基于ALOHA的LPG泄漏爆炸事故模擬研究

李利，閆熠輝，江黎麗，任克京，潘太星

（1.沈陽化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142；2.遼寧省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證中心 遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110004）

液化石油氣（LPG）以其燃燒效率較高、環(huán)境污染小的特點(diǎn)，逐步成為工業(yè)生產(chǎn)的首選燃料，這也導(dǎo)致了其在世界范圍內(nèi)加工、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)娘@著增長。LPG是具有蒸氣分散特性的低溫流體，一旦發(fā)生泄漏極易形成火災(zāi)、爆炸和中毒等事故，并造成嚴(yán)重的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染等一系列社會(huì)問題[1-2]。2012年10月6日，湖南懷化常吉高速公路官莊鎮(zhèn)1117段地穆庵隧道口，1輛LPG槽罐車側(cè)翻后爆炸，導(dǎo)致5人死亡[3]；2017年6月5日，臨沂市金譽(yù)石化有限公司裝卸區(qū)1輛LPG槽罐車在作業(yè)過程中發(fā)生泄漏，導(dǎo)致著火爆炸，造成10人死亡、9人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失4 468萬元[4-5]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者利用ALOHA軟件對(duì)罐車泄漏爆炸事故進(jìn)行大量的模擬研究。張貝[6]等通過ALOHA模擬了不同風(fēng)況下分別裝載甲胺、乙醛和丙酮3種危險(xiǎn)介質(zhì)的運(yùn)輸罐車泄漏發(fā)生火災(zāi)與中毒事故時(shí)，火災(zāi)熱輻射、蒸氣可燃、毒氣擴(kuò)散3種事故后果對(duì)泄漏源鄰近區(qū)域的傷害影響范圍；王露熹[7]等利用ALOHA 軟件，模擬不同風(fēng)力因素對(duì)LPG槽車火災(zāi)爆炸后果的破壞影響規(guī)律；戴俊巖[8]等利用ALOHA 軟件定量模擬出事故危害范圍與危害等級(jí)，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與事實(shí)相符，并提出相應(yīng)的措施；黃拴雷[9]等采用ALOHA軟件對(duì)LPG儲(chǔ)罐泄漏事故進(jìn)行數(shù)值模擬；朱家鑫[10]針對(duì)LPG泄漏事故后果類型，結(jié)合危害范圍的模擬方法，借助ALOHA軟件，對(duì)LPG儲(chǔ)罐泄漏事故及泄漏可能導(dǎo)致的火災(zāi)爆炸事故的危害范圍進(jìn)行了模擬；LYU[11]等利用EFFECTS和ALOHA軟件對(duì)油罐碎片分布、LPG池蒸發(fā)擴(kuò)散、LPG氣云擴(kuò)散和蒸氣云爆炸進(jìn)行了模擬。本文以溫嶺LPG槽罐車泄漏爆炸事故為研究對(duì)象，運(yùn)用ALOHA軟件不僅模擬了事故后果的影響范圍，而且考慮了泄漏量、風(fēng)速、地面粗糙度等因素對(duì)火災(zāi)熱輻射范圍、蒸氣云可燃區(qū)域擴(kuò)散范圍的影響，以期為LPG罐車泄漏事故的防范和應(yīng)急救援工作提供依據(jù)。

1 事故分析

1.1 事故概況

2020年6月13日16時(shí)41分許，1輛液化石油氣運(yùn)輸槽罐車在臺(tái)州溫嶺市的沈海高速公路溫嶺段溫州方向溫嶺西出口下匝道發(fā)生一起重大爆炸事故，造成20人死亡、24人重傷。此次事故一共發(fā)生了2次爆炸，第一次爆炸發(fā)生在42分58秒，發(fā)生在沈海高速公路溫州往寧波方向跨線立交橋，爆炸后火勢(shì)向西傳播。8 s后，在高速公路約100 m處的廠房發(fā)生了大面積的、劇烈的第二次爆炸，對(duì)附近車輛、道路、周邊良山村部分民房和廠房造成不同程度損壞。

1.2 事故原因分析

事故原因是車輛進(jìn)入彎道路段時(shí)未及時(shí)采取減速措施導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻，罐體前封頭與跨線橋混凝土護(hù)欄端頭猛烈撞擊，形成破口，在沖擊力和罐內(nèi)壓力的作用下快速撕裂、解體，然后罐體殘片及半掛車呈不同方向飛出，罐體內(nèi)液化石油氣迅速泄出、汽化、擴(kuò)散并蔓延，遇過往機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的火花爆燃，最后發(fā)生蒸氣云爆炸。

