危险化学品固有危险程度的定量分析.docx
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危险化学品固有危险程度的定量分析
危险化学品固有危险程度的定量分析
制作：
澄净的天空
江苏.丹阳【2012.5.18】
录于《生产经营单位安全生产事故应急预案》
危险化学品固有危险程度的定量分析...................................1
目
录..........................................................1
危险化学品固有危险程度的定量分析：
..............................1
1、蒸汽云爆炸的伤害.........................................................1
2、爆炸与火灾的破坏作用.....................................................2
1）.直接的破坏作用...........................................................2
2）.冲击波的破坏作用.........................................................2
3）.造成火灾.................................................................2
4）.造成中毒和环境污染.......................................................3
3、蒸气云爆炸事故计算.......................................................3
3.2爆源的WTNT当量计算........................................................4
3.3蒸气云爆炸总能量.........................................................4
3.4地面蒸气云爆炸相当于TNT当量............................................4
3.5爆炸后的死亡半径为R1....................................................5
3.6爆炸后的重伤半径为R2.....................................................5
3.7爆炸后的轻伤半径为R3.....................................................5
3.8财产损失半径R财.........................................................6
3.9地面蒸气云爆炸事故后果汇总............................................6表
4、池火灾的伤害模型计算.....................................................7
4.1二甲苯泄漏量.............................................................7
4.2燃烧速度：
...............................................................7
4.3火焰高度.................................................................7
4.4热辐射通量...............................................................8
4.5目标入射热辐射强度.......................................................8
4.6火灾损失.................................................................8
4.7按不同距离、不同入射通量造成的伤害及损失情况..........................9表
