液化石油气蒸汽爆炸危险性评析

　　摘要：液化石油气是易燃易爆的危险品，在其储运过程中屡有发生蒸汽爆炸事故，并常相继引发其他类型的爆炸，造成严重的后果。只是由于蒸汽爆炸常常伴随其他爆炸发生，故易被人们忽视。然而，其可能造成的危害很大，加强对其的研究和预防十分必要。本文分析了液化石油气蒸汽爆炸的类型，并对其灾害因素（冲击波、火球和抛射物）进行了探讨，总结了其火灾爆炸事故的预防措施与技术。

    关键词：液化石油气 平衡破坏型爆炸 冲击波 火球 抛射物

    前言：随着工业的发展及人民生活水平的提高，液化石油气（LPG）已是工业上不可或缺的能源，更与人们的日常生活息息相关。由于液化石油气本身具有易燃易爆的特性，在其生产、储运和使用过程中，如果操作处理不当、安全管理不良，极易引起火灾事故。尤其是在液化石油气的储罐区，储罐集中，储量大，一旦发生火灾，往往会造成灾难性事故。如1979年吉林市煤气公司液化石油气储站爆炸事故，造成死亡32人，伤残54人的群死群伤严重后果。烧坏站区及相邻的全部建筑，直接经济损失539万元，间接经济损失89万元。1984年墨西哥国家石油公司液化石油气储站爆炸事故，火球直径达360米，站内设施几乎全毁。爆炸及燃烧波及厂区周围1200米内的建筑，估计毁坏民房1400间以上，造成约650人死亡、6000人受伤、近3.1万人无家可归，财产损失高达2250万美元。因此对液化石油气的灾害因素进行危险性分析，总结出其火灾爆炸事故的预防措施与技术，有助于我们了解液化石油气的危险性，对化工消防工作有着重大的指导意义。

　　1.液化石油气的组成及其特性

　　1．1 组成及理化参数

    液化石油气蒸汽的主要组成成分为丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等混合物。它们在常温常压下为气体，只要稍加一点压力就可以液化。其密度是随压力及温度改变而改变，比重则视其成分而变，一般为空气的1.5—1.75，常滞留于低洼处。表1列出了LPG主要成分的部分理化参数。

 

　　1．2火灾、爆炸危险性

    液化石油气的闪点低（ -60℃）,爆炸范围较宽，点火能量小。液态石油气泄漏到大气中易气化，1m3液态石油气可转变为250——300m3气态石油气，由于其相对密度较空气高，故易于在低洼处积聚，或沿地表扩散，遇火源即会发生燃烧、爆炸。液化石油气燃烧热值高（其低热值约为8.8 ×104kj/m3）,爆炸速度快，形成的热辐射和超压威力大，破坏性强，易造成人员伤亡和设备损坏。液化石油气具有较高的膨胀系数，在密闭容器及管道内，温度升高会引起压力升高，从而发生超压物理性爆炸。

　　2．液化石油气蒸汽爆炸类型

    我国目前广泛采用的是常温压力方式来储存液化石油气。如常见的球型储罐、卧式储罐以及汽车槽车上专用槽罐等均采用这种方式。在该储存方式下液化石油气极易发生平衡破坏型爆炸。

    平衡破坏型爆炸是指带压容器液相与蒸汽相之间的平衡状态遭到破坏时，液相因立即成为过热状态而急剧沸腾发生的蒸汽爆炸。当容器受热时，内部液体温度上升，气相压力增加，液体温度与蒸汽压力间可维持平衡。如果容器气相部分壳体发生破裂，高压蒸汽就会通过裂缝喷出，容器内压急剧下降，使液相部分成为不稳定的过热状态。为再次保持平衡，液体的一部分热量会转变为蒸发热，使部分液体变为常压沸点的蒸汽，同时过热液体内部产生沸腾核，无数气泡增长，液体体积急剧膨胀，冲击器壁而出现液击现象。器壁在承受这种数倍于最初蒸汽压的冲击下，容器的裂缝便继续开裂扩大，或发生破坏性爆炸，容器内液体瞬间大量喷出，呈现爆炸现象。

