液化石油气蒸汽爆炸危险性评析

液化石油气蒸汽爆炸危险性评析摘要液化化石油气是易易燃易爆的危危险品，在其其储运过程中中屡有发生蒸蒸汽爆炸事故故，并常相继继引发其他类类型的爆炸，造造成严重的后后果。只是由由于蒸汽爆炸炸常常伴随其其他爆炸发生生，故易被人人们忽视。然然而，其可能能造成的危害害很大，加强强对其的研究究和预防十分分必要。本文文分析了液化化石油气蒸汽汽爆炸的类型型，并对其灾灾害因素（冲冲击波、火球球和抛射物）进进行了探讨，总总结了其火灾灾爆炸事故的的预防措施与与技术。关键词液化石石油气平衡破坏型型爆炸冲击波火球抛射物前言随着工工业的发展及及人民生活水水平的提高，液液化石油气（LPG）已是工业业上不可或缺缺的能源，更更与人们的日日常生活息息息相关。由于于液化石油气气本身具有易易燃易爆的特特性，在其生生产、储运和和使用过程中中，如果操作作处理不当、安安全管理不良良，极易引起起火灾事故。尤尤其是在液化化石油气的储储罐区，储罐罐集中，储量量大，一旦发发生火灾，往往往会造成灾灾难性事故。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.液化石油气气的组成及其其特性1．1组成及及理化参数液化石油气蒸汽汽的主要组成成成分为丙烷烷、丁烷、丙丙烯、丁烯等等混合物。它它们在常温常常压下为气体体，只要稍加加一点压力就就可以液化。其其密度是随压压力及温度改改变而改变，比比重则视其成成分而变，一一般为空气的的1.5—1.75，常滞留于于低洼处。表表1列出了LPG主要成分的的部分理化参参数。表1LPGG主要成分的的部分理化参参数主要成分理化参数丙烷丁烷燃烧性易燃易燃闪点/℃-104-60燃烧上限/%2.11.5燃烧下限/%9.58.5爆炸上限/V%%9.58.41爆炸下限/V%%2.371.86引燃温度/℃450287气态相对密度（空空气=1）1.552.09沸点/℃-42.1-0.51．2火灾、爆爆炸危险性液化石油气的闪闪点低（‹-60℃）,爆炸范围较较宽，点火能能量小。液态态石油气泄漏漏到大气中易易气化，1m3液态石油气气可转变为250——300m33气态石油气气，由于其相相对密度较空空气高，故易易于在低洼处处积聚，或沿沿地表扩散，遇遇火源即会发发生燃烧、爆爆炸。液化石石油气燃烧热热值高（其低低热值约为8.8×1104kj/m3）,爆炸速度快快，形成的热辐辐射和超压威威力大，破坏坏性强，易造造成人员伤亡亡和设备损坏坏。液化石油油气具有较高高的膨胀系数数，在密闭容容器及管道内内，温度升高高会引起压力力升高，从而而发生超压物物理性爆炸。2．液化石油气气蒸汽爆炸类类型我国目前广泛采采用的是常温温压力方式来来储存液化石石油气。如常常见的球型储储罐、卧式储储罐以及汽车车槽车上专用用槽罐等均采采用这种方式式。在该储存存方式下液化化石油气极易易发生平衡破破坏型爆炸。平衡破坏型爆炸炸是指带压容容器液相与蒸蒸汽相之间的的平衡状态遭遭到破坏时，液液相因立即成成为过热状态态而急剧沸腾腾发生的蒸汽汽爆炸。当容容器受热时，内内部液体温度度上升，气相相压力增加，液液体温度与蒸蒸汽压力间可可维持平衡。如如果容器气象象部分壳体发发生破裂，高高压蒸汽就会会通过裂缝喷喷出，容器内内压急剧下降降，使液相部部分成为不稳稳定的过热状状态。为再次次保持平衡，液液体的一部分分热量会转变变为蒸发热，使使部分液体变变为常压沸点点的蒸汽，同同时过热液体体内部产生沸沸腾核，无数数气泡增长，液液体体积急剧剧膨胀，冲击击器壁而出现现液击现象。