液化气在储存与运输过程中的事故分析及防治

    0引言

　　液化气作为重要的燃料和工业原料，在工业和民用方面的用途越来越广泛，需求量越来越大。液化气通常是有毒或易燃物质，在储存与运输过程中存在着发生事故的潜在危险。由于液化气在很小的体积内积聚了大量的能量（1液化气气化后体积可膨胀到250左右，其热值是天然气的2~3倍），因此如果在其储存与运输过程中不采取有效的预防措施，一旦发生事故，必然导致惨重的财产损失和人员伤亡。

　　液化气在储存和运输中发生事故的全过程包括3个阶段。导致液化气泄漏的因素有机械作用（如碰、打击）、化学作用（如腐蚀）及热作用（如火焰环境、热冲击）等。此外，工作人员在装运取样等日常业务中是否正确操作，也是导致液化气泄漏屡发事故的一个重要因素，许多事故最初往往是由于操作不当造成的。

　　罐体破裂是导致事故发生的直接原因，因此如何防止罐体破裂成为近年研究的重点，而且取得了一定的成效，大大减少了事故的发生。了解事故的危害行为确定影响危害后果的各种因素，对于消防人员、液化气容器设计部门和城市规划部门采取有效措施，消除或减小危害具有直接的参考价值。

　　1液化气罐体的破裂

　　液化气容器在受到机械作用、化学作用或热作用时，由于作用程度的差异，容器将发生以下几种情况。

　　（1）容器突然炸裂，产生巨大的冲击力，炸裂的碎片以极大的动量向四周抛射出去。例如容器受到物体猛烈的撞击或振荡，容器遭受剧烈的热冲击等。

　　（2）容器局部破裂，导致液化气以气液两相的混合物从裂口喷出，依据液化气气化的程度和器壁材料的强度，可产生3种结果。

　　a容器壁材料强度能够随液化气迅速气化导致的压力增加，则裂口进一步扩大，甚至导致容器炸裂；

　　b容器壁材料强度不能够随液化气迅速气化导致的压力增加，则裂口进一步扩大，甚至导致容器炸裂；

　　c在容器破裂后裂口在一定时间内不再扩大，随着气化程度的加剧，裂口重新扩展，直到液化气全部溢出。

　　在容器遭受非均匀热冲击、小物体撞击容器或化学腐蚀的情况下，就会由于局部器壁材料软化、失效或侵蚀成孔而发生局部破裂。

　　（3）安全阀动作及失效。这种情况往往是容器在受到热冲击时发生的。安全阀在初期的动作可以缓解容器内由于遭受热作用而不断增加的压力负荷，为消防人员争取一定的时间。但通过安全阀泄漏的液化气在遇火点燃后，势必增加容器的热负荷，导致进一步的泄漏甚至容器破裂。另外，在高温环境下安全阀会因组件软化而失效。如果阀门由于失效无法打开，就会使容器由于压力过高而爆炸。

　　2液化气泄漏后的危害行为

　　当液化气容器破裂或液化气经安全阀泄漏后，液化气直接与周围环境接触，在不同因素的影响下，就会导致沸腾液体膨胀蒸气爆炸（BLEVE－BoilingLiquidExpandingVapourExplosion）、盛有物泄漏（TLOC－TotalLossofContainment）、自由蒸气云爆炸（UVCE－UnconfinedVapourCloudExplosion）、火灾及空气污染等一系列危害行为的发生。

　　2．1BLEVE及TLOC

　　学术界对BLEVE现象的发生机理目前尚有争议，其定义也有所不同。本文采用以下定义：BLEVE是指盛有加压液化气的容器在发生灾难性破裂时，剧烈沸腾的液体与迅速膨胀的蒸气组成的气液两相混合物的爆炸性瞬时释放（体积膨胀）过程。TLOC是指较BLEVE稍为缓和，持续时间较长的气液两相混合物的释放过程。

　　当容器受到剧烈的机械或热作用而突然破裂时，容器内的液化气由于压力突降导致过热，一部分液化气在极短的时间里（几毫秒到一两秒钟）完全气化，其余的部分喷射成小液滴，立即与气化部分混合成气液两相混合物。容器的剧烈破裂加速了气液两相混合物与空气的混合。混合物以极高的速率向四周爆胀，产生冲击力且作用于容器破裂所形成的碎片，使容器碎片象弹片一样抛射出去。剧烈爆胀的混合物遇到火焰被点燃后，形成向四周喷射的火球。抛射出去的容器碎片对周围一定范围内的建筑物和设施造成严重破坏，危及附近居民及工作人员的生命；喷射火球则可以引发大火，造成不可估量的后果。当发生TLOC现象时，气液两相混合物的释放过程较为缓和，其危害主要以火灾为主。1984年12月19日，墨西哥一个容量达16000的液化气储存厂，由于通过管道向储气容器输气时不慎发生泄漏，泄漏液化气遇火燃烧起来。剧烈的热作用使两个球形储气容器破裂，液化气大量泄漏引发大火。高温火焰包围了附近的储气容器，相继造成许多容器破裂，液化气大量泄漏引发大火。高温火焰包围了附近的储气容器，相继造成许多容器炸裂并发生BLEVE，并使大火在附近蔓延。在这次事故中大约500人丧生，7000人受重伤，可见其伤害力之大。

