苯储罐火灾爆炸事故后果分析与评价_刘堃
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ChemicalCo., Ltd., PingdingshanHenan467013, China)
Abstract:Basedonthefireandexplosionincidentsinchemicalfactory, accordingtovaporcloud, poolfire, BLEVE fireball, jetfireandotheraccidentsmodel, thedamageradiusweregotbysimulationwithreferencetotheirinjurycriteria inHenanShenmaNylonChemicalCo., Ltd.TheconsequenceofBLEVEfireballwastheworstwhichshouldbeavoided andtheattenuationofhotradiationforpoolfireandjetfirewereaffectedbyfartherdistance, fartherawayfromthedecay rateastheslower.
表 3 不同热辐射值对人体的伤 害及周围设施的破坏情况
热辐射通量 /(kW/m2)
人体伤害类别
周围设施破坏类别
37.5
在 1 min内 100%的人死亡 , 周围设备全部造成损坏 10 s内 1%的人死亡
25.0
1 min内 100%的人死亡 , 10 s内严重烧伤
没有引火 , 无限制长期 暴露点燃木材的最小能量
热辐射量的计算如式 (4)所示 : 液池燃烧时放出的总热辐射通量 [ 7] 为
Q=(pr2 +2ρrh)m5 ×n×Hc/[ 72 ×m05.6 +1]
(4)
式中 :Q为总热辐射通量 ;n为效 率因子 , 可 取 0.13 ～ 0.35,
这里取 0.30;Hc为液池 燃烧 热 , 苯的燃 烧热 取 4.19 ×107 J/kg; r为液池当量半径 , 取 26.2 m。
将各值代入式 (4)可得 :
Q=4.67 ×108 W 目标入射辐射强度的计算 :
假设全部辐射量由 液池 中心 的小球 面轻 射出 来 , 则距 液池
中心点某一距离处的入射热辐射强度为 [ 8] :
I=QTc/ρ4x2
(5)
式中:I为热辐射强度 ;Q为总热辐射通量 ;Tc为热传导系数 ,
在物象对象理想的数据 , 可取值为 1;x为目标点到液池中心距离 。
4
833.2
10%玻璃破碎
假设储罐发生 BLEVEs(沸腾液体扩展蒸 气爆炸 )时 , 储 罐内 充填系数为 0.5, 则储罐 BLEVE时火 球直径 可达到 765 m, 火球 燃烧时间为 35 s。 火球的热辐射效应见图 1, 储 罐发生物理 性爆 炸时 , 释放的能量除 了很少 一部 分消 耗于容 器进 一步撕 裂和 将 容器或其碎片抛出以 外 , 大部分将转 化为空气的 冲击波 , 使 周围 的空气受到强烈的扰 动 , 即空气瞬间 压力变化 , 其破 坏性具 体表 现在开始产生 的冲击 波阵 面上的 正向 超压 。 显 然 , 该事 故影 响 范围大且事故后 果严 重 , 对 工厂 及其 临近建 筑而 言将是 灾难 性 的 , 也是工厂要避免发生的灾难事故 。
图 3 液池火灾热辐射效应 Fig.3 Thethermalradiationeffectofliquidpoolfire
· 180·
广州化工
2011年 39卷第 7期
表 2 蒸气云爆炸伤害半径表
损害等级 伤害半径 /m
设备损坏
人员伤害
1%死亡于肺部伤害 ,
1
62.48 重创建筑物及设备 >50%耳膜破裂 ,
>50%被碎片击伤
2
124.96 损坏建筑物外表
1%耳膜破裂 , 1%被碎片击伤
3
312.45
玻璃破碎
被碎玻璃击伤
2011年 39卷第 7期
广州化工
· 179·
化工管理 苯储罐火灾爆炸事故后果分析与评价 ＊
刘 堃 1 , 郭德勇 1 , 郑茂杰 1 , 杨炎峰2
(1 中国矿业大学 (北京 )资源与安全工程学院 , 北京 100083;2 河南神马集团尼龙化工有限责任公司 , 河南 平顶山 467013)
R5 =(s/ρ)1/2
(2)
式中 :R5 为液池当量半径 ;S为按围堤长 度和宽度 计算出的
面积 , 为 2 160 m2;p为圆周 率 。
