MATLAB在專用線危險品裝卸區安全評價中的應用

楊 波，徐 姣

（中國地質大學 (武漢)工程學院，湖北 武漢 430074）

1 研究背景

鐵路專用線 (含專用鐵路，以下簡稱專用線) 是由企業或其他單位管理的與國家鐵路或其他鐵路線接軌的岔線，在我國鐵路貨運中發揮著重要作用。目前，全國鐵路油品裝卸專用線數量眾多，易燃易爆危險品的運輸安全是鐵路部門安全監管的重要方面，其裝卸區安全也是企業安全管理的重點。鑒于易燃易爆危險品在裝卸過程中具有事故多發性，對其安全狀況進行客觀評價，有助于及時發現隱患，找出安全控制重點，以便采取措施，預防事故的發生，同時也有助于調動工作人員保安全的積極性和主動性，增強安全責任和意識，有效加強各接軌車站對專用線的監督管理。

目前，對專用線運輸和裝卸危險化學品的安全評價理論已經比較成熟，從評價過程和評價重點可以看出，在專用線危險化學品的裝卸作業過程中，火災爆炸是最大的安全隱患，也是安全評價的關鍵點。鑒于目前主要采用道化學法 (第七版) 對火災爆炸危險性進行評價，而對火災爆炸事故后果模擬主要采用爆源的 TNT 當量計算模型進行分析，根據大量專用線安全現狀評價實踐，這兩種方法還存在一些弊端和不足。

（1）兩種方法在評價過程中程序比較煩瑣，而且存在較多的數學運算。

（2）最終結果只有一個數據，在進行分析時需要對數據進行比較，不直觀。

（3）不利于直觀與迅速地判斷事故后果的傷害區域，不利于企業查閱和制定安全措施。

（4）目前已開發出多款道化學計算軟件，但TNT 當量計算模型較少。

因此，有必要對 TNT 當量計算模型的使用進行改進。隨著計算機技術的發展，計算機輔助量化風險已成為風險評價的一個重要手段。通過在分析某公司提供的專用線易燃易爆危險品的危險性基礎上，利用 MATLAB 軟件編程，對易燃易爆液體蒸氣云爆炸后果進行模擬，得出死亡半徑，并將結果用各種圖形表示。同時也證明 MATLAB 在專用線易燃易爆危險品裝卸區安全評價中具有一定的計算和分析優勢，可以有效減少計算工作量，縮短評價周期，提高評價效率[1]。

2 易燃易爆危險品裝卸危險性分析

2.1 危險品理化性質

某公司專用線運輸物質為甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液，三者均為易燃易爆液體，了解其理化性質是進行安全評價的必要前提。

（1）甲醇。甲醇是一種無色、透明、易燃、易揮發的有毒液體，鐵危編號為 32058，屬于第 3.1類低閃點易燃液體。甲醇常溫下對金屬無腐蝕性(鉛、鋁除外)，略有酒精氣味。其分子量為32.04，相對密度為 0.793 g/m3(20/4℃)，熔點為 -97.8℃，沸點為 64.5℃，燃燒熱為 725.76 kJ/mol，閃點為12.22℃，自燃點為 463.89℃，蒸氣密度為 1.11g/m3，蒸氣壓為13.33 kPa (100 mmHg，21.2℃)，蒸氣與空氣混合物爆炸極限為 6%～36.5% (體積比)，能與水、乙醇、乙醚、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機溶劑相混溶，遇熱、明火或氧化劑易燃燒。甲醇易燃，其蒸氣與空氣能形成爆炸混合物，甲醇完全燃燒生成二氧化碳和水蒸汽，同時放出熱量。

（2）丙烯酸甲酯。丙烯酸甲酯是一種有類似大蒜氣味的無色易燃透明液體，鐵危編號為 32146，屬于第3.1類中閃點易燃液體。丙烯酸甲酯微溶于水，用于聚丙烯腈纖維的第二單體，膠粘劑等。其相對密度 (水＝1) 為 0.95g/m3，熔點為 -75℃，沸點為 80℃，飽和蒸氣壓為 13.33 kPa/28℃，閃點為 -3℃，引燃溫度為 468℃，穩定，爆炸下限為1.2 V%，爆炸上限為 25.0 V%，禁忌物為酸類、堿類、強氧化劑。丙烯酸甲酯蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸，與氧化劑能發生強烈反應，容易自聚，聚合反應隨著溫度的上升而急驟加劇。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇火源會著火回燃。

（3）甲醛溶液。甲醛溶液的鐵危編號為83012，屬于一種具有強烈氣味的無色液體。其主要用于塑料工業 (如制酚醛樹脂、脲醛塑料——電玉)、合成纖維 (如聚乙烯醇縮甲醛——合成維尼綸)、皮革工業、醫藥、染料等。甲醛溶液有刺激性氣味，蒸氣有窒息性，液體比重為 1.09，閃點為50℃，熔點為 -118℃，沸點為 -19.5℃，相對密度(水＝1) 為1.083 g/m3，爆炸下限為 7 V%，爆炸上限為 73 V%，自燃溫度為 300℃，易溶于水，有腐蝕性，能灼傷皮膚，刺激眼睛和黏膜，易聚合。

