液化天然气罐车泄漏原因分析及事故后果模拟.pdf

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1、液化天然气罐车泄漏原因分析及事故后果模拟 代启兵;方江敏;柯甜甜【摘 要】收集和整理了 2006 年 1 月至 2016 年 6 月间 81 起液化天然气罐车事故案例,并针对交通事故后经常发生泄漏事故进行了原因分析及后果分析.以广东省某高速公路上发生液化天然气罐车泄漏为例,运用 ALOHA 软件对泄漏后引发的喷射火、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸 3 种事故后果进行模拟,定量得出事故危害范围,并利用 Google Earth 进行可视化.同时,模拟了不同风速条件下对 3 种事故后果危害距离的影响情况,结果表明:当风速处在 1.5 2.5 m/s 时,风速的增大会使喷射火、蒸气云爆炸事故危害距

2、离逐步增大;但风力的大小不会影响到沸腾液体扩展蒸气爆炸所形成的热辐射伤害区域.【期刊名称】安全、健康和环境【年(卷),期】2016(016)010【总页数】5 页(P5-9)【关键词】液化天然气;喷射火;蒸气云爆炸;事故后果;伤害区域【作 者】代启兵;方江敏;柯甜甜【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510641;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510641;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州 510641【正文语种】中 文 随着绿色可持续发展理念的贯彻落实，以液化天然气(LNG)为动力的汽车发展迅猛，据不完全统计，截止到2015 年，我国 LNG 汽车保有量

3、达到 25 万辆左右，其中LNG 运输罐车达到 7 500 辆左右。LNG 运输罐车的不断增加，所带来的事故亦不断增多，图 1 为近 10 年我国 LNG 罐车道路运输事故情况。从对近 10 年的事故分析来看，碰擦追尾和车体失衡是罐车常见的事故类型，占事故总数的 88%，图 2 为 2006 年 1 月-2016 年 6 月 LNG 罐车事故类型分析。由于 LNG 是天然气在超低温(-162)常压液化下形成的，所以罐车一旦在运输中发生事故导致泄漏，将迅速气化并向周围扩散，遇到点火源后极易发生火灾、爆炸事故，进而导致严重的人员伤亡和财产损失1。因此，对 LNG 运输罐车泄漏原因和火灾爆炸事故后果

4、进行分析，并提出相应对策措施，对预防重特大事故具有重要意义。道路货物运输系统是由人、物、环境 3 个子系统构成的复杂动态系统。因此，影响 LNG 罐车运输安全的风险主要有人员因素、车辆因素和环境因素2。a)人员因素：驾驶人员的不安全行为，通常包括：超速行驶、超载超高、疲劳驾驶、带病驾驶、驾驶技术不熟练、对行驶路线不熟悉等，导致与其他车辆发生碰撞、追尾，或撞击路肩导致车体失衡发生侧翻，进而导致阀门、管路断裂或罐体破裂发生泄漏；装卸人员的不安全行为，通常包括：未能严格按照操作规程操作，致使LNG 灌装时接头松脱、破裂或使得 LNG 灌装速度过快、充装过量发生溢流；以及罐车启动时未及时拆下连接管等，

5、导致 LNG 罐车发生泄漏3。b)车辆因素：包括运输车辆本身及其安全附件，以及承载 LNG 的容器、罐体等。车辆安全技术等级的高低和自身状况的好坏，直接影响 LNG 罐车道路运输的稳定性和安全性。车辆的不安全状态通常包括：车辆的制动系统、转向系统存在故障或技术缺陷；导除静电拖地带、阻火器以及其他安全附属设施失效；容器和罐体的质量不合格或其配件老化、磨损未及时更换、维修等，导致车辆的稳定性和安全性下降，驾驶员对罐车的操控能力削弱，给车辆行驶安全埋下隐患。c)环境因素：道路环境，道路状况的好坏直接关系到 LNG 罐车是否安全运行。当路面的平整性差时，罐车行车产生剧烈的震动，可能会使车胎的压力升高导

6、致爆胎，或使罐体内的 LNG 发生摇晃导致车体失衡。若道路的弯道多且拐弯幅度过大，易导致罐车发生侧翻。如果道路的上下坡较多，则会使车辆频繁制动导致引发车胎自燃或爆胎。气象环境，不良的气象环境是货物道路运输事故多发的主要诱因之一，比如在暴雨、大雾、大雪等天气状况下行驶，驾驶员会因路滑、前方能见度低等原因造成车辆发生追尾、碰撞而引发 LNG 罐车受损发生泄漏。在高温的环境下，LNG 的挥发将会加快，导致容器内的压力上升甚至出现超压，引发 LNG 泄漏。交通环境，影响道路交通安全还与道路的交通量、交通混杂程度和行车速度有关。LNG 罐车由于载重大而降低了自身的灵活性，在路上遇到突发状况后，不能像普通

