基于ALOHA的LPG泄漏爆炸事故模擬研究

李利，閆熠輝，江黎麗，任克京，潘太星

（1.沈陽化工大學 環境與安全工程學院，遼寧 沈陽 110142；2.遼寧省檢驗檢測認證中心 遼寧省安全科學研究院，遼寧 沈陽 110004）

液化石油氣（LPG）以其燃燒效率較高、環境污染小的特點，逐步成為工業生產的首選燃料，這也導致了其在世界范圍內加工、儲存和運輸的顯著增長。LPG是具有蒸氣分散特性的低溫流體，一旦發生泄漏極易形成火災、爆炸和中毒等事故，并造成嚴重的人員傷亡、經濟損失和環境污染等一系列社會問題[1-2]。2012年10月6日，湖南懷化常吉高速公路官莊鎮1117段地穆庵隧道口，1輛LPG槽罐車側翻后爆炸，導致5人死亡[3]；2017年6月5日，臨沂市金譽石化有限公司裝卸區1輛LPG槽罐車在作業過程中發生泄漏，導致著火爆炸，造成10人死亡、9人受傷，直接經濟損失4 468萬元[4-5]。

近年來，國內學者利用ALOHA軟件對罐車泄漏爆炸事故進行大量的模擬研究。張貝[6]等通過ALOHA模擬了不同風況下分別裝載甲胺、乙醛和丙酮3種危險介質的運輸罐車泄漏發生火災與中毒事故時，火災熱輻射、蒸氣可燃、毒氣擴散3種事故后果對泄漏源鄰近區域的傷害影響范圍；王露熹[7]等利用ALOHA 軟件，模擬不同風力因素對LPG槽車火災爆炸后果的破壞影響規律；戴俊巖[8]等利用ALOHA 軟件定量模擬出事故危害范圍與危害等級，發現模擬結果與事實相符，并提出相應的措施；黃拴雷[9]等采用ALOHA軟件對LPG儲罐泄漏事故進行數值模擬；朱家鑫[10]針對LPG泄漏事故后果類型，結合危害范圍的模擬方法，借助ALOHA軟件，對LPG儲罐泄漏事故及泄漏可能導致的火災爆炸事故的危害范圍進行了模擬；LYU[11]等利用EFFECTS和ALOHA軟件對油罐碎片分布、LPG池蒸發擴散、LPG氣云擴散和蒸氣云爆炸進行了模擬。本文以溫嶺LPG槽罐車泄漏爆炸事故為研究對象，運用ALOHA軟件不僅模擬了事故后果的影響范圍，而且考慮了泄漏量、風速、地面粗糙度等因素對火災熱輻射范圍、蒸氣云可燃區域擴散范圍的影響，以期為LPG罐車泄漏事故的防范和應急救援工作提供依據。

1 事故分析

1.1 事故概況

2020年6月13日16時41分許，1輛液化石油氣運輸槽罐車在臺州溫嶺市的沈海高速公路溫嶺段溫州方向溫嶺西出口下匝道發生一起重大爆炸事故，造成20人死亡、24人重傷。此次事故一共發生了2次爆炸，第一次爆炸發生在42分58秒，發生在沈海高速公路溫州往寧波方向跨線立交橋，爆炸后火勢向西傳播。8 s后，在高速公路約100 m處的廠房發生了大面積的、劇烈的第二次爆炸，對附近車輛、道路、周邊良山村部分民房和廠房造成不同程度損壞。

1.2 事故原因分析

事故原因是車輛進入彎道路段時未及時采取減速措施導致車輛發生側翻，罐體前封頭與跨線橋混凝土護欄端頭猛烈撞擊，形成破口，在沖擊力和罐內壓力的作用下快速撕裂、解體，然后罐體殘片及半掛車呈不同方向飛出，罐體內液化石油氣迅速泄出、汽化、擴散并蔓延，遇過往機動車產生的火花爆燃，最后發生蒸氣云爆炸。

根據事故現場監控視頻分析，41分19秒液化石油氣從罐車泄漏出來擴散到空氣中，起初液化石油氣濃度很高，隨著向空氣中蔓延，濃度逐漸降低。42分58秒的時候，蒸氣云濃度達到爆炸極限的范圍，在立交橋遇到行駛的車輛產生的火花發生了第一次爆炸，液化石油氣持續燃燒，在立交橋上空出現了火舌現象。液化石油氣的持續燃燒導致環境溫度上升，給未揮發的液化石油氣增加了熱量，加速了液化石油氣的揮發，同時燃燒導致環境中的氣流紊亂，為液化石油氣又提供了大量的氧氣進行燃燒，導致8 s后發生了第二次爆炸。LPG槽罐泄漏事故后果分析見圖1。