    显然这种液化石油气的蒸汽爆炸，归纳起来必须具备三个前提。一是储罐内液相部分要处于过热状态，且过热液体的量要大；二是储罐内液温与常压沸点之间的温差要大；三是储罐内液面上方气相空间处的金属罐壁产生较大的裂缝，致使内压急剧下降。

    平衡破坏型爆炸可区分为常温液化石油气蒸汽爆炸和火焰加热型蒸汽爆炸。

　　2．1常温液化石油气蒸汽爆炸

    储罐内液化石油气处于常温压力条件下储存时，在一定的温度压力条件下保持蒸汽压平衡，当罐体突然破裂时，则罐内压力立即降为常压，使液体暂时处于不稳定的过热状态，就会因急剧的相变而引起激烈的蒸汽爆炸。如果储罐内充装纯丙烷液化气体，在40℃的高温下，它的气相压力约为20公斤力/平方厘米，“气——液”两相间保持动态平衡。这时若因外力撞击、过量充装、内壁化学腐蚀或焊接和制作质量差等因素导致罐体突然破裂，则压力将迅速降到常压，使原来40℃的液温处于过热状态。处于过热状态的液体是不稳定的，为了再次恢复平衡，将过热量变作蒸发热，使大部分液体变为常压沸点的温度，即-42.10℃。为此，在过热液体内部必然发生液体体积的急剧膨胀与汽化，最终因急剧的相变而发生蒸汽爆炸。

　　2．2火焰加热型蒸汽爆炸

    当球罐、卧罐内的液化石油气受到火焰烧烤或强烈的辐射热影响时，会造成罐内液体急速膨胀及沸腾。同时，蒸汽压也会出现异常的升高，如液温为79℃的丙烷液体，其蒸汽压可高达30公斤力/平方厘米，远远超出罐体的设计工作压力为16公斤力/平方厘米。这时液面以下的金属罐壁温度不会有明显的升高。因而使金属机械强度降低，很容易产生延展性破坏，使罐体破裂、罐内压力急剧下降，液体处于过热状态，迅速蒸发产生大量蒸汽，这些有压气体继续膨胀，使裂口进一步扩大，急剧相变的结果引发了蒸汽爆炸。

    上述两种类型的蒸汽爆炸，都会使储罐内的液化气高速喷出并夹带着大量的雾滴，在大气中再以250倍的倍率汽化并与空气形成爆炸性混合气体，一旦遇明火就会发生化学性爆炸。强烈的高温辐射热，将使消防人员无法逼近，储罐区内的其它球罐及卧罐也将陷入一片火海之中。

　　3.液化石油气蒸汽爆炸危害特性分析

    液化石油气蒸汽爆炸产生的危害因素主要是冲击波、火球和抛射物三种。

　　3.1冲击波

　　3.1.1冲击波的能量

    发生蒸汽爆炸时，汽化的蒸汽体积增大，带来压力的激烈上升，形成巨大的冲击力。同时，由于气液混合物的高速喷射，从容器开口处沿一个方向进行，对容器本身会形成一个反作用力，使爆炸容器沿气液混合体喷射的反方向发生剧烈位移，甚至高速飞出，对周围建筑和设施形成冲击波。

    储罐爆炸的能量一般消耗于三个方面:撕裂储罐、将碎片抛出和产生冲击波。前两项所消耗的能量约占爆炸能量的35%，其中将储罐进一步撕裂所消耗的能量是极小的。

    假定在一个很小的体积内包含有均匀的高压气体当内部气体突然向外膨胀时，周围气体受到猛烈压缩，在波头产生压力突跃。随后因气体从爆炸中心高速流出及惯性效应，使气体过膨胀并产生吸力。冲击波间断面上的峰值压力不是恒值，而是随着时间的增加而下降，但中心附近的压力比间断面上的压力下降要快得多，在爆炸的初期阶段，中心压力就降到初始压力的一半。随着冲击波向外传播，冲击波面所包围的体积越来越大，相比之下，爆炸产物的初始体积可以忽略不计。正压相和负压相的大小大约相等，但一般正压相要更强一些，因为负压受到大气压力的限制。对负压相起作用的惯性效应不仅导致压力增量改变符号，而且在大气中产生压力震荡。某一固定位置冲击波的压力随时间的变化如下图。 