器器壁在承受这这种数倍于最最初蒸汽压的的冲击下，容容器的裂缝便便继续开裂扩扩大，或发生生破坏性爆炸炸，容器内液液体瞬间大量量喷出，呈现现爆炸现象。显然这种液化石石油气的蒸汽汽爆炸，归纳纳起来必须具具备三个前提提。一是储罐罐内液相部分分要处于过热热状态，且过过热液体的量量要大；二是是储罐内液温温与常压沸点点之间的温差差要大；三是是储罐内液面面上方气相空空间处的金属属罐壁产生较较大的裂缝，致致使内压急剧剧下降。平衡破坏型爆炸炸可区分为常常温液化石油油气蒸汽爆炸炸和火焰加热热型蒸汽爆炸炸。2．1常温液化化石油气蒸汽汽爆炸储罐内内液化石油气气处于常温压压力条件下储储存时，在一一定的温度压压力条件下保保持蒸汽压平平衡，当罐体体突然破裂时时，则罐内压压力立即降为为常压，使液液体暂时处于于不稳定的过过热状态，就就会因急剧的的相变而引起起激烈的蒸汽汽爆炸。如果果储罐内纯丙丙烷液化气体体，在40℃的高温下，它它的气相压力力约为20公斤力/平方厘米，“气——液”两相间保持持动态平衡。这这时若因外力力撞击、过量量充装、内壁壁化学腐蚀或或焊接和制作作质量差等因因素导致罐体体突然破裂，则则压力将迅速速降到常压，使使原来40℃的液温处于于过热状态。处处于过热状态态的液体是不不稳定的，为为了再次恢复复平衡，将过过热量变作蒸蒸发热，使大大部分液体变变为常压沸点点的温度，即即-42.110℃。为此，在在过热液体内内部必然发生生液体体积的的急剧膨胀与与汽化，最终终因急剧的相相变而发生蒸蒸汽爆炸。2．2火焰加热热型蒸汽爆炸炸当球罐罐、卧罐内的的液化石油气气受到火焰烧烧烤或强烈的的辐射热影响响时，会造成成罐内液体急急速膨胀及沸沸腾。同时，蒸蒸汽压也会出出现异常的升升高，如液温温为79℃的丙烷液体体，其蒸汽压压可高达30公斤力/平方厘米，远远远超出罐体体的设计工作作压力为16公斤力/平方厘米。这这时液面以下下的金属罐壁壁温度不会有有明显的升高高。因而使金金属机械强度度降低，很容容易产生延展展性破坏，使使罐体破裂、罐罐内压力急剧剧下降，液体体处于过热状状态，迅速蒸蒸发产生大量量蒸汽，这些些有压气体继继续膨胀，使使裂口进一步步扩大，急剧剧相变的结果果引发了蒸汽汽爆炸。上述两种类型的的蒸汽爆炸，都都会使储罐内内的液化气高高速喷出并夹夹带着大量的的雾滴，在大大气中再以250倍的倍率汽汽化并与空气气形成爆炸性性混合气体，一一旦遇明火就就会发生化学学性爆炸。强强烈的高温辐辐射热，将使使消防人员无无法逼近，储储罐区内的其其它球罐及卧卧罐也将陷入入一片火海之之中。3.液化石油气气蒸汽爆炸危危害特性分析析液化石油气蒸汽汽爆炸产生的的危害因素主主要是冲击波波、火球和抛抛射物三种。3.1冲击波冲击波的能量发生蒸汽爆炸时时，汽化的蒸蒸汽体积增大大，带来压力力的激烈上升升，形成巨大大的冲击力。同同时，由于气气液混合物的的高速喷射，从从容器开口处处沿一个方向向进行，对容容器本身会形形成一个反作作用力，使爆爆炸容器沿气气液混合体喷喷射的反方向向发生剧烈位位移，甚至高高速飞出，对对周围建筑和和设施形成冲冲击波。储罐爆炸的能量量一般消耗于于三个方面:撕裂储罐、将将碎片抛出和和产生冲击波波。前两项所所消耗的能量量约占爆炸能能量的35%，其中将储储罐进一步撕撕裂所消耗的的能量是极小小的。假定在一个很小小的体积内包包含有均匀的的高压气体当当内部气体突突然向外膨胀胀时，周围气气体受到猛烈烈压缩，在波波头产生压力力突跃。随后后因气体从爆爆炸中心高速速流出及惯性性效应，使气气体过膨胀并并产生吸力。