汽油储罐化学爆炸事故后果模拟分析

张啸ZHANG Xiao

（河北英博认证有限公司，石家庄 050051）

（Hebei Inbev Certification Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050051，China）

0 引言

长期以来，部分安全评价评审专家一直引用错误的汽油储罐化学爆炸事故模型来评审加油站的安全评价报告，致使失去了对加油站安全管理的指导意义。事故模拟分析结果要尽可能地贴近事故真实情况，这里我来分析一下这两种汽油储罐化学爆炸事故模拟分析。

汽油储罐的爆炸事故模拟计算是计算空罐罐内存在爆炸性气体混合物引起爆炸，是有限空间内的爆炸，也就是说，是空汽油储罐内的油气和氧气发生了化学爆炸，这一点大家是有共识的。

1 A、B 两种模型的计算过程

这里，为方便描述，假定部分安全评价评审专家的模拟计算为A 模型；假定现在分析的模型为B 模型。A 模型是用汽油的燃烧热和汽油的爆炸上限计算；B 模型是用正丁烷做代表物，假定爆炸事故发生时正丁烷和氧气完全燃烧。下面列举这两种模型的计算过程。

1.1 A 模型

汽油储罐中的爆炸性混合物发生爆炸有多种事故形态，但是，只有当油罐被抽空或空罐检修，且爆炸性混合物在爆炸上限时，爆炸事故后果最严重，破坏力也最大。

1.1.1 具有爆炸性的化学品的质量按下式计算

式中：Wf—具有爆炸性的化学品的质量，（kg）；

V—汽油储罐的公称容积，（m3）；

δ—汽油蒸气的密度，查资料为4.53kg/m3；

μ—汽油的爆炸上限，查资料为7.6%。

将相关数据带入上式，得：

1.1.2 具有爆炸性化学品相当于梯恩梯（TNT）的质量

式中：

WTNT—具有爆炸性的化学品相当于TNT 的质量，（kg）；

Wf—具有爆炸性的化学品的质量，（kg）；

α—系数，取0.04；

Qf—化学品的燃烧热（kJ/kg），查资料，汽油为43700kJ/kg；

QTNT—TNT 的爆热（kJ/kg），实验数据，取4520kJ/kg。将相关数据带入上式，得：

1.1.3 具有爆炸性的化学品相当于梯恩梯的摩尔量

WMTNT=WTNT/HTNT

式中：WMTNT—具有爆炸性的化学品相当于梯恩梯的摩尔量；

WTNT—具有爆炸性的化学品相当于TNT 的质量；

HTNT—梯恩梯的摩尔质量数，查资料得：227.13kg/kmol。

将相关数据带入上式，得：

即：容积为20m3汽油储罐空罐的爆炸能量相当于11.7mol 梯恩梯（TNT）炸药爆炸的能量。

1.1.4 爆炸模拟比

式中q 为具有爆炸性的化学品相当于梯恩梯的质量，

计算结果为q=WTNT=2.66kg。

由上式计算可得α=0.1q1/3=0.14

1.1.5 汽油储罐爆炸时距离R 处的超压

表1 1000kgTNT 爆炸时冲击波超压

1.1.6 爆炸危害

表2 1000kgTNT 爆炸时冲击波对人体的伤害作用

1.1.7 计算结果

具有爆炸性的化学品发生爆炸的伤害距离R 与1000kgTNT 爆炸时的相当距离R0的关系为：R＝αR0。

使用中间值插入法，可以求出具有爆炸性的化学品发生爆炸后的伤害距离和伤害作用。计算结果见表3。

表3 爆炸性的化学品发生爆炸的伤害距离和伤害作用

1.1.8 冲击波超压对建筑物的破坏作用

表4 距爆炸中心R（m）处，超压△P（Mpa）及伤害作用

1.2 B 模型

汽油为复杂的化学组成，为C4～C12脂肪烃和环烷烃，但形成爆炸性混和物的主要为物料中的轻组分，为简化计算，同时保证不产生太大的偏差，以环己烷作为发生爆炸的化学品，环己烷的闪点-16.5℃，爆炸极限值1.2-8.4%，实验得知，可燃物质在空气中的含量等于完全燃烧的理论量时，爆炸最容易发生，则发生完全燃烧，生成最稳定的化合物或单质。假定爆炸发生时，环己烷完全燃烧。

汽油储罐内爆炸性气体混和物的体积设定为20m3，与储罐容积相等，空气中氧气的体积含量按21%计，经计算，环己烷完全燃烧时的比例为：环己烷蒸气/空气=2.28/97.72（V/V），因此在20m3爆炸性气体内含有（按标准状况下），环己烷：0.456m3，0.0204kmol，1.71kg。

1.2.1 具有爆炸性化学品的TNT 当量

压缩气体的爆炸，其爆破能量Eg=Cg×V，查表（中间值用插入法），当表压为（0.888-0.1013）0.7867MPa，Cg=1.077×103kJ/m3；V=20m3；则

