摘要:液化石油氣是易燃易爆的危險品,在其儲運(yùn)過程中屢有發(fā)生蒸汽爆炸事故,并常相繼引發(fā)其他類型的爆炸,造成嚴(yán)重的后果。只是由于蒸汽爆炸常常伴隨其他爆炸發(fā)生,故易被人們忽視。然而,其可能造成的危害很大,加強(qiáng)對其的研究和預(yù)防十分必要。本文分析了液化石油氣蒸汽爆炸的類型,并對其災(zāi)害因素(沖擊波、火球和拋射物)進(jìn)行了探討,總結(jié)了其火災(zāi)爆炸事故的預(yù)防措施與技術(shù)。
關(guān)鍵詞:液化石油氣 平衡破壞型爆炸 沖擊波 火球 拋射物
前言:隨著工業(yè)的發(fā)展及人民生活水平的提高,液化石油氣(LPG)已是工業(yè)上不可或缺的能源,更與人們的日常生活息息相關(guān)。由于液化石油氣本身具有易燃易爆的特性,在其生產(chǎn)、儲運(yùn)和使用過程中,如果操作處理不當(dāng)、安全管理不良,極易引起火災(zāi)事故。尤其是在液化石油氣的儲罐區(qū),儲罐集中,儲量大,一旦發(fā)生火災(zāi),往往會造成災(zāi)難性事故。如1979年吉林市煤氣公司液化石油氣儲站爆炸事故,造成死亡32人,傷殘54人的群死群傷嚴(yán)重后果。燒壞站區(qū)及相鄰的全部建筑,直接經(jīng)濟(jì)損失539萬元,間接經(jīng)濟(jì)損失89萬元。1984年墨西哥國家石油公司液化石油氣儲站爆炸事故,火球直徑達(dá)360米,站內(nèi)設(shè)施幾乎全毀。爆炸及燃燒波及廠區(qū)周圍1200米內(nèi)的建筑,估計毀壞民房1400間以上,造成約650人死亡、6000人受傷、近3.1萬人無家可歸,財產(chǎn)損失高達(dá)2250萬美元。因此對液化石油氣的災(zāi)害因素進(jìn)行危險性分析,總結(jié)出其火災(zāi)爆炸事故的預(yù)防措施與技術(shù),有助于我們了解液化石油氣的危險性,對化工消防工作有著重大的指導(dǎo)意義。
1.液化石油氣的組成及其特性
1.1 組成及理化參數(shù)
液化石油氣蒸汽的主要組成成分為丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等混合物。它們在常溫常壓下為氣體,只要稍加一點(diǎn)壓力就可以液化。其密度是隨壓力及溫度改變而改變,比重則視其成分而變,一般為空氣的1.5—1.75,常滯留于低洼處。表1列出了LPG主要成分的部分理化參數(shù)。
1.2火災(zāi)、爆炸危險性
液化石油氣的閃點(diǎn)低( -60℃),爆炸范圍較寬,點(diǎn)火能量小。液態(tài)石油氣泄漏到大氣中易氣化,1m3液態(tài)石油氣可轉(zhuǎn)變?yōu)?50——300m3氣態(tài)石油氣,由于其相對密度較空氣高,故易于在低洼處積聚,或沿地表擴(kuò)散,遇火源即會發(fā)生燃燒、爆炸。液化石油氣燃燒熱值高(其低熱值約為8.8 ×104kj/m3),爆炸速度快,形成的熱輻射和超壓威力大,破壞性強(qiáng),易造成人員傷亡和設(shè)備損壞。液化石油氣具有較高的膨脹系數(shù),在密閉容器及管道內(nèi),溫度升高會引起壓力升高,從而發(fā)生超壓物理性爆炸。
2.液化石油氣蒸汽爆炸類型
我國目前廣泛采用的是常溫壓力方式來儲存液化石油氣。如常見的球型儲罐、臥式儲罐以及汽車槽車上專用槽罐等均采用這種方式。在該儲存方式下液化石油氣極易發(fā)生平衡破壞型爆炸。