　　目前还不能准确确定在什么情况下会发生BLEVE现象。Reid提出的过热界限理论认为，当容器内的液体温度超过环境压力下相应的饱和温度时，若容器由于某种原因破裂，则处于环境压力下的液化气由于过热，发生剧烈的沸腾，产生气液两相混合物向外急剧膨胀，形成BLEVE现象。但有的学者在实验中发现，容器内液体温度是否高于环境压力下相应的饱和温度并不是BLEVE发生的必要条件。不过，液体区的温度确实可以影响BLEVE爆发的激烈程度，特别对于TLOC现象，液体区的温度是决定其能否进行的关键因素。因此，容器内液体区的温度是影响BLEVE和TLOC的重要因素。研究表明，容器壁的厚度，安全阀的设定压力，液化气的性质，容器内的液化气量，蒸气区温度，容器压力及气液两相物质的混合速率也是影响BLEVE爆发的重要因素。对这些因素的影响进行定量研究，是预防BLEVE现象的有效途径。

　　2．2UVCE

　　UVCE是由于以“预混云”形式扩散的蒸气云遇火后在某一有限制空间发生爆炸而导致的。泄漏的液化气如果没有发生BLEVE现象或立即引发大火，就会与空气充分混合，在一定的范围积聚起来，形成预混蒸气云。如果在稍后的某一时刻遇火点燃，由于气液两相物质已经与空气充分混合均匀，一经点燃，其过程极为剧烈，火焰前沿速度可达50~100m/s，形成爆燃，对蒸气云覆盖范围内的建筑物及设备产生过压破坏，危及人们的生命安全。发生UVCE现象最起码应具备以下几个条件。

　　a周围环境如树木、房屋及其它建筑物等形成具有一定限制性的空间；

　　b延缓了的点火过程；

　　c充分预混了的气液两相物质与空气的混合物；

　　d一定量的泄漏液化气。

　　UVCE现象在液化气的运输过程中并不常见，因为在运输过程中即使发生液化气泄漏，也不易积聚起来。而在液化气储备厂，UVCE现象相对易于发生。历史上由于UVCE造成的工业事故占有相当比例。1974年1月，在美国伊利诺州东圣路易斯，由于丙烯泄漏引起的UVCE，产生了相当于60tTNT威力的过压冲击，造成大约230人的人员伤亡和上千万美元的经济损失。

　　2．3火灾及空气污染

　　由于液化气极强的挥发性，其危害行为一般以不同的爆炸形式表现出来，但其危害后果常与火灾有关，而且许多液化气的危害行为都因火灾而起，火灾总是伴随不同的爆炸形式一起发生，是一种危害后果很大的危害行为。

　　液化气泄漏后的另一种危害是空气污染。虽然这种危害持续时间长，潜在危害大，特别是对于一些有毒或剧毒物质，如果在短期内不能将其驱散或处理掉，就会弥漫在空气中形成毒雾，导致环境污染，给周围居民的身体造成严重伤害，引发各种疾病，甚至中毒死亡。所以如果情况允许，最好能让泄漏的有毒物质在控制之下燃烧掉或用其它方式处理掉，以免留下后患。

　　3防治措施

　　如前所述，液化气泄漏往往酿成严重的工业事故，造成极大的财产和生命损失。如何安全地运输和储存液化气，是一个迫切需要解决的问题。从事故发生的过程和诱发事故的因素出发，要实现有效的防治，应该从健全管理制度，采用合理有效的保护技术及事故初期现场防治3个方面入手，进行全方位防治。

　　3．1健全管理制度

　　（1）强化工作人员安全意识，建立严格的安全制度。从理论上讲，液化气在储存和运输过程中发生事故的机率并不大，所以常使有关人员在思想上对可能诱发事故的各种因素不能给予足够重视，从而为事故的发生埋下隐患。在没有绝对有效的防范措施的情况下，强化工作人员安全意识，建立严格的安全制度，是防止事故发生的重要手段。

　　（2）对操作人员进行相关知识和技术培训，提高业务水平和操作能力。重大的事故在最初往往是因为操作人员没有进行正确的操作，导致个别液化气容器发生泄漏，泄漏的液化气遇火点燃连锁反应。容易造成液化气泄漏的操作主要有：装入时过满和超压操作；通过管道装入或输出时管道与容器接口脱落及取样时泄漏等。

　　（3）定期检查及维护设备，使之处于良好的工作状态。如定期检查安全阀能否正常工作、容器壁有无侵蚀现象等。实践表明，定期对设备进行检查及维护，能大大降低事故发生的可能性。

　　3．2采取合理有效的保护技术

　　有效的防治除了建立健全严格的管理制度外，采用可行的保护技术，防止盛有液化气的容器发生破裂或以其它方式泄漏，是防范液化气事故的必要手段。一些工业发达国家经过大量的研究及试验，在这方面取得了一定的成效。目前常用的措施有：水冷却技术，热绝缘及辐射屏蔽技术，预警系统等。

