高速公路车辆发生火灾爆炸事故的危险性分析

孙雪伟 高培伟 张万磊 廖启旺 陈光玲 王珂

摘 要：近几年来，我国高速公路迅速发展的同时公路车辆火灾爆炸事件时有发生，不仅造成财产损失、交通堵塞等事故，高温产生的热辐射还会对公路周围的人员和建筑物产生影响。将热辐射作为火灾危害程度和伤害范围的一个判定值，采用合理的热辐射评估方法进行预测可以有效降低损失，为灾害防治提供理论指导和技术支持。

关键词：高速公路;火灾;热辐射;评估方法

中图分类号：U492.83 文献标识码：A

0 引言

高速公路具有通行速度快、车流量大的特点，给人们带来交通便利的同时，车辆在高速行驶时，因物的不安全状态、环境、驾驶人员的不安全行为等因素，也存在着较大的安全事故隐患，一旦发生事故将会引起火灾、爆炸等将严重威胁人类生命安全。据不完全统计，目前全世界70多亿人口每年有100多万死于交通事故，其中车辆发生火灾爆炸产生的影响最为严重。国内外对于高速公路的火灾爆炸事件极为重视，有很多学者也展开了一系列的研究[1-3]。目前，关于火灾、爆炸导致热辐射后果的研究主要分为人体烧伤、物体损坏（包括对木材、草地、建筑等）两方面。评估人体烧伤的方法主要有两种：热辐射通量准则[4]和热剂量伤害方程。Henriques提出可以使用一阶阿伦尼乌斯（Arrhenius）公式来计算皮肤烧伤的累积程度，以此判断烧伤等级的方法。对于评估物体损害方面的研究较少，大多数通过临界热流和临界温度两个参数来判断物体是否被损坏，但该方法仅适用于稳态火灾，难以评估非稳态火灾热辐射危害因此，建立相应的评估方法对高速公路车辆火灾爆炸事故的危险性进行研究是十分必要的，对于降低高速公路火灾、爆炸事故的危险性具有重要的实际意义。

1 高速公路车辆火灾事故成因及特点

1.1 事故成因

（1）物的不安全状态。车辆本身存在安全隐患，如车辆的老化会导致部件失灵，主要包括轮胎磨损破裂，车辆制动系统失效，发动机内有沉淀物等。（2）环境因素。高速路段环境的变化也是导致事故的原因之一，遇到恶劣天气如雷雨天气导致车外视线模糊不清，或出现山体滑坡或者地震等自然灾害也会导致车辆来不及躲避出现交通事故继而引发火灾事故。（3）人的不安全行为。驾驶人员的不安全行为是导致事故发生的主要原因，主要的不安全行为有：驾驶人员不具备行驶资格或对车辆性能了解不足导致的操作失误;驾驶人员对载有易燃易爆物品的车辆缺乏安全救援意识，未能按要求定期进行安全检查，采取相应的预防措施;驾驶人员主观存在违章行为和心理特征。

1.2 高速公路火灾事故特点

（1）燃烧蔓延迅速。高速公路路面风较大，且车辆行驶中加快了空气对流，当火灾发生后，充足的氧气会使火势迅速蔓延，短时间内从最初的缓慢燃烧发展到充分燃烧阶段。（2）火灾控制难度大。易燃易爆危化品在运输中发生泄漏，短时间内會迅速扩散，遇到点火源会发生火灾甚至引起爆炸，火势会根据环境发生变化，加大了消防救援难度。（3）伤害范围大。车辆起火通常为发动机起火，高速行驶过程中空气流通强，火势变化难以控制。一旦火势蔓延到附近山林、住宅区，将可能造成群死群伤事故。（4）受客观条件限制，救援相对困难。高速公路发生火灾后消防车以及救护车受到高速公路入口和方向的限制难以及时救援。另外，在救援过程中有时需要大量的水源，会出现消防车自备水用完的情况，延误消防时间。（5）易引发次生灾害和二次事故。未燃烧的有毒气体会造成中毒、窒息乃至死亡，引发二次交通事故。

