高速公路車輛發生火災爆炸事故的危險性分析

孫雪偉 高培偉 張萬磊 廖啟旺 陳光玲 王珂

摘 要：近幾年來，我國高速公路迅速發展的同時公路車輛火災爆炸事件時有發生，不僅造成財產損失、交通堵塞等事故，高溫產生的熱輻射還會對公路周圍的人員和建筑物產生影響。將熱輻射作為火災危害程度和傷害范圍的一個判定值，采用合理的熱輻射評估方法進行預測可以有效降低損失，為災害防治提供理論指導和技術支持。

關鍵詞：高速公路;火災;熱輻射;評估方法

中圖分類號：U492.83 文獻標識碼：A

0 引言

高速公路具有通行速度快、車流量大的特點，給人們帶來交通便利的同時，車輛在高速行駛時，因物的不安全狀態、環境、駕駛人員的不安全行為等因素，也存在著較大的安全事故隱患，一旦發生事故將會引起火災、爆炸等將嚴重威脅人類生命安全。據不完全統計，目前全世界70多億人口每年有100多萬死于交通事故，其中車輛發生火災爆炸產生的影響最為嚴重。國內外對于高速公路的火災爆炸事件極為重視，有很多學者也展開了一系列的研究[1-3]。目前，關于火災、爆炸導致熱輻射后果的研究主要分為人體燒傷、物體損壞（包括對木材、草地、建筑等）兩方面。評估人體燒傷的方法主要有兩種：熱輻射通量準則[4]和熱劑量傷害方程。Henriques提出可以使用一階阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式來計算皮膚燒傷的累積程度，以此判斷燒傷等級的方法。對于評估物體損害方面的研究較少，大多數通過臨界熱流和臨界溫度兩個參數來判斷物體是否被損壞，但該方法僅適用于穩態火災，難以評估非穩態火災熱輻射危害因此，建立相應的評估方法對高速公路車輛火災爆炸事故的危險性進行研究是十分必要的，對于降低高速公路火災、爆炸事故的危險性具有重要的實際意義。

1 高速公路車輛火災事故成因及特點

1.1 事故成因

（1）物的不安全狀態。車輛本身存在安全隱患，如車輛的老化會導致部件失靈，主要包括輪胎磨損破裂，車輛制動系統失效，發動機內有沉淀物等。（2）環境因素。高速路段環境的變化也是導致事故的原因之一，遇到惡劣天氣如雷雨天氣導致車外視線模糊不清，或出現山體滑坡或者地震等自然災害也會導致車輛來不及躲避出現交通事故繼而引發火災事故。（3）人的不安全行為。駕駛人員的不安全行為是導致事故發生的主要原因，主要的不安全行為有：駕駛人員不具備行駛資格或對車輛性能了解不足導致的操作失誤;駕駛人員對載有易燃易爆物品的車輛缺乏安全救援意識，未能按要求定期進行安全檢查，采取相應的預防措施;駕駛人員主觀存在違章行為和心理特征。

1.2 高速公路火災事故特點

（1）燃燒蔓延迅速。高速公路路面風較大，且車輛行駛中加快了空氣對流，當火災發生后，充足的氧氣會使火勢迅速蔓延，短時間內從最初的緩慢燃燒發展到充分燃燒階段。（2）火災控制難度大。易燃易爆危化品在運輸中發生泄漏，短時間內會迅速擴散，遇到點火源會發生火災甚至引起爆炸，火勢會根據環境發生變化，加大了消防救援難度。（3）傷害范圍大。車輛起火通常為發動機起火，高速行駛過程中空氣流通強，火勢變化難以控制。一旦火勢蔓延到附近山林、住宅區，將可能造成群死群傷事故。（4）受客觀條件限制，救援相對困難。高速公路發生火災后消防車以及救護車受到高速公路入口和方向的限制難以及時救援。另外，在救援過程中有時需要大量的水源，會出現消防車自備水用完的情況，延誤消防時間。（5）易引發次生災害和二次事故。未燃燒的有毒氣體會造成中毒、窒息乃至死亡，引發二次交通事故。

