液氧儲罐外部安全防護距離評估

液氧儲罐外部安全防護距離評估摘要依據(jù)國務(wù)院安委會日前印發(fā)《全國安全生產(chǎn)專項整治三年行動計劃》文件的精神，各地對危險化學(xué)品生產(chǎn)及儲存單位進行外部安全防護距離評估，氧氣站儲存及經(jīng)營的氧氣屬于《危險化學(xué)品目錄（2015年版）》中列舉的危險化學(xué)品，應(yīng)進行外部安全防護距離評估，氧氣屬于第2.2類不燃氣體，非爆炸性、有毒性氣體，不能依據(jù)《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護距離確定方法》（GB/T37243-2019）進行評估，因此本文從液氧儲罐物理爆炸的角度評估外部安全防護距離，給小型氧氣站的選址和安全管理提供參考。關(guān)鍵詞：危險化學(xué)品；物理爆炸；外部安全防護距離0引言隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市郊區(qū)已向城市化發(fā)展，城郊原危險化學(xué)品生產(chǎn)與儲存企業(yè)周邊人口越來越密集，已不滿足外部安全防護距離要求，?；菲髽I(yè)一旦發(fā)生安全生產(chǎn)事故，將對周邊群周造成嚴(yán)重的影響，為此全國各地陸續(xù)開展危險化學(xué)品生產(chǎn)儲存企業(yè)外部安全防護距離評估，對于外部安全防護距離不符合規(guī)范要求的企業(yè)采取整改、搬遷等措施，以保證人民群眾的生命、財產(chǎn)安全。氧氣在工業(yè)生產(chǎn)、建筑施工中應(yīng)用極廣，如氧氣焊、金屬切割等，城市的發(fā)展離不開氧氣，氧氣站選址與城市的距離既要符合安全防護距離的要求，也得考慮城市用氣的運輸便捷。《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護距離確定方法》（GB/T37243-2019）適用于爆炸性、有毒性的危險化學(xué)品生產(chǎn)儲存企業(yè)，對液氧儲罐的外部安全防護距離并不適用。因此，筆者考慮了液氧儲罐的理化特性，建立物理爆炸模型，從物理爆炸的沖擊波按照超壓準(zhǔn)則（不考慮超壓持續(xù)時間和液氧儲罐碎片所造成的破壞）來評估液氧儲罐的外部安全防護距離。1評估方法1.1物理爆炸的定義物理爆炸是指物理變化引起的爆炸。物理爆炸的能量主要來自于甩縮能、相變能、運動能、流體能、熱能和電能等。氣體的非化學(xué)過程的過壓爆炸、液相的氣化爆炸、液化氣體和過熱液體的爆炸、溶解熱、稀釋熱、吸附熱、外來熱引起的爆炸、流體運動引起的爆炸、過流爆炸以及放電區(qū)引起的空氣爆炸等都屬于物理爆炸。物理爆炸如壓力容器破裂時，氣體膨脹所釋放的能量（即爆破能量）不僅與氣體壓力和容器的容積有關(guān)，而且與介質(zhì)在容器內(nèi)的物性相態(tài)相關(guān)。1.2外部安全防護距離評估流程1.2.1壓縮氣體與水蒸氣容器爆破能量當(dāng)壓力容器中介質(zhì)為壓縮氣體，即以氣態(tài)形式存在而發(fā)生物理爆炸時，其釋放的爆破能量為：（1）式中——氣體的爆破能量，kJ；——容器內(nèi)氣體的絕對壓力，MPa；——容器的容積，m3；——氣體的絕熱指數(shù)，即氣體的定壓比熱與定容比熱之比。常用氣體的絕熱指數(shù)數(shù)值見表1。表1常用氣體的絕熱指數(shù)氣體名稱空氣氮氧氫甲烷乙烷乙烯丙烷一氧化碳值1.41.41.3971.4121.3161.181.221.331.395氣體名稱二氧化碳一氧化氮二氧化氮氨氣氯氣過熱蒸氣干飽和蒸氣氫氰酸值1.2951.41.311.321.351.31.1351.31從表中可看出，空氣、氮、氧、氫及一氧化氮、一氧化碳等氣體的絕熱指數(shù)均為1.4或近似1.4，若用=1.4代入式1中，則：（2）令則式2可簡化為：（3）式中——常用壓縮氣體爆破能量系數(shù)，kJ/m3。壓縮氣體爆破能量是壓力的函數(shù)，各種常用壓力下的氣體爆破能量系數(shù)列于表2中。