基于ALOHA的LPG泄漏爆炸事故模拟研究

李利，闫熠辉，江黎丽，任克京，潘太星

（1.沈阳化工大学 环境与安全工程学院，辽宁 沈阳 110142；2.辽宁省检验检测认证中心 辽宁省安全科学研究院，辽宁 沈阳 110004）

液化石油气（LPG）以其燃烧效率较高、环境污染小的特点，逐步成为工业生产的首选燃料，这也导致了其在世界范围内加工、储存和运输的显著增长。LPG是具有蒸气分散特性的低温流体，一旦发生泄漏极易形成火灾、爆炸和中毒等事故，并造成严重的人员伤亡、经济损失和环境污染等一系列社会问题[1-2]。2012年10月6日，湖南怀化常吉高速公路官庄镇1117段地穆庵隧道口，1辆LPG槽罐车侧翻后爆炸，导致5人死亡[3]；2017年6月5日，临沂市金誉石化有限公司装卸区1辆LPG槽罐车在作业过程中发生泄漏，导致着火爆炸，造成10人死亡、9人受伤，直接经济损失4 468万元[4-5]。

近年来，国内学者利用ALOHA软件对罐车泄漏爆炸事故进行大量的模拟研究。张贝[6]等通过ALOHA模拟了不同风况下分别装载甲胺、乙醛和丙酮3种危险介质的运输罐车泄漏发生火灾与中毒事故时，火灾热辐射、蒸气可燃、毒气扩散3种事故后果对泄漏源邻近区域的伤害影响范围；王露熹[7]等利用ALOHA 软件，模拟不同风力因素对LPG槽车火灾爆炸后果的破坏影响规律；戴俊岩[8]等利用ALOHA 软件定量模拟出事故危害范围与危害等级，发现模拟结果与事实相符，并提出相应的措施；黄拴雷[9]等采用ALOHA软件对LPG储罐泄漏事故进行数值模拟；朱家鑫[10]针对LPG泄漏事故后果类型，结合危害范围的模拟方法，借助ALOHA软件，对LPG储罐泄漏事故及泄漏可能导致的火灾爆炸事故的危害范围进行了模拟；LYU[11]等利用EFFECTS和ALOHA软件对油罐碎片分布、LPG池蒸发扩散、LPG气云扩散和蒸气云爆炸进行了模拟。本文以温岭LPG槽罐车泄漏爆炸事故为研究对象，运用ALOHA软件不仅模拟了事故后果的影响范围，而且考虑了泄漏量、风速、地面粗糙度等因素对火灾热辐射范围、蒸气云可燃区域扩散范围的影响，以期为LPG罐车泄漏事故的防范和应急救援工作提供依据。

1 事故分析

1.1 事故概况

2020年6月13日16时41分许，1辆液化石油气运输槽罐车在台州温岭市的沈海高速公路温岭段温州方向温岭西出口下匝道发生一起重大爆炸事故，造成20人死亡、24人重伤。此次事故一共发生了2次爆炸，第一次爆炸发生在42分58秒，发生在沈海高速公路温州往宁波方向跨线立交桥，爆炸后火势向西传播。8 s后，在高速公路约100 m处的厂房发生了大面积的、剧烈的第二次爆炸，对附近车辆、道路、周边良山村部分民房和厂房造成不同程度损坏。

1.2 事故原因分析

事故原因是车辆进入弯道路段时未及时采取减速措施导致车辆发生侧翻，罐体前封头与跨线桥混凝土护栏端头猛烈撞击，形成破口，在冲击力和罐内压力的作用下快速撕裂、解体，然后罐体残片及半挂车呈不同方向飞出，罐体内液化石油气迅速泄出、汽化、扩散并蔓延，遇过往机动车产生的火花爆燃，最后发生蒸气云爆炸。

根据事故现场监控视频分析，41分19秒液化石油气从罐车泄漏出来扩散到空气中，起初液化石油气浓度很高，随着向空气中蔓延，浓度逐渐降低。42分58秒的时候，蒸气云浓度达到爆炸极限的范围，在立交桥遇到行驶的车辆产生的火花发生了第一次爆炸，液化石油气持续燃烧，在立交桥上空出现了火舌现象。液化石油气的持续燃烧导致环境温度上升，给未挥发的液化石油气增加了热量，加速了液化石油气的挥发，同时燃烧导致环境中的气流紊乱，为液化石油气又提供了大量的氧气进行燃烧，导致8 s后发生了第二次爆炸。LPG槽罐泄漏事故后果分析见图1。