2.2 危險品裝卸作業的危險性分析

（1）接卸作業流程。接卸作業采用棧橋、液下鶴管，當重罐車到達貨位并做好防溜防護后，專用線裝卸人員進行檢車、取樣分析，檢驗合格后將鶴管插入鐵路罐車內，啟動卸車泵，按操作規程進行卸車。

（2）裝車作業流程。裝車作業采用棧橋、液下鶴管，當空罐車到達貨位并做好防溜防護后，專用線裝卸人員檢查車輛，確保罐車內各項設施齊全完好，車內清潔無雜物，管道暢通清潔，符合要求后啟動裝車泵，按操作規程將物料送入罐車。

（3）易燃易爆液體 (罐車) 具體裝卸作業流程。計劃車輛進線對位、設置防護→人員、設備消除靜電→開啟人孔蓋、插入鶴管→啟動輸送泵→計量控制裝車，由庫區儲罐抽入罐車；計量控制卸車，由罐車抽入庫區儲罐→關閉輸送泵→抽出鶴管、關緊人孔蓋→撤除防護、車輛牽出裝卸線→車輛牽至停車線待命、設置防護。

（4）危險性分析。在專用線易燃易爆危險品裝卸作業過程中，存在一般作業場所具有的電氣傷害、車輛傷害、機械傷害、高空墜落、物體打擊等危險因素，更為重要的是，由于操作的物質具有易燃易爆性、毒性和腐蝕性，作業過程中還存在導致火災爆炸、中毒和腐蝕灼傷事故的危險有害因素。以下主要研究燃燒爆炸事故后果。

3 蒸氣云爆炸事故后果模型

3.1 爆炸的形成分析

甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3種易燃易爆液體，在運輸裝卸作業過程中有兩種狀態：①相對靜止狀態，即整車裝載狀態；②裝卸作業時的流動狀態，此時液體處于罐車、管線、泵房和儲罐組成的工藝系統中。無論哪種狀態都有可能因意外原因導致危險物品失控，發生泄漏，形成燃燒爆炸的條件之一。由于裝卸作業時液體流經眾多設備且管線分布范圍廣，作業過程持續時間較長，操作方式屬于間歇作業，相對整車裝載狀態而言，液體失控、泄漏的可能性更大。易燃液體一旦發生泄漏，就直接暴露在空氣中。空氣中含氧量較大，有很強的助燃性，此時易燃液體遇明火即會燃燒。并且泄漏的易燃液體不斷揮發出可燃氣體，當其與空氣的混合比例達到爆炸下限濃度時，遇火花即能爆炸。

蒸氣云爆炸是由于以“預混云”形式擴散的蒸氣云遇火后在某一有限空間發生爆炸導致的。泄漏的易燃液體若未發生沸騰液體膨脹蒸氣云爆炸現象或立即引發大火，低沸點組分就會與空氣充分混合，在一定范圍聚集形成預混蒸氣云。如果在稍后某一時刻遇火點燃，由于氣液兩相物質已經與空氣充分混合均勻，一經點燃其燃燒過程極為劇烈，火焰前沿速度可達 50～100 m/s，形成爆燃，對蒸氣云覆蓋范圍內的建筑物及設備產生沖擊波破壞，危及人們的生命安全[2]。

3.2 爆源的 TNT 當量計算

蒸氣云爆炸產生的沖擊波超壓是其主要危害。沖擊波超壓可以將事故爆炸產生的爆炸能量等同于一定當量的 TNT，也可以根據爆炸能量直接計算。本文采用 TNT 當量系數法計算易燃液體爆炸產生的能量，計算公式為[3]：

式中：WTNT為易燃液體TNT當量 (kgTNT)；Wf為易燃液體泄漏質量 (kg)；Q f為易燃液體燃燒熱(MJ/kg)；QTNT為TNT爆熱，4.52 MJ/kg；a為蒸氣云當量系數，通常取 0.04；1.8 為地面爆炸系數。

3.3 沖擊波傷害模型

沖擊波傷害模型是將沖擊波超壓的破壞范圍進行人員傷害分區和財產損失分區，即有死亡區、重傷區、輕傷區和安全區[4]，相應的用死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑表示。死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑均可根據計算公式得出結果，爆炸產生的沖擊波隨距離的變化情況是難以預知的，某一點的沖擊波超壓也不得而知。因此，利用 MATLAB 對死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑計算公式進行編程化，減小計算工作量，并形成沖擊波超壓—距離模型，方便計算和分析。

死亡半徑R1(超壓值90 000 Pa) 的計算公式[3]：

在得到云團中燃料質量的情況下，可按下式直接計算爆炸沖擊波超壓。

式中：Δps為沖擊波正相最大超壓 (Pa)；Z為無量綱距離；Pa為環境壓力；R為目標到爆源的水平距離 (m)；E為爆源總能量 (J)；W為蒸氣云中對爆炸沖擊波有實際貢獻的燃料質量 (kg)；Qc為燃料的燃燒熱 (J/kg)。

