液化石油气储罐设置方式初探
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 |
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＞1.0 |
死亡（大部分人员会死亡） |
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0.5～1.0 |
重伤（损伤人的听觉器官或产生骨折） |
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0.2～0.3 |
轻伤（人体受到轻微损伤） |
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＜0.2 |
能保证人员安全 |
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 |
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＞2.0 |
钢架桥位移 |
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1.0～2.0 |
防震建筑物破坏或严重破坏 |
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0.5～1.0 |
钢骨架或轻型钢筋混凝土建筑物破坏 |
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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 |
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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 |
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0.07～0.015 |
房屋的一部分完全破坏，无法继续居住 |
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0.02～0.07 |
房屋结构受到轻微破坏，大小窗玻璃经常震碎 |
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0.01 |
玻璃开始破裂 |
2 结果与讨论
设一个50m3的液化石油气储罐分别设置在地上、地下室内和直埋在地下，在地下室内爆炸时，蒸气云扩散到地下室有限的空间内，使整个地下室和储罐融为一体，相当于一个直埋地下的储罐，按直埋地下储罐估算其爆炸影响范围。具体的蒸气云爆炸的冲击波伤害效应，见表3。
表3 在空气中和粘土中爆炸冲击波伤害效应的比较
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影响半径R（m） |
伤害效应 | |||
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空气中爆炸冲击波 |
粘土中爆炸冲击波 |
冲击波超压 ΔP×105Pa |
建筑物被破坏情况 |
人员伤害情况 |
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40.5 |
32.0 |
＞2.0 |
砖木结构全破坏 |
大部分人死亡 |
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56.0 |
40.5 |
2.0～1.0 |
砖墙部分倒塌，土房倒塌 | |
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80.0 |
51.5 |
1.0～0.5 |
土墙开裂或局部倒塌 |
可能造成死亡 |
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108.0 |
61.0 |
0.5～0.3 |
木房架折断，顶棚部分破坏 |
重伤 |
|
170.5 |
77.0 |
0.3～0.15 |
门窗破坏，屋面瓦大部分掀掉 |
轻伤 |
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304.0 |
99.0 |
0.15～0.07 |
门窗部分破坏玻璃破碎，屋面瓦部分破坏 |
不能造成伤害 |
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913.0 |
150.0 |
0.07～0.02 |
砖墙部分破坏，屋面瓦部分翻动 | |
表4 地下爆炸和地下爆炸破坏半径比较
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人员伤害情况 |
建筑物损坏情况 | |||
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死亡半径（m） |
重伤半径（m） |
轻伤半径（m） |
严重损坏（m） |
轻微损坏（m） | |
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地下爆炸 |
40.5 |
61.0 |
77.0 |
99.0 |
150.0 |
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地上爆炸 |
56.0 |
108.0 |
170.5 |
304.0 |
913.0 |
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比例 |
72.3% |
56.5% |
45.2% |
32.6% |
16.4% |
通过对液化石油气储罐设在粘土中和大气中爆炸后果估算结果来看，同一个储罐在粘土中爆炸的影响范围比在大气中小。这是因为在粘土中爆炸，周围的土壤要吸收一部分爆炸能量，所以对地面影响范围小，因此，就爆炸后果来看，储罐埋在地下要比地上安全。
从表4中比例项可以看出，随着影响半径的增加，比例逐渐减小。说明对地上爆炸和地下爆炸的影响范围的估算，应分别采用相应的计算公式，否则误差很大。所以，对液化石油气储罐进行安全管理和安全评价时，应注意这点。
3 结论
（1）从储罐设置角度考虑，如果储罐直接埋在土壤中，虽然爆炸影响范围最小，不便于发现和维修，受水土腐蚀，出现破裂、老化、磨损、密封不严等情况，一旦发生泄漏，会造成地下水和土壤污染。设在地上爆炸影响范围最大，比较危险，要保障安全距离就得占用大量的空间，不利于整体环境的规划。设在地下室中，爆炸的影响范围较小，便于检查，甘肃省空间，不会造成环境污染，与前两者比较，具有一定的优势。前两者的弊端是不可避免的，而设在地下室中的隐患是可控制的。通过本文的研究，为液化石油气储罐的安全设置提供了理论依据。
（2）保证液化石油气储罐安全有两种途径，一是主要通过比较大的安全间距来减少事故的危害，二是主要通过技术措施保证运行的安全。在土地日益紧张的今天，前者很难实现，只能通过第二条途径来实现。
（3）液化石油气储罐设置在地下室内，可以通过相应的技术措施和现代管理方式，采用先进设备和提高人员素质，避免和减少事故发生。如储罐及其附件采用高材质；设置紧急切断系统和放散阀；必要的强排风、送风装置；液化石油气的泄漏报警系统和消防水；控制火源泉 建立健全各种规章制度，提高工作人员的素质，持证上岗，定期进行专业培训；做好应急救援预案和演习等。