　　（1）水冷却技术

　　水冷却技术分为两种。一种是喷淋冷却，另一种是顶部水冷却。喷淋冷却技术是指一定流量的许多喷头在容器处于高温火焰环境时，向容器的各个部位进行喷水冷却，以达到冷却容器壁温度，降低容器内压力和液化气温度，防止容器炸裂的一套水冷却系统。喷淋冷却对防止处于均匀火焰环境下的容器炸裂通达到较好的较果，但对于喷射火焰，由于加热的不均匀性，效果较差。顶部水冷却系统是指把水从高位水罐引到容器顶部四周，让水从容器的四周流下，冷却容器壁。容器顶部通过一定数量的大流量、大尺寸喷头喷淋冷却。由于容器顶部的蒸气区，器壁温度远远高于液体区器壁的温度，容器破裂的部位一般都在顶部，所以这种冷却方法对于喷射火焰冷却效果较好。其缺点是容器下半部分冷却效果不好，有的地方甚至不能润湿。

　　水冷却技术最大的缺点是冷却系统很容易受到周围容器爆炸的损害，使其作用受到限制。但在容器遭受热冲击时，水冷却是防止容器炸裂引发现更大范围危害的有力措施。

　　（2）热绝缘及辐射屏蔽

　　容器处于高温火焰环境时，最直接的影响就是高温火焰通过辐射和对流的方式加热容器壁，再通过容器壁的热传导作用，使容器内压力和液化气的温度升高，在容器壁内产生热应力且使容器壁软化。在火焰向容器的传热过程中，辐射传热起着很大作用。辐射屏蔽通过减少火焰对容器的辐射传热，大大减轻了容器的热负荷。在此基础上，对容器壁进行绝缘保护。就可以减少传入容器内的热量，降低容器内压力和液化气的温度，减轻器壁内的应力负荷，达到保护的目的。

　　(3)预警系统

　　安装能够在填充量或容器内压力超过一定界限时发出警报的预警系统，就可以最大程度地避免过满和超压操作造成液化气泄漏；同样，对容器环境温度和容器内温度的监测预警可以为预先采取措施避免热冲击造成液化气泄漏创造有利条件。建立能预警各种危险因素的安全预警系统，可以作为事故前期的重要预防手段。

　　3.3事故初期现场防治

　　目前的防治措施多以事故前期预防为主，这些措施极大地减少了事故发生的可能性，值得肯定。但事故发生有其不可避免性，在事故发生初期或过程中进行现场防治，避免事故的进一步扩大，对减轻事故的危害非常重要。

　　前面已经提到，事故的起因往往是个别容器破裂或其它原因造成少量液化气泄漏，遇火形成较小范围内的大火，就会使周围更多的容器受到热冲击而炸裂又会进一步使火灾蔓延、加重，形成连锁反应，所以在事发初期，应在组织力量控制火势的同时，重点加强邻近容器的防护。缺乏经验的消防人员很容易忽略这一点。对于运输途中的火车或汽车，应尽快使泄漏着火的车体和其余车体脱离；在站区的，应尽快拖到远离居民区和建筑群的开阔地。对于储备厂，要立即使用象水冷却系统这样的保护措施；为了不使有毒物质的泄漏造成空气污染，可以在控制局面的情况下让其燃尽。

　　事故初期和事故进行过程中最难处理的是容器发生爆炸。爆炸产生的抛射碎片和冲击力，很容易导致其余容器的破裂，引发新的爆炸并加重火势，破坏水冷却系统及其它保护设施,要在现场防治是不可能的。为此，建在地面上的储气容器应合理分布，远离居民区和建筑群，且在各储气容器周围修筑能承爱一定冲击的保护墙。这种保护墙既能起到辐射屏蔽的作用，又能防止容器爆炸碎片对邻近容器和建筑物的冲击，在一定程度上还可以阻止火灾的蔓延。另一种较好的措施是将储存液化气的容器埋在地下。对于埋在地下造成容器壁腐蚀和检修困难的问题，可以通过给容器壁增加经久耐用的防腐保护层而得到妥善解决。

　　3．4开展科学研究

　　对诱发事故的各种因素进行模拟研究，找出其变化规律，就可以根据不同的情况采取相应的防范措施，从而达到预防液化气事故，减少损失的目的。西方发达国家近年内在这方面做了大量卓有成效的实验和理论研究工作，我国的研究工作尚处于初级阶段。北京科技大学和加拿大NewBrunswick大学火焰科学中心合作，对高温火焰环境下容器内液化气的热响应和振动引起容器爆炸的机理进行了数值仿真研究，开发了代号为PLGS的仿真软件。PLGS已得到英国健康与安全行政署（HSE）中型现场实验的验证，能够较好地预测高温火焰环境下容器内液化气的行为。

　　4结束语

　　全面防治液化气在储存和运输过程中的危害，是一个综合性的课题。利用最新的信息技术和自动控制技术，建立包括管理、事故模拟、检测、预警、自动应急保护、危害评估等系统在内的计算机自动控制安全系统，是有效防治液化气事故的发展方向。