液化石油气BLEVE事故研究*

黄拴雷，孙宝平

(首都经济贸易大学 安全与环境工程学院， 北京 100070)

0 引言

液化石油气是以丙烷为主的石油气通过加高压形成的，具有燃烧与爆炸危险性，其泄漏导致的燃爆事故近几年时有发生,且其产生的爆炸冲击波和火球热辐射，危害范围大且破坏力强。如1998年3月，西安市煤气公司液化石油气管理所储罐区发生BLEVE爆炸事故，直接经济损失达470余万元[1]；1984年11月19日，墨西哥圣胡安.伊克斯华特佩克的1座化工厂LPG储罐发生BLEVE事故，产生巨大的火球，造成严重后果[2]。近年来，国内外学者对BLEVE事故及其影响评价模型方面开展了大量研究工作。王露熹[3]等利用ALOHA 软件，模拟不同风力因素对液化天然气槽车火灾爆炸后果的破坏影响规律；俞昌铭[4]采用仿真软件PLGS99, 研究了储罐受热引发BLEVE爆炸的机理；Nilambar Bariha[5]等通过软件和建模,计算BLEVE火球的尺寸及辐射通量；E.Planas等[6]通过建立数学模型，计算BLEVE火球的尺寸、持续时间和热辐射通量。总结以上现有研究成果，大多是采用物理模型的方式计算火球的大小、燃烧时间，没有考虑空气湿度、储存温度、泄漏量等对其后果的影响。因此，本文基于液化石油气泄漏量、储存温度、空气湿度等爆炸事故后果影响因素,进行数值模拟,力图更全面地评估液化石油气BLEVE事故的影响后果。

1 BLEVE事故简介

图1以1个液化石油气储罐破裂为例，说明不同条件下可能会出现的一系列灾害形式，其中以沸腾液体蒸汽云爆炸的破坏力为甚[7]。如图1所示，液化石油气泄漏可产生BLEVE爆炸、喷射火焰等事故，BLEVE爆炸是液体受热沸腾后形成气体，导致容器爆裂后气体泄出而产生爆炸的情况，该爆炸的特征是需经一段火灾时间，然后剧烈爆炸，该爆炸可形成很大的火球，并且爆炸容器残骸飞散很远，人员被碎片击中以及受极高温度辐射热影响，伤亡很大。BLEVE爆炸的主要危害有火球热辐射、爆炸冲击波超压以及产生的容器碎片，与火球热辐射造成的危害相比，冲击波超压及容器碎片的危害较小[8]。

图1 LPG泄漏事故后果分析Fig.1 The analysis on LPG leakage

BLEVE作为1种危害极大的物理性爆炸事故，其直接原因有高温罐体的超压(过充或是安全阀失效)、机械损伤(罐体材料缺陷，腐蚀以及边角、焊缝处的强度降低)、热应力、压应力、操作不当以及火焰的侵蚀等[9-11]，但该类事故经常会伴随有化学过程(燃烧或气体爆炸)，其危害更为严重，Jan Stawcyk[12]研究结果表明：1个盛装11 kg丙烷-丁烷混合液化气的标准压力容器发生BLEVE爆炸的强度相当于0.7 kg的TNT爆炸。

2 基于ALOHA的事故模拟

ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmospheres)软件是美国环保署同美国海洋和大气管理办公室联合开发的CAMEO系列软件之一。ALOHA经过多年发展，功能逐步完善，目前主要可以用于计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等事故后果，其针对危化品事故导致的毒性、热辐射和冲击波等危害进行针对性计算分析，包括利用大气扩散模型评估短时化学品泄漏区域，利用高斯和重气扩散模型进行有毒气体的扩散模拟，下面以1个例子进行说明。