将储罐隔堤面积代入计算可得 :R5 =26.2 m。 火焰的高度为 :
h=84R5{m5 /P0(2gR5)0.5] }0.6
(3)
式中 :h为火焰高度 ;R 为液 池当量 半径 ;P 为 周围 空气密
应用实例 :河南神马尼 龙化工 厂苯储 罐 , 容积为 3 000 m3, 最大储 存量为 2 244 000 kg, 储存压 力 1.0 MPa, 苯的分 子量 为 78.11, 燃烧热为 40 258 kJ/kg。 其事故后果模拟计算如下 :
Biblioteka Baidu
1%死亡于肺部伤害 ,
1
0.03 重创建筑物及设备
通常认为 , 可燃蒸汽云即使在爆炸 下限值也 可能被 点火 , 本 次计算以爆炸下限值 的 60%为闪火 边界 , 如 图 2所 示 。 结果 表 明 , 在距离泄漏源下风向 62 m处 , 苯浓度 可达到 60% LEL值 , 在 距离泄漏源下风向 167 m处 , 苯浓度可达到 10%LEL值 。
关键词 :苯 ;蒸气云 ;池火灾 ;BLEVE火球 ;喷射火 ;伤害半径
AnalysisandEvaluationonConsequencesofFireandExplosionAccident forBenzeneTank＊
LIUKun1 , GUODe-yong1 , ZHENGMao-jie1 , YANGYan-feng2 (1 ChinaUniversityofMining＆ Technology(Beijing), Beijing100083;2 HenanShenmaNylon
摘 要 :针对化工企业中苯储罐的火 灾爆 炸事故 , 根 据蒸 气云 、池火 灾 、BLEVE火 球 、喷射 火等事 故模 型 , 参照相 关的 伤害准
则 , 以河南神马尼龙化工厂苯储罐为例 , 对火灾爆炸事故的伤害半 径进行 模拟计 算后得 出 :BLEVE火球的 危害性 最大 , 应避免 发生 ; 池火和喷射火热辐射 强度随着距离变远衰减 , 衰减速度随着距离变远而变 慢 。
>50%耳膜破裂 ,
>50%被碎片击伤
2
0.06 损坏建筑物外表
1%耳膜破裂 , 1%被碎片击伤
3
0.15
玻璃破碎
被碎玻璃击伤
4
0.4
10%玻璃破碎
将表 1数值代入式 (1), 得到爆炸的 伤害半径 , 如表 2所示 。
＊ 基金项目 :中央高校基本科研业务专项基金 (2010)。 作者简介 :刘堃 (1982 -), 男 , 博士 , 主要从事化工安全领域的研究 。 E-mail:liushui8217@ 163.com
2 池火灾和喷射火事故后果分析
储 罐隔堤面积为 1 134 m2(长 37.8 m, 宽 30 m), 若储罐瞬间 发生灾难性破坏 、或 储罐大 尺寸 液相 管道断 裂性 长时间 泄漏 并
将表 3中入射通量 (即 热辐 射强度 I)各 值 [ 9] 代入 式 (5)可 求出各种火 灾损 失情 况 下的 目标 点 到液 池 中 的距 离 x值 。 当 I=37 500 W/m2、25 000 W/m2 、 12 500 W/m2、 1 600 W/m2 时 , x值分别为 31.5 m、38.6 m、54.8 m、152 m。 即距 液池中心 31.5 m范围内的操作设备全部损失 :人在 10 s内死 亡的概 率为 1%, 1 min内死亡的概率为 100%;以液池中心为中心 , 以 31.5 m为半 径 , 以 38.6 m为外半 径的 环形区 域 内 , 有 火 焰时 , 木材 会 燃烧 , 人员在 10 s内会遭受重大烧伤 , 1 min内的死亡概率为 100%;以 液池中心为中心 , 以 38.6 m为内 半径 , 以 354.8 m为外半径的环 形区域内 , 木材燃烧 , 塑料溶化 , 人员在 10 s内会受到 1 度烧伤 , 1 min内的死亡概率为 1%;距液池中心 152 m之外为安全区 。
1 蒸气云爆炸事故后果分析
苯储罐最大储存时的总能量为 :
E=Wmax·
Q 1
=22 440 00
×4 02 58
=9.0 34
×1 010 (kJ)
蒸气云爆炸伤害半径为 :
R=C(NE)1/3
(1)
式中 :C——— 爆炸实验常数 , 取决于损害等级 , 取值为 0.03 ～
0.4(不同取值损害程度见表 1)
N——— 爆 炸 发 生 系 数 , 根 据 荷 兰 应 用 科 学 院 [ TNO
(1979)] 标准 [ 5] , 取 10%
