基于TNT模型的液氨儲罐蒸氣云爆炸事故影響范圍及救援處置對策分析

郭曉曉 湯 楊 馬曉龍 郭 慧

（1.重慶文理學院土木工程學院，重慶 400000；2.山東瑞祥注冊安全工程師事務所有限公司，山東 濰坊 261000；3.北京航天發射技術研究所，北京 100000）

0 引言

氨氣屬于有毒、易燃、易爆氣體，常以液氨的形式儲存于儲罐或管道中。一旦容器泄漏，極易發生火災、爆炸、中毒、環境污染等事故。泄漏的液氨與周圍空氣形成易燃易爆云團，若遇火源可能發生蒸氣云爆炸，本文采用TNT 模型，以某液氨儲罐為例，研究液氨泄漏發生蒸氣云爆炸事故的影響范圍，希望能夠對項目選址、安全防護和應急處置等提供參考。

1 蒸氣云爆炸模型

1.1 Baker—Strehlow 模型

Baker—Strehlow 模型將能量釋放看作是從中心向外傳出一道火焰速度為馬赫數且具有一定厚度的波，通過對敞開空間蒸氣云爆炸進行數值計算，得出無量綱峰值超壓隨無量綱距離變化的曲線。

此模型認為：只有受約束的那部分氣體對爆炸產生顯著的效果，其他不在約束條件下的氣體只是發生燃燒，對爆炸效應幾乎沒有貢獻[1]。

1.2 多能（Multi-Energy）模型

多能模型是在TNO 模型的基礎上改進的。假設氣云為半球形，在中心發生點火，火焰以恒定速度傳播，然后計算出不同燃燒速度下的氣云爆炸強度，得出無量綱爆炸超壓與無量綱距離的關系曲線。多能模型在實際應用中存在一些不足：

（1）如何確定受限區域的尺寸是個難題；

（2）讀取無量綱爆炸超壓與無量綱距離的關系曲線時，個體間存在主觀差異。

1.3 TNT 當量模型

TNT 當量法是將參與爆炸的可燃氣體釋放的能量折合為能釋放相同能量的TNT 炸藥的量。蒸氣云爆炸能產生多種破壞效應，但最危險、破壞力最強的是沖擊波。

式中：WTNT為蒸氣云的TNT 當量（kg）；Wf為蒸氣云中泄漏可燃物的總質量（kg）；α 為蒸氣云爆炸的效率因子，取0.04；Qf為氨氣的燃燒熱（MJ/kg），氨氣取18.6MJ/kg；QTNT為TNT 的爆炸熱，一般取4.52 MJ/kg。

重傷、輕傷半徑的計算：ΔP/P0=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

式中：ΔP 為沖擊波超壓（Pa）；R 為目標到爆源的水平距離（m）；P0為環境壓力（1.01×105Pa）。

式中，K2為二級破壞系數，取4.6。

2 液氨儲罐蒸氣云爆炸實例分析

某公司廠區地勢平坦，廠內液氨儲罐設計壓力為4.3 Mpa，日常工作壓力為2.3 Mpa。充裝系數為90%，液氨的總重量為20.3 t。假設儲罐內的液氨全部泄漏形成蒸氣云并且參與爆炸反應。

2.1 傷害準則

文章采用超壓準則計算沖擊波造成的死亡區、重傷區、輕傷區。表1 為沖擊波對人員傷害的超壓準則。

表1 人員傷害超壓準則

2.2 傷害半徑計算結果

（1）蒸氣云TNT 當量的計算：

齒輪毛坯，先通過銑削、車削等成形工藝加工成形，然后通過熱處理工藝，改變齒面材質的內部結構，改善齒面硬度，但與此同時，齒形輪廓也將發生變化，因而需要進行最后的精密磨削加工。齒輪精密加工通常采用幾何不規律的切削刃進行加工，以實現兩個重要的目標值：齒面最大的承載能力和齒輪嚙合產生最低的噪聲。齒輪質量的高低取決于漸開線齒面的精度。

（2）爆炸總能量的計算：

E=1.8×0.04×20.3×103×18.6=27 185.76 MJ

（3）死亡半徑。死亡半徑表示處于該半徑內人員若無防護則無一例外受到嚴重傷害或死亡[3]。

（4）重傷半徑、輕傷半徑。重傷半徑表示處于該半徑內人員若無防護則絕大多數受到嚴重傷害[3]，沖擊波峰值超壓為44 000 Pa。輕傷半徑表示處于該半徑內人員絕大多數遭受輕微傷害[3]，沖擊波峰值超壓為17 000 Pa。將重傷、輕傷半徑的沖擊波超壓分別帶入公式，得出重傷半徑R2=69.66 m，輕傷半徑R3=126.26 m。

（5）財產損失半徑。財產損失半徑表示在此半徑內的財產全部損失，通過公式，得出R4=83.65 m。

由以上計算可得，液氨儲罐發生蒸氣云爆炸的死亡區為0～26.41 m，重傷區為26.41～69.66 m，輕傷區為69.66～126.26 m，126.26 m 以外的區域為安全區，財產損失半徑為83.65 m。定量計算的事故影響范圍為應急救援提供了數據參考，有利于相關部門應急處置的決策。

3 事故救援處置對策

3.1 設置警戒區域

3.2 防護措施

氨具有易燃、有毒、刺激性等特性，救援人員應做好個人防護，佩戴自給正壓式呼吸器，戴過濾式防毒面具，戴化學安全防護眼鏡，戴橡膠手套，穿防靜電服，穿戴面罩式膠布防毒衣或者穿戴防毒滲透服，保護好呼吸系統、眼睛、雙手以及身體皮膚等部位。

3.3 堵漏措施

如果泄漏點位于閥門之后的管道上，應由專業人員關閉閥門，切斷泄漏源。若無法關閉，應根據實際情況采取合適的堵漏措施。如果泄漏點位于罐體或管道上，可以用金屬外殼內襯橡膠墊片、使用專用的管道的內外封式、利用螺絲釘加粘合劑旋擰等。如果發生罐體撕裂，可以從外部使用充氣墊片或空心橡膠加壓充氣器具等進行堵漏。如果因法蘭老化導致泄漏則可以用同型號的法蘭夾具注膠堵漏[2]；若是螺栓松動導致法蘭泄漏，可以用不產生火花的工具擰緊螺栓。

4 結語

（1）介紹了幾種常用的定量計算蒸氣云爆炸的模型，TNT 當量模型簡便實用，易于操作，計算結果具有指導意義，可作為具有相似性質的物質在計算蒸氣云爆炸事故后果時的模型參考。

（2）運用TNT 當量法計算出液氨儲罐蒸氣云爆炸事故的死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑、財產損失半徑，為應急救援提供數據參考。

（3）根據計算結果設置應急處置警戒區，并提出了救援處置中的個體防護措施、堵漏措施。