平衡破壞型爆炸是指帶壓容器液相與蒸汽相之間的平衡狀態(tài)遭到破壞時,液相因立即成為過熱狀態(tài)而急劇沸騰發(fā)生的蒸汽爆炸。當(dāng)容器受熱時,內(nèi)部液體溫度上升,氣相壓力增加,液體溫度與蒸汽壓力間可維持平衡。如果容器氣相部分殼體發(fā)生破裂,高壓蒸汽就會通過裂縫噴出,容器內(nèi)壓急劇下降,使液相部分成為不穩(wěn)定的過熱狀態(tài)。為再次保持平衡,液體的一部分熱量會轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)熱,使部分液體變?yōu)槌悍悬c(diǎn)的蒸汽,同時過熱液體內(nèi)部產(chǎn)生沸騰核,無數(shù)氣泡增長,液體體積急劇膨脹,沖擊器壁而出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。器壁在承受這種數(shù)倍于最初蒸汽壓的沖擊下,容器的裂縫便繼續(xù)開裂擴(kuò)大,或發(fā)生破壞性爆炸,容器內(nèi)液體瞬間大量噴出,呈現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。
顯然這種液化石油氣的蒸汽爆炸,歸納起來必須具備三個前提。一是儲罐內(nèi)液相部分要處于過熱狀態(tài),且過熱液體的量要大;二是儲罐內(nèi)液溫與常壓沸點(diǎn)之間的溫差要大;三是儲罐內(nèi)液面上方氣相空間處的金屬罐壁產(chǎn)生較大的裂縫,致使內(nèi)壓急劇下降。
平衡破壞型爆炸可區(qū)分為常溫液化石油氣蒸汽爆炸和火焰加熱型蒸汽爆炸。
2.1常溫液化石油氣蒸汽爆炸
儲罐內(nèi)液化石油氣處于常溫壓力條件下儲存時,在一定的溫度壓力條件下保持蒸汽壓平衡,當(dāng)罐體突然破裂時,則罐內(nèi)壓力立即降為常壓,使液體暫時處于不穩(wěn)定的過熱狀態(tài),就會因急劇的相變而引起激烈的蒸汽爆炸。如果儲罐內(nèi)充裝純丙烷液化氣體,在40℃的高溫下,它的氣相壓力約為20公斤力/平方厘米,“氣——液”兩相間保持動態(tài)平衡。這時若因外力撞擊、過量充裝、內(nèi)壁化學(xué)腐蝕或焊接和制作質(zhì)量差等因素導(dǎo)致罐體突然破裂,則壓力將迅速降到常壓,使原來40℃的液溫處于過熱狀態(tài)。處于過熱狀態(tài)的液體是不穩(wěn)定的,為了再次恢復(fù)平衡,將過熱量變作蒸發(fā)熱,使大部分液體變?yōu)槌悍悬c(diǎn)的溫度,即-42.10℃。為此,在過熱液體內(nèi)部必然發(fā)生液體體積的急劇膨脹與汽化,最終因急劇的相變而發(fā)生蒸汽爆炸。
2.2火焰加熱型蒸汽爆炸
當(dāng)球罐、臥罐內(nèi)的液化石油氣受到火焰燒烤或強(qiáng)烈的輻射熱影響時,會造成罐內(nèi)液體急速膨脹及沸騰。同時,蒸汽壓也會出現(xiàn)異常的升高,如液溫為79℃的丙烷液體,其蒸汽壓可高達(dá)30公斤力/平方厘米,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出罐體的設(shè)計工作壓力為16公斤力/平方厘米。這時液面以下的金屬罐壁溫度不會有明顯的升高。因而使金屬機(jī)械強(qiáng)度降低,很容易產(chǎn)生延展性破壞,使罐體破裂、罐內(nèi)壓力急劇下降,液體處于過熱狀態(tài),迅速蒸發(fā)產(chǎn)生大量蒸汽,這些有壓氣體繼續(xù)膨脹,使裂口進(jìn)一步擴(kuò)大,急劇相變的結(jié)果引發(fā)了蒸汽爆炸。
上述兩種類型的蒸汽爆炸,都會使儲罐內(nèi)的液化氣高速噴出并夾帶著大量的霧滴,在大氣中再以250倍的倍率汽化并與空氣形成爆炸性混合氣體,一旦遇明火就會發(fā)生化學(xué)性爆炸。強(qiáng)烈的高溫輻射熱,將使消防人員無法逼近,儲罐區(qū)內(nèi)的其它球罐及臥罐也將陷入一片火海之中。