TNT 爆破能量取值4500kJ/kg，则汽油储罐内20m3由汽油蒸气与空气形成的混和物的爆破能量TNT 当量取值为q。

1.2.2 具有爆炸性的化学品相当于梯恩梯的摩尔量

式中：WMTNT—具有爆炸性的化学品相当于梯恩梯的摩尔量；

WTNT—具有爆炸性的化学品相当于TNT 的质量；

HTNT—梯恩梯的摩尔质量数，查资料得：227.13kg/kmol。

将相关数据带入上式，得：

即：容积为20m3汽油储罐空罐的爆炸能量相当于21.1mol 梯恩梯（TNT）炸药爆炸的能量。

1.2.3 爆炸模拟比

1.2.4 计算在距爆炸中心不同距离点的超压

由R=R0α 计算R 列于表5。

表5 汽油储罐爆炸时距离R 处的超压

1.2.5 冲击波对破坏范围内人员及建筑物的破坏作用

由上述计算，该汽油储罐气相爆炸时，其爆炸性燃烧所释放的热量，视为爆破能量，换算成TNT 爆炸当量为4.79kg，按照爆炸冲击波准则，其超压对破坏范围内人员及建筑物的破坏作用如下：

①冲击波对人体的伤害作用，如表6。

表6 距爆炸中心R（m）处，超压△P（MPa）及伤害作用

②冲击波超压对建筑物的破坏作用，如表7。

表7 距爆炸中心R（m）处，超压△P（MPa）及伤害作用

2 A、B 两种模型的主要区别

A 模型和B 模型这两种模型有两点主要区别在于，一是取什么为代表物；二是发生爆炸时爆炸物的量按多少计算。下面分析这两点主要区别。

2.1 确定代表物

汽油是C4～C12脂肪烃和环烷烃的混合物，混合物不同于化合物，混合物是多种物质混合在一起的，不是均一稳定的，又因为汽油常温下是液体，经长时间静置后，上层肯定是密度小的轻组分，越靠近下层肯定是密度高的重组分，可列表进行验证（表8）。

表8 汽油各组分的相对密度表（相对于水）

汽油储罐的出油管是插到汽油储罐底部的，距罐底0.2m，汽油是从罐的底部慢慢被抽走的，那么油罐内汽油的最上层肯定是正丁烷，由于油罐内的汽油有一定的扰动，其他组分也不可能不挥发，因此，油罐上部空间存在的汽油蒸气肯定是轻组分多，重组分少，B 模型以环己烷（C6）做代表物应该是合适的，相比较之下，A 模型简单的用汽油做代表物是不科学的。

2.2 爆炸物量的选取

汽油油气在爆炸下限到上限之间的范围都能发生爆炸，但是在爆炸极限范围内的任何一个数值可能发生的爆炸的难易程度是不一样的。爆炸下限是油气含量少氧气含量多，上限是油气含量多氧气含量少，如果按A 模型的算法，油气在达到爆炸上限时发生爆炸，也就是爆炸物最多时，那么氧气是不足以满足这么多爆炸物发生完全化学反应的，换言之，氧气不够用，也就不能产生那么多的能量。而B 模型是通过正丁烷与氧气完全反应来计算的，实际上是取爆炸上、下限之间的一个数值，这时的爆炸威力也是最大的，这样的选取才最科学。

由以上A、B 两种模型可知，A 模型20m3汽油储罐空罐的爆炸能量相当于11.7mol 梯恩梯（TNT）炸药爆炸的能量；B 模型20m3汽油储罐空罐的爆炸能量相当于21.1mol梯恩梯（TNT）炸药爆炸的能量。B 模型的爆炸能量几乎是A 模型爆炸能量的2 倍。

人员伤害范围的对比：A 模型人员受轻微损伤的范围7.8m，7.8m 以外是安全的；B 模型人员受轻微损伤的范围9.4m，9.4m 以外是安全的。

建筑物伤害范围对比：A 模型建筑物门窗玻璃大部分或部分破坏的伤害范围是14.23m，14.23m 以外是安全的；B 模型建筑物门窗玻璃大部分或部分破坏的伤害范围是17.08m，17.08m 以外是安全的。

由此可见，从对人员的伤害范围看，B 模型比A 模型多1.6m；从对建筑物的伤害范围看，B 模型比A 模型多2.85m。A 模型的错误计算缩小了事故伤害范围，将会导致在设计平面布置时防火防爆间距减小，将会对人身和建筑物造成不可估量的伤害。由于B 模型更贴近实际的计算，会在设计平面布置时，科学的的布置建筑物之间的防火间距，从而减少生产安全事故，对安全生产有更高的指导意义。

汽油罐一般用于加油站，加油站的设计应遵循《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB 50156-2012）的要求，按照《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB 50156-2012）的要求，油罐是需要埋地的，在地面至少0.5m 以下，A 模型和B 模型的计算均是地面上汽油罐的计算，油罐埋于地下，油罐爆炸的伤害范围还会缩小。

总之，B 模型的计算比A 模型更加科学，更加贴近实际。

[1]GB 50156-2012，汽车加油加气站设计与施工规范[S].

[2]GB 50016-2006，建筑设计防火规范[S].

[3]中国就业培训技术指导中心组织编写.安全评价师[M].中国劳动社会保障出版社出版.