侯淑雅,王 智,栾笑阳,刘应春,巩亚文,郭川川,王绍瑞,张 彬

(南京工业大学 安全科学与工程学院,江苏 南京 211800)

1 背景

随着现代化、工业化的发展,液化石油气(LPG)由于其低硫分、高热值和可以常温加压储存的优点,不仅应用于石油化工行业,也在人们日常生活中起到了重要的作用。2017年中国的液化石油气消费量超过美国,成为全球最大的液化石油气消费国[1]。

近年来,随着我国液化石油气的需求量及运输量的增大,危化品道路运输事故频发,给人们的生命、财产安全造成了一定的威胁[2-6]。《道路危险货物运输管理规定》[7]对容易造成人身伤亡、财产损毁或者环境污染而需要特别防护的物质和物品等危险货物道路运输(军事危险货物运输除外)提出了明确的要求。该规定为加强道路危险货物运输管理、保障运输安全提供了有力的依据,在规范危险货物道路运输市场秩序、加强危险货物道路运输市场监管、规范危险货物道路运输经营者行为等方面发挥积极作用。

2020年6月13日16时41分19秒,G15沈海高速浙江省温岭市大溪镇良山村附近高速公路上发生了槽罐车爆炸事故,造成周边民房及厂房倒塌,树木和周围田地严重受损,事故共造成20人死亡,175人受伤,直接经济损失高达9 477.815万元,引起了社会广泛关注[8]。

液化石油气爆炸极限为1.5%～9.5%,爆炸范围广,所需点火能仅为万分之几毫焦耳[9],并且运输方式为加压运输,所以极易发生爆炸事故。如果在运输中发生液化石油气泄漏,会对周围造成大范围的破坏,因此，其运输过程已成为燃气运输监管部门的主要监管对象[10]。

2 事故过程

根据事故现场视频分析,2020年6月13日16时41分19秒,一辆车牌号为浙C M9535的牵引车,挂车车牌号为浙C F138的液化石油气槽罐车行驶至G15沈海高速良山村附近高速公路，发生了第1次物理爆炸。距离事故发生地西南方向约90 m处是浙江省温岭市大溪镇良山工业区,事故发生时,工业区处于生产状态,厂区内有大量员工;正西方向70 m左右往北是居民楼聚集区,人员密集。经调查,该槽罐车制造商为湖北程力集团,槽罐车容积为61.9 m3。

槽罐车发生的物理爆炸使事故车辆车头被炸出约100 m外,落在高速公路侧下方的草坪上,为图1中的B点,后方承装液化石油气的卧式储罐发生了失效断裂，飞出距离事发地点约360 m,为图1中的D点。储罐内26 t液化石油气瞬间倾倒在现场的草坪上,事故现场由于液化石油气泄漏造成大量白雾,液化石油气的气态密度是空气的1.5～2倍,一部分液化石油气积聚在地面上。现场地势由西向东逐渐升高,且当天风向为南风,所以液化石油气泄漏后气化造成的蒸气云向西北方向居民区扩散。

16时42分58秒现场液化石油气蒸气云团被点燃,发生了第2次蒸气云爆炸,火势迅速传播,到16时43分6秒时,发生了造成后果最严重的第3次爆炸。第3次爆炸对周边的居民和楼房造成了严重的损伤,周边一工厂倒塌。

3 事故分析

3.1 事故原因分析

液化石油气的主要组分是丙烷和丁烷,还有少量的丙烯、丁烯和甲烷等[11],属于易燃易爆物质,液化石油气的运输方式一般为常温加压运输。在常温下,液化石油气属于过热液体。过热液体是指液体的温度超过其沸腾温度而没有沸腾的液体,此时若有可以引起液体沸腾的条件,则会令液体暴沸[12]。在大气温度下，石油气为气态,一般通过加压的方式可使石油气液化,从而承装在储罐中加以储存,但是若失去压力,液化石油气的液体会瞬间气化,按照体积膨胀系数，体积快速增大,对储罐造成巨大的冲击力,最终导致储罐破裂，发生物理爆炸。

本次温岭市槽罐车事故中,槽罐车首先在图1中的A点发生了一次物理爆炸,但是在初期的物理爆炸过程中储罐没有受到热辐射的作用,那么在这种条件下,对此次物理爆炸的定义该如何解释呢?Reid[13]将沸腾液体扩散蒸气爆炸定义为过热温度下液体的突然失控现象。在1993年,Birk[14]通过定义冷和热两种类型的沸腾液体扩散蒸气爆炸，扩展了该爆炸的范围。当破裂压力和温度高到足以在减压后达到过热极限温度时,就会发生沸腾液体扩散蒸气爆炸。广泛使用的沸腾液体扩散蒸气爆炸定义是由美国化工过程安全中心(CCPS)提出的,即认为沸腾液体扩散蒸气爆炸是“一个容器在正常大气压和高于沸点的温度下,装有液体的容器发生故障而导致的爆炸”[15-16]。根据美国化工过程安全中心对沸腾液体扩散蒸气爆炸的定义,判定为沸腾液体扩散蒸气爆炸的必要条件为过热液体引起的爆炸。由于液化石油气的运输为常温加压储存,故泄漏时储罐释放的液体温度接近环境温度且远高于其常压下液体沸点-42.07 ℃[17],所以槽罐车发生的第1次爆炸为过热液体引起的沸腾液体扩散蒸气爆炸。当容器破裂时,处于过热状态的大量液体经历突然的压力下降,使气体产生迅速膨胀。气化产生的高压具有强冲击力,导致储罐破损的碎片高速飞射而引起附近的财产损失和人员伤亡。