 

图1  冲击压力-时间曲线

    在爆炸后的时间t0时，该处的压力突跃至峰值压力，使当地物体受到一个巨大压力的作用。但这个力不是恒定的，当超压衰减到时间t0+td时，物体开始受到吸力的作用。

    冲击波的破坏作用可用三个特征量来衡量，即波阵面上的压力、冲击波的持续时间和比冲量（压力与时间的乘积）。在冲击波阵面后出现的高温和高压是杀伤和破坏的主要因素。在其他条件相同的情况下，爆炸能量越大，冲击波强度越大，波阵面上的超压也越大。当冲击波在空间自由传播时，波的强度随着传播距离的增加而逐渐衰减。这是由于冲击波以球面的形状向外扩展，波阵面的表面积不断增大，压缩区的空气量也不断增多，因而波阵面单位面积上的能量及单位质量空气的能量会逐渐减小，加上传播过程中阻力作用，使波的强度迅速减弱。因而在相同的爆炸条件下，距离爆炸中心越近，冲击波波阵面上超压越大，其破坏作用也越大。下表为1000kgTNT在地面爆炸时冲击波超波破坏作用与距离关系的实验结果。

 
 

　　3.1.2冲击波的能量估算

    发生爆炸时，在距离爆炸中心某一距离处产生的冲击波超压，主要决定于参加爆炸反应的爆炸能量和该处与爆炸中心的距离，即超压P是爆炸能量E和距离R的函数，P=f（E，R）。但实际上，由于受到实验条件的限制，只能用一定数量的TNT进行爆炸实验，观察和测量爆炸范围内建筑屋破坏情况及其与爆炸中心的距离，利用相似法的原理计算爆炸能量。即：不同数量的同类炸药爆炸时，如果与爆炸中心距离之比和炸药能量之比的立方根相等，则产生的冲击波超压值大小相同，反之亦然。此原理可表达如下： 

 

　　式中：R－实际爆炸时某点距爆炸中心的距离，m
      R0－与R处具有相同峰值超压的实验距离，m
      E－爆炸物的TNT当量，kgTNT或kj
      E0－试验用的TNT当量，kgTNT或kj
      P－实际爆炸时R距离处的峰值超压，Pa
      P0－爆炸实验时R0距离处的峰值超压，Pa

    一般来说，冲击波破坏作用大小还与过热液体发生爆炸时的汽化液量呈正比关系。假定容器形成裂缝，气体喷出，内压降到常压，过热液体发生爆炸时的汽化液量可由下式计算：

                          W0 = CWt/q                         (2)

    式中W0为汽化液量，kg；C为过热液体的比热，kj/kg*℃；W为过热液体重量，kg；t为过热液体的常压沸点和加热温度之差，℃；q为液体的汽化热，kj/kg。
　　
    由上式可以看出温度差、液体量和比热越大，汽化热越小时，其汽化液量也越大，而汽化热量越大，形成的冲击破坏作用也越大。

　　3.2火球

　　3.2.1火球

    若液化石油气的燃烧是在设备破裂后液化气迅速蒸发扩散，形成的爆炸性混合物遇点火源作用发生的，则高温燃气的扩散范围可视作以设备为中心的半球状。

    火球是一种以三维形式快速传播的现象。包围火焰体系的空气密度比其周围空气密度低，火焰会不断向上升，其形状亦不断向球形过渡。随着传播火焰的上升，周围空气由于对流和涡流运动，燃烧更为加剧，温度升高。于是火焰的整个体系边膨胀边在浮力作用下上升，同时从下部吸入空气维持火焰的传播，使火焰的体积越胀越大升腾的高度也越来越高，形状也越趋于球状，当规模较大时，还会发展成两侧带有扁椭圆的茸状火球。

