液氧储罐外部安全防护距离评估

液氧储罐外部安全防护距离评估摘要依据国务院安委会日前印发《全国安全生产专项整治三年行动计划》文件的精神，各地对危险化学品生产及储存单位进行外部安全防护距离评估，氧气站储存及经营的氧气属于《危险化学品目录（2015年版）》中列举的危险化学品，应进行外部安全防护距离评估，氧气属于第2.2类不燃气体，非爆炸性、有毒性气体，不能依据《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》（GB/T37243-2019）进行评估，因此本文从液氧储罐物理爆炸的角度评估外部安全防护距离，给小型氧气站的选址和安全管理提供参考。关键词：危险化学品；物理爆炸；外部安全防护距离0引言随着我国经济的发展，城市郊区已向城市化发展，城郊原危险化学品生产与储存企业周边人口越来越密集，已不满足外部安全防护距离要求，危化品企业一旦发生安全生产事故，将对周边群周造成严重的影响，为此全国各地陆续开展危险化学品生产储存企业外部安全防护距离评估，对于外部安全防护距离不符合规范要求的企业采取整改、搬迁等措施，以保证人民群众的生命、财产安全。氧气在工业生产、建筑施工中应用极广，如氧气焊、金属切割等，城市的发展离不开氧气，氧气站选址与城市的距离既要符合安全防护距离的要求，也得考虑城市用气的运输便捷。《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》（GB/T37243-2019）适用于爆炸性、有毒性的危险化学品生产储存企业，对液氧储罐的外部安全防护距离并不适用。因此，笔者考虑了液氧储罐的理化特性，建立物理爆炸模型，从物理爆炸的冲击波按照超压准则（不考虑超压持续时间和液氧储罐碎片所造成的破坏）来评估液氧储罐的外部安全防护距离。1评估方法1.1物理爆炸的定义物理爆炸是指物理变化引起的爆炸。物理爆炸的能量主要来自于甩缩能、相变能、运动能、流体能、热能和电能等。气体的非化学过程的过压爆炸、液相的气化爆炸、液化气体和过热液体的爆炸、溶解热、稀释热、吸附热、外来热引起的爆炸、流体运动引起的爆炸、过流爆炸以及放电区引起的空气爆炸等都属于物理爆炸。物理爆炸如压力容器破裂时，气体膨胀所释放的能量（即爆破能量）不仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态相关。1.2外部安全防护距离评估流程1.2.1压缩气体与水蒸气容器爆破能量当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：（1）式中——气体的爆破能量，kJ；——容器内气体的绝对压力，MPa；——容器的容积，m3；——气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比。常用气体的绝热指数数值见表1。表1常用气体的绝热指数气体名称空气氮氧氢甲烷乙烷乙烯丙烷一氧化碳值1.41.41.3971.4121.3161.181.221.331.395气体名称二氧化碳一氧化氮二氧化氮氨气氯气过热蒸气干饱和蒸气氢氰酸值1.2951.41.311.321.351.31.1351.31从表中可看出，空气、氮、氧、氢及一氧化氮、一氧化碳等气体的绝热指数均为1.4或近似1.4，若用=1.4代入式1中，则：（2）令则式2可简化为：（3）式中——常用压缩气体爆破能量系数，kJ/m3。压缩气体爆破能量是压力的函数，各种常用压力下的气体爆破能量系数列于表2中。表2常用压力下的气体容器爆破能量系数（=1.4时）表压力/MPa0.20.40.60.81.01.62.5爆破能量系数Cg/（kJ•m-3）2×1024.6×1027.5×1021.1×1031.4×1032.4×1033.9×103表压力/MPa4.05.06.415.03240爆破能量系数Cg/（kJ•m-3）6.7×1038.6×1031.1×1042.7×1046.5×1048.2×1041.2.2液化气体与高温饱和水的爆破能量液化气体和高温饱和水一般在容器内以气液两态存在，当容器破裂发生爆炸时，除了气体的急剧膨胀做功外，还有过热液体激烈的蒸发过程。在大多数情况下，这类容器内的饱和液体占有容器介质重量的绝大部分，它的爆破能量比饱和气体大得多，一般计算时考虑气体膨胀做的功。过热状态下液体在容器破裂时释放出的爆破能量可按下式计算：（4）式中——过热状态液体的爆破能量，kJ；——爆炸前饱和液体的焓，kJ/kg；——在大气压力下饱和液体的焓，kJ/kg；——爆炸前饱和液体的熵，kJ/kg•k；——在大气压力下饱和液体的熵，kJ/kg•k；——介质在大气压力下的沸点，k；——饱和液体的质量，kg。1.2.4爆炸能量换算TNT当量因为1kgTNT爆炸所放出的爆破能量为4230~4836kJ/kg，一般取平均爆破能量为4500kJ/kg，故其关系为：（5）1.2.3冲击波计算爆炸对目标的破坏作用主要决定于目标所受到的冲击波强度ΔP。