丙烯球罐火灾爆炸分析与评价

　　液态烃泄露遇到火源而爆炸，是球罐火灾爆炸的主要原因，运用蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸两种事故伤害模型定量计算化工一部裂解装置液态烃罐区丙烯球罐发生重大火灾爆炸事故的严重后果，结合液态烃罐区现状，阐明在设备、工艺、安全管理方面应采取的防范措施。

　　1 概述

　　化工一部裂解装置液态烃罐区是分公司重点防火区域，包括4台1000m3乙烯球罐，21500 m3乙烯球罐，3台1000 m3丙烯球罐和1台300 m3氢气球罐。液态烃泄露遇到火源引起着火爆炸是球罐区火灾爆炸的主要原因。泄露可能发生在罐体、管道或法兰连接上，罐体以及管道、阀门由于加工制造、安装时的缺陷及材质的腐蚀会出现裂纹，当安全阀、压力表、温度计、液位计发生事故或失真时，都可能造成超压，使裂纹扩展，使液态烃泄露，甚至使罐体爆裂并导致火灾爆炸发生。本文选取丙烯球罐为火灾爆炸分析、评价对象。

　　2 火灾爆炸的伤害模型

　　液态烃火灾爆炸的伤害模型有两种：其一是蒸气云爆炸；其二是沸腾液体扩展蒸气爆炸。前者属于爆炸型，其破坏效应主要是冲击波的超压引起冲量破坏和伤害。后者属于火灾型，它能产生巨大火球，热辐射是其主要危害。在热辐射的作用下，目标可能遭受伤害和破坏，热辐射对人员的影响与辐射强度和持续时间有直接的关系。不同的伤害模型将有不同的伤害/破坏半径，不同的伤害/破坏半径所包围的封闭面积内的人员多少、财产价值多少将影响事故严重程度的大小。

　　3 火灾爆炸的定量评价计算

　　计算爆炸伤害/破坏后果时，要精确计算液态烃的爆炸能量是比较困难的。虽然容器内可燃气体的量已知，而且在容器爆炸时又几乎全部流出，但由于这些气体一般以球状或其他形态在空间扩散，只有外围一部分可燃气体与大气中的氧混合形成爆炸气体，所以并不是全部可燃气体都参与反应。

　　参与反应的可燃气体量的多少与许多因素有关，如容器周围的气流情况、气体的爆炸极限范围和出现火源的时间等。因此，一般只能是估算，即假定参与爆炸反应气体所占的百分比，然后按这些可燃气体的燃烧热计算其爆炸能量，再确定一个大致的破坏范围。爆炸能量是用TNT当量来表示的，因此目前对液态烃火灾爆炸所产生的冲击波超压一般都是按相同能量的TNT爆炸所产生的超压来确定。虽然存在一定的误差，但在远距离上，相同能量的液态烃气体爆炸和TNT爆炸所产生的超压还是像近似的。

　　3.1 蒸气云爆炸的定量计算[1]

　　当大量丙烯气体泄露到敞开空间以后，没有立即点火，而是先在空中扩散，与空气混合形成爆炸性混合气体，然后发生延迟点火，那么就会发生蒸气云爆炸。下面计算蒸气云爆炸伤害/破坏范围。

　　在正常操作当中，丙烯球罐一般装到340t时就会切罐，本文以此为计算依据。假定参与爆炸反应得气体所占百分比为30%。

　　蒸气云中可燃气体质量Wf=340×1000×30%=1.02×105kg

　　（1）TNT当量

　　据公式WTNT=1.8aWfQf/QTNT

　　式中：WTNT是可燃气体的TNT当量；1.8是地面爆炸系数；a是可燃气体蒸气云当量系数（统计平均值为0.04）；

　　Qf=48670KJ/kg  QTNT=4180 KJ/kg

　　得结果为：WTNT=0.86×105kg

　　（2）死亡半径R1

　　由表2取重伤△P1=2.4×105Pa；由表1取R0=16m

　　由以下公式求解：WTNT=1000(R1/ R0)

　　R1=29m

　　（3）重伤半径R2

　　由表2取重伤△P2=0.6×105Pa；由表1取R0=30m

　　由以下公式求解：WTNT=1000(R2/ R0)

　　R2=55m

　　（4）轻伤半径R3

　　由表2取轻伤△P3=0.3×105Pa；由表1取R0=44m

　　由以下公式求解：WTNT=1000(R3/ R0)

