密閉容器內丙酮意外爆炸效應分析及安全對策

張躍，李鳳彬，才睿

(1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076；2.北京臨近空間飛行器系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

危險化學品是指具有毒害、腐蝕、爆炸、燃燒、助燃等性質，對人體、設施、環境具有危害的劇毒化學品和其他化學品[1]。危險化學品行業作為我國高危行業，因其事故發生頻次較高、產生影響較重，受關注程度將持續升高。黨中央批準的《全國安全生產專項整治三年行動計劃》專門將危險化學品安全整治列為專項實施方案進行推進，重點要求全面排查管控危險化學品生產儲存企業外部安全防護距離，按照《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》等標準規范確定外部安全防護距離[2]。目前，國內針對危險化學品生產儲存標準規范相對完備，對各類危險化學品生產儲存企業的安全防護距離有明確規定。但是，精細化開展安全風險評估，并依據評估結果完善安全管控措施研究一直是困擾化工企業的難題。如何量化易燃易爆液體發生火災爆炸的危險程度，對防治危險化學品燃燒爆炸事故、減少人員傷亡意義重大。

丙酮(CH3COCH3)又名二甲基甲酮，為最簡單的飽和酮，具有燃燒爆炸特性。同時，由于其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇火源會著火回燃[3]。近幾年來由丙酮引起的燃燒爆炸事故時有發生。鑒于丙酮的燃燒爆炸危險性，有必要對其相關爆炸參數進行系統的統計和分析。然而現今，國內針對丙酮燃爆的研究相對較少，相關文獻對丙酮的爆炸參數記錄并不詳細；許多數據大多建立在理論推導之上，并無實驗驗證；針對不同溫度下丙酮蒸汽的爆炸極限并無修正數據；有關丙酮蒸汽燃燒爆炸危險性分析相對較少，或沒有統一的參考標準。本文將以丙酮為例，構建了一個材質為鋼材的長方體密閉容器，容器尺寸為長×寬×高：300×220×6 000 mm。通過試驗、計算并分析該密閉容器內丙酮蒸汽發生意外燃燒爆炸事故的危害，針對計算結果提供安全補償措施，為化工企業量化和管控安全風險提供了方法思路。

1 丙酮基本爆炸參數的求取

1.1 爆炸下限

爆炸下限是化工企業在危險化學品安全管理中應重點關注的一項指標，是危化品濃度報警監測的重要參數。開展丙酮爆炸下限研究，以220 L爆炸罐為試驗主體，進行丙酮相關爆炸參數的測定，控制罐體進口溫度和罐溫分別為80 ℃、100 ℃和110 ℃，測得的丙酮在不同溫度下的爆炸下限如表1所示。

表1 不同溫度下丙酮蒸汽的爆炸下限

查閱丙酮化學品安全技術說明書，知其爆炸下限為2.5%，本次實驗結果與文獻資料基本一致，但試驗結果反映出，丙酮爆炸下限會隨環境溫度的升高而降低，即環境溫度越高，危化品越容易發生爆炸。

1.2 爆炸威力指數

爆炸威力指數是衡量物質爆炸破壞性的一種特性指標，可以反映爆炸對容器和建筑物的沖擊度，它等于燃氣最大爆炸壓力和平均爆炸壓力上升速度的乘積。

通過文獻查找，得知丙酮爆炸壓力上升速度的最大值為39 690 kPa/s，平均值為11 662 kPa/s[4]，最大爆炸壓力為872.2 kPa[5]，則丙酮蒸汽的爆炸威力指數為10.17 MPa2/s。

1.3 爆炸危險度

爆炸危險度是指可燃性氣體或蒸汽可能發生爆炸的危險程度的度量。爆炸危險度由爆炸濃度范圍與爆炸下限濃度之比值表示，即公式(1)：

根據實驗結果，丙酮蒸汽在環境溫度上升的情況下，爆炸極限會向兩端移動。可見隨著環境溫度的升高，爆炸危險度呈升高趨勢。

2 意外爆炸效應分析

2.1 爆炸損害效應分析

要評估密閉容器內可燃介質的爆炸損害效應，首先應明確容器內承載可燃介質的最大爆炸壓力是否可以將該容器沖破，繼而造成衍生危害。密閉容器內可燃介質的爆炸損害效應可以通過對比容器的剪切力與承載可燃介質的最大爆炸壓力實現。

通過文獻查找，剪切壓力的計算公式(2)為：剪切力=材料的剪切截面積×抗剪強度×安全系數 (2)

2.2 火災爆炸事故定量分析與計算

壓力容器的爆炸[6-7]有物理現象爆炸和化學反應爆炸之分[6]，密閉容器內丙酮蒸汽與熱空氣反應發生爆炸，屬于化學現象爆炸。根據該密閉容器尺寸，求得其近似體積為396 L。選取丙酮體積分數為6.3%(此時丙酮爆炸壓力最大)，溫度選取100 ℃，進行該密閉容器意外爆炸效應分析。

2.2.1 爆炸能量計算

密閉容器內可燃氣體與氧氣發生反應，繼而發生爆炸，放出能量的近似計算公式(3)如下：

式中：E為化學反應爆炸時的爆炸能量；V為參與反應的可燃氣體的體積；H為可燃氣體燃燒熱值。

根據該密閉容器尺寸求取V=24.948 L，H取 1 792 kJ/mol，Vm=30.7 L/mol(100 ℃)，則求取該密閉容器內丙酮蒸汽發生意外爆炸時的最大爆炸能量為E=1 456.3 kJ。

