机场货站易爆危险品存储区外部安全防护距离研究*

杜 珺，施 文，程东浩

(1.中国民航大学 经济与管理学院，天津 300300； 2.中国民航科学技术研究院 危险品运输管理中心，北京 100086)

0 引言

随我国物流业发展与航空货运能力提高，危险品航空货邮运输量持续增加。2019年全国机场危险品货物吞吐量为93.7万t，同比增长15.25%。全国机场危险品货物吞吐量占全国机场货邮吞吐量5.48%，同比增长0.62个百分点[1]。2020年，航空货运发展提升为国家战略，为满足发展需求，大量机场货站需新建或改扩建。机场货站作为航空货邮运输枢纽，是各类危险品集散地,部分易燃易爆危险品在特定条件下会引发火灾爆炸事故，严重威胁人员生命财产安全,破坏周围环境。因此，对机场货站进行外部安全防护距离规划意义重大。

部分学者针对危险品存储区安全防护距离进行研究：刘星[2]通过爆炸与毒气扩散2种灾害模式，将冲击波伤害与毒气中毒有效剂量作为综合判断标准，确定物流基地危险化学品存储区域外部安全防护距离；段志男等[3]通过仿真方法构建危险品堆场选址模型发现，间接经济损失应被重点考虑；高建明等[4]通过风险分析法将个人与社会风险容许值应用于危险化学品生产储存装置安全防护距离研究。上述研究均基于某种特定危险品进行，而机场货站危险品种类与存储量具有明显随机性和不确定性。因此，陈武争等[5]采用随机模拟方法，建立危险品集装箱堆场爆炸威力计算模型，解决爆炸威力计算时堆场内危险品种类和数目不确定问题，但未考虑危险品包装约束对计算结果影响。本文基于爆炸威力计算模型，利用有限元分析软件AUTODYN模拟包装约束下爆炸品爆炸冲击波特性，通过引入包装约束系数描述包装材料对爆炸威力影响，以期更精确计算航空运输易爆危险品存储区爆炸事故影响范围。

1 危险品航空运输特点

1.1 机场货站危险品存储特点

机场货站是危险品航空运输转运中心，主要工作包括对货物进行安全检查、打板组装、短时存储等。相对普通存储仓库，机场货站存储危险品货物包装要求高，存储量小，存储周期短，且必须按要求分类存放于货站内危险品存储专用区或存储专用库。因此，普遍认为机场货站危险品存储区安全风险较低，导致机场货站危险品存储区外部安全防护距离规划建设不完善。

随商业化发展，机场货站距离商业建筑、居民小区越来越近，而易燃易爆危险品本质危险性始终存在，同时伴随包装件破损、存储环境变化、长期滞留等潜在不安全因素，可能直接或间接引发存储区内不安全事故。因此，设置有效安全防护距离十分必要。

1.2 航空运输易爆危险品及其包装件特点

航空运输主要涉及易爆危险品包括：第1类爆炸品中1.3项即具有起火危险性、轻微爆炸危险性或轻微喷射危险性、或两者兼而有之但无整体爆炸危险性的物品和物质；第1.4项即不存在显著危险性的物品和物质；第4类易燃固体中第4.1项即易燃固体、自反应物质和减敏固体爆炸品；第5类氧化性物质和有机过氧化物中第5.2项即有机过氧化物等。危险品航空运输技术要求见表1。由表1可知，硝化淀粉UN编号1337，属减敏固体爆炸品：空运时，选用外包装必须为UN规格I级包装，包装性能标准较高，安全防护较好；客机运输时，每个包装件最大净重1 kg；货机运输时，每个包装件最大净重不能超过15 kg，可通过限定减敏固体爆炸物重量控制其事故危害程度。

表1 危险品航空运输技术要求

包装是危险品运输过程中重要组成部分，合适的包装可将危险品危险性控制在包装内，防止外溢或对外产生影响，是危险品运输重要安全措施。对每种包装进行试验，具体包括跌落试验、防渗漏试验、液压试验、堆码试验等，确保包装达到合格标准后投入使用。航空运输危险品包装可有效提高危险品运输安全性，但不同硬性材质外包装对易爆危险品爆炸威力影响不同。

2 爆炸威力计算模型

(1)

式中：M为n种易爆危险品等效TNT总质量，kg；γi为易爆危险品TNT转换系数；mi为单个包装件内危险品质量，kg；pi为包装约束系数；Ni为易爆危险品包装件数。

利用matlab生成x组随机数，令每组随机数个数为n且和为N，当x足够大时，每组随机数取值均匀分布在一定范围内，将每组随机数依次代入式(1)求解x个等效TNT当量值Mj，当x大于等于106时，Mj概率密度函数分布形态近似正态分布。当易爆危险品等效TNT当量设计值不小于真实值，认为设计防护距离有效。

3 包装约束系数确定

航空运输危险品包装提高危险品运输过程安全性，但不同硬性材质的外包装对易爆危险品爆炸威力影响不同。为明确不同材质外包装对易爆危险品爆炸威力影响，本文利用有限元分析程序AUTODYN，对不同材质外包装TNT炸药在空气中爆炸产生冲击波特性进行研究。

3.1 有限元建模及材料模型选择

本文采用二维轴对称方式进行建模。设置炸药为1 kg球形药包，起爆位置为球心，起爆方式为点起爆，区域为7 m×7 m，网格尺寸为20 mm[7]；包装材料选择聚碳酸酯(POLYCARB)、钢(STEEL 1006)和铝(AL6061-T6)，厚度均为1 mm；空气、炸药模型采用Euler算法，包装材料模型采用Lagerange算法，定义Euler-Lagerange耦合[8]；对对称轴以外边界施加流出边界(flow_out)，避免冲击波在边界处发生反射[9]。