图1 LPG槽罐泄漏事故分析

2 事故后果计算及模拟分析

2.1 事故后果计算

事故罐式半挂车罐体容积为61.9 m3，内径为2.525 m，设计压力为1.61/-0.1 MPa，长度为13.23 m，设计温度为323.15 K，最大充装量为26 000 kg。

蒸气云爆炸的TNT当量[12-14]：

式中：WTNT—蒸气云的TNT当量，kg；

α—地面爆炸修正系数，取 1.8：

A—蒸气云的TNT 当量系数，取0.04；

Wf—蒸气云中燃料的总质量，kg；

Qf—燃料的燃烧热，取46 264 kJ·kg-1；

QTNT—TNT的爆热，取4 520 kJ·kg-1。

蒸气云爆炸的死亡半径R1：

蒸气云爆炸的重伤半径R2和轻伤半径R3：

式中：p0—环境大气压力，取101.3 kPa；

∆p—冲击波超压，重伤冲击波超压取44 kPa，轻伤冲击波超压取17 kPa；

Z—无量纲距离；

E—爆源总能量，kJ。

财产损失半径R4：

式中：KII—二级破坏系数，即一般建筑物受到严重破坏，取4.6。

经计算得出WTNT=18 689 kg，死亡半径R1=40 m，重伤半径R2=102 m，轻伤半径R3=184 m，财产损失半径R4=121 m，伤害半径现场直观图见图2。

图2 伤害半径直观图

2.2 基于ALOHA的事故模拟

ALOHA为基于Windows和Macintosh操作系统开发的独立应用程序。其主要目的是向应急管理人员提供与挥发性和可燃化学品瞬时意外释放危害的空间范围估计。ALOHA还涉及处理与吸入有毒化学蒸气、化学火灾产生的热辐射以及蒸气云爆炸产生的压力波等危害问题[15]。

2.2.1 模拟情景

事故发生在温岭G15高速公路，液化石油气罐车实际充装量为25 360 kg，模拟具体参数如表1所示。

表1 模拟具体参数

事故罐车充装的液化石油气主要成分为丙烷，假设液化石油气从储罐的底部以近似圆形的孔径泄漏，事发地周围地区高度工业化，选择城市粗糙度选项，模拟时所选用的化学品为丙烷。

2.2.2 热辐射模型

ALOHA使用固体火焰模型来计算火球、喷射火和池火的热辐射危害。在这3种情况下，计算从火焰表面发射的热辐射通量，热辐射计算公式如式（8）所示。

式中：q—入射垂直表面的热辐射通量，kW·m-2；

E—热辐射在火球表面的能量通量，kW·m-2；

F—几何视图因子；

τ—大气对热辐射的透射率。

2.2.3 重气扩散模型

LPG在常温常压下密度是空气的1.5～2.0倍，属于重质气体，其扩散模型为：

式中:c(x,y,z)—任意一点的体积分数，10-6；

cc(x)—中心线地面体积分数，10-6；

Sy(x)—横向扩散参数，m；

Sz—纵向扩散参数，m；

|y|—侧风向距离；

b—均质核心部分的半宽度，m。

2.3 事故后果模拟分析

2.3.1 热辐射危害影响范围

与BLEVE相关的池火灾、喷射火和火球因其燃烧时间长，从而形成持续的热辐射源，并在远离火焰锋面的地方造成伤害，其对人体的影响取决于辐射时间和强度。ALOHA将火灾热辐射划分为3个区域：10 kW·m-2为死亡阈值，5 kW·m-2可导致无保护皮肤的二级烧伤，2 kW·m-2会引起疼痛。图3为模拟条件下该LPG泄漏形成蒸气云爆炸事故的热辐射危害范围。此次事故中，60 s内可能致死的最大半径为357 m；60 s内二级烧伤的最大半径为503 m；60 s内引起疼痛的最大半径为783 m。