2.2.2 超壓計算

運用TNT模型來估算丙酮蒸汽意外爆炸產生的最大災害，計算步驟如下：

(1)將爆破能量E轉化為TNT當量WTNT，計算公式(4)如下：

式中：QTNT為TNT的爆炸熱(J·kg-1)，一般取平均值4 520 kJ·kg-1。

(2)求出爆炸的模擬比，即公式(5)如下：

(3)求出在1 000 kg TNT爆炸試驗中的相當距離R0，即公式(6)如下：

(4)對比文獻[6]中給出的1 000 kg TNT爆炸時的沖擊波超壓-距離值表，找出對應R處的爆炸超壓ΔP0；

E=1 456.3 kJ，則根據以上計算步驟，求取WTNT= 0.322 2，α=0.068 6，則不同位置R處的爆炸超壓如表2和圖1所示，隨著爆炸位置的遠離，爆炸超壓呈逐漸遞減的趨勢。同時從數據可以看出，0.5 m范圍內爆炸超壓在1.6 MPa以上。

圖1 不同位置處的爆炸超壓

表2 不同位置處的爆炸超壓

2.2.3 沖擊波傷亡半徑計算

沖擊波傷亡半徑計算公式(7)～(10)如下：

將E=1 456.3 kJ和TNT的爆炸熱QTNT=4 520 kJ·kg-1帶入以上公式，求得該密閉容器內丙酮蒸汽意外爆炸事故最大傷亡半徑如表3所示。從表3可以看出，該密閉容器若發生丙酮蒸汽意外爆炸，其重死半徑為1.56 m，死亡半徑為2.23 m，重傷半徑為2.91 m，輕傷半徑為3.84 m。

表3 丙酮蒸汽爆炸最大傷亡半徑

2.2.4 熱輻射傷亡半徑計算

火球的直徑計算公式(11)、(12)如下：

火球持續時間t為：

式(11)～(12)：W為火球中消耗的可燃物的質量(kg)，對于單罐儲存，W取罐容量的50%；對于雙罐儲存，W取罐容量的70%；對于多罐儲存，W取罐容量的90%。

距火球x處的熱輻射通量q為公式(13)：

式中：f為燃燒輻射通量，是容器壓力的函數，在沒有可靠數據時通常取0.3；W為火球中消耗的可燃物的質量(kg)；H為可燃介質的燃燒熱值(J/kg)；t為火球持續時間；τ為距離函數，τ=1-0.058= lnx。

熱通量q與死亡半徑的關系如下(Pr=5，傷害百分率50%)：

有衣服保護時(20%皮膚裸露)的死亡概率為公式(14)：

有衣服保護時(20%皮膚裸露)的二度燒傷概率為公式(15)：

有衣服保護時(20%皮膚裸露)的一度燒傷概率為公式(16)：

V=24.948 L,Vm=30.7 L/mol(100 ℃)，求 得W= 0.047 kg。W取50%，則D=1.66，t=0.129，火球熱輻射傷害半徑如表4所示。從表4可以看出，該密閉容器丙酮蒸汽意外爆炸后，通過熱輻射效應導致人員死亡的半徑在0.012 m，對比沖擊波傷亡，可知危險化學品發生意外爆炸后，同等距離下，熱輻射導致人員傷亡的概率要小，即在實際應用中，意外爆炸熱輻射效應可不予考慮。

表4 火球傷害半徑

3 結論

(1)丙酮在80 ℃、100 ℃和110 ℃時的爆炸下限分別為2.60%、2.45%、2.40%，爆炸威力指數為10.17 MPa2/s，隨著溫度的升高爆炸下限呈下降趨勢，爆炸危險度呈升高趨勢。在實際應用中，化工企業在危險化學品生產儲存的場所，應加強對環境溫度和生產裝置內部的溫度監測。生產裝置應提高本質安全度，智能降溫；危險化學品儲存場所應合理劃定庫房環境監測溫度，必要時采取措施降低環境溫度。生產裝置或儲存場所應加裝可燃氣體濃度報警裝置，報警參數的選取應考慮可燃液體蒸汽爆炸下限在極端環境溫度下的降低趨勢。

目前，充分運用大數據物聯網技術，實時監控生產裝置和環境溫度、可燃氣體濃度等參數，已成為必然趨勢。

(2)該密閉容器因丙酮意外爆炸，在產生最大爆炸壓力濃度(6.3%)下對應的重死半徑、死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑分別為1.56 m、2.23 m、2.91 m和3.84 m；對于火球熱輻射傷害，對應的死亡半徑、二度燒傷半徑、一度燒傷半徑分別為0.012 m、0.015 m和0.023 m。熱輻射導致人員傷亡的能力相比因爆炸壓力而導致人員傷亡的能力要小很多，應重點考慮不同位置處的爆炸超壓，科學合理劃定安全距離。

本文選取的計算公式，并運用的計算思路，可為化工企業對危險化學品生產裝置和儲存場所進行精細化安全風險評估，并科學度量易燃易爆液體發生火災爆炸的危險程度提供了方法指導，相關計算數據和計算方法為化工企業開展危險化學品安全管理提供參考，在進行安全評估時可適時引用，科學合理的安排不同距離的作業人員；開展安全生產風險分級和雙重預防，運用四色圖清晰地標明各類區域的安全風險等級；數據亦可用作崗位安全知識手冊，指導教育員工，在作業中盡量遠離高風險作業區域，在突發應急情況下盡量疏散至低風險或無風險作業區域。

目前，國家提倡的進一步提升危險化學品企業自動化控制水平，推動涉及重點監管危險化學品化工工藝的生產裝置實現全流程自動化控制，實現機械化減人、自動化換人，降低高危崗位現場作業人數已成為目前各化工企業努力的方向。