TNT炸药通过JWL状态方程描述，如式(2)所示：

(2)

式中：A、B为材料压力参数，GPa；R1、R2、w为试验拟合参数；e为比内能，kJ/kg；η=ρ/ρ0；ρ0为初始密度，g/cm3；ρ为当前密度，g/cm3。TNT状态方程参数见表2。

表2 TNT状态方程参数

空气采用理想气体(Ideal Gas)状态方程如式(3)所示：

p=(γ-1)ρe

(3)

式中：γ为绝热指数，取1.40；ρ为气体密度，kg/m3，取1.225；e为比内能，取206.8 kJ/kg。

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包装材料均通过Shock状态方程描述，如式(4)～(6)所示：

U1=C1+S1up,U2=C2+S2up

(4)

U=U1(up≥VB),U=U2(up≤VE)

(5)

(6)

式中：U为冲击波速度，m/s；U1、U2为材料冲击波速度，m/s；up为粒子速度，m/s；VE为最大临界速度，m/s；VB为最小临界速度，m/s；C1、C2为材料速度参数，m/s；S1、S2为材料对应曲线斜率系数。包装材料状态方程参数见表3。

表3 包装材料状态方程参数

3.2 模拟有效性验证

通过将模拟值与经验值进行对比分析验证模型有效性。文献[10-11]基于大量试验与理论推导，总结出空气中冲击波超压峰值表达式，如式(7)～(8)所示：

(7)

(8)

式中：ΔPf为冲击波超压峰值，MPa；Z为比例爆距，m/kg1/3；R为观测位置与爆炸点距离，m；W为TNT质量，kg。

自距爆心1 m处，每隔0.2 m设置1个观测点，1 kg裸药爆炸冲击波超压峰值计算机模拟值与经验值对比结果，见表4。由表4可知，误差随比例爆距增加而减小，且当比例爆距>3.2 m时，相对误差均小于2%，在误差允许范围内。因此，选取比例爆距>3.2 m时试验数据模拟爆炸冲击波在空中传播特性。

表4 冲击波超压峰值模拟值与计算值对比结果

3.3 计算结果分析

分别使用聚碳酸酯、钢和铝作为包装材料的1 kg TNT炸药，在空气中爆炸冲击波超压峰值模拟结果见表5。

表5 不同材料包装约束下的冲击波超压峰值模拟结果

以聚碳酸酯包装材料为例，将各观测点冲击波超压峰值带入式(7)～(8)，用各观测点处TNT质量平均值表征1 kg TNT在包装约束作用下等效裸药TNT质量，为减小误差，选取比例爆距>3.2 m数据进行计算，计算结果见表6。由表6可知，TNT质量平均值约0.904 7 kg，即1 kg TNT在包装约束下爆炸等效于0.904 7 kg TNT裸药爆炸产生冲击波。引入包装约束系数p(无量纲系数)，表示单位质量带壳TNT炸药可等效质量为p的TNT裸药，厚度1 mm聚碳酸酯包装p值为0.904 7，厚度 1 mm钢壳和铝壳p值分别为0.860 1，0.870 6。

表6 聚碳酸酯包装约束下各观测点处冲击波超压峰值、比例爆距和TNT质量

4 安全防护距离计算与讨论

4.1 安全防护距离计算

某机场货站第4类危险品存储区拟存储易爆危险品货物种类见表7，拟存放包装件上限为200件。由表7可知，表中物质均属于固态减敏爆炸品。固态减敏爆炸品利用与爆炸品不发生反应的液体，将爆炸性物质稀释后形成固态均匀混合物，以降低爆炸品失控爆炸可能性。如果货物包装破损，并且抑制爆炸物质流失，则减敏爆炸品在某些条件下可能发生爆炸[12-13]。

表7 拟存储易爆危险品货物种类

根据爆炸伤害半径模型可依次求得人体分别可能遭受轻度伤害、重度伤害和死亡危害时与爆炸点最大距离，即轻伤R1、重伤R2、死亡半径R3。同理,求得财产遭受损失时与爆炸点最大距离，即财产损失半径R4，如式(9)～(12)所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：R1,R2,R3,R4分别为轻伤、重伤、死亡及财产损失半径，m；M′为TNT质量，kg；p0为大气压力，取1.01×105Pa；QTNT为TNT爆热，取4 520 kJ/kg；K3为建筑物3级破坏系数，取4.6。爆炸伤害半径见表8。由表8可知，为降低爆炸冲击波对周边人群伤害，应将轻伤半径作为外部安全防护距离参考值。

表8 爆炸伤害半径

4.2 分析讨论

基于机场货站拟存放易爆危险品货物情况，依据其他方法可得到如下安全防护距离：

1)依据事故后果法[14]计算外部安全防护距离，如式(13)所示：

(13)

式中：Δp为空气冲击波超压值，105 Pa，重要防护目标安全冲击波超压阈值为2 000 Pa；Q为1次爆炸TNT炸药当量，取1 717.197 kg；R为爆炸点距防护目标距离，m。通过计算可得外部安全防护距离为192.55 m。

2)依据《危险化学品经营企业安全技术基本要求》(GB 18265—2019)[15]，爆炸物库房与防护目标应至少保持1 000 m距离。

3)依据《小型民用爆炸物品储存库安全规范》(GA 838—2009)[16]，外部安全防护距离应大于100 m。

5 结论

1)包装约束系数表征包装约束对爆炸威力影响，通过计算得1 mm厚度聚碳酸酯、钢和铝材质外包装的包装约束系数分别为0.904 7，0.860 1，0.870 6。

2)相同厚度下，相较于聚碳酸酯和铝材质，钢材质外包装对易爆危险品爆炸威力削弱程度最大。