LNG 低温储罐爆炸冲击波危害后果估算

纪纯明

（大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁 大连 116013）

LNG(Liquefied Natural Gas)即液化天然气，天然气液化后可以大大节约储运空间和成本，而且具有热值大、性能高等特点，同时，在液化过程中，能除去杂质，是优质、清洁、高效、方便的绿色燃料，被认为是地球上最干净的化石能源。随着LNG 在生产和生活中使用量的逐渐增大，在给我们生产、生活带来方便和环保的同时，也带来了更多的安全隐患。LNG 属于易燃、易爆危险化学品，在其生产、加工、处理、储存、运输、经营过程中一旦发生事故，极易造成人员伤亡、财产损失和环境破坏。对LNG 低温储罐全部泄漏爆炸危害后果进行估算，能够对LNG 低温储罐的选址、安全防护、发生事故紧急预案等提供理论参考依据，对LNG 低温储罐的管理具有重要意义。

1 物料计算

液化天然气（以下简称LNG）的主要成分为甲烷，还有少量的乙烷、丙烷、氮等，液化后的天然气，甲烷纯度更高，几乎不含二氧化碳和硫化物。为了简化计算，本文主要计算甲烷质量来估算整个LNG 储罐的爆炸能量及危害后果。甲烷质量按照式（1）进行计算。

式中，m 为甲烷质量，kg；ρ 为甲烷密度，kg/m3；V 为甲烷体积，m3。

2 物理爆炸能量计算

简化后，LNG 储罐的成分为甲烷，状态为液态。因此，在计算物理爆炸能量时，只需考虑LNG 的爆沸功即可，爆沸功计算公式见式（2）。设备爆炸所释放的能量除很少一部分（约3%～15%）消耗在撕裂钢板、将碎片以及与设备连接的管道等抛离原地，其余能量都已冲击波的形式向周围扩散，对人员和建筑物造成损伤和破坏。本文取物理爆炸能量的9%作为撕裂钢板等消耗的能量，其余能量以爆炸冲击波的形式释放。

式中：Um为单位质量物质产生的爆沸功，kJ；h1、h2分别为单位质量物质在初始状态和终止状态的焓，kJ/kg；s1、s2分别为单位质量物质在初始状态和终止状态的熵，kJ/（kg·K）；T2为终止状态下物质的绝对温度，K。

3 化学爆炸能量计算

当LNG 释放达到一定的浓度（LNG 爆炸下限5%，爆炸上限15%），甲烷与空气中的氧气反应，则会引起化学爆炸，反应式如下：

表1 LNG 储罐爆炸能量计算结果

表2 爆炸冲击波对人员伤害的结果估算

表3 爆炸冲击波对建筑破坏的估算结果

4 TNT 当量计算

根据计算的物理爆炸能量和化学爆炸能量，得到爆炸总能量。利用TNT 当量法，将能量转化为TNT 当量。1kg TNT 爆炸所释放的爆破能量为4230 ～4836kJ，一般取1kg TNT 爆炸所放出的平均爆破能量为4500kJ。TNT当量计算见式（4）。

式中，W 为爆炸总能量kJ；q 为爆炸冲击波的TNT 当量，kg。

5 爆炸冲击波危害后果估算

爆炸冲击波超压对人员和建筑的危害半径估算公式为：

式中：R 为目标与爆炸中心的实际距离，m；R0为目标与基准爆炸中心的相当距离，m；q0为基准爆炸能量，取q0=1000kg；α 为爆炸试验模拟比。

计算时，根据式（5）计算出爆炸试验模拟比α。根据文献[4]对人员的伤害作用和对建筑的破坏作用对应的超压范围，按照文献中1000kg TNT 在空气中爆炸产生的冲击波超压与R0的对应关系，采用等距节点插入法，计算出对人员不同伤害作用和对建筑不同破坏作用对应的R0。然后，再根据式（4）计算出不同伤害、破坏作用的实际距离。

6 算例

以80m3某LNG 低温储罐为例，工作压力0.3MPa，工作温度-149℃（124.15K），充装系数取0.9，密度取456kg/m3，假设爆炸后的终止状态为常压，温度25℃（298.15K），计算结果见表1 ～3。

7 结果分析及讨论

从表2 和表3 的计算结果可以看出，LNG 的爆炸破坏范围还是比较大的，能够造成距离爆炸源668.53m 范围内大部分人员伤亡，造成人员轻伤的距离达到1644.16m，而对建筑的破坏最远距离达到了2858.20m。

对比物理爆炸和化学爆炸破坏冲击波的影响范围也可以看出，因为LNG 体积约为同量气态天然气体积的1/625，燃 烧 热 达 到55496.0kJ/mol，LNG 的 化 学爆炸的能量冲击波的影响范围要远远大于物理爆炸冲击波的影响范围。LNG 的使用，大大降低了污染物的排放，在给世界带来方便的同时，也给世界带来了更多的安全隐患。因此，做好LNG 及其运输、储存等设备的管理和监管，增强相关场所和人员的安全防护，才能够更多地避免安全事故，降低人员的伤亡和财产的损失。