损害等级
表 1 不同爆炸常数 的伤害程度表
C
设备损坏
人员伤害
蒸气云爆炸是由 于气体或易于挥发的 液体燃料 的大量 快速 泄漏 , 与周围空气混合形成覆盖很大范围的 “预混云 ” , 在某 一有 限制空间遇点火而导 致的爆炸 。 蒸气云爆 炸的能 量通常 用 TNT 当量描述 , 即将参与 爆炸的 可燃 气体 释放的 能量 折合为 能释 放 相同能量的 TNT炸药的 量 , 这样 , 就 可以 利用 有关 TNT爆炸 效 应的实验数据预测蒸 气云爆炸效应 [ 2 -4] 。
2011年 39卷第 7期
广州化工
· 181·
计算结果表明 , 液池火焰高度可以达到 46 m, 火灾可能 持续 31 min, 这足以使整个储罐 面临被 火焰包围 加热的 危险 , 从而 在 数十分钟范围内诱发 储罐的 BLEVE爆 炸 ;池 火灾火 焰热辐 射后 果见图 3。
可达 10 kW/(sqm), 该热辐射强度足以在 60 s时间内致人死亡 ; 在距离火焰中心 156 m位置处 , 热辐 射强 度可 达 5 kW /(sqm), 该热辐射强度足以在 60 s时间内致人二度烧伤 。
12.5
1 min内 10%的人死亡 , 10 s内 l度烧伤
木材被引燃, 塑料管 熔化的最小能量
4.0
超过 20 s引起疼痛 , 但不会起水泡
1.6
长期接触不会有不适感
图 2 安全阀泄漏 1S闪火发生范围 Fig.2 FlashfireoccurredareaduringsafetyvalveExplosionleakageonesecond
5
0
度 ;g为重力加速度 ;m5 为燃烧速度 。
已知发生事故使空气温 度为 25 ℃, 空气 密度 为 P0 =1.208
kg/m3 , 苯的燃烧速 度 m5 =0.0459 kg/m2 s, 液池 半径 R5 =26.2 m, 将各值代入式 (3)得 :
h=84 ×26.2{0.0459/[ 1.208×(2×9.81 ×26.2)0.5}0.6 =47.6 m
Keywords:benzene;vaporcloud;poolfire;BLEVEfireball;jetfire;damageradius
苯常用于塑料 、合 成纤 维 、石油 精炼 等行 业 。 在 运输 、储 存 和设备检修过程 中 , 苯储 罐及其 管道 、阀门 的意 外破 损 、爆裂 将 导致苯的大量泄 漏 , 若未 采取安 全措 施 , 均 容易 引起 火灾 、爆 炸 和中毒事故的 发生 。 苯 的危 险性表 现在 两个方 面 [ 1] :一是易 引 起火灾爆炸事故 , 即 储罐 破裂泄 漏 , 遇火源 发生 的火 灾爆 炸 ;二 是中毒事故 , 若泄漏 后的 苯迅速 蒸发 为苯蒸 气 , 未遇 火源 , 高 浓 度苯蒸气漂浮在空气 中 , 人在短时间 内吸入可引 起急性 中毒 , 同 时随着苯蒸气的扩散 , 污染环境 , 危害人的 身体健 康 。 本文 着重 对苯储罐的火灾爆炸 事故后果进行分析 。
图 1 储罐 BLEVE爆炸火球热辐射效应 Fig.1 TheheatradiationeffectsofTankBLEVE
点火导致液池火灾 (假设有苯全部泄漏 )[ 6] , 则此时 , 热辐射将会
对周围设备构成 威胁 。 同时 , 苯 燃烧 产物 的毒物 性扩 散也 会对
周边人群 、环境等造 成危害 。 液池当量半径为 :
Abstract:Basedonthefireandexplosionincidentsinchemicalfactory, accordingtovaporcloud, poolfire, BLEVE fireball, jetfireandotheraccidentsmodel, thedamageradiusweregotbysimulationwithreferencetotheirinjurycriteria inHenanShenmaNylonChemicalCo., Ltd.TheconsequenceofBLEVEfireballwastheworstwhichshouldbeavoided andtheattenuationofhotradiationforpoolfireandjetfirewereaffectedbyfartherdistance, fartherawayfromthedecay rateastheslower.
