一起反应失控爆炸事故的超压后果分析*

孙 峰

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 前言

爆炸产生的冲击波超压是爆炸的主要危害形式。目前，存在多种模型计算爆炸的超压效应，如计算蒸气云爆炸超压的TNT法、多能法与Bake-Strehlow法等，计算物理爆炸超压的Baker-Tang法等。沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)是物理爆炸的主要形式之一。

本文以一起反应失控导致的BLEVE爆炸事故为例，通过TNT法与Baker-Tang爆炸曲线法对事故超压后果进行计算，并与现场证据相比较，考察不同模型计算的准确性，确定反应失控导致爆炸超压的优化计算模型。

1 事故概况

2016年8月，某丁二醇(BDO)工厂的废催化剂储罐发生爆炸。该废催化剂储罐的物料组成见表1，经分析，事故是由于储罐中物料的放热反应引起温度、压力上升，罐体撕裂失压，最终导致沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)而引起。

表1 转移至储罐B中的反应混合物组成

爆炸造成储罐解体，部分设施及周边建筑物严重损坏，1人死亡。图1是事故中两个最大碎片飞行轨迹的俯视图。图2显示了爆炸造成的管廊和建筑物损坏情况。

图1 碎片飞行轨迹俯视图

图2 爆炸造成的管廊和建筑物损坏情况

2 爆炸后果计算模型与方法

2.1 不同爆炸超压下的现象

参照TNO紫皮书与《化工过程安全理论及应用》，可以得到爆炸现场不同破坏情况时的爆炸超压，典型的对应关系见表2。

表2 不同超压下的破坏情况

2.2 爆炸超压的理论确定方法

爆炸超压理论上的确定方法可分为TNT法和Baker-Tang爆炸曲线法。

TNT法爆炸超压的计算公式如下：

(1)

式中：

z

——比拟距离，m/kg；

x

——距爆炸源的距离，m；

m

——TNT当量质量，kg。

m

的计算方法为：

(2)

式中：Δ

H

——爆炸释放用于冲击波的能量,kJ；Δ

H

——TNT释放能量,4 600 kJ/kg。

(3)

式中：

p

——

x

位置处的爆炸超压,kPa；

P

——环境压力,100 kPa；

式(3)对发生在地面上的TNT爆炸有效，对于发生在高空中的爆炸，超压应该乘以0.5。

(4)

式中：

E

——爆炸能量,kJ；

然后根据图3所示Baker-Tang爆炸曲线确定爆炸超压,图中

P

/

P

为初始压力与环境压力比值。

图3 不同容器压力下的爆炸能量

2.3 爆炸能量的估算方法

爆炸前储罐的温度高于环境温度下水的沸点，因此选择闪蒸液体法计算爆炸能量。考虑地面反射效应，爆炸能量需要加倍。爆炸能量可以用下面的方程式来确定。

E

=2(1-

η

)

e

m

(5)

式中：

E

——膨胀能量,kJ；

η

——用于抛射物的能量比；

m

——液体的质量,kg；

e

——单位质量释放总能量,kJ/kg，计算方法如下：

e

=

u

-

u

(6)

u

=

h

-

P

v

1

(7)

u

=(1+

X

)

h

2+

Xh

2-(1-

X

)

P

v

2-

XP

v

2

(8)

(9)

式中：

u

——单位质量的内能,kJ/kg；

h

——比焓,kJ/kg；

P

——绝对压力,kPa；

v

——比体积,m/kg；

X

——蒸气质量分数；

S

——比熵,kJ/(kg·K)；下标1表示初始状态，下标2表示环境压力下的状态，下标

f

表示液相，下标

g

表示气相。

3 爆炸后果分析

3.1 确定爆炸超压

根据现场的破坏情况，按照表2所列不同超压下的破坏情况，爆炸超压情况可确定为表3。

表3 根据爆炸现场确定的爆炸超压

爆炸中心以南50 m管廊发生倾斜变形，超压估计为15.8 kPa；爆炸中心以西92 m的房屋窗户严重受损，超压估计为7～10 kPa；爆炸中心以东107 m窗户框架偶尔遭到破坏，房屋部分破坏，不能居住，爆炸超压6.9 kPa。

3.2 计算爆炸能量

爆炸初始状态下的温度约为150 ℃。当填充率为80%时，罐内液体的质量远大于气相的质量，因此忽略了气体物理爆炸的能量。过热液体释放的能量可以用式(5)～式(9)计算。表4列出了水在初始状态和最终状态下的热力学数据。

由表4计算可知，

u

和

u

分别为631.80，602.82 kJ/kg，因此单位质量释放能量

e

为28.98 kJ/kg。

表4 水在初始和最终状态下的热力学数据

储罐容积为188 m，填充率为80%，混合料密度为1 200 kg/m，水质量分数为50%，水质量为90 240 kg。爆炸能量包括用来使容器破裂，抛出碎片。撕裂容器所需的能量占总能量的比例相对较低，可以忽略不计。爆炸用来推动碎片的能量占总能量的20%～50%。因此，使用方程(5)估计膨胀能

E

为2.62E+9 J(用于碎片的能量占50%)到4.18E+9J(用于碎片的能量占20%)。

3.3 计算爆炸超压

爆炸超压采用TNT当量法与Baker-Tang爆炸曲线法计算，TNT当量法用方程(1)、(2)和(3)计算，Baker-Tang爆炸曲线法用方程(3)和图3计算。表5列出了计算的爆炸超压。

从表5可以看出，TNT当量法计算的结果明显高估超压，这是由于TNT法建立在假设燃料爆炸行为与TNT爆炸相似的基础上，而BLEVE爆炸行为显然与TNT爆炸行为有较大不同。用Baker-Tang爆炸曲线法计算的超压与根据爆炸现场破坏情况确定的超压非常吻合，特别是当估计碎片所占能量在32%～50%之间时，结果几乎一致。因此，Baker-Tang爆炸曲线法比TNT当量法更适合于BLEVE超压预测。

表5 TNT当量法与Baker-Tang爆炸曲线法计算的爆炸超压

4 结论

通过爆炸现场的证据分析确定了BLEVE爆炸的实际超压，通过TNT法与Baker-Tang爆炸曲线法计算了理论超压，结果表明：用TNT当量法计算的理论超压过高估计了实际超压。当估计碎片所占能量在32%～50%之间时，Baker-Tang爆炸曲线法计算的超压与实际爆炸超压吻合较好。因此，Baker-Tang爆炸曲线法是沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)超压预测的有效工具。