2.1 事故概况及后果模拟分析

事故发生地点位于某大型城市交通枢纽，发生时间为中午上下班时间,液化石油气罐车上放有1个卧式储罐，其基础数据如表1所示。

表1 数值模拟参数

液化石油气从阀门泄漏，泄漏口处为圆形，泄漏点在液体液面以上，不考虑连锁爆炸反应；周围人群密度为0.1人/m2，无障碍物；假设罐车爆炸只是由于LPG罐爆炸引起的，可以用LPG罐爆炸代替罐车爆炸；LPG主要由丙烷构成，考虑用丙烷代替LPG；图2给出了在上述条件下，60 s内LPG泄漏形成沸腾液体扩展蒸汽云爆炸事故的危害范围。

图2 60s沸腾液体扩展蒸汽云爆炸事故危害范围Fig.2 Boiling liquid expanding vapor explosion incident threat zone within 60 seconds

其中,潜在致死区域内的热辐射值远超过10 kw/m2， 60 s时间内，在该区域人员将会死亡，该区域范围最大半径为441 m；深度烧伤区域内的热辐射值远超过5 kw/m2，60 s时间内，在该区域人员将会造成2级深度烧伤，该区域危害范围最大半径为622 m；皮肤灼痛区域内的热辐射值远超过2 kw/m2，60 s时间内，在该区域人员将会感到皮肤灼痛，该区域危害范围最大半径为969 m。

2.2 泄漏量对受害区域范围、火球直径及火球燃烧时间的影响分析

表2是以表1模拟计算的基础数据为前提，在液化石油气储罐泄漏量不同时，BLEVE爆炸事故受害区域范围、火球直径和火球燃烧时间的变化。

表2 不同泄漏量对受害范围、火球直径及火球燃烧时间的影响

续表2

图3给出了液化石油气泄漏量不同时，BLEVE爆炸事故受害区域范围及火球直径的变化。

图3 不同泄漏量对受害区域范围及火球直径的影响Fig.3 Influence of different leakage on damage area and fireball diameter

方框、圆圈、上三角及下三角分别代表液化石油气泄漏量不同时，BLEVE爆炸事故潜在致死、深度烧伤、皮肤灼痛受害区域及火球直径的变化值。随着液化石油气储罐泄漏量的增加，受害区域范围、火球直径都在明显增加，但是其增长幅度在逐渐减小，即BLEVE爆炸事故产生的受害区域范围、火球直径都与泄漏量有关。

图4给出了液化石油气泄漏量不同时，BLEVE爆炸事故产生的火球燃烧时间的变化。

图4 不同泄漏量对火球燃烧时间的影响Fig.4 Influence of different leakage on fire-fighting time of fireball

如图4所示，泄漏量增加，火球燃烧时间也在增加，但是增加幅度较小，即火球燃烧时间与液化石油气泄漏量有关。

2.3 储存温度对受害区域范围、火球直径及火球燃烧时间的影响分析

表3是以表1模拟计算的基础数据为前提，在液化石油气储存温度不同时，BLEVE爆炸事故受害区域范围、火球直径和火球燃烧时间的变化。

表3 不同储存温度对受害区域范围、火球直径及火球燃烧时间的影响

图5给出了储存温度不同时，BLEVE爆炸事故受害区域范围和火球直径的变化。

图5 不同储存温度对受害区域和火球直径的影响Fig.5 Effects of different storage temperatures on damaged area and fireball diameter

图5中，方框、圆圈、上三角及下三角分别代表液化石油气储存温度不同时，BLEVE爆炸事故潜在致死、深度烧伤、皮肤灼痛区域及火球直径的变化值。随着液化石油气储存温度的增加，受害区域范围虽然都在减小(在一定温度内，温度每增加2 ℃，潜在致死受害区域范围值减少3 m，深度烧伤受害区域范围值减少4 m)，但对于火球直径，随着储存温度的增加，其保持不变。即在一定温度变化范围内，BLEVE爆炸事故产生的受害区域范围与液化石油气储存温度有关，火球直径与储存温度无关。

图6给出了储存温度不同时，BLEVE爆炸事故产生火球的燃烧时间的变化。

图6 不同储存温度对火球燃烧时间的影响Fig.6 Effect of different storage temperature on combustion time of fireball