表 3 不同热辐射值对人体的伤 害及周围设施的破坏情况
热辐射通量 /(kW/m2)
人体伤害类别
周围设施破坏类别
37.5
在 1 min内 100%的人死亡 , 周围设备全部造成损坏 10 s内 1%的人死亡
25.0
1 min内 100%的人死亡 , 10 s内严重烧伤
没有引火 , 无限制长期 暴露点燃木材的最小能量
热辐射量的计算如式 (4)所示 : 液池燃烧时放出的总热辐射通量 [ 7] 为
Q=(pr2 +2ρrh)m5 ×n×Hc/[ 72 ×m05.6 +1]
(4)
式中 :Q为总热辐射通量 ;n为效 率因子 , 可 取 0.13 ～ 0.35,
这里取 0.30;Hc为液池 燃烧 热 , 苯的燃 烧热 取 4.19 ×107 J/kg; r为液池当量半径 , 取 26.2 m。
将各值代入式 (4)可得 :
Q=4.67 ×108 W 目标入射辐射强度的计算 :
假设全部辐射量由 液池 中心 的小球 面轻 射出 来 , 则距 液池
中心点某一距离处的入射热辐射强度为 [ 8] :
I=QTc/ρ4x2
(5)
式中:I为热辐射强度 ;Q为总热辐射通量 ;Tc为热传导系数 ,
在物象对象理想的数据 , 可取值为 1;x为目标点到液池中心距离 。
4
833.2
10%玻璃破碎
假设储罐发生 BLEVEs(沸腾液体扩展蒸 气爆炸 )时 , 储 罐内 充填系数为 0.5, 则储罐 BLEVE时火 球直径 可达到 765 m, 火球 燃烧时间为 35 s。 火球的热辐射效应见图 1, 储 罐发生物理 性爆 炸时 , 释放的能量除 了很少 一部 分消 耗于容 器进 一步撕 裂和 将 容器或其碎片抛出以 外 , 大部分将转 化为空气的 冲击波 , 使 周围 的空气受到强烈的扰 动 , 即空气瞬间 压力变化 , 其破 坏性具 体表 现在开始产生 的冲击 波阵 面上的 正向 超压 。 显 然 , 该事 故影 响 范围大且事故后 果严 重 , 对 工厂 及其 临近建 筑而 言将是 灾难 性 的 , 也是工厂要避免发生的灾难事故 。
图 3 液池火灾热辐射效应 Fig.3 Thethermalradiationeffectofliquidpoolfire
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2011年 39卷第 7期
表 2 蒸气云爆炸伤害半径表
损害等级 伤害半径 /m
设备损坏
人员伤害
1%死亡于肺部伤害 ,
1
62.48 重创建筑物及设备 >50%耳膜破裂 ,
>50%被碎片击伤
2
124.96 损坏建筑物外表
1%耳膜破裂 , 1%被碎片击伤
3
312.45
玻璃破碎
被碎玻璃击伤
2011年 39卷第 7期
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化工管理 苯储罐火灾爆炸事故后果分析与评价 ＊
刘 堃 1 , 郭德勇 1 , 郑茂杰 1 , 杨炎峰2
(1 中国矿业大学 (北京 )资源与安全工程学院 , 北京 100083;2 河南神马集团尼龙化工有限责任公司 , 河南 平顶山 467013)
R5 =(s/ρ)1/2
(2)
式中 :R5 为液池当量半径 ;S为按围堤长 度和宽度 计算出的
面积 , 为 2 160 m2;p为圆周 率 。
将储罐隔堤面积代入计算可得 :R5 =26.2 m。 火焰的高度为 :
h=84R5{m5 /P0(2gR5)0.5] }0.6
(3)
式中 :h为火焰高度 ;R 为液 池当量 半径 ;P 为 周围 空气密