    故可采用火球模型和瞬态火灾下的热通量-时间准则评价。

　　3.2.2火球热辐射的评价模型

    持续时间

    火焰辐射热对人体的灼伤及时对可燃物的可燃性是由辐射强度和持续时间两个因素所决定的。火场上，人们在短时间内最高可以承受4。652kw/m2的辐射热强度。由于火球的燃烧形式和可燃物种类不同，持续时间有显著差别。

    计算火球直径D

                   D = 3.88 W0.32                          (3)

    式中W为燃烧的液化石油气的总质量，kg；D为火球直径，m。

    计算火球持续时间t

                   t = 0.299 W0.32                         (4)

    计算热通量q

                          GT4D2
                   q = ＿＿＿＿＿＿                          (5)
                        FR2 + D2 

    式中q为热通量，W/m2；D为火球直径，m；R为离火球中心的距离，m；T为火球温度，k（取1350K）；F为常数，取161.7（实验值）；G为常数，取5.26 ×10-5（实验值）。

　　3.2.3 热通量-时间准则

    常见的热辐射破坏准则可以归纳为：热通量-热强度准则、热通量-时间准则、热强度-时间准则。

   热通量是指单位时间、单位面积发射或接收的热量，通常以q表示。热强度是指热通量与热通量作用时间的乘积，通常以Q表示。由于热通量、热强度和热辐射作用时间中知道任意两个变量就可以计算出第三个变量，所以这三个准则是完全等价的。

    热通量-时间准则以热通量和时间作为衡量目标是否被破坏的参数。如果以热通量q和作用时间t分别作为纵、横坐标，那么目标破坏的临界条件对应于一条临界曲线，见图2。

 

图二 热辐射破坏的q-l图

    人员受伤害的概率用下式确定：
   
    死亡概率
　　　　    Pr = -37.23 + 2.56ln(tq4/3)                     (6) 
    重伤（二度烧伤）概率
　　　　    Pr = -43.14 + 3.019ln(tq4/3)                    (7)
    轻伤（一度烧伤）概率
　　　　    Pr = -39.83 + 3.019ln(tq4/3)                    (8)
    设备烧毁所需要的临界热通量q
           q = 6370t-0.8 + 25400                           (9)

　　3.2.4 火球危险性评价

    根据火球热辐射模式（3）`(5)和相对应的热通量－时间准则式(6)`(9)可以确定相对应的破坏半径。死亡、重伤、轻伤及财产损失半径分别指热辐射作用下的死亡、二度烧伤、一度烧伤和引燃木材半径。

 

    火球半径及火球持续时间决定热辐射强度和其对应的伤害半径大小。通常将伤害区域划分为死亡区、重伤区、轻伤区，还有财产损失区等。这些区域都用伤害破坏半径来表示。

　　3.3抛射物

    抛射物是在蒸汽爆炸中产生的距离最远、范围最广的危害。 液化石油气蒸汽爆炸的抛射物有两种基本的类型：

　　1．    最初的抛射物是储罐上较大的碎片。

　　2．    其余的抛射物是储罐附近受爆炸冲击波作用产生加速度的物体。

      （储罐边上的导管、支撑脚架、其它的附件等等）

    对80个400升的丙烷储罐进行点火实验时得出了一些蒸汽爆炸抛射物的数据。在80个丙烷储罐中有36个发生了蒸汽爆炸，得出如下经验公式：

                     V=0.2(2E/M)1/2                       (14)

    式中为V抛射物的抛射速率，m/s；E为抛射物的动能，kJ；M为抛射物的质量，kg。
   
    对以上400升丙烷罐点火实验进行观察发现，大部分的抛射物会落在4个火球半径的范围内（D = 3.88W0.32）。在4D距离处热辐射量会低于21kw/m-2,大部分抛射物射程小于此范围，救援人员可在爆炸储罐逆风4个火球半径处进行观察和处置。然而，有部分抛射物可落到比4个火球半径更远的距离，实验数据表明抛射物最远可达到15个火球半径的距离。因此，在处置时，应将警戒线划定在15个火球半径以外，即群众应疏散到15个火球半径外才安全。