如图6所示，储存温度增加，但是火球燃烧时间保持不变。这表明温度的增大或减小对液化石油气BLEVE爆炸事故产生火球的燃烧时间无影响，即火球燃烧时间与液化石油气储存温度无关。

2.4 风速对受害区域范围、火球直径及火球燃烧时间的影响

表4是以表1模拟计算的基础数据为前提，在风速不同时，BLEVE爆炸事故受害区域范围、火球直径和火球燃烧时间的变化。

表4 不同风速对受害区域范围、火球直径及火球燃烧时间的影响

图7给出了不同风速下，BLEVE爆炸事故受害区域范围及火球直径的变化。

图7 不同风速对受害区域范围及火球直径的影响Fig.7 Effects of different wind speeds on the range of victims and the diameter of fireball

图7中，方框、圆圈、上三角及下三角分别代表风速不同时，BLEVE爆炸事故潜在致死、深度烧伤、皮肤灼痛区域及火球直径的变化值。随着风速的增加，受害区域范围及火球直径均保持不变。这说明风速的增大或减小对液化石油气BLEVE爆炸事故危害范围无影响，即BLEVE爆炸事故产生的受害区域范围、火球直径与风速无关。

图8给出了不同风速下，BLEVE爆炸事故产生火球的燃烧时间的变化。

图8 不同风速对火球燃烧时间的影响Fig.8 Influence of different wind speed on fire-fighting time of fireball

如图8所示，风速增加，但是火球燃烧时间保持不变。这说明风速的增大或减小对液化石油气BLEVE爆炸事故产生火球的燃烧时间无影响，即火球燃烧时间与风速无关。

2.5 空气湿度对受害区域范围、火球直径及火球燃烧时间的影响

表5是以表1模拟计算的基础数据为前提，在相对湿度不同时，BLEVE爆炸事故受害区域范围及火球直径和火球燃烧时间的变化。

图9给出了不同相对湿度下，BLEVE爆炸事故受害区域范围和火球直径的变化。

图9中，方框、圆圈、上三角及下三角分别代表液化石油气储存环境不同湿度不同时，BLEVE爆炸事故潜在致死、深度烧伤、皮肤灼痛区域及火球直径的变化值。随着相对湿度的增加，受害区域范围都在减小，但是其幅度在逐渐降低。而对于火球直径，随着空气相对湿度的增加，其保持不变。即在湿度变化过程中，BLEVE爆炸事故产生的受害区域范围与空气的相对湿度有关，但是变化幅度在逐渐减小，而火球直径与相对湿度无关。

图10给出了不同相对湿度下，BLEVE爆炸事故产生火球的燃烧时间的变化。

如图10所示，随着空气相对湿度增加，火球燃烧时间保持不变。这表明相对湿度的增大或减小，对液化石油气BLEVE爆炸事故产生火球的燃烧时间无影响，即火球燃烧时间与空气的相对湿度无关。

表5 不同空气湿度对受害区域范围、火球直径及火球燃烧时间的影响

图9 不同湿度对受害区域范围和火球直径的影响Fig.9 The effect of different humidity on the affected area and the diameter of the fireball

图10 不同湿度对火球燃烧时间的影响Fig.10 Influence of different humidity on combustion time of fireball

3 结论

1)液化石油气泄漏量、空气湿度、储存温度都影响BLEVE爆炸事故危害范围，而风速与BLEVE事故危害范围无关。液化石油气泄漏量越大，BLEVE爆炸事故危害范围越大；随着空气湿度增加，事故危害范围在逐渐减小；随着液化石油气储存温度增加，事故危害范围在逐渐减小。

2)液化石油气泄漏量越大，BLEVE爆炸事故产生的火球直径越大，燃烧时间或热辐射时间越长；而空气湿度、储存温度及风速对BLEVE的火球直径及火球燃烧时间没有影响。

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