4.8甲类库泄漏燃烧和爆炸后果分.............................................9析
危险化学品固有危险程度的定量分析：
1、蒸汽云爆炸的伤害
蒸汽云爆炸是指易燃易爆气体由于以“预混云”形式扩散的蒸汽云遇到点火后，在某一有限空间发生爆炸而导致的。
泄漏的易燃液体如果有低沸点组分就会与空气充分混合，在一定的范围聚集起来，形成预混蒸汽云。
如果在稍后的某一时刻遇火点燃，由于气液两相物质已经与空气充分混合均匀，一经点燃
其过程极为剧烈，火焰前沿速度可达50～100m／s，形成爆燃。
对预混蒸汽云覆盖范围内的建筑物及设施产生冲击波破坏，危及人们的生命安全。
发生蒸汽云爆炸现象最起码应具备以下几个条件：
①周围环境如树木、房屋及其它建筑物等形成具有一定限制性空间；②延缓了点火的过程；
3充分预混了的气液两相物质与空气的混合物；
4一定量的易燃液体泄漏。
控制住发生蒸汽云爆炸应具备的条件也是我们防止事故发生的最有效的方法。
2、爆炸与火灾的破坏作用
火灾与爆炸都会带来生产设施的重大破坏和人员伤亡，但两者的发展过程显著不同。
火灾是在起火后火场逐渐蔓延扩大，随着时间的延续，损失数量迅速增长，损失大约与时间的平方成比例，如火灾时间延长一倍，损失可能增加四倍。
爆炸则是猝不及防的。
可能仅在一秒钟内爆炸过程已经结束，设备损坏、厂房倒塌、人员伤亡等巨大损失也将在瞬间发生。
爆炸通常伴随发热、发光、压力上升、真空和电离等现象，具有很大的破坏作用。
它与爆炸物的数量和性质、爆炸时的条件、以及爆炸位置等因素有关，作为应急救援必须熟悉以下几种主要破坏形式：
1）.直接的破坏作用
机械设备、装置、容器等爆炸后产生许多碎片，飞出后会在相当大的范围内造成危害。
一般碎片在100～500米内飞散。
2）.冲击波的破坏作用
物质爆炸时，产生的高温高压气体以极高的速度膨胀，象活塞一样挤压周围空气，把爆炸反应释放出的部分能量传递给压缩的空气层，空气受冲击而发生扰动，使其压力、密度等产生突变，这种扰动在空气中传播就称为冲击波。
冲击波的传播速度极快，在传播过程中，可以对周围环境中的机械设备和建筑物产生破坏作用和使人员伤亡。
冲击波还可以在它的作用区域内产生震荡作用，使物体因震荡而松散，甚至破坏。
冲击波的破坏作用主要是由其波阵面上的超压引起的。
在爆炸中心附近，空气冲击波波阵面上的超压可达几个甚至十几个大气压，在这样高的超压作用下，建筑物被摧毁，机械设备、管道等也会受到严重破坏。
当冲击波大面积作用于建筑物时，波阵面超压在20kPa～30kPa内，就足以使大部分砖木结构建筑物受到强烈破坏。
超压在100kPa以上时，除坚固的钢筋混凝土建筑外，其余部分将全部破坏。
3）.造成火灾
爆炸发生后，爆炸气体产物的扩散只发生在极其短促的瞬间内，对一般可
3
3
燃物来说，不足以造成起火燃烧，而且冲击波造成的爆炸风还有灭火作用。
但是爆炸时产生的高温高压，建筑物内遗留大量的热或残余火苗，会把从破坏的设备和容器内部不断流出的可燃气体、易燃或可燃液体的蒸气点燃，也可能把其它易燃物点燃引起火灾。
当盛装易燃物的容器发生爆炸时，爆炸抛出的易燃物有可能引起大面积火灾，这种情况如果对正在运行的燃烧设备或高温的化工设备的破坏，其灼热的碎片可能飞出，点燃附近储存的燃料或其它可燃物，引起火灾。
4）.造成中毒和环境污染
在实际生产中，许多物质不仅是可燃的，而且是有毒的，发生爆炸事故时，会使大量有害物质外泄，造成人员中毒和环境污染。
3、蒸气云爆炸事故计算
3.1蒸汽云爆炸的伤害模型设定。
工厂内如以甲类库集中存放易燃液体,如二甲苯、甲苯、乙酸丁酯、乙酸乙酯等，全部采用200L钢桶包装。
不同于与容易形成蒸气云爆炸事故的沸点远小于环境温度的液化石油气，也不同于槽罐包装，大量泄漏形成一定厚度的液池，若受到防火堤、隔堤的阻挡，液体将在限定区域（相当于围堰）内得以积聚，形成一定范围的液池,在液池上空形成有实际爆炸贡献的蒸汽云；这时，若遇到火源及特定条件，液池可能被点燃，发生蒸气云爆炸和地面池火灾事故，以至造成整个槽罐中易燃液体燃烧和爆炸，形成破坏性很大的事故。
本案例选一危险化学品仓库，有50-80只200L钢桶包装的易燃液体，可能造成的危害情况如以下分析：
设:
仓库中有一桶二甲苯在短时间全部泄漏在甲类库的限制空间内，每桶最大重量175kg，产生饱和气体约37m,排除产生长时间向外散发造成的减量，如果该仓库全容积450m,仓库里有实际贡献的饱和气体如果在4.5-31.5m的范围，与空气充分混合均匀，遇到点火源可能造成爆炸或者燃烧；第一次爆炸还可能造成第二次多个包装桶的破损而引起殉爆，造成更大范围的燃烧和爆炸。
