王 玉

(中国人民武装警察部队学院，河北廊坊 065000)

0 引言

液化天然气(LNG)是天然气在常压下深冷到－162℃制成的，主要成份是甲烷(90%～98%)、少量的C2～C5烃类和氮气，密度是气态体积的600 倍，爆炸极限为5%～15%。目前，国内生产的LNG 是用槽车运送到用户的，运输中稍有不慎发生交通事故引起LNG 泄漏起火时，罐体受外部火焰长时间烘烤，强度逐渐降低，到达一定程度时，罐体将突然爆裂，罐内LNG 迅速气化并燃烧，引起沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)。2011年10月，在西班牙穆尔西亚市，一辆载有20t 的LNG 槽车在高速公路上追尾起火，1h 后发生了爆炸，距事故槽车50m 内的植物全部被引燃，125m 外的高速公路服务区玻璃被全部震碎，由于消防队及时疏散了500m 内的人群，所幸没有造成人员伤亡。

由于具有较大的火灾和爆炸危险性，近年很多学者对LNG 槽车泄漏爆炸事故展开了研究，王露熹［1］用 ALOHA 软件模拟分析了 LNG 槽车泄漏事故的风力影响因素。屈宜生［2］和余劲松［3］针对LNG 的理化特性和LNG 槽车性能分别提出了事故处置的对策和堵漏方法。这些研究多采用模拟或定性的方法，缺乏量化分析，本文介绍了LNG 槽车发生火灾爆炸模型，并以20t 的LNG槽车为例定量评价了爆炸事故后果，其结果为制定合理的灭火救援方案提供依据。

1 液化天然气槽车蒸气爆炸模型

LNG 槽车发生蒸气爆炸事故后果十分严重，可造成巨大的财产损失和人员伤亡。其爆炸能量来源于两个方面:一是热辐射。大量液化气体瞬间泄放到空中，形成球形蒸气云，遇到火源后迅速燃烧，释放大量热能，产生巨大的火球和强烈的热辐射，可引起一定范围内的火灾。二是冲击波超压。槽车储罐受热，其内部产生高压，突然爆裂时能释放出巨大的能量，引起冲击波破坏。

1.1 火球热辐射模型

由于实验条件不同，BLEVE 的火球模型和热通量计算方法也存在差异，主要有 Greenberg-Cramer 模型、Roberts 模型、ILO 模型等。其中，ILO 模型与Roberts 模型计算的火球直径和火球持续时间相当;火球直径稍小于 Greenberg-Cramer 模型的计算值，火球持续时间约为Greenberg-Cramer 模型的 0.4 倍。在 Greenberg-Cramer 模型和Roberts 模型中，热辐射通量计算采用的是点源模型，考虑了目标处的热辐射通量与其到火球中心距离间的关系。而ILO 模型采用的是球形模型，除了距离之外，还考虑了火球与目标形状、相对角度间的关系。由于ILO 模型计算出火球直径和火球持续时间的数值适中，热辐射通量值计算中还考虑了多种因素，因此本文采用该模型计算火球热辐射。

(1)火球最大直径:

式中，D是火球最大直径，m;m是火球中消耗可燃物的质量，kg;对于槽车泄漏，m取罐容积的50%。

(2)火球持续时间:

式中，t是火球持续时间，s。

(3)火球抬升高度［4］:

式中，H是火球中心距地面高度，m;

(4)目标接受的热辐射通量:

式中，q是目标接受的热辐射通量，kW·m－2;(1－0.058lnr)是大气传递系数;r是火球中心与目标的直线距离，m;E是火球表面最大热辐射通量，kW·m－2;F 为视角系数。

(5)视角系数［5］:

式中，X是火球中心与目标在地面投影的距离，m。

(6)火球表面最大热辐射通量［6］:

式中，p是发生爆炸时槽罐的压力，MPa;对于由于外部火灾引起的BLEVE 事故，P值可取储罐安全阀启动压力的 1.21 倍［7］。

(7)火球热辐射伤害

由于BLEVE 火球的持续时间很短，火球对人体的伤害可以用热强度准则来判定，用计算的目标接受的热辐射通量(q)与火球持续时间(t)的乘积来估算热强度值［8］，并与相应的阈值比较。同时还可以通过阈值反推，估算出各类伤害半径。

1.2 槽罐爆炸冲击波超压模型

(1)槽罐爆炸能量

LNG 槽罐破裂爆炸时，气体剧烈膨胀做功的同时，过热液体还激烈的蒸发。通常爆炸前槽罐内饱和LNG 占有气液相总质量的绝大部分，它的爆炸能量要比气相的饱和天然气大得多，因此一般计算时不考虑气体膨胀做的功［9］，过热LNG在槽罐破裂时释放的能量可按下式计算:

式中，EL是液化气体介质压力容器爆炸能量，kJ;H1是爆炸前液化气体的焓，kJ·kg－1;H2是大气压力下液化气体的焓，kJ·kg－1;S1是爆炸前液化气体的熵，kJ·kg－1·K－1;S2是大气压力下液化气体的熵，kJ·kg－1·K－1;T是大气压力下液化气体的沸点，K;m是下液化气体质量，kg。

(2)近地面槽罐的爆炸能量［10］:

(3)TNT 爆炸当量:

式中，QTNT是 TNT 的爆炸当量能量，一般取4686kJ·kg－1。

(4)当量比距离:

(5)冲击波超压［11］:

式中，Pa是环境压力，kPa;Δp是爆炸冲击波超压，kPa。

2 液化天然气槽车发生BLEVE事故评价

2.1 基本情况

以20 t 的LNG 槽车在平原地区发生交通事故并起火为背景，量化分析槽车发生BLEVE 事故后果，考虑50%容量的 LNG 参与了 BLEVE，即10000kg。LNG 槽车的基本情况如表1所示。