圖1 LPG槽罐泄漏事故分析

2 事故后果計算及模擬分析

2.1 事故后果計算

事故罐式半掛車罐體容積為61.9 m3，內徑為2.525 m，設計壓力為1.61/-0.1 MPa，長度為13.23 m，設計溫度為323.15 K，最大充裝量為26 000 kg。

蒸氣云爆炸的TNT當量[12-14]：

式中：WTNT—蒸氣云的TNT當量，kg；

α—地面爆炸修正系數，取 1.8：

A—蒸氣云的TNT 當量系數，取0.04；

Wf—蒸氣云中燃料的總質量，kg；

Qf—燃料的燃燒熱，取46 264 kJ·kg-1；

QTNT—TNT的爆熱，取4 520 kJ·kg-1。

蒸氣云爆炸的死亡半徑R1：

蒸氣云爆炸的重傷半徑R2和輕傷半徑R3：

式中：p0—環境大氣壓力，取101.3 kPa；

?p—沖擊波超壓，重傷沖擊波超壓取44 kPa，輕傷沖擊波超壓取17 kPa；

Z—無量綱距離；

E—爆源總能量，kJ。

財產損失半徑R4：

式中：KII—二級破壞系數，即一般建筑物受到嚴重破壞，取4.6。

經計算得出WTNT=18 689 kg，死亡半徑R1=40 m，重傷半徑R2=102 m，輕傷半徑R3=184 m，財產損失半徑R4=121 m，傷害半徑現場直觀圖見圖2。

圖2 傷害半徑直觀圖

2.2 基于ALOHA的事故模擬

ALOHA為基于Windows和Macintosh操作系統開發的獨立應用程序。其主要目的是向應急管理人員提供與揮發性和可燃化學品瞬時意外釋放危害的空間范圍估計。ALOHA還涉及處理與吸入有毒化學蒸氣、化學火災產生的熱輻射以及蒸氣云爆炸產生的壓力波等危害問題[15]。

2.2.1 模擬情景

事故發生在溫嶺G15高速公路，液化石油氣罐車實際充裝量為25 360 kg，模擬具體參數如表1所示。

表1 模擬具體參數

事故罐車充裝的液化石油氣主要成分為丙烷，假設液化石油氣從儲罐的底部以近似圓形的孔徑泄漏，事發地周圍地區高度工業化，選擇城市粗糙度選項，模擬時所選用的化學品為丙烷。

2.2.2 熱輻射模型

ALOHA使用固體火焰模型來計算火球、噴射火和池火的熱輻射危害。在這3種情況下，計算從火焰表面發射的熱輻射通量，熱輻射計算公式如式（8）所示。

式中：q—入射垂直表面的熱輻射通量，kW·m-2；

E—熱輻射在火球表面的能量通量，kW·m-2；

F—幾何視圖因子；

τ—大氣對熱輻射的透射率。

2.2.3 重氣擴散模型

LPG在常溫常壓下密度是空氣的1.5～2.0倍，屬于重質氣體，其擴散模型為：

式中:c(x,y,z)—任意一點的體積分數，10-6；

cc(x)—中心線地面體積分數，10-6；

Sy(x)—橫向擴散參數，m；

Sz—縱向擴散參數，m；

|y|—側風向距離；

b—均質核心部分的半寬度，m。

2.3 事故后果模擬分析

2.3.1 熱輻射危害影響范圍

與BLEVE相關的池火災、噴射火和火球因其燃燒時間長，從而形成持續的熱輻射源，并在遠離火焰鋒面的地方造成傷害，其對人體的影響取決于輻射時間和強度。ALOHA將火災熱輻射劃分為3個區域：10 kW·m-2為死亡閾值，5 kW·m-2可導致無保護皮膚的二級燒傷，2 kW·m-2會引起疼痛。圖3為模擬條件下該LPG泄漏形成蒸氣云爆炸事故的熱輻射危害范圍。此次事故中，60 s內可能致死的最大半徑為357 m；60 s內二級燒傷的最大半徑為503 m；60 s內引起疼痛的最大半徑為783 m。