此后可能产生多次这样大小不等程度的燃烧和爆炸现象。
根据实际情况，极不可能一次性全部形成爆炸物。
如果选择第一次，第二次，第三次爆炸时二甲苯的量分别是175kg（1桶），875kg（5桶）、1500kg（10桶）。
根据危险化学品固有危险程度的定量分析如下：
通常以TNT当量法来预测蒸气云爆炸的严重程度。
可将化学品的当量相当于梯恩梯（TNT）的当量计算。
本项目集中存放在库中的易燃易爆液体品种有甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、环己酮、二甲苯。
最大储量可达13.4t。
平均按二甲苯的燃烧値计算（为便于计算，一般根据最大可能危险原则计算，以上全部物品的平均燃烧値低于二甲苯的燃烧値，），二甲苯的燃烧値取4563.3Kj/mol=43.05×10Kj/kg,梯恩梯（TNT）的爆炸热取4520Kj/kg。
3.2爆源的WTNT当量计算
WTNT
当量计算公式：
3
3
3
3
5
3
6
3
6
WTNT=WfQf／QTNT
式中：
WTNT——易燃液体的TNT当量（kgTNT）；
Wf——易燃液体的质量（kg）；
Qf——易燃液体的燃烧热（Kj／kg）；
QTNT——TNT的爆热，取4520Kj／kg；
二甲苯的梯恩梯（WTNT）的当量计算。
WTNT=WfQf/QTNT
1）WTNT第一次=175kg×43.05×10Kj/kg/4520Kj/kg=1667kgTNT1）WTNT第二次=875kg×43.05×10Kj/kg/4520Kj/kg=8334kgTNT1）WTNT第三次=1750kg×43.05×10Kj/kg/4520Kj/kg=16668kgTNT
3.3蒸气云爆炸总能量
地面蒸气云爆炸总能量由下式计算：
E=1.8aWfQf
式中：
1.8－地面爆炸系数；
a－可燃气体蒸气云的当量系数，取0.04；
Wf－蒸汽云中对爆炸冲击波有实际贡献的二甲苯的质量（kg）；
Qf－二甲苯的烧热（kj/kg）。
1）E第一次=1.8aWfQf=1.8×0.04×175kg×43.05×10Kj/kg=5.4243×10Kj
2）E第二次=1.8aWfQf=1.8×0.04×875kg×43.05×10Kj/kg=2.71215×10Kj
3）E第三次=1.8aWfQf=1.8×0.04×1750kg×43.05×10Kj/kg=5.4243×10Kj
3.4
地面蒸气云爆炸相当于TNT当量
地面蒸气云TNT当量由下式计算：
WTNT=1.8aWTNT
式中：
1.8－地面爆炸系数；
a－可燃气体蒸气云的当量系数，取0.04；WTNT——易燃液体的TNT当量（kgTNT）；1）WTNT第一次=1.8×0.04×1667kgTNT=120kg2）WTNT第二次=1.8×0.04×8334kgTNT=600kg3）WTNT第三次=1.8×0.04×16668kgTNT=1200kg
.37
）
1/3
3.5
爆炸后的死亡半径为R
1
又称自由蒸汽云爆炸时的死亡半径。
根据易燃液体的TNT当量，并且考虑参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献的蒸汽云的量，结合甲类库区及周边布置情况分析，采取地面爆炸系数1.8，蒸汽云的TNT当量系数0.04，运用范登伯（VandenBerg）和兰诺伊（Lannoy）方程计算蒸汽云爆炸时伤亡半径为：
R1=13.6×（1.8×0.04×WTNT／1000）=13.6（WTNT/1000）
0.37
1）R1第一次=13.6（WTNT/1000）=13.6（120/1000）=6.21m
2）
R1第二次=13.6（WTNT/1000）=13.6（600/1000）=11.26m3）R1第三次=13.6（WTNT/1000）=13.6（1200/1000）=14.55m该地区的人员将无例外受重伤或死亡，其内径为零，外径为R1。
3.6爆炸后的重伤半径为R
2
重伤半径根据以下公式计算：
P
S
=0.137Z+0.119Z+0.269Z-0.019
Z
重伤
=R
2
/（E/P
0
1/3
其中：
P
0
=101300pa（为环境压力）
ΔP=44000pa（引起人员重伤伤害的冲击波峰值）
△P
S
=44000/P0=0.434353406