2.2 火球热辐射评价

由式(1)、式(2)和式(6)可计算出火球直径约为125m，火球持续时间为9.7s，火球表面最大热辐射通量为220kW·m－2。由式(3)、式(4)和式(5)可计算出不同距离下目标接受的热辐射通量，如图1所示。可知，在距离火球正下方，热辐射通量为72kW·m－2，距火球地面水平距离500m处的热辐射通量为2.1kW·m－2。

表1 LNG槽车参数Tab.1 Parameters of LNG tankers wagons

采用热强度准则计算伤害半径时，由于计算出火球持续时间为9.7s，取人体接受辐射时间为10 s 估算伤害半径，结果见表2。

图1 目标接受到的热辐射通量Fig.1 Heat flux of the target received

表2 采用热强度准则估算的各类伤害半径Tab.2 Damage radius estimated by hot strength criterion

2.3 冲击波伤害评价

可查得0.7 MPa 和标准大气压力下LNG 的熵和焓值，如表3所示。常压下LNG 沸点为－162℃，爆炸时液化气体质量按10000 kg 估算，由式(7)和式(8)计算出槽罐爆炸能量约为1162 MJ。

表3 爆炸前后LNG熵值和焓值Tab.3 Entropy and enthalpy values before and after LNG tanker explosion

由式(9)计算出TNT 当量约为247.9 kg，由式(10)和式(11)可计算出槽罐爆炸的冲击波超压，其随距离变化的曲线如图2所示。

根据冲击波对建筑物和人员的破坏伤害作用，还可计算出不同破坏效应下的伤害半径，结果见表4。

图2 目标接受到的冲击波超压Fig.2 Overpressure of the target received

3 灭火救援对策

结合上文的评价结果，在20t 的LNG 槽车火灾事故中，从防止热辐射和冲击波伤害角度提出如下灭火救援对策:

(1)设立警戒，疏散群众。表2中人员感觉疼痛的半径为283m，可将事故点300m 以内的区域作为警戒区，消防队场到后，须将消防车停靠在警戒区外的上风向处，车头朝向事发地相反方向，并及时疏散该区域内的人员。由于表4中门窗破碎的半径为109m，当疏散有困难时，可将150m以外人员安排在建筑物内避难，关闭门窗，注意不要在门窗前走动。

表4 冲击波超压对建筑和人员的伤害半径Tab.4 Damage radius of overpressure to the buildings and staff

(2)冷却罐体，预防爆炸。LNG 槽车泄漏起火时，灭火救援中应积极采取措施冷却罐壁，防止罐体长时间受热引发BLEVE 爆炸。可在槽车两侧布置带架水枪阵地，喷射开花水，同时保证水流覆盖罐体。

(3)加强防护，确保安全。深入警戒区的事故处置人员要少而精，做好安全防护，实施堵漏作业人员应佩戴空气呼吸器，穿着避火防护服。并布置水枪掩护力量同时跟进，掩护人员应穿着隔热防护服，为减少爆炸带来的伤害，可利用地形地物或槽车周围环境掩蔽身体进行射水。

(4)注意观察，及时撤离。灭火救援中要设立现场观察哨，观察罐体情况，起火槽罐发出嘶鸣声时，预示即将发生爆炸，应按既定路线组织撤退，参考表2中一度烧伤半径值(196m)，消防员穿着防护服装时撤退的距离至少为200m。

4 结论

本文用火灾爆炸量化方法分析了LNG 槽车爆炸危险性，估算了火球热辐射和爆炸冲击波超压的伤害半径，从警戒和安全防护方面提出了灭火救援的基本对策。量化分析方法是根据槽车实际吨位计算出各类伤害半径，从而有针对性的做好警戒和安全防护工作，可以克服经验值法划分警戒区域的不足。但由于蒸气爆炸模型是由大量实验数据拟合得到的，不同研究人员得到的模型各不相同，其估算的结果也各有差异。在该类事故的消防灭火救援中，警戒区域值一般不需要绝对精确，只需要大概参考值，为此选取火灾爆炸量化方法进行分析具有一定的合理性和实用性，对LNG 槽车灭火救援中的警戒和安全防护具有一定的指导作用。

［1］王露熹，余劲松，鲁博.液化天然气槽车泄漏事故风力影响因素模拟分析［J］.化工生产与技术，2013，20(6):30－35.

［2］屈宜生，胡伟.液化天然气LNG 储运罐车泄漏应急处置技术与方法［J］.中国安全生产科学技术，2013，9(4):99－103.

［3］余劲松.堵漏方法在液化天然气储运罐车泄漏事故中的应用［J］.中国应急救援，2014(4):35－37.

［4］Evaluation of BLEVE risks of tank wagons carrying flammable liquids［J］.Journal of Loss Prevention，2009，22:117－123.

［5］姜巍巍，李奇，李俊杰，等.BLEVE 火球热辐射及其影响评价模型介绍［J］.工业安全与环保，2007，33(5):23－24.

［6］傅智敏.工业企业防火［M］.北京:中国人民公安大学出版社，2014.

［7］何茂全.液化天然气储运系统风险评价［D］.上海:同济大学，2007.

［8］H.R.Greenberg and J.J.Cramer，Risk assessment and risk management for the chemical process industry［M］.Van Nostrand Reinhold，1991.

［9］张国顺.燃烧爆炸危险与安全技术［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［10］马璞.余热锅炉饱和水蒸汽爆炸风险评价模式研究［M］.天津:天津理工大学，2009.

［11］王三明，蒋军成.沸腾液体扩展蒸气爆炸机理及相关计算理论模型研究［J］.工业安全与环保，2001，27(7):30－34.