3.液化石油氣蒸汽爆炸危害特性分析
液化石油氣蒸汽爆炸產(chǎn)生的危害因素主要是沖擊波、火球和拋射物三種。
3.1沖擊波
3.1.1沖擊波的能量
發(fā)生蒸汽爆炸時,汽化的蒸汽體積增大,帶來壓力的激烈上升,形成巨大的沖擊力。同時,由于氣液混合物的高速噴射,從容器開口處沿一個方向進(jìn)行,對容器本身會形成一個反作用力,使爆炸容器沿氣液混合體噴射的反方向發(fā)生劇烈位移,甚至高速飛出,對周圍建筑和設(shè)施形成沖擊波。
儲罐爆炸的能量一般消耗于三個方面:撕裂儲罐、將碎片拋出和產(chǎn)生沖擊波。前兩項(xiàng)所消耗的能量約占爆炸能量的35%,其中將儲罐進(jìn)一步撕裂所消耗的能量是極小的。
假定在一個很小的體積內(nèi)包含有均勻的高壓氣體當(dāng)內(nèi)部氣體突然向外膨脹時,周圍氣體受到猛烈壓縮,在波頭產(chǎn)生壓力突躍。隨后因氣體從爆炸中心高速流出及慣性效應(yīng),使氣體過膨脹并產(chǎn)生吸力。沖擊波間斷面上的峰值壓力不是恒值,而是隨著時間的增加而下降,但中心附近的壓力比間斷面上的壓力下降要快得多,在爆炸的初期階段,中心壓力就降到初始壓力的一半。隨著沖擊波向外傳播,沖擊波面所包圍的體積越來越大,相比之下,爆炸產(chǎn)物的初始體積可以忽略不計。正壓相和負(fù)壓相的大小大約相等,但一般正壓相要更強(qiáng)一些,因?yàn)樨?fù)壓受到大氣壓力的限制。對負(fù)壓相起作用的慣性效應(yīng)不僅導(dǎo)致壓力增量改變符號,而且在大氣中產(chǎn)生壓力震蕩。某一固定位置沖擊波的壓力隨時間的變化如下圖。
圖1 沖擊壓力-時間曲線
在爆炸后的時間t0時,該處的壓力突躍至峰值壓力,使當(dāng)?shù)匚矬w受到一個巨大壓力的作用。但這個力不是恒定的,當(dāng)超壓衰減到時間t0+td時,物體開始受到吸力的作用。
沖擊波的破壞作用可用三個特征量來衡量,即波陣面上的壓力、沖擊波的持續(xù)時間和比沖量(壓力與時間的乘積)。在沖擊波陣面后出現(xiàn)的高溫和高壓是殺傷和破壞的主要因素。在其他條件相同的情況下,爆炸能量越大,沖擊波強(qiáng)度越大,波陣面上的超壓也越大。當(dāng)沖擊波在空間自由傳播時,波的強(qiáng)度隨著傳播距離的增加而逐漸衰減。這是由于沖擊波以球面的形狀向外擴(kuò)展,波陣面的表面積不斷增大,壓縮區(qū)的空氣量也不斷增多,因而波陣面單位面積上的能量及單位質(zhì)量空氣的能量會逐漸減小,加上傳播過程中阻力作用,使波的強(qiáng)度迅速減弱。因而在相同的爆炸條件下,距離爆炸中心越近,沖擊波波陣面上超壓越大,其破壞作用也越大。下表為1000kgTNT在地面爆炸時沖擊波超波破壞作用與距離關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3.1.2沖擊波的能量估算
發(fā)生爆炸時,在距離爆炸中心某一距離處產(chǎn)生的沖擊波超壓,主要決定于參加爆炸反應(yīng)的爆炸能量和該處與爆炸中心的距離,即超壓P是爆炸能量E和距離R的函數(shù),P=f(E,R)。但實(shí)際上,由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制,只能用一定數(shù)量的TNT進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn),觀察和測量爆炸范圍內(nèi)建筑屋破壞情況及其與爆炸中心的距離,利用相似法的原理計算爆炸能量。即:不同數(shù)量的同類炸藥爆炸時,如果與爆炸中心距離之比和炸藥能量之比的立方根相等,則產(chǎn)生的沖擊波超壓值大小相同,反之亦然。此原理可表達(dá)如下:
式中:R-實(shí)際爆炸時某點(diǎn)距爆炸中心的距離,m
R0-與R處具有相同峰值超壓的實(shí)驗(yàn)距離,m
E-爆炸物的TNT當(dāng)量,kgTNT或kj
E0-試驗(yàn)用的TNT當(dāng)量,kgTNT或kj
P-實(shí)際爆炸時R距離處的峰值超壓,Pa
P0-爆炸實(shí)驗(yàn)時R0距離處的峰值超壓,Pa
一般來說,沖擊波破壞作用大小還與過熱液體發(fā)生爆炸時的汽化液量呈正比關(guān)系。假定容器形成裂縫,氣體噴出,內(nèi)壓降到常壓,過熱液體發(fā)生爆炸時的汽化液量可由下式計算:
W0 = CWt/q (2)
式中W0為汽化液量,kg;C為過熱液體的比熱,kj/kg*℃;W為過熱液體重量,kg;t為過熱液體的常壓沸點(diǎn)和加熱溫度之差,℃;q為液體的汽化熱,kj/kg。
由上式可以看出溫度差、液體量和比熱越大,汽化熱越小時,其汽化液量也越大,而汽化熱量越大,形成的沖擊破壞作用也越大。
3.2火球
3.2.1火球
若液化石油氣的燃燒是在設(shè)備破裂后液化氣迅速蒸發(fā)擴(kuò)散,形成的爆炸性混合物遇點(diǎn)火源作用發(fā)生的,則高溫燃?xì)獾臄U(kuò)散范圍可視作以設(shè)備為中心的半球狀。
火球是一種以三維形式快速傳播的現(xiàn)象。包圍火焰體系的空氣密度比其周圍空氣密度低,火焰會不斷向上升,其形狀亦不斷向球形過渡。隨著傳播火焰的上升,周圍空氣由于對流和渦流運(yùn)動,燃燒更為加劇,溫度升高。于是火焰的整個體系邊膨脹邊在浮力作用下上升,同時從下部吸入空氣維持火焰的傳播,使火焰的體積越脹越大升騰的高度也越來越高,形狀也越趨于球狀,當(dāng)規(guī)模較大時,還會發(fā)展成兩側(cè)帶有扁橢圓的茸狀火球。
故可采用火球模型和瞬態(tài)火災(zāi)下的熱通量-時間準(zhǔn)則評價。
3.2.2火球熱輻射的評價模型
持續(xù)時間
火焰輻射熱對人體的灼傷及時對可燃物的可燃性是由輻射強(qiáng)度和持續(xù)時間兩個因素所決定的?;饒錾?,人們在短時間內(nèi)最高可以承受4。652kw/m2的輻射熱強(qiáng)度。由于火球的燃燒形式和可燃物種類不同,持續(xù)時間有顯著差別。
計算火球直徑D
D = 3.88 W0.32 (3)
式中W為燃燒的液化石油氣的總質(zhì)量,kg;D為火球直徑,m。
計算火球持續(xù)時間t
t = 0.299 W0.32 (4)
計算熱通量q
GT4D2
q = ______ (5)
FR2 + D2
式中q為熱通量,W/m2;D為火球直徑,m;R為離火球中心的距離,m;T為火球溫度,k(取1350K);F為常數(shù),取161.7(實(shí)驗(yàn)值);G為常數(shù),取5.26 ×10-5(實(shí)驗(yàn)值)。
3.2.3 熱通量-時間準(zhǔn)則
常見的熱輻射破壞準(zhǔn)則可以歸納為:熱通量-熱強(qiáng)度準(zhǔn)則、熱通量-時間準(zhǔn)則、熱強(qiáng)度-時間準(zhǔn)則。
熱通量是指單位時間、單位面積發(fā)射或接收的熱量,通常以q表示。熱強(qiáng)度是指熱通量與熱通量作用時間的乘積,通常以Q表示。由于熱通量、熱強(qiáng)度和熱輻射作用時間中知道任意兩個變量就可以計算出第三個變量,所以這三個準(zhǔn)則是完全等價的。
熱通量-時間準(zhǔn)則以熱通量和時間作為衡量目標(biāo)是否被破壞的參數(shù)。如果以熱通量q和作用時間t分別作為縱、橫坐標(biāo),那么目標(biāo)破壞的臨界條件對應(yīng)于一條臨界曲線,見圖2。