根据爆炸相似率：爆炸冲击波强度与爆炸物TNT当量的三次方根成正比，与目标距爆炸中心之间距离成反比，即：（6）式中：ΔP--爆炸冲击波超压，单位MPaf--函数关系式符号R--目标距爆炸中心的距离，单位mq--爆炸物的TNT当量，即q=WTNT，单位kg由式6推理可知：不同量的爆炸物发生爆炸时，如果目标距爆炸中心的距离之比与爆炸物TNT当量的三次方根之比相等，则目标受到的爆炸冲击波超压相等，即：若==α，（7）则ΔP=ΔP0，式中,R--目标与爆炸中心之间的距离，mR0--目标与基准爆炸中心之间的相当距离，mq----爆炸物的TNT当量，kgq0---基准爆炸物的TNT当量，以1000kgTNT计ΔP---目标处的超压，MPaΔP0--基准目标处的超压，MPaα---爆炸模拟比爆炸模拟比是一个无因次量，可以理解为：不同当量的爆炸物产生相同的爆炸效果的前提下，目标与爆炸中心之间距离的比值。经大量实验总结可知：①1000kgTNT爆炸时，在不同距离的冲击波超压值如表3所示；②冲击波超压对人体的伤害作用如表4所示；③冲击波超压对建筑物的破坏作用如表5所示。表31000kgTNT爆炸时的冲击波超压距离R0，（m）56789101214超压ΔP0，（MPa）2.942.061.671.270.950.760.500.33距离R0，（m）1618202530354045超压ΔP0，（MPa）0.2350.1700.1260.0790.0570.0430.0330.027距离R0，（m）505560657075超压ΔP0，（MPa）0.02350.02050.0180.0160.01430.013表4冲击波超压对人体的伤害作用超压ΔP0，（MPa）伤害作用0.02～0.03轻微损伤0.03～0.05听觉器官损伤或骨折0.05～0.1内脏严重损伤或死亡＞0.1大部分人员死亡表5冲击波超压对建筑物的破坏作用超压ΔP0，（MPa）破坏作用0.005～0.006门窗玻璃部分破碎0.006～0.015受压面门窗玻璃大部分破碎0.015～0.02窗框损坏0.02～0.03墙裂缝0.04～0.05墙大裂缝，屋瓦掉下0.06～0.07木建筑房屋柱折断，房梁松动0.07～0.1砖墙倒塌0.1～0.2防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌0.2～0.3大型钢架结构破坏4）爆炸冲击波伤害范围的计算根据爆炸相似率，利用TNT炸药实验数据汇总表，可以估算液氧储罐物理爆炸的伤害范围，步骤如下：第一步：利用式5计算物理爆炸的TNT当量WTNT，即q值；第二步：利用式7计算爆炸模拟比α，即：物理爆炸与1000kgTNT爆炸产生相同的爆炸效果时，目标距离爆炸中心之间距离的比值；第三部：利用表3、表4及表5，先查出1000kgTNT的死亡半径、重伤半径、轻伤半径和建筑物破坏半径，再用该值乘爆炸模拟比α，即可求出液氧储罐和氧气钢瓶物理爆炸的死亡半径、重伤半径、轻伤半径和建筑物破坏半径。估算时，通常取死亡、重伤、轻伤和建筑物破坏的冲击波超压临界值分别为：0.075、0.04、0.025、0.015MPa。因表3中不能直接查到临界值，评估时需要用插入法计算。2液氧储罐外部安全防护距离计算2.1爆破能量计算按照公式4，，计算液氧储罐爆炸能量，假设该液氧储罐设计压力0.885Mpa，罐容15m3，储存温度-196℃，液氧质量W=17.1×103kg经查询，大气压力下沸点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按照该公式计算结果，表明液氧储罐发生物理爆炸时，储存的液氧大量气化时需要吸收大量的热量，按照该公式计算的结果对于本次外部安全防护距离评估无意义，液氧属于永久气体，液氧储罐设计压力0.885Mpa，实际发生物理爆炸时存在较为复杂的模型，既有压力介质对外做功的正能量，也存在液氧需要气化时的热量，因此本报告利用公式3计算液氧储罐发生物理爆炸时对外产生的能量。按照公式5，计算爆炸能量的TNT爆炸当量。Q=1.65×104÷4500=3.667kg2.2伤害半径计算按照公式6计算爆炸模拟比α=R/R0=（3.667/1000）1/3=0.1542经计算，结果如下：表6液氧储罐事故后果模拟评价结果模拟场景假设液氧储罐发生物理爆炸，其TNT当量3.667kg爆炸模拟比0.1542伤害范围ΔP0（Mpa）R0（m）R（m）死亡半径0.07525.94重伤半径0.0436.55.63轻伤半径（m）0.02547.57.32建构筑物破坏半径（m）0.01567.510.43结论通过建立液氧储罐发生物理爆炸模型，以液氧储罐物理爆炸时产生的冲击波按照超压准则进行外部安全防护距离评估，通过模拟计算可知，设计压力0.885Mpa，罐容15m3，储存温度-196℃的液氧储罐发生物理爆炸时，其冲击波造成的死亡半径为4m，重伤半径为5.63m，轻伤半径7.32m,建构筑物破坏半径10.4m。参考文献[1]国家安全生产监督管理总局.安全评价.第三版.北京：煤炭工业出版社，2005[2]柴建设，别凤喜，刘志敏编著.安全评价技术.方法.实例.北京：化学工业出版社，200