根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻分析，41分19秒液化石油氣從罐車泄漏出來擴(kuò)散到空氣中，起初液化石油氣濃度很高，隨著向空氣中蔓延，濃度逐漸降低。42分58秒的時(shí)候，蒸氣云濃度達(dá)到爆炸極限的范圍，在立交橋遇到行駛的車輛產(chǎn)生的火花發(fā)生了第一次爆炸，液化石油氣持續(xù)燃燒，在立交橋上空出現(xiàn)了火舌現(xiàn)象。液化石油氣的持續(xù)燃燒導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，給未揮發(fā)的液化石油氣增加了熱量，加速了液化石油氣的揮發(fā)，同時(shí)燃燒導(dǎo)致環(huán)境中的氣流紊亂，為液化石油氣又提供了大量的氧氣進(jìn)行燃燒，導(dǎo)致8 s后發(fā)生了第二次爆炸。LPG槽罐泄漏事故后果分析見圖1。

圖1 LPG槽罐泄漏事故分析

2 事故后果計(jì)算及模擬分析

2.1 事故后果計(jì)算

事故罐式半掛車罐體容積為61.9 m3，內(nèi)徑為2.525 m，設(shè)計(jì)壓力為1.61/-0.1 MPa，長度為13.23 m，設(shè)計(jì)溫度為323.15 K，最大充裝量為26 000 kg。

蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量[12-14]：

式中：WTNT—蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；

α—地面爆炸修正系數(shù)，取 1.8：

A—蒸氣云的TNT 當(dāng)量系數(shù)，取0.04；

Wf—蒸氣云中燃料的總質(zhì)量，kg；

Qf—燃料的燃燒熱，取46 264 kJ·kg-1；

QTNT—TNT的爆熱，取4 520 kJ·kg-1。

蒸氣云爆炸的死亡半徑R1：

蒸氣云爆炸的重傷半徑R2和輕傷半徑R3：

式中：p0—環(huán)境大氣壓力，取101.3 kPa；

?p—沖擊波超壓，重傷沖擊波超壓取44 kPa，輕傷沖擊波超壓取17 kPa；

Z—無量綱距離；

E—爆源總能量，kJ。

財(cái)產(chǎn)損失半徑R4：

式中：KII—二級(jí)破壞系數(shù)，即一般建筑物受到嚴(yán)重破壞，取4.6。

經(jīng)計(jì)算得出WTNT=18 689 kg，死亡半徑R1=40 m，重傷半徑R2=102 m，輕傷半徑R3=184 m，財(cái)產(chǎn)損失半徑R4=121 m，傷害半徑現(xiàn)場(chǎng)直觀圖見圖2。

圖2 傷害半徑直觀圖

2.2 基于ALOHA的事故模擬

ALOHA為基于Windows和Macintosh操作系統(tǒng)開發(fā)的獨(dú)立應(yīng)用程序。其主要目的是向應(yīng)急管理人員提供與揮發(fā)性和可燃化學(xué)品瞬時(shí)意外釋放危害的空間范圍估計(jì)。ALOHA還涉及處理與吸入有毒化學(xué)蒸氣、化學(xué)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射以及蒸氣云爆炸產(chǎn)生的壓力波等危害問題[15]。

2.2.1 模擬情景

事故發(fā)生在溫嶺G15高速公路，液化石油氣罐車實(shí)際充裝量為25 360 kg，模擬具體參數(shù)如表1所示。

表1 模擬具體參數(shù)

事故罐車充裝的液化石油氣主要成分為丙烷，假設(shè)液化石油氣從儲(chǔ)罐的底部以近似圓形的孔徑泄漏，事發(fā)地周圍地區(qū)高度工業(yè)化，選擇城市粗糙度選項(xiàng)，模擬時(shí)所選用的化學(xué)品為丙烷。

2.2.2 熱輻射模型

ALOHA使用固體火焰模型來計(jì)算火球、噴射火和池火的熱輻射危害。在這3種情況下，計(jì)算從火焰表面發(fā)射的熱輻射通量，熱輻射計(jì)算公式如式（8）所示。

