汽油儲罐化學爆炸事故后果模擬分析

張嘯ZHANG Xiao

（河北英博認證有限公司，石家莊 050051）

（Hebei Inbev Certification Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050051，China）

0 引言

長期以來，部分安全評價評審專家一直引用錯誤的汽油儲罐化學爆炸事故模型來評審加油站的安全評價報告，致使失去了對加油站安全管理的指導意義。事故模擬分析結果要盡可能地貼近事故真實情況，這里我來分析一下這兩種汽油儲罐化學爆炸事故模擬分析。

汽油儲罐的爆炸事故模擬計算是計算空罐罐內存在爆炸性氣體混合物引起爆炸，是有限空間內的爆炸，也就是說，是空汽油儲罐內的油氣和氧氣發生了化學爆炸，這一點大家是有共識的。

1 A、B 兩種模型的計算過程

這里，為方便描述，假定部分安全評價評審專家的模擬計算為A 模型；假定現在分析的模型為B 模型。A 模型是用汽油的燃燒熱和汽油的爆炸上限計算；B 模型是用正丁烷做代表物，假定爆炸事故發生時正丁烷和氧氣完全燃燒。下面列舉這兩種模型的計算過程。

1.1 A 模型

汽油儲罐中的爆炸性混合物發生爆炸有多種事故形態，但是，只有當油罐被抽空或空罐檢修，且爆炸性混合物在爆炸上限時，爆炸事故后果最嚴重，破壞力也最大。

1.1.1 具有爆炸性的化學品的質量按下式計算

式中：Wf—具有爆炸性的化學品的質量，（kg）；

V—汽油儲罐的公稱容積，（m3）；

δ—汽油蒸氣的密度，查資料為4.53kg/m3；

μ—汽油的爆炸上限，查資料為7.6%。

將相關數據帶入上式，得：

1.1.2 具有爆炸性化學品相當于梯恩梯（TNT）的質量

式中：

WTNT—具有爆炸性的化學品相當于TNT 的質量，（kg）；

Wf—具有爆炸性的化學品的質量，（kg）；

α—系數，取0.04；

Qf—化學品的燃燒熱（kJ/kg），查資料，汽油為43700kJ/kg；

QTNT—TNT 的爆熱（kJ/kg），實驗數據，取4520kJ/kg。將相關數據帶入上式，得：

1.1.3 具有爆炸性的化學品相當于梯恩梯的摩爾量

WMTNT=WTNT/HTNT

式中：WMTNT—具有爆炸性的化學品相當于梯恩梯的摩爾量；

WTNT—具有爆炸性的化學品相當于TNT 的質量；

HTNT—梯恩梯的摩爾質量數，查資料得：227.13kg/kmol。

將相關數據帶入上式，得：

即：容積為20m3汽油儲罐空罐的爆炸能量相當于11.7mol 梯恩梯（TNT）炸藥爆炸的能量。

1.1.4 爆炸模擬比

式中q 為具有爆炸性的化學品相當于梯恩梯的質量，

計算結果為q=WTNT=2.66kg。

由上式計算可得α=0.1q1/3=0.14

1.1.5 汽油儲罐爆炸時距離R 處的超壓

表1 1000kgTNT 爆炸時沖擊波超壓

1.1.6 爆炸危害

表2 1000kgTNT 爆炸時沖擊波對人體的傷害作用

1.1.7 計算結果

具有爆炸性的化學品發生爆炸的傷害距離R 與1000kgTNT 爆炸時的相當距離R0的關系為：R＝αR0。

使用中間值插入法，可以求出具有爆炸性的化學品發生爆炸后的傷害距離和傷害作用。計算結果見表3。

表3 爆炸性的化學品發生爆炸的傷害距離和傷害作用

1.1.8 沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

表4 距爆炸中心R（m）處，超壓△P（Mpa）及傷害作用

1.2 B 模型

汽油為復雜的化學組成，為C4～C12脂肪烴和環烷烴，但形成爆炸性混和物的主要為物料中的輕組分，為簡化計算，同時保證不產生太大的偏差，以環己烷作為發生爆炸的化學品，環己烷的閃點-16.5℃，爆炸極限值1.2-8.4%，實驗得知，可燃物質在空氣中的含量等于完全燃燒的理論量時，爆炸最容易發生，則發生完全燃燒，生成最穩定的化合物或單質。假定爆炸發生時，環己烷完全燃燒。

汽油儲罐內爆炸性氣體混和物的體積設定為20m3，與儲罐容積相等，空氣中氧氣的體積含量按21%計，經計算，環己烷完全燃燒時的比例為：環己烷蒸氣/空氣=2.28/97.72（V/V），因此在20m3爆炸性氣體內含有（按標準狀況下），環己烷：0.456m3，0.0204kmol，1.71kg。

1.2.1 具有爆炸性化學品的TNT 當量

壓縮氣體的爆炸，其爆破能量Eg=Cg×V，查表（中間值用插入法），當表壓為（0.888-0.1013）0.7867MPa，Cg=1.077×103kJ/m3；V=20m3；則