发生此次事故的槽罐车所属公司为浙江省瑞安市瑞阳危险品运输有限公司,该公司在2016—2018年受到瑞安市道路运输管理局、温州市道路运输管理局等单位的行政处罚共计10次,如表1所示[18]。

图1 温岭槽罐车爆炸事故关键位置标注图片Fig.1 Labeled pictures of Wenling tanker explosion accident key positions

表1 瑞阳危险品运输有限公司2016—2018年受处罚情况

经分析,本次事故发生的沸腾液体扩散蒸气爆炸事故可能的原因如下:① 行驶过程中由于超速等原因,导致车辆发生侧翻事故;② 驾驶员操作不当引起的爆炸事故;③ 储罐超量充装(国家规定液化石油气储罐充装量必须小于储罐容积的85%,工作压力不得超过1 600 MPa;④ 槽罐车老旧,未进行定期检测,设备本身存在缺陷;⑤ 运输之前对安全阀、压力表等安全检查不到位。

根据现场视频分析,事故车辆未发生追尾事故,所以排除由于追尾事故造成的外力撞击导致沸腾液体扩散蒸气爆炸事故。但是由于事故发生路段属于弯道,存在行驶过程中速度过快或者由于路况原因导致的车辆侧翻,从而使储罐受到撞击发生泄漏事故。另外,通过对该槽罐车所属运输公司的调查可以明显看出,瑞阳危险品运输有限公司的管理状况存在很多问题,未按照规定的周期和频次进行车辆综合性能检测和技术等级评定,车辆可能存在很多安全隐患,从而导致在行驶过程中发生事故。该公司多次受到“未按照规定实施安全生产管理制度”的处罚,因此该公司的安全生产管理制度不健全或者未能落实安全生产管理制度,也是造成该事故发生的原因之一。

2017年2月28日该公司被处罚理由为“经营者聘用无法定从业资格证的人员从事道路运输经营活动”,《道路运输从业人员管理规定》[7]第十一条规定道路危险货物运输驾驶员必须经考试合格,取得相应的从业资格证才能驾驶危化品车辆,该公司聘请未取得从业资格证的驾驶员驾驶危化品车辆,造成极大的安全隐患。若不重视驾驶员的安全教育,没有引起驾驶员足够的安全意识会使运输的危险大大增加。危化品运输行业需求量的增大导致此类从业人员的需求数量不断增加,而非合格从业人员从事危化品运输已成为近年来交通事故多发的问题之一[19]。

3.2 事故过程分析

槽罐车进入高速公路后发生了沸腾液体扩散蒸气爆炸,容器失效后过热液体液化石油气瞬间失去压力,气化后膨胀性较强,体积增大250倍,在液化石油气气化造成的动能持续作用下,把一个14 t的槽罐车后半部分(包括卧式储罐、底座及轮胎)抛至图1的D点,距离事发地点约360 m,右侧为卧式储罐掉落后砸塌的房屋,如图2所示。

图2 储罐碎片及砸塌房屋的照片Fig.2 Image of storage tank debris and collapsed house

储罐失效瞬间的压力降低使液化石油气顷刻喷射气化,并且从周围环境中吸收大量的热量,使空气中的水分冷却成为细小雾滴,形成巨大的液化烃的蒸气云,并从泄漏点沿地面向下风向或低洼处漂移、积聚,如图3所示。

图3 储罐车失效后蒸气云扩散图片Fig.3 Image of vapor cloud diffusion after tanker failure

当蒸气云浓度高于爆炸下限,且低于爆炸上限时,遇火源即会引发蒸气云爆炸事故。

根据现场视频分析,液化石油气泄漏扩散初期,石油气浓度较高,在逐渐扩散的过程中,石油气浓度逐渐降低。液化石油气的持续挥发造成水雾向外扩散、周围温度降低。在扩散了约99 s后,在蒸气云的外围遇到了火源而被点燃,发生了第2次爆炸,第2次蒸气云爆炸发生后,石油气持续燃烧,在高架桥上方出现火舌。液化石油气的持续燃烧导致周围温度升高,给尚未挥发的液化石油气提供了热量,加速其挥发,燃烧的同时造成周围气流的扰动也给石油气的燃烧进一步提供了大量的氧气,最终在8 s后发生了第3次爆炸。第3次爆炸发生时,出现了如图4所示的云团,该云团是由于在火焰传播速度高于声速的情况下对前方的空气压缩导致的水蒸气液化,云团的出现表明第3次爆炸由爆燃转爆轰(DDT)[20-21]。