重傷半徑R2波面沖擊波超壓ΔPs＝44 000 Pa和輕傷半徑R3波面沖擊波超壓ΔPs＝17 000 Pa 為已給定值，根據其可以計算出重傷半徑和輕傷半徑，但計算頗為復雜。

4 蒸氣云爆炸后果模擬

4.1 MATLAB 簡介

MATLAB 是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司的商業數學軟件。MATLAB 廣泛用于算法開發、數據可視化、數據分析，以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，其應用范圍包括信號與圖像處理、通訊、控制系統設計、測試與測量、財務建模與分析，以及計算生物學等眾多領域，其附加工具箱(單獨提供的專用 MATLAB 函數集) 擴展了 MATLAB 環境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。MATLAB 語言結構簡單，能大大簡化計算過程，同時支持三維動畫，特別適用于工程模擬。MATLAB 強大的計算和繪圖能力，能大量簡化事故后果的計算分析，也能通過各種圖形比較直觀地反映分析結果[5]。

4.2 后果模擬的實現

假設某公司專用線有一節滿載甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液罐車裝卸時全部泄漏，罐車型號為G60，按最大充裝系數 0.95 充裝，不得超過標記容積 60 m3。3 種物質的燃燒熱值如表1所示。

（1）TNT當量值計算及圖形結果。利用以上基本條件，根據公式⑴和公式⑵，用 MATLAB 編程計算可以得到3種物質蒸氣云爆炸能量和死亡半徑，并畫出直方圖進行比較，如圖1所示。

表 1 易燃液體燃燒熱值表

圖 1 3 種物質蒸氣云爆炸當量值及死亡半徑比較圖

（2）沖擊波影響范圍后果模擬。在 MATLAB 環境中，根據公式⑶編程得到沖擊波超壓與距離的關系如圖2所示，可以通過計算或在圖中直接讀出重傷半徑和輕傷半徑。

圖2 沖擊波超壓與距離的關系圖

5 結果分析

從圖1可以直接讀出甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3種物質的 TNT 當量和死亡半徑，經比較，TNT 當量由大到小的排序為：WTNT丙烯酸甲酯＞WTNT甲醇＞WTNT甲醛溶液；死亡半徑由大到小的排序為：R1丙烯酸甲酯＞R1甲醇＞R1甲醛溶液。由此可知，一輛滿載丙烯酸甲酯罐車的 TNT 當量最大，相應的死亡半徑也最大。根據表征最大可能危險的原理，建立爆炸模型時應選取一輛滿載 TNT 當量最大物質的罐車，以表征爆炸事故的最嚴重程度，即選取單輛滿載丙烯酸甲酯罐車的死亡半徑 52.00 m 作為裝卸區的死亡半徑。

由圖2可以直接、清晰地看出甲醇、丙烯酸甲酯、甲醛溶液3種物質發生蒸氣云爆炸時沖擊波超壓隨距離的變化情況，利用 MATLAB 圖形工具 data cursors 可以讀出任意距離上的沖擊波超壓，根據重傷半徑R2波面沖擊波超壓 (ΔPs＝44 000 Pa) 和輕傷半徑R3波面沖擊波超壓 (ΔPs＝17 000 Pa)，讀出3種物質的重傷半徑和輕傷半徑，如表2所示。其結果與實際情況相符。

表 2 3 種物質的重傷半徑和輕傷半徑

6 結束語

利用 MATLAB 軟件不僅能快速和精確地完成復雜的計算和分析，而且依靠其繪圖功能能將事故后果的計算結果多樣化地表示出來，有利于安全評價人員和企業安全工作者比較直觀與迅速地判斷事故后果的傷害區域，能夠更好地完善安全評價結果，為企業安全管理和應急管理提供準確的依據。另外，根據事故后果計算中不同的精確度要求，安全人員可以自主調節步長，以達到更好的計算和模擬效果。

[1] 艾唐偉，陸愈實，徐小賢. MATLAB 在儲罐區蒸氣云爆炸分析中的運用[J]. 工業安全與環保，2009，35(2)：31-32.

[2] 魏伴云. 火災與爆炸災害安全工程學[M]. 武漢：中國地質大學出版社，2004.

[3] 國家安全生產監督管理總局. 重大危險源分級標準(征求意見稿)[S]. 國家安全生產監督管理總局協調函[2007]7號，2007.

[4] 王 穎，伍 穎，陳寧寧，等. 基于 MATLAB 平臺的凝聚相爆炸模型的分析與程序實現[J]. 工業安全與環保，2009，35(11)：38-40.

[5] 張瑞華，陳國華，顏偉文，等. 基于 MATLAB 技術的 LPG儲罐重大事故動態模擬評價系統開發與應用[J]. 工程設計學報，2007，14(3)：220-225.