应用实例 :河南神马尼 龙化工 厂苯储 罐 , 容积为 3 000 m3, 最大储 存量为 2 244 000 kg, 储存压 力 1.0 MPa, 苯的分 子量 为 78.11, 燃烧热为 40 258 kJ/kg。 其事故后果模拟计算如下 :
Biblioteka Baidu
1%死亡于肺部伤害 ,
1
0.03 重创建筑物及设备
通常认为 , 可燃蒸汽云即使在爆炸 下限值也 可能被 点火 , 本 次计算以爆炸下限值 的 60%为闪火 边界 , 如 图 2所 示 。 结果 表 明 , 在距离泄漏源下风向 62 m处 , 苯浓度 可达到 60% LEL值 , 在 距离泄漏源下风向 167 m处 , 苯浓度可达到 10%LEL值 。
关键词 :苯 ;蒸气云 ;池火灾 ;BLEVE火球 ;喷射火 ;伤害半径
AnalysisandEvaluationonConsequencesofFireandExplosionAccident forBenzeneTank＊
LIUKun1 , GUODe-yong1 , ZHENGMao-jie1 , YANGYan-feng2 (1 ChinaUniversityofMining＆ Technology(Beijing), Beijing100083;2 HenanShenmaNylon
摘 要 :针对化工企业中苯储罐的火 灾爆 炸事故 , 根 据蒸 气云 、池火 灾 、BLEVE火 球 、喷射 火等事 故模 型 , 参照相 关的 伤害准
则 , 以河南神马尼龙化工厂苯储罐为例 , 对火灾爆炸事故的伤害半 径进行 模拟计 算后得 出 :BLEVE火球的 危害性 最大 , 应避免 发生 ; 池火和喷射火热辐射 强度随着距离变远衰减 , 衰减速度随着距离变远而变 慢 。
>50%耳膜破裂 ,
>50%被碎片击伤
2
0.06 损坏建筑物外表
1%耳膜破裂 , 1%被碎片击伤
3
0.15
玻璃破碎
被碎玻璃击伤
4
0.4
10%玻璃破碎
将表 1数值代入式 (1), 得到爆炸的 伤害半径 , 如表 2所示 。
＊ 基金项目 :中央高校基本科研业务专项基金 (2010)。 作者简介 :刘堃 (1982 -), 男 , 博士 , 主要从事化工安全领域的研究 。 E-mail:liushui8217@ 163.com
2 池火灾和喷射火事故后果分析
储 罐隔堤面积为 1 134 m2(长 37.8 m, 宽 30 m), 若储罐瞬间 发生灾难性破坏 、或 储罐大 尺寸 液相 管道断 裂性 长时间 泄漏 并
将表 3中入射通量 (即 热辐 射强度 I)各 值 [ 9] 代入 式 (5)可 求出各种火 灾损 失情 况 下的 目标 点 到液 池 中 的距 离 x值 。 当 I=37 500 W/m2、25 000 W/m2 、 12 500 W/m2、 1 600 W/m2 时 , x值分别为 31.5 m、38.6 m、54.8 m、152 m。 即距 液池中心 31.5 m范围内的操作设备全部损失 :人在 10 s内死 亡的概 率为 1%, 1 min内死亡的概率为 100%;以液池中心为中心 , 以 31.5 m为半 径 , 以 38.6 m为外半 径的 环形区 域 内 , 有 火 焰时 , 木材 会 燃烧 , 人员在 10 s内会遭受重大烧伤 , 1 min内的死亡概率为 100%;以 液池中心为中心 , 以 38.6 m为内 半径 , 以 354.8 m为外半径的环 形区域内 , 木材燃烧 , 塑料溶化 , 人员在 10 s内会受到 1 度烧伤 , 1 min内的死亡概率为 1%;距液池中心 152 m之外为安全区 。
1 蒸气云爆炸事故后果分析
苯储罐最大储存时的总能量为 :
E=Wmax·
Q 1
=22 440 00
×4 02 58
=9.0 34
×1 010 (kJ)
蒸气云爆炸伤害半径为 :