圖二 熱輻射破壞的q-l圖
人員受傷害的概率用下式確定:
死亡概率
Pr = -37.23 + 2.56ln(tq4/3) (6)
重傷(二度燒傷)概率
Pr = -43.14 + 3.019ln(tq4/3) (7)
輕傷(一度燒傷)概率
Pr = -39.83 + 3.019ln(tq4/3) (8)
設(shè)備燒毀所需要的臨界熱通量q
q = 6370t-0.8 + 25400 (9)
3.2.4 火球危險性評價
根據(jù)火球熱輻射模式(3)`(5)和相對應(yīng)的熱通量-時間準(zhǔn)則式(6)`(9)可以確定相對應(yīng)的破壞半徑。死亡、重傷、輕傷及財產(chǎn)損失半徑分別指熱輻射作用下的死亡、二度燒傷、一度燒傷和引燃木材半徑。
火球半徑及火球持續(xù)時間決定熱輻射強(qiáng)度和其對應(yīng)的傷害半徑大小。通常將傷害區(qū)域劃分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū),還有財產(chǎn)損失區(qū)等。這些區(qū)域都用傷害破壞半徑來表示。
3.3拋射物
拋射物是在蒸汽爆炸中產(chǎn)生的距離最遠(yuǎn)、范圍最廣的危害。 液化石油氣蒸汽爆炸的拋射物有兩種基本的類型:
1. 最初的拋射物是儲罐上較大的碎片。
2. 其余的拋射物是儲罐附近受爆炸沖擊波作用產(chǎn)生加速度的物體。
(儲罐邊上的導(dǎo)管、支撐腳架、其它的附件等等)
對80個400升的丙烷儲罐進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)時得出了一些蒸汽爆炸拋射物的數(shù)據(jù)。在80個丙烷儲罐中有36個發(fā)生了蒸汽爆炸,得出如下經(jīng)驗(yàn)公式:
V=0.2(2E/M)1/2 (14)
式中為V拋射物的拋射速率,m/s;E為拋射物的動能,kJ;M為拋射物的質(zhì)量,kg。
對以上400升丙烷罐點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),大部分的拋射物會落在4個火球半徑的范圍內(nèi)(D = 3.88W0.32)。在4D距離處熱輻射量會低于21kw/m-2,大部分拋射物射程小于此范圍,救援人員可在爆炸儲罐逆風(fēng)4個火球半徑處進(jìn)行觀察和處置。然而,有部分拋射物可落到比4個火球半徑更遠(yuǎn)的距離,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明拋射物最遠(yuǎn)可達(dá)到15個火球半徑的距離。因此,在處置時,應(yīng)將警戒線劃定在15個火球半徑以外,即群眾應(yīng)疏散到15個火球半徑外才安全。
4.液化石油氣蒸汽爆炸的預(yù)防
從LPG的危險性和事故案例可以看出,LPG泄漏后引起蒸汽爆炸往往造成嚴(yán)重的危害。因此,采取必要的安全措施預(yù)防事故發(fā)生,以保證LPG的儲存和管道輸運(yùn)安全。
4.1力爭設(shè)備本質(zhì)安全
LPG儲罐、管道在選材、設(shè)計、加工、制造和安裝過程中,應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,確保質(zhì)量。儲罐產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致壓力變化,是發(fā)生液化石油氣蒸汽爆炸的前提。故必須防止由于質(zhì)量問題,導(dǎo)致材料無法承受罐內(nèi)壓力而產(chǎn)生裂縫,從而發(fā)生蒸汽爆炸。