《武汉工程大学学报》 2013年01期
7-11
出版日期：2013-01-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
加油站储罐火灾与爆炸危险区域分析
0引言近几年国内外均发生了多起汽车加油站储罐由各种原因引起的火灾、爆炸事故.汽车加油站储罐区是加油站涉及油品最多的区域，油品均属于易燃液体，发生火灾、爆炸事故的概率较大，而且一旦发生事故，后果相当严重.因此，对加油站储罐火灾、爆炸的危险区域进行研究，从而确定储罐区的平面布局和各相邻建筑物的防火间距是很有必要的.通过合理确定加油站的安全间距，对汽车加油站安全设计、应急救援、防火防爆、安全管理均有十分重要的意义，继而从根本上减少加油站事故的发生.1加油站火灾事故危险区域风险计算分析汽车加油站储罐区储存的汽油、柴油易引起火灾事故，根据泄漏的油品可以用池火灾模型计算火灾热辐射危害区域.本文以武汉市黄陂区某汽车加油站拟建站火灾事故风险为例，该加油站位于武汉市黄陂区环城新村四组，总用地面积3 840.25 m2，拟建总建筑面积为494 m2.拟建储存设施为储油罐（5个30 m3埋地油罐，其中2个柴油罐，3个乙醇汽油罐），总储存容积为150 m3，安全容积为120 m3（柴油容积折半计算）.集中采用防腐地下覆土埋设，总储量150 m3.基于地质状况及周边环境，并保持防火距离，拟将储油罐集中敷设在加油站的北部.在储存区中涉及的最主要危险物质有乙醇汽油、柴油，设计的最大储存量为乙醇汽油71.1 t，柴油54 t.该加油站储罐型号为HG5-1580-85卧式储罐，其尺寸表见表1.1HG5-1580-85尺寸表Table 1Size about HG5-1580-85容积/m3筒体直径/mm长度/mm筒体厚度/mm封头厚度/mm302 4006 00088为了方便计算，将储罐完全看做成一圆柱体，长度为6 000 mm，筒体直径为2 400 mm.根据危险最大化原则，对储罐区的汽油储罐进行统一计算，并且对于池火燃烧面积也采用最大面积，最大面积等于油罐长和直径的乘积.由πr2=3dL计算出液池当量圆半径，得：r=3dLπ=3×2.4×6π=3.71 m汽油的燃烧速度与多种因素有关，储罐直径、水的含量、液面高度的下降、风速、燃烧区传给液体的热量等都会对汽油的燃烧速度产生影响.实际中燃烧速度可以通过经验公式估算出来，也可以通过采样模拟测定汽油燃烧速度，还可以通过查询手册得到.通过查手册得汽油的燃烧速度dmdt为92 kg/(m2·h)\[1\]，换算即为0.025 6 kg/(m2·s)，周围空气密度ρ0为1.19 kg/m3.油罐火灾火焰高度取决于油罐直径和油罐内储存的油品种类.由计算池火火焰高度的经验公式\[1\]：h=84r\[dm/dtρ02gr\]0.61（1）得油罐火灾火焰高度为：h=84×3.71\[0.02561.192×9.8×3.71\]0.61=8.10 m假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射，由计算热通量的公式\[1\]：Q=(πr2+2πrh)dmdtηΔHc72(dmdt)0.61+1（2）得油罐热通量为：Q=(π×3.712+2π×3.71×8.10)×0.0256×0.24×43728.872×0.02560.61+1=7 005.86 W第1期周德红，等：加油站储罐火灾与爆炸危险区域分析武汉工程大学学报第35卷如果液池中心的小球面把辐射热全部辐射出来，那么，距离液池中心距离x处的入射辐射强度计算公式为：I=Qtc4πx2（3）根据热辐射值对人体的伤害和周围设施的破坏情况，由火灾热辐射通量“伤害-破坏”准则，推导出不同危害情况下的危害距离，即：x=Qtc4πI（4）由以上公式计算得：当I=37.5 W/m2时，x=7 005.86×14π×37.5=3.86 m；当I=25.0 W/m2时，x=7 005.86×14π×25.0=4.72 m；当I=12.5 W/m2时，x=7 005.86×14π×12.5=6.69 m；当I=4.0 W/m2时，x=7 005.86×14π×4.0 =11.80 m；当I=1.6 W/m2时，x=7 005.86×14π×1.6 =18.67 m.