E：
爆炸总能量（J）
1）E第一次=5.4243×10Kj×10=5.4243×10j2）E第二次=2.71215×10Kj×10=2.71215×10j3）E第三次=5.4243×10Kj×10=5.4243×10j将E带入上式得：
Z
重伤
=1.089
1）R2
2）R2
3）R2
第一次=Z
第二次=Z
第三次=Z
重伤（E/P0）=1.089（5.4243×10j/101300）=19.05m重伤（E/P0）=1.089（2.71215×10j/101300）=32.58m重伤（E/P0）=1.089（5.4243×10j/101300）=41.05m
该地区的人员如缺少保护，大多数人将受重伤，极少数人可能死亡和轻伤，
其内径为R
1
，外径为R
2
。
3.7爆炸后的轻伤半径为R
3
轻伤半径根据以下公式计算：
△PS=0.137Z+0.119Z+0.269Z-0.019Z轻伤=R3/（E/P0）
其中：
P0=101300pa（为环境压力）
ΔP=17000pa（引起人员轻伤伤害的冲击波峰值）
△PS=17000/P0=0.167818361
E:
爆炸总能量（J）同上
将E带入上式得：
Z轻伤=1.95
1）
R3第一次=Z轻伤（E/P0）=1.95（5.4243×10j/101300）=34.12m
2）
R3第二次=Z轻伤（E/P0）=1.95（2.71215×10j/101300）=58.34m
3）
R3第三次=Z轻伤（E/P0）=1.95（5.4243×10j/101300）=73.50m
该地区的人员如缺少保护，大多数人将受轻微伤，少数人可能重伤或平安无事，其内径为R2,外径为R3。
安全区内的人员不会受到伤害，该区的内径为R
3
3.8财产损失半径R财
R财=KWTNT/﹝1＋（3175/WTNT）﹝
式中：
K为二级破坏系数：
取K=5.6
1）R财第一次=5.6×120/﹝1＋（3175/120）﹝=9.26m2）R财第二次=5.6×600/﹝1＋（3175/600）﹝=26.95m3）R财第三次=5.6×1200/﹝1＋（3175/1200）﹝=42.08m
3.9地面蒸气云爆炸事故后果汇总表
表8
单元
蒸气云
TNT当量
（kg）
死亡半径（m）
重伤半径（m）
轻伤半径
（m）
财产损失
半径
（m）
第一次爆炸
120
6.21
19.05
34.12
9.26
第二次爆炸
600
11.26
32.58
58.34
26.95
第三次爆炸
1200
14.55
41.05
73.50
42.08
以上是计算模拟地面蒸汽云爆炸的伤害模型,与实际会有误差，理论上提供了安全保护的参考数据，实际也有可能发生。
库中的危险化学品不可能全部爆炸，两次爆炸后会大范围燃烧，中心区缺氧，产生第三次大爆炸的可能性很小，大部分会燃烧掉，或者在事故抢救中被拉出事故现场。
地面蒸气云爆炸事故后果只是一种模型设计，死亡、重伤和轻伤的安全保护半径提供预防的参考范围，做到防患于未然。
厂区内的职工如果发现库中有燃烧爆炸的异常情况，又不能立即采取有效的措施控制库中可能发生的异常，可以参照地面蒸气云爆炸事故后果汇总表中的第二次爆炸数据撤离现场。
参加应急救援的人员在不可能控制灾情的情况下，根据事故可能发生的程度，参照地面蒸气云爆炸事故后果汇总表中的数据撤离
2
2
2
1/20.61
3
2
2
1/20.61
现场；寻求更进一步的应急救援的方案。
4、池火灾的伤害模型计算
4.1二甲苯泄漏量
设定甲类仓库的易燃液体经过几次局部爆炸，库中包装几乎损坏，若有10吨易燃液体参与燃烧。
根据最大可能危险原则计算，以上全部物品的平均燃烧値低于二甲苯的燃烧値，故燃烧物以二甲苯的参数设定。
4.2燃烧速度：
当液池中的可燃液体的沸点高于周围环境温度时，液体表面上单位面积的燃烧速度dm/dt为：
dm/dt=0.001Hc/[CP（Tb－T0）＋H]
式中:
dm/dt～单位表面积的燃烧速度，kg/m.s
Hc～液体燃烧热，J/kg。
二甲苯Hc=43050000J/kg。
CP～液体的定压比热容，J/kg.K。
二甲苯CP=1220J/kg.K。
Tb～液体的沸点，K。
二甲苯Tb=413.62K。
T0～环境温度，环境温度为25℃，K。
=298K。
H～液体的气化热，J/kg。
二甲苯H=343490.6J/kg。
（25℃）
计算：
dm/dt=0.001×43050000/﹝1220（413.62－298）＋343490.6﹞
=0.08885kg/m.s
