多米諾效應分為內部多米諾效應和外部多米諾效應。危險單元引發工廠內部其他單元發生事故的情況視為內部多米諾效應；引發其他工廠單元的事故視為外部多米諾效應。

按最不利氣象條件以及破壞半徑最大的液氮儲罐發生爆炸事故考慮，儲罐周邊28.7 m范圍內建筑物會受到影響。

4 結語

低溫壓力容器罐區一旦發生爆炸事故，必然會造成較為嚴重的后果。利用事故后果模擬分析，科學選擇壓力容器，掌握正確應用和安裝的方法，降低安全生產事故發生概率。在進行安全評價的事故后果模擬分析時結合多米諾效應，對低溫液體罐區進行定量計算，計算一旦發生事故可能造成的后果，從而采取有效的防護措施來減弱對周邊的影響，進一步指導企業涉及的控制室是否需要采用防爆設計。