将所计算出的结果导入不同热辐射引起人体的伤害及设备破坏表见表2\[2\].表2不同热辐射值引起对人体的伤害及设备的破坏Table 2Human and equipment injury accordingto different thermal radiation values序号对人员的危害入射通量I/(W/m2)危害距离x/m11%死亡，10 s；100%死亡，1 min37.53.862重大损伤，1/10 s；100%死亡，1 min25.04.7231度烧伤，10 s；1%死亡，1 min12.56.69420 s以上感觉疼痛，未必起泡4.011.805长期辐射，无不舒服感1.618.672加油站爆炸危险区域风险分析从能量释放的角度出发，对加油站爆炸后果进行风险分析，依据爆炸事故产生的爆炸冲击波对周围设备和人员的伤害程度进行评估.根据以上实例，该汽车加油站储罐汽油量按最大设计量71.1 t计算.把该加油站中汽油储罐看成一个整体，并假设同时发生爆炸，将汽油罐的中心作为爆炸原点，不考虑储油罐之前发生爆炸的相互影响和前后顺序.此处只针对火灾爆炸的影响程度，不考虑发生爆炸后可能发生的二次事故造成的影响程度.根据计算储罐爆炸能量的公式\[3\]：WTNT=αWfQfQTNT（5）计算加油站TNT当量，得：WTNT=0.04×71.1×43.728 84.52=27.51 kg根据莱克霍夫计算公式，莱克霍夫砂质土壤中的冲击波超压与距离关系的经验公式\[4\]为：P=0.8\[R3WTNT\]-3（6）通过转换计算半径，得：R=(8WTNT/10 P)1/3（7）通过公式（6）和（7），可以计算人员伤害范围：当P=0.02 MPa时，R=(8×27.5110×0.02)13=10.32 m;当P=0.03 MPa时，R=(8×27.5110×0.03)13=9.02 m;当P=0.05 MPa时，R=(8×27.5110×0.05)13=7.60 m;当P=0.10 MPa时，R=(8×27.5110×0.10)13=6.04 m.将以上计算结果导入人员伤害超压准则表\[1\]，见表3.表3人员伤害超压准则Table 3Overpressure criteria for personal injury序号伤害程度超压P/MPa危害范围R/m1轻微0.02～0.039.02~10.322中等0.03～0.057.60~9.023严重0.05～0.106.04~7.604极严重>0.10<6.04再根据公式（7）计算出建筑物的伤害范围如下：当P=0.005 MPa时，R=(8×27.5110×0.005)13=16.39 m；当P=0.006 MPa时，R=(8×27.5110×0.006)13=15.42 m；当P=0.015 MPa时，R=(8×27.5110×0.015)13=11.36 m；当P=0.020 MPa时，R=(8×27.5110×0.020)13=10.32 m；当P=0.030 MPa时，R=(8×27.5110×0.030)13=9.02 m；当P=0.040 MPa时，R=(8×27.5110×0.040)13=8.19 m；当P=0.050 MPa时，R=(8×27.5110×0.050)13=7.61 m；当P=0.060 MPa时，R=(8×27.5110×0.060)13=7.19 m；当P=0.070 MPa时，R=(8×27.5110×0.070)13=6.80 m；当P=0.100 MPa时，R=(8×27.5110×0.100)13=6.04 m；当P=0.200 MPa时，R=(8×27.5110×0.200)13=4.79 m；当P=0.300 MPa时，R=(8×27.5110×0.300)13=4.19 m.