4.3火焰高度
甲类仓库面积为112m，模拟液池为园池，半径为5.97m，其火焰高度可按下式计算：
h=84r﹛（dm/dt）/﹝ρ0（2gr）﹞﹜
式中:
h～火焰高度，m；
r～液池半径，m；取r=5.97m
ρ0～周围空气密度，kg/m；取ρ0=1.185kg/m3（25℃）
g～重力加速度，9.8m/s；
dm/dt～单位表面积的燃烧速度，己知0.08885kg/m.s
计算：
h=84×5.97×{0.08885/[1.185×（2×9.8×5.97）]}=24.16m
2
2
2
2
22
4.4热辐射通量
当液池燃烧时放出的总热辐射通量为：
Q=（兀r＋2兀rh）•（dm/dt）•η•Hc/﹝72（dm/dt）＋1﹞
式中:
Q～总热辐射通量，W；
η～效率因子，可取0.13～0.35。
取0.15。
（限制空间燃烧）
其余符号意义同前。
Q=（3.1416×5.97＋2×3.1416×5.97×24.16）×0.08885×0.15×43050000÷
（72×0.08885＋1）
=33491002.29（W）
dm/dt～单位表面积的燃烧速度，kg/m.s
S—液池面积：
S=112m；
W—泄漏二甲苯质量：
10000kg
火灾持续时间：
T=W/S.dm/dt=1005秒=16.75分钟
4.5目标入射热辐射强度
假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离池中心某一距离（X）处的入射热辐射强度为：
I=Qtc/（4兀X）
式中:
I～热辐射强度，W/m；
Q～总热辐射通量，W；
tc～热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为1；
X～目标点到液池中心距离，m；
例如：
距离液池中心20m处的入射热辐射强度为：
I=Qtc/（4兀X）=33491002.29/（4×3.1416×20）=6662.8W/m4.6火灾损失
2
火灾通过辐射热的方式可影响周围环境。
当火灾产生的热辐射强度足够大时，可使周围的物体燃烧或变形，强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡。
火灾损失估算建立在辐射通量与损失等级的相应关系的基础上。
有资料提供不同入射通量造成伤害或损失的情况，结合本篇所要分析的对象，当目标接受的入射通量为某一定值时，目标与液池中心的距离可用下式计算：
X=（Qtc/4兀I）
0.5
式中符号意义与以上相同。
按该式计算：
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
当I=37500，X=（33491002.29/4×3.1416×37500）=8.43m当I=25000，X=（33491002.29/4×3.14×25000）=10.32m当I=12500，X=（33491002.29/4×3.14×12500）=14.60当I=4000，X=（33491002.29/4×3.14×4000）=25.81m当I=1600，X=（33491002.29/4×3.14×1600）=40.81m
4.7按不同距离、不同入射通量造成的伤害及损失情况表
表9
目标至池火中心的水平距离
（m）
入射通量
（W/m2）
对设备的损害
对人的伤害
8.43
37500
操作设备全部损坏
1%死亡/10s
100%死亡/1min
10.32
25000
在无火焰、长时间辐射
下，木材燃烧的最小能
量
重大烧伤/10s100%死亡./1min
14.60
12500
有火焰时，木材燃烧，塑料熔化的最低能量
1度烧伤/10s1%死亡/1min
25.81
4000
20s以上感觉疼
痛，未必起泡
40.81
1600
长期辐射无不舒服感
4.8甲类库泄漏燃烧和爆炸后果分析
采用蒸气云爆炸（VCE）伤害模型计算甲类库泄漏燃烧和爆炸的伤害/破坏半径，在伤害/破坏半径所包围的封闭面积内人员多少、财产价值多少将影响事故严重度大小。
所以，甲类仓库的设置要宜远离人群和生产场所。
死亡区内的人员如缺少防护，则被认为无例外地蒙受严重伤亡或死亡，其内径为零，外径为R1；重伤区内的人员如缺少防护，则被认为无例外地蒙受严重伤害，极少数人员可能死亡或受轻伤。
其内径为R1，外径为R2
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