如LPG儲罐罐體材料應(yīng)選用低合金高強(qiáng)鋼;法蘭、墊片和緊固件的壓力等級應(yīng)高于設(shè)計壓力;儲罐、管道上的閥門嚴(yán)禁采用灰口鑄鐵材料;第一個法蘭密封面應(yīng)采用高頸對焊法蘭、金屬纏繞墊片和高強(qiáng)度螺栓組合。管道盡量采用焊接而少用法蘭連接。這樣目的是增加儲罐的韌性,減少其脆性,不容易突然產(chǎn)生裂縫。容器配置的溫度計、壓力表、安全閥、報警器等安全設(shè)施必須齊全好用,這樣即使產(chǎn)生裂縫,也能及時發(fā)現(xiàn),進(jìn)行處理。容器在使用前一定要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。生產(chǎn)運(yùn)行過程中,加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng),防止使用時間長后材料性能下降,無法承受壓力而發(fā)生蒸汽爆炸。
4.2 嚴(yán)禁違章操作
在操作過程中要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作,防止因人為因素使容器產(chǎn)生裂縫、開口或使液化石油氣泄漏。特別要注意的是不能使儲罐內(nèi)出現(xiàn)滿液現(xiàn)象。由于LPG的膨脹系數(shù)高,如果出現(xiàn)管線兩端封閉,管線內(nèi)滿液的情況,氣溫上升會引起壓力上升,會對容器器壁產(chǎn)生額外的壓力,使得管線易于破裂,發(fā)生蒸汽爆炸。因此,要避免液化石油氣體的過量充裝而造成的容器內(nèi)壓異常上升,導(dǎo)致蒸汽爆炸。
4.3 采取有效措施進(jìn)行堵漏
當(dāng)發(fā)生泄漏后,LPG會從產(chǎn)生的裂縫處急劇泄漏,造成壓力急劇下降,使得液相急劇轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?,加劇蒸汽爆炸的威力。泄漏的液化石油氣蒸汽液滴飄在空中,一旦遇明火或因蒸汽爆炸中產(chǎn)生的靜電火花作用,將會發(fā)生二次爆炸,產(chǎn)生巨大的火球,帶來極大的破壞。及時堵漏可以防止壓力繼續(xù)下降,減緩液體由液相向氣相的急劇轉(zhuǎn)變,減小蒸汽爆炸的危害。因此,在確保安全的情況下,及時有效的堵漏是防止蒸汽爆炸進(jìn)一步發(fā)展和控制其嚴(yán)重程度的重要手段。所以,應(yīng)立即采取多種措施進(jìn)行堵漏:1。關(guān)閉閥門。2。帶壓堵漏。3。注水。4。轉(zhuǎn)移物料。
4.4 控制點(diǎn)火源
發(fā)生LPG泄漏后,在采取各種措施堵漏的同時,不可避免的有泄漏的LPG與空氣混合,由蒸汽爆炸噴出的可燃?xì)怏w和霧滴與空氣混合,形成爆炸蒸汽云。蒸汽云靠液體本身高速噴射而產(chǎn)生的靜電或遇外部引火源,緊接著會發(fā)生二次爆炸(混合氣體爆炸),產(chǎn)生火球。使爆炸事故范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,造成的損害往往大于蒸汽爆炸。為此,必須根據(jù)泄漏的嚴(yán)重程度,設(shè)立警戒區(qū),控制點(diǎn)火源,以免加劇蒸汽爆炸的危害后果。
結(jié)束語
通過對液化石油氣蒸汽爆炸類型和危害性的研究,使我們對液化石油氣有了更深的了解和認(rèn)識。并給出了一些預(yù)防其蒸汽爆炸的方法,對預(yù)防液化石油氣在儲運(yùn)過程中發(fā)生蒸汽爆炸提供了依據(jù)。
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