冲冲击波间断面面上的峰值压压力不是恒值值，而是随着着时间的增加加而下降，但但中心附近的的压力比间断断面上的压力力下降要快得得多，在爆炸炸的初期阶段段，中心压力力就降到初始始压力的一半半。随着冲击击波向外传播播，冲击波面面所包围的体体积越来越大大，相比之下下，爆炸产物物的初始体积积可以忽略不不计。正压相相和负压相的的大小大约相相等，但一般般正压相要更更强一些，因因为负压受到到大气压力的的限制。对负负压相起作用用的惯性效应应不仅导致压压力增量改变变符号，而且且在大气中产产生压力震荡荡。某一固定定位置冲击波波的压力随时时间的变化如如下图。图1冲击波压压力-时间曲线在爆炸后的时间间t0时，该处的的压力突跃至至峰值压力，使使当地物体受受到一个巨大大压力的作用用。但这个力力不是恒定的的，当超压衰衰减到时间t0+td时，物体开开始受到吸力力的作用。冲击波波的破坏作用用可用三个特特征量来衡量量，即波阵面面上的压力、冲冲击波的持续续时间和比冲冲量（压力与与时间的乘积积）。在冲击击波阵面后出出现的高温和和高压是杀伤伤和破坏的主主要因素。在在其他条件相相同的情况下下，爆炸能量量越大，冲击击波强度越大大，波阵面上上的超压也越越大。当冲击击波在空间自自由传播时，波波的强度随着着传播距离的的增加而逐渐渐衰减。这是是由于冲击波波以球面的形形状向外扩展展，波阵面的的表面积不断断增大，压缩缩区的空气量量也不断增多多，因而波阵阵面单位面积积上的能量及及单位质量空空气的能量会会逐渐减小，加加上传播过程程中阻力作用用，使波的强强度迅速减弱弱。因而在相相同的爆炸条条件下，距离离爆炸中心越越近，冲击波波波阵面上超超压越大，其其破坏作用也也越大。下表表为1000kkgTNT在地面爆炸炸时冲击波超超波破坏作用用与距离关系系的实验结果果。表210000kg在地面爆炸炸时冲击波超超压的破坏作作用冲击波峰值超压压（×105pa）破坏作用0.05~0..06门窗玻璃部分破破碎0.06~0..10受压面的门窗玻玻璃大部分破破碎0.15~0..20窗框损坏0.20~0..30墙裂缝0.40~0..50墙裂大缝，屋瓦瓦掉下0.60~0..70木建筑厂房房柱柱折断，房架架松动0.70~1..0砖墙倒塌1.0~2.00防震钢筋混凝土土破坏，小房房屋倒塌2.0~3.00大型钢结构破坏坏3.1.2冲击击波的能量估估算发生爆爆炸时，在距距离爆炸中心心某一距离处处产生的冲击击波超压，主主要决定于参参加爆炸反应应的爆炸能量量和该处与爆爆炸中心的距距离，即超压压P是爆炸能量E和距离R的函数，P=f（E，R）。但实际际上，由于受受到实验条件件的限制，只只能用一定数数量的TNT进行爆炸实实验，观察和和测量爆炸范范围内建筑屋屋破坏情况及及其与爆炸中中心的距离，利利用相似法的的原理计算爆爆炸能量。即即：不同数量量的同类炸药药爆炸时，如如果与爆炸中中心距离之比比和炸药能量量之比的立方方根相等，则则产生的冲击击波超压值大大小相同，反反之亦然。此此原理可表达达如下：公式：(1)式中：R——实实际爆炸时某某点距爆炸中中心的距离，mRR0——与R处具有相同同峰值超压的的实验距离，mEE——爆炸物的TNT当量，kgTNT或kjEE0——试验用的TNT当量，kgTNT或kjPP——实际爆炸时R距离处的峰峰值超压，PaP0——爆炸实实验时R0距离处的峰峰值超压，Pa一般来说，冲击击波破坏作用用大小还与过过热液体发生生爆炸时的汽汽化液量呈正正比关系。假假定容器形成成裂缝，气体体喷出，内压压降到常压，过过热液体发生生爆炸时的汽汽化液量可由由下式计算：：W0=CWWt/q((2)式中W0为汽化化液量，kg；C为过热液体体的比热，kj/kgg*℃；W为过热液体体重量，kg；t为过热液体体的常压沸点点和加热温度度之差，℃；q为液体的汽汽化热，kj/kg。