式中：q—入射垂直表面的熱輻射通量，kW·m-2；

E—熱輻射在火球表面的能量通量，kW·m-2；

F—幾何視圖因子；

τ—大氣對(duì)熱輻射的透射率。

2.2.3 重氣擴(kuò)散模型

LPG在常溫常壓下密度是空氣的1.5～2.0倍，屬于重質(zhì)氣體，其擴(kuò)散模型為：

式中:c(x,y,z)—任意一點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)，10-6；

cc(x)—中心線地面體積分?jǐn)?shù)，10-6；

Sy(x)—橫向擴(kuò)散參數(shù)，m；

Sz—縱向擴(kuò)散參數(shù)，m；

|y|—側(cè)風(fēng)向距離；

b—均質(zhì)核心部分的半寬度，m。

2.3 事故后果模擬分析

2.3.1 熱輻射危害影響范圍

與BLEVE相關(guān)的池火災(zāi)、噴射火和火球因其燃燒時(shí)間長，從而形成持續(xù)的熱輻射源，并在遠(yuǎn)離火焰鋒面的地方造成傷害，其對(duì)人體的影響取決于輻射時(shí)間和強(qiáng)度。ALOHA將火災(zāi)熱輻射劃分為3個(gè)區(qū)域：10 kW·m-2為死亡閾值，5 kW·m-2可導(dǎo)致無保護(hù)皮膚的二級(jí)燒傷，2 kW·m-2會(huì)引起疼痛。圖3為模擬條件下該LPG泄漏形成蒸氣云爆炸事故的熱輻射危害范圍。此次事故中，60 s內(nèi)可能致死的最大半徑為357 m；60 s內(nèi)二級(jí)燒傷的最大半徑為503 m；60 s內(nèi)引起疼痛的最大半徑為783 m。

圖3 火災(zāi)熱輻射危害影響范圍

2.3.2 蒸氣云泄漏后易燃區(qū)

ALOHA中模擬的易燃區(qū)域分析旨在解決與火災(zāi)或由易燃化學(xué)氣體和空氣混合物組成的蒸氣云爆炸相關(guān)的危險(xiǎn)。易燃區(qū)域是指火源可能導(dǎo)致閃燃或蒸氣云爆炸的區(qū)域以及可能發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域。雖然蒸氣云爆炸可以在易燃區(qū)域之外產(chǎn)生破壞性沖擊波，但閃燃的火災(zāi)危險(xiǎn)通常不會(huì)形成破壞性沖擊波。ALOHA默認(rèn)將60%LEL和10%LEL作為蒸氣云易燃區(qū)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)。圖4為模擬條件下該LPG罐車形成蒸氣云泄漏事故的易燃區(qū)。

圖4 易燃區(qū)影響范圍

ALOHA 模擬了事故條件下的危險(xiǎn)區(qū)域，由圖4可知，當(dāng)LPG濃度為60% LEL時(shí)，其爆炸半徑為278 m，側(cè)風(fēng)向影響距離為260 m，為預(yù)測(cè)的易燃區(qū)域，泄漏后如果該區(qū)域存在有效點(diǎn)火源，則會(huì)導(dǎo)致LPG 燃燒或爆炸事故的發(fā)生。因此，在該區(qū)域內(nèi)應(yīng)排除一切可能的明火、摩擦撞擊火花、高溫?zé)岜砻嬉约办o電火花等點(diǎn)火源，避免其成為有效點(diǎn)火源。此次事故發(fā)生區(qū)域地形較復(fù)雜，各類點(diǎn)火源難以控制，人員、車輛頻繁進(jìn)出，都有可能導(dǎo)致有效點(diǎn)火源的形成，因此對(duì)這一區(qū)域要加強(qiáng)安全管理。

黃色區(qū)域?yàn)長PG 濃度為10% LEL 的危險(xiǎn)區(qū)域，其下風(fēng)向影響距離為759 m，側(cè)風(fēng)向影響距離為430 m，該濃度值通常應(yīng)用為應(yīng)急救援的響應(yīng)濃度，其對(duì)應(yīng)的影響半徑作為應(yīng)急處置的警戒范圍。