图3 火灾热辐射危害影响范围

2.3.2 蒸气云泄漏后易燃区

ALOHA中模拟的易燃区域分析旨在解决与火灾或由易燃化学气体和空气混合物组成的蒸气云爆炸相关的危险。易燃区域是指火源可能导致闪燃或蒸气云爆炸的区域以及可能发生火灾的区域。虽然蒸气云爆炸可以在易燃区域之外产生破坏性冲击波，但闪燃的火灾危险通常不会形成破坏性冲击波。ALOHA默认将60%LEL和10%LEL作为蒸气云易燃区域的划分标准。图4为模拟条件下该LPG罐车形成蒸气云泄漏事故的易燃区。

图4 易燃区影响范围

ALOHA 模拟了事故条件下的危险区域，由图4可知，当LPG浓度为60% LEL时，其爆炸半径为278 m，侧风向影响距离为260 m，为预测的易燃区域，泄漏后如果该区域存在有效点火源，则会导致LPG 燃烧或爆炸事故的发生。因此，在该区域内应排除一切可能的明火、摩擦撞击火花、高温热表面以及静电火花等点火源，避免其成为有效点火源。此次事故发生区域地形较复杂，各类点火源难以控制，人员、车辆频繁进出，都有可能导致有效点火源的形成，因此对这一区域要加强安全管理。

黄色区域为LPG 浓度为10% LEL 的危险区域，其下风向影响距离为759 m，侧风向影响距离为430 m，该浓度值通常应用为应急救援的响应浓度，其对应的影响半径作为应急处置的警戒范围。

2.3.3 毒气扩散影响范围

ALOHA采用关注水平（LOC）来解决有毒空气羽流、火灾和爆炸对人类的影响。对于吸入危害，ALOHA的LOC是与不利于健康相关的空气传播化学品浓度有关。本文以暴露时间为60 min的AEGLs（急性暴露指南水平）为标准。运用ALOHA软件模拟出的事故毒气扩散影响范围见图5。

图5 毒气扩散影响范围

其中，有毒蒸气云扩散后体积分数大于3.3%（暴露时间60 min情况下AEGL3级）的下风向最大距离为158 m，扩散范围为红色区域；体积分数大于1.7%（暴露时间60 min情况下AEGL2级）的下风向最大距离为234 m，扩散范围为橙色区域；体积分数大于0.55%（暴露时间60 min情况下AEGL1级）的下风向最大距离为445 m，扩散范围为黄色区域。由图4、图5可知，在事故首次爆炸点的LPG毒性的死亡伤害区域，仍为爆炸浓度的最大伤害范围，若不发生爆炸，体积分数将超过3.3%，也进一步证实了事故二次爆炸发生的必然。

2.4 泄漏量对火灾热辐射范围、火球直径及蒸气云扩散可燃区域的影响分析

以事故模拟参数为基础，研究泄漏量的变化对LPG槽罐泄漏爆炸事故的后果影响，如图6所示。

图6 泄漏量变化对热辐射危害范围和火球直径的影响

由图6可以看出，随着液化石油气罐车的泄漏量的增大，热辐射3个等级的危害区域和火球直径都在显著增加，但其增长程度略有下降。

液化石油气罐车发生泄漏爆炸时，泄漏量与热辐射危害范围、火球直径有关，如图7所示。

分析图7发现，蒸气云扩散浓度（>60%LEL）下风向最大距离随着泄漏量的增大，呈现出先增加后不变的趋势，距离不变时所对应的泄漏量约为10 t；蒸气云扩散浓度（>10%LEL）下风向最大距离随着泄漏量的增大，呈现出增加的趋势，但在泄漏量为10 t以后，其距离增加程度明显减小。因此，液化石油气罐车发生泄漏时，存在一个临界泄漏量，小于临界泄漏量时，泄漏量与蒸气云扩散下风向最大距离有关；大于临界泄漏量时，泄漏量与蒸气云扩散下风向最大距离无关。