由上式可以以看出温度差差、液体量和和比热越大，汽汽化热越小时时，其汽化液液量也越大，而而汽化热量越越大，形成的的冲击破坏作作用也越大。3.2火球3.2.1火球球若液化石油气的的燃烧是在设设备破裂后液液化气迅速蒸蒸发扩散，形形成的爆炸性性混合物遇点点火源作用发发生的，则高高温燃气的扩扩散范围可视视作以设备为为中心的半球球状。火球是一种以三三维形式快速速传播的现象象。包围火焰焰体系的空气气密度比其周周围空气密度度低，火焰会会不断向上升升，其形状亦亦不断向球形形过渡。随着着传播火焰的的上升，周围围空气由于对对流和涡流运运动，燃烧更更为加剧，温温度升高。于于是火焰的整整个体系边膨膨胀边在浮力力作用下上升升，同时从下下部吸入空气气维持火焰的的传播，使火火焰的体积越越胀越大升腾腾的高度也越越来越高，形形状也越趋于于球状，当规规模较大时，还还会发展成两两侧带有扁椭椭圆的茸状火火球。故可采用火球模模型和瞬态火火灾下的热通通量-时间准则评评价。3.2.2火球球热辐射的评评价模型持续时间火焰辐射热对人人体的灼伤及及时对可燃物物的可燃性是是由辐射强度度和持续时间间两个因素所所决定的。火火场上，人们们在短时间内内最高可以承承受4。652kw//m2的辐射热强强度。由于火火球的燃烧形形式和可燃物物种类不同，持持续时间有显显著差别。计算火球直径DDD==3.888W0.332(3))式中W为燃烧的的液化石油气气的总质量，kg；D为火球直径径，m。计算火球持续时时间tt==0.2999W0..32(4))计算热通量qGTT4D2q==————(5)FR2+D2式中q为热通量量，W/m2；D为火球直径径，m；R为离火球中中心的距离，m；T为火球温度度，k（取1350K）；F为常数，取161.7（实验值）；；G为常数，取5.26××10-5（实验值值）。3.2.3热热通量-时间准则常见的热辐射破破坏准则可以以归纳为：热热通量-热强度准则则、热通量-时间准则、热热强度-时间准则。热通量是指单位位时间、单位位面积发射或或接收的热量量，通常以q表示。热强强度是指热通通量与热通量量作用时间的的乘积，通常常以Q表示。由于于热通量、热热强度和热辐辐射作用时间间中知道任意意两个变量就就可以计算出出第三个变量量，所以这三三个准则是完完全等价的。热通量-时间准准则以热通量量和时间作为为衡量目标是是否被破坏的的参数。如果果以热通量q和作用时间t分别作为纵纵、横坐标，那那么目标破坏坏的临界条件件对应于一条条临界曲线，见见图2。图2热辐射破破坏的q-t图人员受伤害的概概率用下式确确定：死亡概率Pr=-377.23++2.566ln(tqq4/3)((6)重伤（二度烧伤伤）概率Pr=-433.14++3.0119ln(ttq4/3)(77)轻伤（一度烧伤伤）概率Pr=-399.83++3.0119ln(ttq4/3)(88)设备烧毁所需要要的临界热通通量qq=6370tt-0.8++254000((9)3.2.4火火球危险性评评价根据火球热辐射射模式（3）`(5)和相对应的的热通量－时时间准则式(6)`((9)可以确定相相对应的破坏坏半径。死亡亡、重伤、轻轻伤及财产损损失半径分别别指热辐射作作用下的死亡亡、二度烧伤伤、一度烧伤伤和引燃木材材半径。人员死亡半半径R1(10))重伤半半径R2（二度烧伤伤）(11))轻伤半半径R3（一度烧伤伤）(12))财产损损失半径R4(13))火球半径及火球球持续时间决决定热辐射强强度和其对应应的伤害半径径大小。