圖3 火災熱輻射危害影響范圍

2.3.2 蒸氣云泄漏后易燃區

ALOHA中模擬的易燃區域分析旨在解決與火災或由易燃化學氣體和空氣混合物組成的蒸氣云爆炸相關的危險。易燃區域是指火源可能導致閃燃或蒸氣云爆炸的區域以及可能發生火災的區域。雖然蒸氣云爆炸可以在易燃區域之外產生破壞性沖擊波，但閃燃的火災危險通常不會形成破壞性沖擊波。ALOHA默認將60%LEL和10%LEL作為蒸氣云易燃區域的劃分標準。圖4為模擬條件下該LPG罐車形成蒸氣云泄漏事故的易燃區。

圖4 易燃區影響范圍

ALOHA 模擬了事故條件下的危險區域，由圖4可知，當LPG濃度為60% LEL時，其爆炸半徑為278 m，側風向影響距離為260 m，為預測的易燃區域，泄漏后如果該區域存在有效點火源，則會導致LPG 燃燒或爆炸事故的發生。因此，在該區域內應排除一切可能的明火、摩擦撞擊火花、高溫熱表面以及靜電火花等點火源，避免其成為有效點火源。此次事故發生區域地形較復雜，各類點火源難以控制，人員、車輛頻繁進出，都有可能導致有效點火源的形成，因此對這一區域要加強安全管理。

黃色區域為LPG 濃度為10% LEL 的危險區域，其下風向影響距離為759 m，側風向影響距離為430 m，該濃度值通常應用為應急救援的響應濃度，其對應的影響半徑作為應急處置的警戒范圍。

2.3.3 毒氣擴散影響范圍

ALOHA采用關注水平（LOC）來解決有毒空氣羽流、火災和爆炸對人類的影響。對于吸入危害，ALOHA的LOC是與不利于健康相關的空氣傳播化學品濃度有關。本文以暴露時間為60 min的AEGLs（急性暴露指南水平）為標準。運用ALOHA軟件模擬出的事故毒氣擴散影響范圍見圖5。

圖5 毒氣擴散影響范圍

其中，有毒蒸氣云擴散后體積分數大于3.3%（暴露時間60 min情況下AEGL3級）的下風向最大距離為158 m，擴散范圍為紅色區域；體積分數大于1.7%（暴露時間60 min情況下AEGL2級）的下風向最大距離為234 m，擴散范圍為橙色區域；體積分數大于0.55%（暴露時間60 min情況下AEGL1級）的下風向最大距離為445 m，擴散范圍為黃色區域。由圖4、圖5可知，在事故首次爆炸點的LPG毒性的死亡傷害區域，仍為爆炸濃度的最大傷害范圍，若不發生爆炸，體積分數將超過3.3%，也進一步證實了事故二次爆炸發生的必然。

2.4 泄漏量對火災熱輻射范圍、火球直徑及蒸氣云擴散可燃區域的影響分析

以事故模擬參數為基礎，研究泄漏量的變化對LPG槽罐泄漏爆炸事故的后果影響，如圖6所示。

圖6 泄漏量變化對熱輻射危害范圍和火球直徑的影響

由圖6可以看出，隨著液化石油氣罐車的泄漏量的增大，熱輻射3個等級的危害區域和火球直徑都在顯著增加，但其增長程度略有下降。

液化石油氣罐車發生泄漏爆炸時，泄漏量與熱輻射危害范圍、火球直徑有關，如圖7所示。

分析圖7發現，蒸氣云擴散濃度（>60%LEL）下風向最大距離隨著泄漏量的增大，呈現出先增加后不變的趨勢，距離不變時所對應的泄漏量約為10 t；蒸氣云擴散濃度（>10%LEL）下風向最大距離隨著泄漏量的增大，呈現出增加的趨勢，但在泄漏量為10 t以后，其距離增加程度明顯減小。因此，液化石油氣罐車發生泄漏時，存在一個臨界泄漏量，小于臨界泄漏量時，泄漏量與蒸氣云擴散下風向最大距離有關；大于臨界泄漏量時，泄漏量與蒸氣云擴散下風向最大距離無關。