2.5 风速对火灾热辐射范围、火球直径及蒸气云扩散可燃区域的影响分析

以事故模拟参数为基础，选取了1级风到6级风的代表风速研究了风速大小对液化石油气槽罐发生泄漏爆炸事故后果变化的影响，如图8、图9所示。

图8 风速大小变化对热辐射危害范围和火球直径的影响

图9 风速改变对于蒸气云扩散可燃区域的影响

由图8可知，随着风速的增大，热辐3个等级的危害区域和火球直径都保持不变。因此，液化石油气罐车发生泄漏时，风速大小与热辐射危害范围、火球直径无关。

由图9可知，蒸气云扩散浓度下风向最大距离随着风速的增大，呈现出减小的趋势。因此，液化石油气罐车发生泄漏时，风速大小与蒸气云扩散下风向最大距离有关。

2.6 相对湿度对火灾热辐射范围、火球直径及蒸气云扩散可燃区域的影响分析

以事故模拟参数为基础，选取了5个典型的相对湿度和事故当天的相对湿度研究了不同相对湿度下液化石油气槽罐发生泄漏爆炸事故的后果变化，如图10所示。

图10 相对湿度大小变化对热辐射危害范围和火球直径的影响

由图10可以看出，随着相对湿度的增大，热辐射3个等级的危害区域和火球直径都在减小，但其减小程度略有下降。因此，液化石油气罐车发生泄漏爆炸时，相对湿度与热辐射危害范围、火球直径有关。

图11为相对湿度大小改变对于蒸气云扩散可燃区域变化的对应关系。蒸气云扩散浓度下风向最大距离随着相对湿度的增大，呈现出不变的趋势。因此，液化石油气罐车发生泄漏时，相对湿度大小与蒸气云扩散下风向最大距离无关。

图11 相对湿度改变对于蒸气云扩散可燃区域的影响

2.7 地面粗糙度对火灾热辐射范围、火球直径及蒸气云扩散可燃区域的影响分析

以事故模拟参数为基础，选取了6个典型的地面粗糙度数值研究了不同地面粗糙度下液化石油气槽罐发生泄漏爆炸事故的后果变化，如图12、图13所示。

图12 地面粗糙度的变化对热辐射危害范围和火球直径的影响

图13 地面粗糙度改变对于蒸气云扩散可燃区域的影响

由图12可以看出，随着地面粗糙度的增大，热辐射3个等级的危害区域和火球直径都保持不变。因此，液化石油气罐车发生泄漏爆炸时，地面粗糙度大小与热辐射危害范围、火球直径无关。

由图13可知，蒸气云扩散浓度下风向最大距离随着地面粗糙度的增大，呈现出减小的趋势。因此，液化石油气罐车发生泄漏时，地面粗糙度大小与蒸气云扩散下风向最大距离有关。

3 结 论

1）本文利用TNT当量法计算得到此次事故蒸气云爆炸冲击波超压造成的事故死亡半径为40 m，重伤半径为102 m，轻伤半径为184 m，财产损失半径为121 m，与现场事故伤害范围相符。

2）采用了ALOHA软件对温岭LPG槽罐车爆炸事故进行了模拟，可以得出此次事故的60 s内火灾热辐射的可能致死、二级烧伤、造成疼痛的危害范围分别是357、503、783 m；事故蒸气云扩散可燃区域浓度超过60%LEL和10%LEL的最大下风向距离分别是278、759 m；事故毒气扩散体积分数大于3.3%的下风向最大距离为158 m，体积分数大于1.7%的下风向最大距离为234 m，体积分数大于0.55%的下风向最大距离为445 m。

3）液化石油气罐车发生泄漏爆炸时，泄漏量与热辐射危害范围、火球直径有关，环境相对湿度与热辐射危害范围有关，风速、地面粗糙度与热辐射危害范围、火球直径无关。泄漏量越大，热辐射危害范围越大，火球直径越大；环境相对湿度越大，热辐射危害范围越小。

4）蒸气云泄漏扩散时，存在一个临界泄漏量，小于临界量时，与蒸气云扩散下风向最大距离有关且呈线性正相关；大于临界量时，与蒸气云扩散下风向最大距离无关。风速、地面粗糙度大小与蒸气云扩散下风向最大距离有关，风速越大，地面粗糙度越小，蒸气云扩散下风向最大距离越小；环境湿度大小与蒸气云扩散下风向最大距离无关。