图4 第3次爆炸产生的水蒸气云团Fig.4 Steam clouds generated by the third explosion

一旦爆燃发生,压力前沿和反应前沿逐渐彼此分开。当火焰传播区域中存在障碍物时,由于火焰折叠和拉伸,燃烧波的总速度将增加,从而增加了火焰的表面积,并因此使参与反应的材料的量增多[22]。由图1可以看出本次事故中爆轰发生地点(高架桥,A点)周围植被茂密。大量的研究表明障碍物的形状和布局会加速火焰的传播,爆燃转爆轰的发生对随后的爆炸传播有积极的影响[23]。爆燃发生时,燃烧波传播路径受到障碍物的阻挡,造成了火焰折叠和拉伸,火焰表面积增大使更多的液化石油气参与反应。此外,燃烧波传播路径中障碍物的存在有助于气体在高温下产生压缩和未反应气体气穴的形成,这些气穴可通过冲击而相互作用并点燃未燃烧的气体。这些激波是以超音速传播的激波阵面,有足够的能量可自动点燃未燃烧的气体。可燃物被成功点燃时,有可能产生自动爆炸,导致火焰前锋传播快速加速,最终造成了爆轰的发生。

4 事故后果计算

本次事故早期的物理爆炸造成的人员伤亡和对周边的破坏程度远远不及蒸气云被点燃后发生的爆炸,所以对事故后果的计算主要以蒸气云爆炸为主。

用TNT当量法预测本次蒸气云爆炸事故的严重程度,事故车辆容积为61.9 m3,储存温度为298 K,环境压力为101.325 kPa,卧式储罐内液化石油气的量按照充装率为85%计算,液化石油气密度约为500 kg/m3,经计算可知液化石油气的质量为26.3 t,车辆实际载荷为26 t,所以TNT当量(m(TNT))按照储罐内液化石油气质量(mf)为26 t计算,本次爆炸为近地面爆炸,爆炸总能量与实际能量的比值为1.8,m(TNT)计算式见式(1)[24-25]。

(1)

式中:Qf为燃烧热,取46.500 MJ/kg;Q(TNT)为TNT的爆炸热,取4.520 MJ/kg;A为蒸气云当量系数,取0.04。

蒸气云爆炸冲击波超压死亡半径(R1)、重伤半径(R2)和轻伤半径(R3)的计算式见式(2)—(4)。

(2)

0.167ln2Z-0.032ln3Z

(3)

(4)

式中:Δps为引起人员伤亡的冲击波峰值,蒸气云爆炸冲击波引起重伤时Δps=44 kPa,轻伤时Δps=17 kPa;Ri(i=2和3)为目标到蒸气云中心的距离,m;p0为大气压,101.325 kPa;E为蒸气云爆炸总能量,J。

经计算得出死亡半径R1=40 m,重伤半径R2=90 m,轻伤半径R3=176 m,伤害半径直观图见图5。计算结果和事故现场房屋受损程度吻合,证明了计算结果的准确性。

图5 伤害半径直观图Fig.5 Direct view of damage radius

5 结论及建议

本文对浙江温岭槽罐车爆炸事故的发生过程进行了详细的介绍,分析了产生沸腾液体扩散蒸气爆炸的可能原因为超速导致的撞击和设备老旧等。详细分析了液化石油气泄漏后的传播扩散过程和蒸气云点燃后的爆炸过程。计算得到蒸气云爆炸冲击波超压死亡半径为40 m,重伤半径为90 m,轻伤半径为176 m,与事故现场房屋受损程度吻合。

本次浙江温岭槽罐车爆炸事故的发生造成了严重的人员伤亡和经济损失。基于本次事故的分析和计算结果,提出以下几点建议:

1)本次事故造成大量人员伤亡的原因为居民区距高速公路较近。根据此次蒸气云爆炸事故计算结果,居民楼建设的位置距高速公路应大于176 m,对于其他特定的情况应该按照科学的计算和对比,最终判断居民楼建设的安全位置。

2)政府应加强对企业的安全监管。本次事故涉事公司多次违反法律法规,存在很多隐患,为造成本次事故的可能原因。对于不按照国家法规标准要求运营的运输公司,应给予严厉的处罚。对于不满足安全运输条件的车辆,有关部门应坚决不予许可上路营运。

3)运输公司应加强安全意识,建立健全的管理制度,严格遵守国家法律法规。对公司运输车辆和人员严格管理,注重运输人员的安全教育培训,培养应急处理能力。

4)提高人们对危化品运输事故应急处置能力。对运输危化品车辆进行实时监控,对发生事故的车辆可以及时回馈信息。一旦发生事故,立即组织人员疏散,进行交通管制。对可能发生的后续事故走向进行预测评估,采取正确高效的措施以减少人员伤亡和财产损失。