2 高速公路火灾事故热辐射危害评估方法

热通量准则一直是评估火灾事故中热辐射危害后果的主要方法，该准则以目标接收到的热通量作为衡量其是否被破坏的标准，它适用于稳态火灾，具体评判准则如表1所示。

实际情况下，高速公路环境复杂，单一的热通量准则很难去判断对人体，对物体的损伤。因此，将分别介绍适用于变热流下对人体、物体热辐射损害评估方法。

2.1 人体损伤的计算方法

热辐射剂量法认为目标是否被破坏必须由热通量和作用时间共同决定，热辐射剂量（r）计算公式如下：

（1）

当r=1 060（kW/m2）4/3s时，死亡概率为1%;r=2 300 （kW/m2）4/3s时，死亡概率为50%;r=3 500（kW/m2）4/3s时，

死亡概率为99%。Eisenberg通过研究得到皮肤暴露面积为20%时，热辐射剂量和伤害概率的经验关系为：

死亡： （2）

二级烧伤： （3）

一级烧伤： （4）

伤害百分数： （5）

Rausch推荐管道泄漏热辐射对人体的暴露时间为30 s。实际事故中，热辐射会随着泄漏时间而减小，为了更加准确的预测变热流对周围人员和物体造成的危害，结合微积分的思想，将热辐射通量—

时间曲线中的时间分割为多个无限小的时间间隔如图1所示，并假定在每个时间间隔内，目标所接受的热辐射为前后两个相邻时刻的辐射热通量的平均值，则tn时刻辐射热流可表达为： （6）

变热流下，热辐射剂量计算公式为：  （7）

2.2 对物体损伤的计算

利用基于半无限大固体假定的物体温度计算方法和集总热容法可以用来预测热辐射作用下物体的温度。对于可燃物，通过计算出的温度可以判断是否被点燃;对于不可燃物体，则可以判断是否会融化或者强度失效。

（1）基于半无限大固体假定的物体表面温度计算。当物体厚度较大时，如木材、墙壁等，可以将其假设成半无限大固体模型，再计算物体表面温度。在稳态热流下，距离表面x位置处的温度可以表示为：

（8）

式中，为净辐射热流，

，其中为空气对流换热系数，是火焰发射率，是斯提芬波尔曼兹常数;为物体初始温度;为时刻，深度为x的温度;α为热扩散系数，α=k/ρc，k是导热率，是密度，c是比热容。当x=0，即物体表面温度为：（9）

当物体接受的是变辐射热流时：（10）

因为，当，，此时因为时间间隔很短，为了简化计算，则将，，。则计算变辐射热流下物体表面温度的公式为：（11）

（2）基于集总热容法的薄壁物体温度计算。对于厚度较小的物體如树叶、草叶等，在热流作用下，其内部温度近似均匀一致，可以使用集总热容法来计算物体的温度。

对于薄壁物体，应用瞬态能量守恒方程：（12）

式中，V是薄壁物体的体积;A是薄壁物体的接受热流面的面积，V=Ad，d为厚度。

则变辐射热流作用下薄壁物体表面温度可以表示为：（13）

3 结论

通过分析高速公路车辆发生火灾爆炸事故的成因及特点，针对火灾产生的热辐射对周围环境和人员的伤害范围及程度进行预测。利用热辐射计量法预测人员受到的热辐射导致的皮肤烧伤等级，通过半无限大固体假定的物体温度计算方法和集总热容法预测热辐射作用下物体的温度，提出了高速公路车辆火灾事故热伤害预测范围，有利于对事故的损失程度进行预测，为事故应急救援提供理论技术支持。由此可见，只有不断优化事故预防措施，提高事故分析能力，才能为高速公路火灾事故的预防提供更好的保障。

参考文献：

[1]Cleary M，Kornhaber R，Thapa D K，et al.A quantitative systematic review assessing the impact of burn injuries on body image[J].Body Image，2020（33）：47-65.

[2]Chauhan J，Goyal P.BPBSAM：Body part-specific burn severity assessment model[J].Burns，2020（6）：1407-1423.

[3]Kim M O，Kim K，Yun J H，et al.Fire risk assessment of cable bridges for installation of firefighting facilities[J].Fire Safety Journal，2020（115）：103146.

[4]路世昌，王刚，彭锦志，等.临时加氢站火灾爆炸风险评估及防范对策[J].消防科学与技术，2012（2）：201-204.