2.5 風速對火災熱輻射范圍、火球直徑及蒸氣云擴散可燃區域的影響分析

以事故模擬參數為基礎，選取了1級風到6級風的代表風速研究了風速大小對液化石油氣槽罐發生泄漏爆炸事故后果變化的影響，如圖8、圖9所示。

圖8 風速大小變化對熱輻射危害范圍和火球直徑的影響

圖9 風速改變對于蒸氣云擴散可燃區域的影響

由圖8可知，隨著風速的增大，熱輻3個等級的危害區域和火球直徑都保持不變。因此，液化石油氣罐車發生泄漏時，風速大小與熱輻射危害范圍、火球直徑無關。

由圖9可知，蒸氣云擴散濃度下風向最大距離隨著風速的增大，呈現出減小的趨勢。因此，液化石油氣罐車發生泄漏時，風速大小與蒸氣云擴散下風向最大距離有關。

2.6 相對濕度對火災熱輻射范圍、火球直徑及蒸氣云擴散可燃區域的影響分析

以事故模擬參數為基礎，選取了5個典型的相對濕度和事故當天的相對濕度研究了不同相對濕度下液化石油氣槽罐發生泄漏爆炸事故的后果變化，如圖10所示。

圖10 相對濕度大小變化對熱輻射危害范圍和火球直徑的影響

由圖10可以看出，隨著相對濕度的增大，熱輻射3個等級的危害區域和火球直徑都在減小，但其減小程度略有下降。因此，液化石油氣罐車發生泄漏爆炸時，相對濕度與熱輻射危害范圍、火球直徑有關。

圖11為相對濕度大小改變對于蒸氣云擴散可燃區域變化的對應關系。蒸氣云擴散濃度下風向最大距離隨著相對濕度的增大，呈現出不變的趨勢。因此，液化石油氣罐車發生泄漏時，相對濕度大小與蒸氣云擴散下風向最大距離無關。

圖11 相對濕度改變對于蒸氣云擴散可燃區域的影響

2.7 地面粗糙度對火災熱輻射范圍、火球直徑及蒸氣云擴散可燃區域的影響分析

以事故模擬參數為基礎，選取了6個典型的地面粗糙度數值研究了不同地面粗糙度下液化石油氣槽罐發生泄漏爆炸事故的后果變化，如圖12、圖13所示。

圖12 地面粗糙度的變化對熱輻射危害范圍和火球直徑的影響

圖13 地面粗糙度改變對于蒸氣云擴散可燃區域的影響

由圖12可以看出，隨著地面粗糙度的增大，熱輻射3個等級的危害區域和火球直徑都保持不變。因此，液化石油氣罐車發生泄漏爆炸時，地面粗糙度大小與熱輻射危害范圍、火球直徑無關。

由圖13可知，蒸氣云擴散濃度下風向最大距離隨著地面粗糙度的增大，呈現出減小的趨勢。因此，液化石油氣罐車發生泄漏時，地面粗糙度大小與蒸氣云擴散下風向最大距離有關。

3 結 論

1）本文利用TNT當量法計算得到此次事故蒸氣云爆炸沖擊波超壓造成的事故死亡半徑為40 m，重傷半徑為102 m，輕傷半徑為184 m，財產損失半徑為121 m，與現場事故傷害范圍相符。

2）采用了ALOHA軟件對溫嶺LPG槽罐車爆炸事故進行了模擬，可以得出此次事故的60 s內火災熱輻射的可能致死、二級燒傷、造成疼痛的危害范圍分別是357、503、783 m；事故蒸氣云擴散可燃區域濃度超過60%LEL和10%LEL的最大下風向距離分別是278、759 m；事故毒氣擴散體積分數大于3.3%的下風向最大距離為158 m，體積分數大于1.7%的下風向最大距離為234 m，體積分數大于0.55%的下風向最大距離為445 m。

3）液化石油氣罐車發生泄漏爆炸時，泄漏量與熱輻射危害范圍、火球直徑有關，環境相對濕度與熱輻射危害范圍有關，風速、地面粗糙度與熱輻射危害范圍、火球直徑無關。泄漏量越大，熱輻射危害范圍越大，火球直徑越大；環境相對濕度越大，熱輻射危害范圍越小。

4）蒸氣云泄漏擴散時，存在一個臨界泄漏量，小于臨界量時，與蒸氣云擴散下風向最大距離有關且呈線性正相關；大于臨界量時，與蒸氣云擴散下風向最大距離無關。風速、地面粗糙度大小與蒸氣云擴散下風向最大距離有關，風速越大，地面粗糙度越小，蒸氣云擴散下風向最大距離越??；環境濕度大小與蒸氣云擴散下風向最大距離無關。