2 高速公路火災事故熱輻射危害評估方法

熱通量準則一直是評估火災事故中熱輻射危害后果的主要方法，該準則以目標接收到的熱通量作為衡量其是否被破壞的標準，它適用于穩態火災，具體評判準則如表1所示。

實際情況下，高速公路環境復雜，單一的熱通量準則很難去判斷對人體，對物體的損傷。因此，將分別介紹適用于變熱流下對人體、物體熱輻射損害評估方法。

2.1 人體損傷的計算方法

熱輻射劑量法認為目標是否被破壞必須由熱通量和作用時間共同決定，熱輻射劑量（r）計算公式如下：

（1）

當r=1 060（kW/m2）4/3s時，死亡概率為1%;r=2 300 （kW/m2）4/3s時，死亡概率為50%;r=3 500（kW/m2）4/3s時，

死亡概率為99%。Eisenberg通過研究得到皮膚暴露面積為20%時，熱輻射劑量和傷害概率的經驗關系為：

死亡： （2）

二級燒傷： （3）

一級燒傷： （4）

傷害百分數： （5）

Rausch推薦管道泄漏熱輻射對人體的暴露時間為30 s。實際事故中，熱輻射會隨著泄漏時間而減小，為了更加準確的預測變熱流對周圍人員和物體造成的危害，結合微積分的思想，將熱輻射通量—

時間曲線中的時間分割為多個無限小的時間間隔如圖1所示，并假定在每個時間間隔內，目標所接受的熱輻射為前后兩個相鄰時刻的輻射熱通量的平均值，則tn時刻輻射熱流可表達為： （6）

變熱流下，熱輻射劑量計算公式為：? （7）

2.2 對物體損傷的計算

利用基于半無限大固體假定的物體溫度計算方法和集總熱容法可以用來預測熱輻射作用下物體的溫度。對于可燃物，通過計算出的溫度可以判斷是否被點燃;對于不可燃物體，則可以判斷是否會融化或者強度失效。

（1）基于半無限大固體假定的物體表面溫度計算。當物體厚度較大時，如木材、墻壁等，可以將其假設成半無限大固體模型，再計算物體表面溫度。在穩態熱流下，距離表面x位置處的溫度可以表示為：

（8）

式中，為凈輻射熱流，

，其中為空氣對流換熱系數，是火焰發射率，是斯提芬波爾曼茲常數;為物體初始溫度;為時刻，深度為x的溫度;α為熱擴散系數，α=k/ρc，k是導熱率，是密度，c是比熱容。當x=0，即物體表面溫度為：（9）

當物體接受的是變輻射熱流時：（10）

因為，當，，此時因為時間間隔很短，為了簡化計算，則將，，。則計算變輻射熱流下物體表面溫度的公式為：（11）

（2）基于集總熱容法的薄壁物體溫度計算。對于厚度較小的物體如樹葉、草葉等，在熱流作用下，其內部溫度近似均勻一致，可以使用集總熱容法來計算物體的溫度。

對于薄壁物體，應用瞬態能量守恒方程：（12）

式中，V是薄壁物體的體積;A是薄壁物體的接受熱流面的面積，V=Ad，d為厚度。

則變輻射熱流作用下薄壁物體表面溫度可以表示為：（13）

3 結論

通過分析高速公路車輛發生火災爆炸事故的成因及特點，針對火災產生的熱輻射對周圍環境和人員的傷害范圍及程度進行預測。利用熱輻射計量法預測人員受到的熱輻射導致的皮膚燒傷等級，通過半無限大固體假定的物體溫度計算方法和集總熱容法預測熱輻射作用下物體的溫度，提出了高速公路車輛火災事故熱傷害預測范圍，有利于對事故的損失程度進行預測，為事故應急救援提供理論技術支持。由此可見，只有不斷優化事故預防措施，提高事故分析能力，才能為高速公路火災事故的預防提供更好的保障。

參考文獻：

[1]Cleary M，Kornhaber R，Thapa D K，et al.A quantitative systematic review assessing the impact of burn injuries on body image[J].Body Image，2020（33）：47-65.

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[3]Kim M O，Kim K，Yun J H，et al.Fire risk assessment of cable bridges for installation of firefighting facilities[J].Fire Safety Journal，2020（115）：103146.

[4]路世昌，王剛，彭錦志，等.臨時加氫站火災爆炸風險評估及防范對策[J].消防科學與技術，2012（2）：201-204.