TNT 爆破能量取值4500kJ/kg，則汽油儲罐內20m3由汽油蒸氣與空氣形成的混和物的爆破能量TNT 當量取值為q。

1.2.2 具有爆炸性的化學品相當于梯恩梯的摩爾量

式中：WMTNT—具有爆炸性的化學品相當于梯恩梯的摩爾量；

WTNT—具有爆炸性的化學品相當于TNT 的質量；

HTNT—梯恩梯的摩爾質量數，查資料得：227.13kg/kmol。

將相關數據帶入上式，得：

即：容積為20m3汽油儲罐空罐的爆炸能量相當于21.1mol 梯恩梯（TNT）炸藥爆炸的能量。

1.2.3 爆炸模擬比

1.2.4 計算在距爆炸中心不同距離點的超壓

由R=R0α 計算R 列于表5。

表5 汽油儲罐爆炸時距離R 處的超壓

1.2.5 沖擊波對破壞范圍內人員及建筑物的破壞作用

由上述計算，該汽油儲罐氣相爆炸時，其爆炸性燃燒所釋放的熱量，視為爆破能量，換算成TNT 爆炸當量為4.79kg，按照爆炸沖擊波準則，其超壓對破壞范圍內人員及建筑物的破壞作用如下：

①沖擊波對人體的傷害作用，如表6。

表6 距爆炸中心R（m）處，超壓△P（MPa）及傷害作用

②沖擊波超壓對建筑物的破壞作用，如表7。

表7 距爆炸中心R（m）處，超壓△P（MPa）及傷害作用

2 A、B 兩種模型的主要區別

A 模型和B 模型這兩種模型有兩點主要區別在于，一是取什么為代表物；二是發生爆炸時爆炸物的量按多少計算。下面分析這兩點主要區別。

2.1 確定代表物

汽油是C4～C12脂肪烴和環烷烴的混合物，混合物不同于化合物，混合物是多種物質混合在一起的，不是均一穩定的，又因為汽油常溫下是液體，經長時間靜置后，上層肯定是密度小的輕組分，越靠近下層肯定是密度高的重組分，可列表進行驗證（表8）。

表8 汽油各組分的相對密度表（相對于水）

汽油儲罐的出油管是插到汽油儲罐底部的，距罐底0.2m，汽油是從罐的底部慢慢被抽走的，那么油罐內汽油的最上層肯定是正丁烷，由于油罐內的汽油有一定的擾動，其他組分也不可能不揮發，因此，油罐上部空間存在的汽油蒸氣肯定是輕組分多，重組分少，B 模型以環己烷（C6）做代表物應該是合適的，相比較之下，A 模型簡單的用汽油做代表物是不科學的。

2.2 爆炸物量的選取

汽油油氣在爆炸下限到上限之間的范圍都能發生爆炸，但是在爆炸極限范圍內的任何一個數值可能發生的爆炸的難易程度是不一樣的。爆炸下限是油氣含量少氧氣含量多，上限是油氣含量多氧氣含量少，如果按A 模型的算法，油氣在達到爆炸上限時發生爆炸，也就是爆炸物最多時，那么氧氣是不足以滿足這么多爆炸物發生完全化學反應的，換言之，氧氣不夠用，也就不能產生那么多的能量。而B 模型是通過正丁烷與氧氣完全反應來計算的，實際上是取爆炸上、下限之間的一個數值，這時的爆炸威力也是最大的，這樣的選取才最科學。

由以上A、B 兩種模型可知，A 模型20m3汽油儲罐空罐的爆炸能量相當于11.7mol 梯恩梯（TNT）炸藥爆炸的能量；B 模型20m3汽油儲罐空罐的爆炸能量相當于21.1mol梯恩梯（TNT）炸藥爆炸的能量。B 模型的爆炸能量幾乎是A 模型爆炸能量的2 倍。

人員傷害范圍的對比：A 模型人員受輕微損傷的范圍7.8m，7.8m 以外是安全的；B 模型人員受輕微損傷的范圍9.4m，9.4m 以外是安全的。

建筑物傷害范圍對比：A 模型建筑物門窗玻璃大部分或部分破壞的傷害范圍是14.23m，14.23m 以外是安全的；B 模型建筑物門窗玻璃大部分或部分破壞的傷害范圍是17.08m，17.08m 以外是安全的。

由此可見，從對人員的傷害范圍看，B 模型比A 模型多1.6m；從對建筑物的傷害范圍看，B 模型比A 模型多2.85m。A 模型的錯誤計算縮小了事故傷害范圍，將會導致在設計平面布置時防火防爆間距減小，將會對人身和建筑物造成不可估量的傷害。由于B 模型更貼近實際的計算，會在設計平面布置時，科學的的布置建筑物之間的防火間距，從而減少生產安全事故，對安全生產有更高的指導意義。

汽油罐一般用于加油站，加油站的設計應遵循《汽車加油加氣站設計與施工規范》（GB 50156-2012）的要求，按照《汽車加油加氣站設計與施工規范》（GB 50156-2012）的要求，油罐是需要埋地的，在地面至少0.5m 以下，A 模型和B 模型的計算均是地面上汽油罐的計算，油罐埋于地下，油罐爆炸的傷害范圍還會縮小。

總之，B 模型的計算比A 模型更加科學，更加貼近實際。

[1]GB 50156-2012，汽車加油加氣站設計與施工規范[S].

[2]GB 50016-2006，建筑設計防火規范[S].

[3]中國就業培訓技術指導中心組織編寫.安全評價師[M].中國勞動社會保障出版社出版.