2.3.3 毒氣擴(kuò)散影響范圍

ALOHA采用關(guān)注水平（LOC）來解決有毒空氣羽流、火災(zāi)和爆炸對(duì)人類的影響。對(duì)于吸入危害，ALOHA的LOC是與不利于健康相關(guān)的空氣傳播化學(xué)品濃度有關(guān)。本文以暴露時(shí)間為60 min的AEGLs（急性暴露指南水平）為標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)用ALOHA軟件模擬出的事故毒氣擴(kuò)散影響范圍見圖5。

圖5 毒氣擴(kuò)散影響范圍

其中，有毒蒸氣云擴(kuò)散后體積分?jǐn)?shù)大于3.3%（暴露時(shí)間60 min情況下AEGL3級(jí)）的下風(fēng)向最大距離為158 m，擴(kuò)散范圍為紅色區(qū)域；體積分?jǐn)?shù)大于1.7%（暴露時(shí)間60 min情況下AEGL2級(jí)）的下風(fēng)向最大距離為234 m，擴(kuò)散范圍為橙色區(qū)域；體積分?jǐn)?shù)大于0.55%（暴露時(shí)間60 min情況下AEGL1級(jí)）的下風(fēng)向最大距離為445 m，擴(kuò)散范圍為黃色區(qū)域。由圖4、圖5可知，在事故首次爆炸點(diǎn)的LPG毒性的死亡傷害區(qū)域，仍為爆炸濃度的最大傷害范圍，若不發(fā)生爆炸，體積分?jǐn)?shù)將超過3.3%，也進(jìn)一步證實(shí)了事故二次爆炸發(fā)生的必然。

2.4 泄漏量對(duì)火災(zāi)熱輻射范圍、火球直徑及蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域的影響分析

以事故模擬參數(shù)為基礎(chǔ)，研究泄漏量的變化對(duì)LPG槽罐泄漏爆炸事故的后果影響，如圖6所示。

圖6 泄漏量變化對(duì)熱輻射危害范圍和火球直徑的影響

由圖6可以看出，隨著液化石油氣罐車的泄漏量的增大，熱輻射3個(gè)等級(jí)的危害區(qū)域和火球直徑都在顯著增加，但其增長程度略有下降。

液化石油氣罐車發(fā)生泄漏爆炸時(shí)，泄漏量與熱輻射危害范圍、火球直徑有關(guān)，如圖7所示。

分析圖7發(fā)現(xiàn)，蒸氣云擴(kuò)散濃度（>60%LEL）下風(fēng)向最大距離隨著泄漏量的增大，呈現(xiàn)出先增加后不變的趨勢(shì)，距離不變時(shí)所對(duì)應(yīng)的泄漏量約為10 t；蒸氣云擴(kuò)散濃度（>10%LEL）下風(fēng)向最大距離隨著泄漏量的增大，呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但在泄漏量為10 t以后，其距離增加程度明顯減小。因此，液化石油氣罐車發(fā)生泄漏時(shí)，存在一個(gè)臨界泄漏量，小于臨界泄漏量時(shí)，泄漏量與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離有關(guān)；大于臨界泄漏量時(shí)，泄漏量與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離無關(guān)。

2.5 風(fēng)速對(duì)火災(zāi)熱輻射范圍、火球直徑及蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域的影響分析

以事故模擬參數(shù)為基礎(chǔ)，選取了1級(jí)風(fēng)到6級(jí)風(fēng)的代表風(fēng)速研究了風(fēng)速大小對(duì)液化石油氣槽罐發(fā)生泄漏爆炸事故后果變化的影響，如圖8、圖9所示。

圖8 風(fēng)速大小變化對(duì)熱輻射危害范圍和火球直徑的影響

圖9 風(fēng)速改變對(duì)于蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域的影響

由圖8可知，隨著風(fēng)速的增大，熱輻3個(gè)等級(jí)的危害區(qū)域和火球直徑都保持不變。因此，液化石油氣罐車發(fā)生泄漏時(shí)，風(fēng)速大小與熱輻射危害范圍、火球直徑無關(guān)。

由圖9可知，蒸氣云擴(kuò)散濃度下風(fēng)向最大距離隨著風(fēng)速的增大，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。因此，液化石油氣罐車發(fā)生泄漏時(shí)，風(fēng)速大小與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離有關(guān)。

2.6 相對(duì)濕度對(duì)火災(zāi)熱輻射范圍、火球直徑及蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域的影響分析