　　4.液化石油气蒸汽爆炸的预防

    从LPG的危险性和事故案例可以看出，LPG泄漏后引起蒸汽爆炸往往造成严重的危害。因此，采取必要的安全措施预防事故发生，以保证LPG的储存和管道输运安全。

　　4.1力争设备本质安全

    LPG储罐、管道在选材、设计、加工、制造和安装过程中，应严格按照有关规范、标准进行，确保质量。储罐产生裂缝导致压力变化，是发生液化石油气蒸汽爆炸的前提。故必须防止由于质量问题，导致材料无法承受罐内压力而产生裂缝，从而发生蒸汽爆炸。如LPG储罐罐体材料应选用低合金高强钢；法兰、垫片和紧固件的压力等级应高于设计压力；储罐、管道上的阀门严禁采用灰口铸铁材料；第一个法兰密封面应采用高颈对焊法兰、金属缠绕垫片和高强度螺栓组合。管道尽量采用焊接而少用法兰连接。这样目的是增加储罐的韧性，减少其脆性，不容易突然产生裂缝。容器配置的温度计、压力表、安全阀、报警器等安全设施必须齐全好用，这样即使产生裂缝，也能及时发现，进行处理。容器在使用前一定要进行耐压试验。生产运行过程中，加强维护保养，防止使用时间长后材料性能下降，无法承受压力而发生蒸汽爆炸。

　　4.2 严禁违章操作

   在操作过程中要严格按照操作规程进行操作，防止因人为因素使容器产生裂缝、开口或使液化石油气泄漏。特别要注意的是不能使储罐内出现满液现象。由于LPG的膨胀系数高，如果出现管线两端封闭，管线内满液的情况，气温上升会引起压力上升，会对容器器壁产生额外的压力，使得管线易于破裂，发生蒸汽爆炸。因此，要避免液化石油气体的过量充装而造成的容器内压异常上升，导致蒸汽爆炸。

　　4.3 采取有效措施进行堵漏

    当发生泄漏后，LPG会从产生的裂缝处急剧泄漏，造成压力急剧下降，使得液相急剧转变为气相，加剧蒸汽爆炸的威力。泄漏的液化石油气蒸汽液滴飘在空中，一旦遇明火或因蒸汽爆炸中产生的静电火花作用，将会发生二次爆炸，产生巨大的火球，带来极大的破坏。及时堵漏可以防止压力继续下降，减缓液体由液相向气相的急剧转变，减小蒸汽爆炸的危害。因此，在确保安全的情况下，及时有效的堵漏是防止蒸汽爆炸进一步发展和控制其严重程度的重要手段。所以，应立即采取多种措施进行堵漏：1。关闭阀门。2。带压堵漏。3。注水。4。转移物料。

　　4.4 控制点火源

    发生LPG泄漏后，在采取各种措施堵漏的同时，不可避免的有泄漏的LPG与空气混合，由蒸汽爆炸喷出的可燃气体和雾滴与空气混合，形成爆炸蒸汽云。蒸汽云靠液体本身高速喷射而产生的静电或遇外部引火源，紧接着会发生二次爆炸（混合气体爆炸），产生火球。使爆炸事故范围进一步扩大，造成的损害往往大于蒸汽爆炸。为此，必须根据泄漏的严重程度，设立警戒区，控制点火源，以免加剧蒸汽爆炸的危害后果。

　　结束语

    通过对液化石油气蒸汽爆炸类型和危害性的研究，使我们对液化石油气有了更深的了解和认识。并给出了一些预防其蒸汽爆炸的方法，对预防液化石油气在储运过程中发生蒸汽爆炸提供了依据。

　　参考文献

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