7、车辆那样及时做出反应，因此，运输线路的选择应尽量避开人流和车流量大的路段，以减少碰撞、追尾事故的发生4。通过对 2006 年 1 月-2016 年 6 月 81 起 LNG 罐车事故中 33 起泄漏事故原因统计分析可知，导致罐车泄漏的主要原因有：驾驶员操作不当、疲劳驾驶、行驶车速过快、车辆故障、道路状况差、天气状况不良等。人员因素和车辆因素是最主要因素。其中 66%的事故是由驾驶员操作不当、疲劳驾驶、行驶车速过快等人员因素所致。图 3 为 33 起 LNG 罐车泄漏事故原因统计情况。当 LNG 罐车发生追尾、碰撞、侧翻等事故后，极易导致罐体的阀门、管线断裂或罐体破损，出现泄漏孔，遇到点火源可能

8、会导致喷射火、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸 3 种类型事故后果。a)由于罐车中 LNG 是以液态的形式进行储存，当发生泄漏时将迅速气化向外喷出。在喷射的过程中产生静电火花或遇到明火、电火花或其他点火源，则很有可能形成向外喷射的火焰，导致喷射火火灾(Jet Fire)。b)当罐车发生泄漏后并未发生立即点火，而是在不断逸散并形成蒸气云，当其达到爆炸浓度极限范围内并处在受约束(例如建筑物、设备等障碍物)空间，遇到点火源，则发生蒸气云爆炸(Vapors Cloud Explosion,VCE)。c)当罐车在交通事故中发生泄漏后，内部气化的天然气从泄漏口溢出导致储罐压力平衡破坏，储罐内的液化天然气急

9、剧沸腾蒸发，已气化的气体以及卷在其中的液体以极大的冲击力向外喷出，遇点火源形成沸腾液体扩展蒸汽爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion,BLEVE)。本文采用 ALOHA 软件对 LNG 罐车泄漏事故的影响进行分析。ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmospheres)是由美国 EPA 化学制品突发事件和预备办公室(CEPPO)、国家海洋和大气管理响应和恢复办公室(NOAA)共同开发的程序，是计算机辅助突发事件操作管理(CAMEO)套装中的一部分5。ALOHA 包括一个近 1 000 种常见化学品的数据库。这

10、个数据库的信息包括化学品类型、意外事故位置(市区或城郊)、天气情况(问题、风速和风向)，意外事故变量(储存物料、泄漏孔尺寸、储存压力)等6。ALOHA 采用的数学模型有：喷射火灾、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸等成熟的计算模型，其具体计算流程如图 4。2014 年 8 月 13 日上午，一辆液化天然气罐车在京港澳公路韶关段行驶过程中被后方货车追尾，导致罐车气阀断裂发生泄漏。本文以此事故为例，模拟当液化天然气罐车泄漏后发生喷射火火灾、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸汽爆炸对事故现场周围的人员、建筑或环境的影响。事故当天，大气温度为25，天气晴间多云，湿度为 78%。罐车罐长为 12.6 m，罐体直径

11、 2.4 m，实际载有 20.24 t 液化天然气。LNG 从阀门泄漏，泄漏处为圆形，当量直径取 8 cm，如表 1。热辐射是喷射火对周围人员、环境造成的主要危害方式。运用 ALOHA 软件对罐车运输过程中发生喷射火热辐射进行模拟，以热辐射强度 60 s 内可能导致人员潜在致死(10 kW/m2)、二度烧伤(5 kW/m2)、以及皮肤疼痛(2 kW/m2)作为标准，划分热辐射影响区域7。本文模拟持续泄漏时间为 1 h，瞬间最大泄漏量为 202 kg/min。当风速为 1 m/s 时，事故现场的达到热辐射强度 10，5，2 kW/m2 的区域分别距泄漏点 20.1，30.2，48.5 m，具体涵

12、盖区域见图 5。结合事故现场来看，喷射火热辐射的影响区域主要为双向车道上过往车辆，因此如果 LNG 罐车泄漏发生喷射火，应迅速对距离泄漏点 48.5 m 范围内的双向车道实施截流管制措施，防止往来人员的生命安全受到威胁。由于事故现场的风速处在变化之中，故模拟不同风速条件下喷射火辐射的伤害距离变化规律，见图 6。通过图 6 可知，当风速处在 1.5 m/s 以下时，风速的改变对喷射火火灾的热辐射伤害区域影响不大；当风速处在 1.52.5 m/s 时，随着风速的不断增大，热辐射伤害区域不断增大，使更多的现场人员处在危险之中；当风速大于 2.5 m/s，热辐射会因风力过大被不断削弱，导致其影响区域会