以事故模擬參數(shù)為基礎(chǔ)，選取了5個(gè)典型的相對(duì)濕度和事故當(dāng)天的相對(duì)濕度研究了不同相對(duì)濕度下液化石油氣槽罐發(fā)生泄漏爆炸事故的后果變化，如圖10所示。

圖10 相對(duì)濕度大小變化對(duì)熱輻射危害范圍和火球直徑的影響

由圖10可以看出，隨著相對(duì)濕度的增大，熱輻射3個(gè)等級(jí)的危害區(qū)域和火球直徑都在減小，但其減小程度略有下降。因此，液化石油氣罐車發(fā)生泄漏爆炸時(shí)，相對(duì)濕度與熱輻射危害范圍、火球直徑有關(guān)。

圖11為相對(duì)濕度大小改變對(duì)于蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。蒸氣云擴(kuò)散濃度下風(fēng)向最大距離隨著相對(duì)濕度的增大，呈現(xiàn)出不變的趨勢(shì)。因此，液化石油氣罐車發(fā)生泄漏時(shí)，相對(duì)濕度大小與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離無關(guān)。

圖11 相對(duì)濕度改變對(duì)于蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域的影響

2.7 地面粗糙度對(duì)火災(zāi)熱輻射范圍、火球直徑及蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域的影響分析

以事故模擬參數(shù)為基礎(chǔ)，選取了6個(gè)典型的地面粗糙度數(shù)值研究了不同地面粗糙度下液化石油氣槽罐發(fā)生泄漏爆炸事故的后果變化，如圖12、圖13所示。

圖12 地面粗糙度的變化對(duì)熱輻射危害范圍和火球直徑的影響

圖13 地面粗糙度改變對(duì)于蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域的影響

由圖12可以看出，隨著地面粗糙度的增大，熱輻射3個(gè)等級(jí)的危害區(qū)域和火球直徑都保持不變。因此，液化石油氣罐車發(fā)生泄漏爆炸時(shí)，地面粗糙度大小與熱輻射危害范圍、火球直徑無關(guān)。

由圖13可知，蒸氣云擴(kuò)散濃度下風(fēng)向最大距離隨著地面粗糙度的增大，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。因此，液化石油氣罐車發(fā)生泄漏時(shí)，地面粗糙度大小與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離有關(guān)。

3 結(jié) 論

1）本文利用TNT當(dāng)量法計(jì)算得到此次事故蒸氣云爆炸沖擊波超壓造成的事故死亡半徑為40 m，重傷半徑為102 m，輕傷半徑為184 m，財(cái)產(chǎn)損失半徑為121 m，與現(xiàn)場(chǎng)事故傷害范圍相符。

2）采用了ALOHA軟件對(duì)溫嶺LPG槽罐車爆炸事故進(jìn)行了模擬，可以得出此次事故的60 s內(nèi)火災(zāi)熱輻射的可能致死、二級(jí)燒傷、造成疼痛的危害范圍分別是357、503、783 m；事故蒸氣云擴(kuò)散可燃區(qū)域濃度超過60%LEL和10%LEL的最大下風(fēng)向距離分別是278、759 m；事故毒氣擴(kuò)散體積分?jǐn)?shù)大于3.3%的下風(fēng)向最大距離為158 m，體積分?jǐn)?shù)大于1.7%的下風(fēng)向最大距離為234 m，體積分?jǐn)?shù)大于0.55%的下風(fēng)向最大距離為445 m。

3）液化石油氣罐車發(fā)生泄漏爆炸時(shí)，泄漏量與熱輻射危害范圍、火球直徑有關(guān)，環(huán)境相對(duì)濕度與熱輻射危害范圍有關(guān)，風(fēng)速、地面粗糙度與熱輻射危害范圍、火球直徑無關(guān)。泄漏量越大，熱輻射危害范圍越大，火球直徑越大；環(huán)境相對(duì)濕度越大，熱輻射危害范圍越小。

4）蒸氣云泄漏擴(kuò)散時(shí)，存在一個(gè)臨界泄漏量，小于臨界量時(shí)，與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離有關(guān)且呈線性正相關(guān)；大于臨界量時(shí)，與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離無關(guān)。風(fēng)速、地面粗糙度大小與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離有關(guān)，風(fēng)速越大，地面粗糙度越小，蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離越小；環(huán)境濕度大小與蒸氣云擴(kuò)散下風(fēng)向最大距離無關(guān)。