　　R3=80m

　　（5）财产损失半径R4

　　由于罐区周围建筑多是钢筋混凝土结构，因此取钢筋混凝土破坏时的冲击波超压值。

　　由表2取钢筋混凝土破坏时△P4=1.5×105Pa；由表1取R0=19m

　　由以下公式求解：WTNT=1000(R4/ R0)

　　R4=34m

　　3.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸

　　沸腾液体扩展蒸气爆炸事故是石油、化工和交通运输行业常见的重要事故类型。通常情况下，封闭体系中的过热液体在体系发生突然泄压时，压力平衡被破坏，液体急剧气化，并随即被火焰点燃引起爆炸，这种爆炸称为沸腾液体扩展蒸气爆炸。沸腾液体扩展蒸气爆炸的能量来源于两个方面：一方面液态烃球罐本身是高压容器，它的突然破裂能释放出巨大的能量，产生冲击波并将容器碎片抛向远方；另一方面气化液态烃剧烈燃烧能释放出巨大的热能，产生巨大的火球和强烈的热辐射。碎片和冲击波与爆炸火球的热辐射危害相比，他们的危害可以忽略，远场情况尤其如此。液态烃沸腾扩展蒸气云爆炸产生的火球具有烧伤范围广、烧伤速度快和伤害程度深等特点。W为火球中消耗的燃料质量，据经验可对单罐存储W取罐容的50%，对双罐存储，取罐容的70%，多罐存储取罐容的90%[2]。

　　沸腾液体质量W=340×1000×90%=3.06×105kg

　　3.2.1 计算热通量

　　按公式，火球半径R=2.9W1/3=195m

　　火球持续时间 t=0.45 W1/3=30s

　　当伤害几率Pr=5时，死亡、一度烧伤、二度烧伤、财产烧毁百分数D都以50%定义。下面求不同伤害破坏时的热通量。

　　（1）死亡热通量q1

　　Pr=-37.23+2.56ln(tq14/3)

　　带入Pr和t的值，经计算得q1=18449W/m2

　　（2）二度烧伤（重伤）热通量q2

　　Pr=-43.13+3.0186ln(tq24/3)

　　带入Pr和t的值，经计算得q2=12123 W/m2

　　（3）一度烧伤（轻伤）热通量q3

　　Pr=-39.83+3.0186ln(tq34/3)

　　带入Pr和t的值，经计算得q3=5353 W/m2

　　（4）财产烧毁热通量q4

　　q4=6730t-0.8+25400=25842 W/m2

　　3.2.2 计算伤害/破坏半径

　　通过研究计算，发现伤害半径与火球温度无关，据以下经验公式得：

　　死亡半径R1=0.58W0.487=272

　　二度烧伤（重伤）半径R2=0.72W0.487=338m

　　一度烧伤（轻伤）半径R3=1.086W0.487=509m

　　财产损坏半径R4=0.32W0.487=150m

　　4 结论

　　（1）当液态烃罐区发生丙烯泄露，形成混合型爆炸气体遇到明火产生爆炸。以泄露点为中心，在半径29m范围内，人员死亡；半径55m范围内重伤；半径80m范围内轻伤；半径34m范围内财产遭破坏。若无法控制事故的发展，将会引发严重的沸腾液体扩展蒸气爆炸。

　　（2）若发生沸腾液体扩展蒸气爆炸时，火球半径为195m，持续时间30s，死亡半径272m，重伤半径338m，轻伤半径509m，财产损失半径150m。这种爆炸将会使罐区附近的重要区域受到相应程度的破坏。

　　5 防范措施

　　通过以上对丙烯泄露后爆炸伤害/破坏半径的定量计算，我们可以认识到液态烃罐区生产管理的重要性，否则一旦发生事故，后果将难以估量。建议加强以下管理措施：

　　（1）工艺操作上严格执行安全操作规程，操作中球罐不超压，不超装。

　　（2）球罐按期检验，发现缺陷及时消除。

　　（3）严格执行分公司《液态烃、石脑油和芳烃管区安全管理规定》，加强罐区管理。

　　（4）为防止事故发生后，高温火焰烧烤环境下的液态烃储罐内液态烃过热而迅速气化导致罐内超压、破裂泄露所引起的二次火灾，应尽快启动雨淋系统冷却事故罐和相邻罐，降低罐内温度。

　　（5）点火源是引起火灾、爆炸的一个重要因素，罐区内应严格控制动火，认真执行《用火作业安全管理规定》，罐区实行封闭式管理，禁止于罐区无关的车辆和人员进入。

　　（6）完善相关事故预案，组织学习并定期演练。

　　参考文献

　　1程中林 安徽化工 2004年 46

　　2王若菌，蒋军成 中国安全生产科学技术 2005年6月 11