表2常用壓力下的氣體容器爆破能量系數(shù)（=1.4時）表壓力/MPa0.20.40.60.81.01.62.5爆破能量系數(shù)Cg/（kJ?m-3）2×1024.6×1027.5×1021.1×1031.4×1032.4×1033.9×103表壓力/MPa4.05.06.415.03240爆破能量系數(shù)Cg/（kJ?m-3）6.7×1038.6×1031.1×1042.7×1046.5×1048.2×1041.2.2液化氣體與高溫飽和水的爆破能量液化氣體和高溫飽和水一般在容器內(nèi)以氣液兩態(tài)存在，當(dāng)容器破裂發(fā)生爆炸時，除了氣體的急劇膨脹做功外，還有過熱液體激烈的蒸發(fā)過程。在大多數(shù)情況下，這類容器內(nèi)的飽和液體占有容器介質(zhì)重量的絕大部分，它的爆破能量比飽和氣體大得多，一般計算時考慮氣體膨脹做的功。過熱狀態(tài)下液體在容器破裂時釋放出的爆破能量可按下式計算：（4）式中——過熱狀態(tài)液體的爆破能量，kJ；——爆炸前飽和液體的焓，kJ/kg；——在大氣壓力下飽和液體的焓，kJ/kg；——爆炸前飽和液體的熵，kJ/kg?k；——在大氣壓力下飽和液體的熵，kJ/kg?k；——介質(zhì)在大氣壓力下的沸點，k；——飽和液體的質(zhì)量，kg。1.2.4爆炸能量換算TNT當(dāng)量因為1kgTNT爆炸所放出的爆破能量為4230~4836kJ/kg，一般取平均爆破能量為4500kJ/kg，故其關(guān)系為：（5）1.2.3沖擊波計算爆炸對目標(biāo)的破壞作用主要決定于目標(biāo)所受到的沖擊波強度ΔP。根據(jù)爆炸相似率：爆炸沖擊波強度與爆炸物TNT當(dāng)量的三次方根成正比，與目標(biāo)距爆炸中心之間距離成反比，即：（6）式中：ΔP--爆炸沖擊波超壓，單位MPaf--函數(shù)關(guān)系式符號R--目標(biāo)距爆炸中心的距離，單位mq--爆炸物的TNT當(dāng)量，即q=WTNT，單位kg由式6推理可知：不同量的爆炸物發(fā)生爆炸時，如果目標(biāo)距爆炸中心的距離之比與爆炸物TNT當(dāng)量的三次方根之比相等，則目標(biāo)受到的爆炸沖擊波超壓相等，即：若==α，（7）則ΔP=ΔP0，式中,R--目標(biāo)與爆炸中心之間的距離，mR0--目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心之間的相當(dāng)距離，mq----爆炸物的TNT當(dāng)量，kgq0---基準(zhǔn)爆炸物的TNT當(dāng)量，以1000kgTNT計ΔP---目標(biāo)處的超壓，MPaΔP0--基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓，MPaα---爆炸模擬比爆炸模擬比是一個無因次量，可以理解為：不同當(dāng)量的爆炸物產(chǎn)生相同的爆炸效果的前提下，目標(biāo)與爆炸中心之間距離的比值。經(jīng)大量實驗總結(jié)可知：①1000kgTNT爆炸時，在不同距離的沖擊波超壓值如表3所示；②沖擊波超壓對人體的傷害作用如表4所示；③沖擊波超壓對建筑物的破壞作用如表5所示。表31000kgTNT爆炸時的沖擊波超壓距離R0，（m）56789101214超壓ΔP0，（MPa）2.942.061.671.270.950.760.500.33距離R0，（m）1618202530354045超壓ΔP0，（MPa）0.2350.1700.1260.0790.0570.0430.0330.027距離R0，（m）505560657075超壓ΔP0，（MPa）0.02350.02050.0180.0160.01430.013表4沖擊波超壓對人體的傷害作用超壓ΔP0，（MPa）傷害作用0.02～0.03輕微損傷0.03～0.05聽覺器官損傷或骨折0.05～0.1內(nèi)臟嚴(yán)重損傷或死亡＞0.1大部分人員死亡表5沖擊波超壓對建筑物的破壞作用超壓ΔP0，（MPa）破壞作用0.005～0.006門窗玻璃部分破碎0.006～0.015受壓面門窗玻璃大部分破碎0.015～0.02窗框損壞0.02～0.03墻裂縫0.04～0.05墻大裂縫，屋瓦