将以上计算结果导入爆炸波超压对建筑物的破坏作用表\[1\]，见表4.表4爆炸波超压对建筑物的破坏作用Table 4Damage effects on buildingsfor overpressure blast wave序号超压P/MPa危害距离R/m10.005～0.00615.42~16.3920.006～0.01511.36~15.4230.015～0.02010.32~11.3640.020～0.0309.02~10.3250.040～0.0507.61~8.1960.060～0.0706.80~7.1970.070～0.1006.04~6.8080.100～0.2004.79~6.0490.200～0.3004.19~4.793储罐火灾、爆炸计算结果分析a.不同热辐射值引起对人体的伤害及设备的破坏不同，由入射通量与危害半径的关系表2，绘制坐标图如图1.结合表2和图1可知：①半径在3.86 m以内的设施全部损坏，人员全部损坏；②半径在4.72 m以内的设施严重损坏，人员在1 min内撤不出则全部死亡；③半径在4.72～6.69 m内设施不同程度损坏，人员受到严重烧伤1 min内撤不出1%会死亡；④半径在6.69～11.8 m内人员有不同程度的烧伤；⑤半径在11.8m外人员较安全；⑥半径在18.67 m以外人员不受伤害，半径在6.69 m以外建筑物不受损坏.b.根据计算出的储罐爆炸冲击波超压对人危害半径的关系表3，绘制坐标图如图2.由表3和图2可知，当超压小于0.02 MPa时，人员免于损坏，此时即安全距离，即10.32 m. 图1入射通量与危害半径图Fig.1Incident flux and hazard radius图2超压与人员伤害半径图Fig.2Overpressure and personal injury radius图3超压与建筑物伤害半径图Fig.3Overpressure and building damage injury radius根据计算出的储罐爆炸冲击波超压对建筑物危害半径的关系表4，绘制坐标图如图3.由表4和图3可知，如果超压小于5 kPa时，建筑物不会遭受破坏，所以，其安全距离为16.39 m.c.由表2和图1可知，半径为11.8 m时，热辐射强度为4.0 W/m2，伤害程度为20 s以上感觉疼痛，未必起泡，属于可接受范围.而《建筑设计防火规范》（GB50016-2006））规定二级站与民用建筑的距离不小于12 m.从中可知此加油站的距离15 m满足规定. 此加油站储罐到站房的距离约为25.2 m，到民房的距离约为15 m，由于计算中是按储罐中心出发的，加油站储罐到站房的实际距离为28.2 m，加油站储罐到民房的实际距离约大于18 m，大于安全距离，所以此加油站的距离满足安全.d.由于同等危害情况下，爆炸危害区域大于火灾危害区域，即爆炸的安全距离大于火灾的安全距离，因此在汽车加油站储罐区周边设置其他建筑物或设备设施时，要重点考虑储罐发生爆炸所波及的危害范围.4结语汽车加油站储罐区易发生火灾、爆炸事故，池火灾和蒸气云爆炸、G·M莱克霍夫计算方法均可以计算加油站储罐区的危险性，并能够精确计算出发生火灾、爆炸的危险区域.通过危险区域半径的计算，能够为提高汽车加油站的风险控制、应急管理水平起着十分重要的意义.a.通过对汽车加油站火灾爆炸危害区域进行研究，可以论证新建加油站的安全距离设计是否满足国家规定的安全规范和职业安全健康要求，补充提出消除、预防或减弱装置危险性、提高装置安全运行等级的对策措施，以利于提高建设项目本质安全程度.b.为加油站安全管理的系统化、标准化、科学化提高依据和条件，为安全生产监督管理部门实施建设项目安全许可提供参考.c.计算出汽车加油站火灾、爆炸危害区域的范围，为加油站合理平面布局、有针对性地制定安全对策措施、防火防爆提供一定的参考依据.致谢论文的完成得到武汉工程大学的经费资助，同时也得到我的学生赵宁以及安全工程教研室同事们的大力支持和帮助，在此，对他们以及参考文献作者表示衷心的感谢！