通常常将伤害区域域划分为死亡亡区、重伤区区、轻伤区，还还有财产损失失区等。这些些区域都用伤伤害破坏半径径来表示。3.3抛射物抛射物物是在蒸汽爆爆炸中产生的的距离最远、范范围最广的危危害。液化石油气蒸汽汽爆炸的抛射射物有两种基基本的类型：：最初的抛射物是是储罐上较大大的碎片。其余的抛射物是是储罐附近受受爆炸冲击波波作用产生加加速度的物体体。（储罐边边上的导管、支支撑脚架、其其它的附件等等等）对80个4000升的丙烷储储罐进行点火火实验时得出出了一些蒸汽汽爆炸抛射物物的数据。在在80个丙烷储罐罐中有36个发生了蒸蒸汽爆炸，得得出如下经验验公式：V=0.2(22E/M)11/2(14)式中为V抛射物物的抛射速率率，m/s；E为抛射物的的动能，kJ；M为抛射物的的质量，kg。对以上上400升丙烷罐点点火实验进行行观察发现，大大部分的抛射射物会落在4个火球半径径的范围内（D=33.88W00.32）。在4D距离处热辐辐射量会低于于21kw//m-2,大部分抛射射物射程小于于此范围，救救援人员可在在爆炸储罐逆逆风4个火球半径径处进行观察察和处置。然然而，有部分分抛射物可落落到比4个火球半径径更远的距离离，实验数据据表明抛射物物最远可达到到15个火球半径径的距离。因因此，在处置置时，应将警警戒线划定在在15个火球半径径以外，即群群众应疏散到到15个火球半径径外才安全。4.液化石油气气蒸汽爆炸的的预防从LPPG的危险性和和事故案例可可以看出，LPG泄漏后引起起蒸汽爆炸往往往造成严重重的危害。因因此，采取必必要的安全措措施预防事故故发生，以保保证LPG的储存和管管道输运安全全。4.1力争设备备本质安全LPG储罐、管管道在选材、设设计、加工、制制造和安装过过程中，应严严格按照有关关规范、标准准进行，确保保质量。储罐罐产生裂缝导导致压力变化化，是发生液液化石油气蒸蒸汽爆炸的前前提。故必须须防止由于质质量问题，导导致材料无法法承受罐内压压力而产生裂裂缝，从而发发生蒸汽爆炸炸。如LPG储罐罐体材材料应选用低低合金高强钢钢；法兰、垫垫片和紧固件件的压力等级级应高于设计计压力；储罐罐、管道上的的阀门严禁采采用灰口铸铁铁材料；第一一个法兰密封封面应采用高高颈对焊法兰兰、金属缠绕绕垫片和高强强度螺栓组合合。管道尽量量采用焊接而而少用法兰连连接。这样目目的是增加储储罐的韧性，减减少其脆性，不不容易突然产产生裂缝。容容器配置的温温度计、压力力表、安全阀阀、报警器等等安全设施必必须齐全好用用，这样即使使产生裂缝，也也能及时发现现，进行处理理。容器在使使用前一定要要进行耐压试试验。生产运运行过程中，加加强维护保养养，防止使用用时间长后材材料性能下降降，无法承受受压力而发生生蒸汽爆炸。4.2严禁违章章操作在操作过程中要要严格按照操操作规程进行行操作，防止止因人为因素素使容器产生生裂缝、开口口或使液化石石油气泄漏。特特别要注意的的是不能使储储罐内出现满满液现象。由由于LPG的膨胀系数数高，如果出出现管线两端端封闭，管线线内“满液”的情况，气气温上升会引引起压力上升升，会对容器器器壁产生额额外的压力，使使得管线易于于破裂，发生生蒸汽爆炸。因因此，要避免免液化石油气气体的过量充充装而造成的的容器内压异异常上升，导导致蒸汽爆炸炸。4.3采取有有效措施进行行堵漏当发生生泄漏后，LPG会从产生的的裂缝处急剧剧泄漏，造成成压力急剧下下降，使得液液相急剧转变变为气相，加加剧蒸汽爆炸炸的威力。泄泄漏的液化石石油气蒸汽液液滴飘在空中中，一旦遇明明火或因蒸汽汽爆炸中产生