?液化石油气作为一种通用燃料广泛应用于工业生产和人民生活中,但由于其具有易燃易爆的特性,在其生产、贮运和使用过程中极易引起火灾爆炸事故,尤其在液化石油气的贮罐区,贮罐集中贮量大,一旦发生火灾爆炸,将会造成严重的后果。例如1984年墨西哥某液化石油气贮备站,一个球型和枕型贮罐相继发生爆炸着火,爆炸半径达400m,碎片飞出最远的达1200m,死亡500余人,伤2000余人,损失达5000万美元。1998年3月5日,发生在西安市液化石油气站的一个储罐区内,相继发生了4次爆炸,出事现场一片火海,有6个储罐被焚毁,造成12人死亡,32人受伤,直接经济损失470多万元。
盛装液化石油气的储罐属压力容器,压力通常有1.57MPa,一旦发生爆炸,危害极大。如果液化石油气储罐设在地上,为了确保储罐与周围的人和建筑物的安全距离,需要很大的空间,可是现在城市用地十分紧张,很难找到一片专用空地;如果液化石油气储罐直接埋在地下,发生泄漏很难发现和维修,容易造成地下水和土壤污染;如果设置在地下室里,同体积的液化石油气比空气大约重0.5倍,一旦泄漏出来,地下室里空气流通不好,很容易在较低处聚集,可能形成爆炸性混合物,遇到火源就会爆炸。所以,液化石油气储罐不管设置在地上还是地下都会有危险。本文从储罐发生爆炸后会造成的影响后果考虑,就怎样设置储罐相对比较安全进行探讨,对液化石油气储罐的安全管理和安全评价具有现实意义。
1 研究方法
本文从能量释放的角度出发,以爆炸理论为基础,利用相关模型估算爆炸冲击波的波及范围。
液化石油气储罐属于压力容器,当它发生爆炸时有两种形式:一种是压力容器爆炸,由于罐内操作压力过大或储罐受腐蚀、老化,抗压能力下降,导致压力容器爆炸。二是蒸气云爆炸,由于储罐或各种附件破裂、磨损、密封不严而导致的泄漏,形成爆炸性混合气体遇火源发生爆炸。这两种爆炸都会产生冲击波。冲击波的计算可采用TNT当量法,即将爆炸的能量换算为TNT当量,然后将等量的TNT炸药爆炸的冲击波即近似认为是液化石油气爆炸的冲击波。由于液化石油气爆炸速度没有TNT炸药爆炸速度快,因此按TNT当量计算的冲击波要高于液化石油气爆炸的实际产生的冲击波,但是这种方法简单而且偏于安全,所以在工程经常采用。
1.1 蒸气云爆炸的能量
式中:WTNT——蒸气云的TNT当量(kg);
α——蒸气云的当量系数,通常取4%;
Wf——蒸气云爆炸中燃烧掉的总质量(kg);
Qf——燃料的燃烧热(MJ/kg);
QTNT——TNT的爆炸热(MJ/kg)。
1.2 冲击波超压
液化石油气储罐设置在地上时,采用空气中爆炸的冲击波超压计算公式:
式中:ΔP——冲击波超压(kgf/cm2);
W——爆炸蒸气云的TNT当量(kg);
R——爆心到所研究点的距离(m)。
液化石油气储罐设置在地下室或直埋地下时,当液体泄漏一段时间,形成爆炸性混合气体,不管是地下室还是储罐都融为一体,假设成一个理想爆炸源,在地下粘土中发生爆炸,其爆炸冲击波的计算公式:
式中,Δp、W、R意义同上。
1.3 超压准则
超压准则认为,爆炸波是否对目标造成伤害由爆炸波超压唯一决定,只有当爆炸波超压大于或等于某一临界值是地,才会对目标造成一定的伤害。否则,爆炸波不会对目标造成伤害。
研究表明,超压准则并不是对任何情况都适用。相反,这级严格的适用范围,即爆炸波正相持续时间必须满足如下条件:ωt>40,(ω为目标响应角频率(s-1),t为爆炸波持续时间(S))。根据超压准则所确定的人员伤害程度及建筑物破坏程度见表1和表2。
(1)爆炸冲击波对人员的伤害,采用表1所示的伤害准则。
(2)爆炸冲击波对建筑物的破坏,采用表2所示的破坏准则。
表1 冲击波对人的伤害效应
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冲击波超压Δ(kgf/cm2) | 伤害效应 |
>1.0 | 死亡(大部分人员会死亡) |
0.5~1.0 | 重伤(损伤人的听觉器官或产生骨折) |
0.2~0.3 | 轻伤(人体受到轻微损伤) |
<0.2 | 能保证人员安全 |
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表2 冲击波对建筑物的破坏效应
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超压ΔP×105,Pa | 建筑物被破坏的程度 |
>2.0 | 钢架桥位移 |
1.0~2.0 | 防震建筑物破坏或严重破坏 |
0.5~1.0 | 钢骨架或轻型钢筋混凝土建筑物破坏 |
0.3~0.5 | 不含混凝土厚0.2~0.3m的砖板因剪切或弯曲而破裂,房屋几乎完全破坏 |
0.15~0.3 | 砖砌房屋50%被破坏,无框架、自约束的钢板建筑完全破坏,油罐破裂 |
0.07~0.015 | 房屋的一部分完全破坏,无法继续居住 |
0.02~0.07 | 房屋结构受到轻微破坏,大小窗玻璃经常震碎 |
0.01 | 玻璃开始破裂 |