掉下0.06～0.07木建筑房屋柱折斷，房梁松動0.07～0.1磚墻倒塌0.1～0.2防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌0.2～0.3大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞4）爆炸沖擊波傷害范圍的計算根據(jù)爆炸相似率，利用TNT炸藥實驗數(shù)據(jù)匯總表，可以估算液氧儲罐物理爆炸的傷害范圍，步驟如下：第一步：利用式5計算物理爆炸的TNT當(dāng)量WTNT，即q值；第二步：利用式7計算爆炸模擬比α，即：物理爆炸與1000kgTNT爆炸產(chǎn)生相同的爆炸效果時，目標(biāo)距離爆炸中心之間距離的比值；第三部：利用表3、表4及表5，先查出1000kgTNT的死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑和建筑物破壞半徑，再用該值乘爆炸模擬比α，即可求出液氧儲罐和氧氣鋼瓶物理爆炸的死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑和建筑物破壞半徑。估算時，通常取死亡、重傷、輕傷和建筑物破壞的沖擊波超壓臨界值分別為：0.075、0.04、0.025、0.015MPa。因表3中不能直接查到臨界值，評估時需要用插入法計算。2液氧儲罐外部安全防護距離計算2.1爆破能量計算按照公式4，，計算液氧儲罐爆炸能量，假設(shè)該液氧儲罐設(shè)計壓力0.885Mpa，罐容15m3，儲存溫度-196℃，液氧質(zhì)量W=17.1×103kg經(jīng)查詢，大氣壓力下沸點T1=90.19k，H1=-154.9051kj/kg，H2=271.0132kj/kg，S1=2.676kj/kg·k，S2=6.4106kj/kg·k。Eg=[-154.9051-271.0132-（2.676-6.4106）×-182.96]×17.1×103=—1.52×106kj按照該公式計算結(jié)果，表明液氧儲罐發(fā)生物理爆炸時，儲存的液氧大量氣化時需要吸收大量的熱量，按照該公式計算的結(jié)果對于本次外部安全防護距離評估無意義，液氧屬于永久氣體，液氧儲罐設(shè)計壓力0.885Mpa，實際發(fā)生物理爆炸時存在較為復(fù)雜的模型，既有壓力介質(zhì)對外做功的正能量，也存在液氧需要氣化時的熱量，因此本報告利用公式3計算液氧儲罐發(fā)生物理爆炸時對外產(chǎn)生的能量。按照公式5，計算爆炸能量的TNT爆炸當(dāng)量。Q=1.65×104÷4500=3.667kg2.2傷害半徑計算按照公式6計算爆炸模擬比α=R/R0=（3.667/1000）1/3=0.1542經(jīng)計算，結(jié)果如下：表6液氧儲罐事故后果模擬評價結(jié)果模擬場景假設(shè)液氧儲罐發(fā)生物理爆炸，其TNT當(dāng)量3.667kg爆炸模擬比0.1542傷害范圍ΔP0（Mpa）R0（m）R（m）死亡半徑0.07525.94重傷半徑0.0436.55.63輕傷半徑（m）0.02547.57.32建構(gòu)筑物破壞半徑（m）0.01567.510.43結(jié)論通過建立液氧儲罐發(fā)生物理爆炸模型，以液氧儲罐物理爆炸時產(chǎn)生的沖擊波按照超壓準(zhǔn)則進行外部安全防護距離評估，通過模擬計算可知，設(shè)計壓力0.885Mpa，罐容15m3，儲存溫度-196℃的液氧儲罐發(fā)生物理爆炸時，其沖擊波造成的死亡半徑為4m，重傷半徑為5.63m，輕傷半徑7.32m,建構(gòu)筑物破壞半徑10.4m。參考文獻[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.安全評價.第三版.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005[2]柴建設(shè)，別鳳喜，劉志敏編著.安全評價技術(shù).方法.實例.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200