13、不断被压缩，伤害区域亦逐渐下降。蒸气云爆炸主要危害来自冲击波超压，模拟计算造成玻璃破碎、人员严重损伤、房屋损坏 3 种后果程度的超压8，即 6.89，24.13，55.16 kPa 来划分蒸气云危害距离。当风速为 1 m/s 时，若液化天然气罐车发生蒸汽云爆炸，产生的超压只会导致 32.9 m 范围内的玻璃破碎，具体影响范围见图 7。结合事故现场来看，虽然爆炸所产生的超压不会对周围的人员产生较大危害，但可能导致爆炸范围内的车辆玻璃破损，存在对车内人员二次伤害的风险。因此，当事故现场发生泄漏时建议疏散 32.9 m 范围内的所有车辆及无关人员。由于事故现场的风速处在变化之中，故模拟不同风速条件下

14、蒸气云爆炸超压的危害距离变化规律，见图 8。通过图 8 可知，当风速处在 1.5 m/s 以下时，蒸汽云爆炸超压危害距离不会随着风速的改变而发生明显的变化；当风速处在 1.52.5 m/s 时，风速的增大会导致蒸气云发生一定程度的扩散，发生燃爆后超压危害距离也相应发生变化；特别是，当风速处在 22.5 m/s 时，超压危害距离变化明显。当风速大于 2.5 m/s 时，由于风速过大使蒸气云浓度下降，导致燃爆时超压危害距离缩短。沸腾液体扩展蒸气爆炸的能量来源于 2 个方面：一是液化天然气储罐突然破裂释放的巨大能量，产生爆炸波并将容器破片抛向远方；二是液化天然气剧烈燃烧释放出巨大的热能，产生的巨大火

15、球和强烈的热辐射。BLEVE 虽有爆炸波和爆炸导致的裂片产生，但爆炸火球产生的热辐射是主要的伤害。因此，此处同样以热辐射强度 60 s 内可能导致人员潜在致死(10 kW/m2)、二度烧伤(5 kW/m2)以及皮肤疼痛(2 kW/m2)作为标准，划分热辐射影响区域，具体见图 9。通过 ALOHA 模拟可知，当火球消耗储罐中 35%的 LNG 时，所形成的火球直径为109 m，燃烧持续时间 8 s。BLEVE 所形成的热辐射与风力的大小无关，以泄漏点为圆心，以 BLEVE 所形成的热辐射 10，5，2 kW/m2 作为半径，则危害距离分别为 276，390，609 m。结合事故现场来看，当罐车储

16、罐发生灾难性失效时应当对周围 609 m 范围内的道路、服务站、村庄等地的人员和车辆进行紧急疏散和管制，以避免大规模的人员伤亡和财产损失。a)通过对 81 起 LNG 罐车在道路运输事故进行统计分析，表明车体失衡和追尾是常见的事故类型，占事故总数的 88%。LNG 罐车发生交通事故后通常会出现泄漏事故，从人员因素、车辆因素、环境因素 3 个方面对事故原因进行分析，并针对其中 33 起泄漏事故统计分析发现，驾驶员操作不当和车辆故障是导致LNG 罐车泄漏事故多发主要因素。b)运用 ALOHA 软件对广东省某高速公路上的 LNG 罐车泄漏事故进行喷射火火灾、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸 3 种事

17、故后果进行模拟，确定事故影响范围，并利用 google earth进行危险区域的可视化。同时，为探究风速对危害区域的影响，本文模拟了不同风速条件下发生喷射火火灾、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸时对危害距离的影响程度，结果表明：风速的变化会对喷射火火灾、蒸气云爆炸的危害区域产生影响(当风速处在 1.5 m/s 以下时，风速的变化对事故危害距离影响不大；当风速处在 1.52.5 m/s 时，风速的增大会使事故危害距离逐步增大；当风速大于 2.5 m/s 时，风速的增大将不断压缩事故危害距离)。但风力的大小不会影响到沸腾液体扩展蒸气爆炸所形成的热辐射伤害区域。c)通过实例应用说明，政府部门或消防部

18、门可以把 ALOHA 软件作为确定 LNG 罐车泄漏事故影响区域的重要手段，并作为制定应急救援预案的重要依据，提高预案的科学性和准确性，从而减少不必要的人力成本和时间成本。【相关文献】1 吴锋，王锐.天然气管道泄漏事故后果量化评价分析J.煤气与热力，2012,32(5)：B34-B36.2 沈小燕.道路危险货物运输风险分析及路线优化优化D.西安：长安大学,2009.3 王亚东.道路危险货物运输安全风险耦合机理研究D.湖北：武汉理工大学，2013.4 尹晋.气体类危险货物道路运输风险评价研究D.北京：北京交通大学，2012.5 焦姣，张静.ALOHA 在突发性大气污染事故中的应用J.安全与环境学

19、报，2015,15(3)：151-155.6 相艳景，刘茂.ALOHA 软件模拟分析环氧乙烷储罐泄漏事故J.风险管理，2008,13(9)：49-53.7 王露熹，余劲松.液化天然气槽车泄漏事故风力影响因素模拟分析J.化工生产与技术，2013,20(6)：30-35.8 Dan S,Lee C,Park J,et al.Quantitative risk analysis of fire and explosion on the top side LNG liquefaction process of LNG-FP-SOJ.Process Safety and Environmental Protection,2014(92):430-441.