R=C(NE)1/3
(1)
式中 :C——— 爆炸实验常数 , 取决于损害等级 , 取值为 0.03 ～
0.4(不同取值损害程度见表 1)
N——— 爆 炸 发 生 系 数 , 根 据 荷 兰 应 用 科 学 院 [ TNO
(1979)] 标准 [ 5] , 取 10%
损害等级
表 1 不同爆炸常数 的伤害程度表
C
设备损坏
人员伤害
蒸气云爆炸是由 于气体或易于挥发的 液体燃料 的大量 快速 泄漏 , 与周围空气混合形成覆盖很大范围的 “预混云 ” , 在某 一有 限制空间遇点火而导 致的爆炸 。 蒸气云爆 炸的能 量通常 用 TNT 当量描述 , 即将参与 爆炸的 可燃 气体 释放的 能量 折合为 能释 放 相同能量的 TNT炸药的 量 , 这样 , 就 可以 利用 有关 TNT爆炸 效 应的实验数据预测蒸 气云爆炸效应 [ 2 -4] 。
2011年 39卷第 7期
广州化工
· 181·
计算结果表明 , 液池火焰高度可以达到 46 m, 火灾可能 持续 31 min, 这足以使整个储罐 面临被 火焰包围 加热的 危险 , 从而 在 数十分钟范围内诱发 储罐的 BLEVE爆 炸 ;池 火灾火 焰热辐 射后 果见图 3。
可达 10 kW/(sqm), 该热辐射强度足以在 60 s时间内致人死亡 ; 在距离火焰中心 156 m位置处 , 热辐 射强 度可 达 5 kW /(sqm), 该热辐射强度足以在 60 s时间内致人二度烧伤 。
12.5
1 min内 10%的人死亡 , 10 s内 l度烧伤
木材被引燃, 塑料管 熔化的最小能量
4.0
超过 20 s引起疼痛 , 但不会起水泡
1.6
长期接触不会有不适感
图 2 安全阀泄漏 1S闪火发生范围 Fig.2 FlashfireoccurredareaduringsafetyvalveExplosionleakageonesecond
5
0
度 ;g为重力加速度 ;m5 为燃烧速度 。
已知发生事故使空气温 度为 25 ℃, 空气 密度 为 P0 =1.208
kg/m3 , 苯的燃烧速 度 m5 =0.0459 kg/m2 s, 液池 半径 R5 =26.2 m, 将各值代入式 (3)得 :
h=84 ×26.2{0.0459/[ 1.208×(2×9.81 ×26.2)0.5}0.6 =47.6 m
Keywords:benzene;vaporcloud;poolfire;BLEVEfireball;jetfire;damageradius
苯常用于塑料 、合 成纤 维 、石油 精炼 等行 业 。 在 运输 、储 存 和设备检修过程 中 , 苯储 罐及其 管道 、阀门 的意 外破 损 、爆裂 将 导致苯的大量泄 漏 , 若未 采取安 全措 施 , 均 容易 引起 火灾 、爆 炸 和中毒事故的 发生 。 苯 的危 险性表 现在 两个方 面 [ 1] :一是易 引 起火灾爆炸事故 , 即 储罐 破裂泄 漏 , 遇火源 发生 的火 灾爆 炸 ;二 是中毒事故 , 若泄漏 后的 苯迅速 蒸发 为苯蒸 气 , 未遇 火源 , 高 浓 度苯蒸气漂浮在空气 中 , 人在短时间 内吸入可引 起急性 中毒 , 同 时随着苯蒸气的扩散 , 污染环境 , 危害人的 身体健 康 。 本文 着重 对苯储罐的火灾爆炸 事故后果进行分析 。
图 1 储罐 BLEVE爆炸火球热辐射效应 Fig.1 TheheatradiationeffectsofTankBLEVE
点火导致液池火灾 (假设有苯全部泄漏 )[ 6] , 则此时 , 热辐射将会
对周围设备构成 威胁 。 同时 , 苯 燃烧 产物 的毒物 性扩 散也 会对
周边人群 、环境等造 成危害 。 液池当量半径为 :