管义锋1，史腾飞1，朱培培2，姚┄潇1
（1. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003；2.上海外高桥造船有限公司，上海200137）
摘要
采用TNT当量法，对京杭运河江苏段岸基式LNG加气站在加注过程中被加注气罐泄漏进行了研究，通过对蒸气云爆炸人员伤害的分区及选取爆炸冲击波对房屋破坏的等级，预测了发生蒸气云爆炸的危害范围，运用MATLAB软件并结合对LNG加注过程气罐泄漏蒸气云爆炸实例分析，得出一些有益结论，对京杭运河江苏段岸基式LNG加气站的建设具有一定的参考意义。
关键词：LNG岸基加气；气罐泄漏；爆炸；风险分析
中图分类号：U674.925
文献标志码：A 【DO1】10,137885.cnki.cbge.2016,01.031
0 引言
我国内河及长江航运普遍存在污染严重、船舶机型复杂、技术装备陈旧老化、能耗高等问题，发展LNG燃料动力船舶对于我国内河航运的节能减排具有十分重要的意义。2011年1月国务院《关于加快长江等内河水运发展的意见》提出，利用10年左右的时间，建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系[1]。正是在这些大背景下，许多内河船用燃料油改用天然气。由于京杭运河河道宽度有限，船舶航行密集度高，岸线较整齐，水位变化不大，因此国内首座岸基式LNG加气站已经落户京杭运河江苏段（淮安市），相信随着内河船舶大量改为天然气燃料船舶，京杭运河将在合适位置陆续建造新的岸基式LNG加气站。图1为加注站实景图。
双燃料动力船舶大大减少了对环境的污染，符合国家提倡绿色环保节能的要求并且具有明显的成本优势。然而双燃料动力船舶在加注过程中可能存在燃气泄漏、火灾爆炸等方面的风险，本文主要针对岸基式LNG加气站在LNG储气罐加注过程中发生泄漏展开相关研究。
在LNG加注过程中，LNG气罐可能发生泄漏事故，相关事故如表1所示[2]。从表1可以看出，气罐充装过程中，气罐可能发生泄漏事故。这种情况下会在罐区形成天然气蒸气云，若达到爆炸极限范围，由于其最小点火能为0.28MJ，在大于此能量的点火源（如明火、静电火花、烟头、电火花等）存在的条件下就会发生爆燃、轰燃，即蒸气云爆炸。由于爆炸冲击波的存在，蒸气云爆炸将给周围环境、人员带来巨大的伤害，其后果可以采用TNT当量法和超压准则来预测[2]。
1 气罐泄漏发生蒸气云爆炸后果分析
1.1 TNT当量法
用释放相同能量的TNT炸药的质量表示爆炸释放能量的一种习惯计量，又写成TNT当量。
以TNT当量表示蒸气云爆炸的实际威力：
式中：
WTNT为天然气蒸气云的TNT当量，kg；
α为地面爆炸系数，取1.8；
A为天然气蒸气云的TNT当量系数，一般为0.02%~14.9%，在50%的蒸气云爆炸事故中，A≤3%；在60%的蒸气云爆炸事故中，A≤4%；在97%的蒸气云爆炸事故中，A≤10%，平均值为4%；
Wf为天然气蒸气云的总质量，kg；
Qf为天然气的高热值，kJ/kg,取55000kJ/kg；
QTNT为TNT的爆热,4.12 MJ/kg~4.69 MJ/kg, 取4520kJ/kg。
1.2 蒸气云爆炸的人员伤害分区
为了估计爆炸所造成的人员伤亡情况，一种简单但较为合理的预测程序是将危险源周围划分为死亡区、重伤区、轻伤区和安全区。
死亡区内的人员如缺少防护，则被认为将无例外地蒙受重伤或死亡，其内径为0，外径为死亡半径R1，表示外圆周处人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5，它与爆炸量之间的关系为：
重伤区的人员如缺少防护，则绝大多数将遭受严重伤害，极少数人可能死亡或受伤。其内径就是死亡半径R1，外径记为重伤半径R2，代表该处人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为0.5，它要求的冲击波峰值超压为44kPa。
轻伤区的人员如缺少防护，则绝大多数将遭受轻微伤害，少数人将受重伤或者平安无事。轻伤区的内径为重伤半径R2，外径为R3，表示外边界处耳膜因冲击波作用破裂的概率为0.01，它要求的冲击波峰值超压为17kPa.
此时，伤害半径由下列方程式求解[3]：
式中：
∆p为爆炸冲击波超压，kPa；
R为伤害半径，m,∆p=44kPa时，R为重伤半径，∆p=17kPa时，R为轻伤半径；
Z为无量纲距离；
Po为大气压，Po=101325Pa；
E为爆源总能量，MJ；
WTNT为天然气蒸气云的TNT当量，Kg；QTNT为TNT的爆热，MJ/kg。
安全区内人员即便没有防护，绝大部分也不会受伤，安全区的内径为轻伤区的外径R3，外径无穷大。
1.3 爆炸冲击波对房屋的破坏
爆炸能不同程度地破坏周围的房屋和建筑设施，为了得到爆炸波与房屋破坏之间的关系，确定炸药库房与周围房屋之间的安全距离，英国炸药储存与运输委员会对100次爆炸事故进行了系统地调查研究。被调查的爆炸事故涉及到的炸药有TNT、硝化甘油、硝化棉和铝末混合炸药，药量从136.1kg到2.4×106kg。1968年，Jarretu对英国炸药储存与运输委员会所做的
这些工作进行了归纳和总结，提出了英式砖石结构房
屋破坏程度与药量、距离间的如下关系式[4]：
其中：
r为爆炸波作用下的房屋破坏半径，m；
K为常量，与房屋破坏程度有关。
Jarrett[5]将房屋的破坏程度分为A、B、Cb、Ca和D五级，其中，A级破坏最严重，D级破坏最轻微，对K的取值分别为3.8、4.6、9.6、28和56，如表2所示。
利用式（7）计算出的破坏距离应作如下理解：破坏距离以内的房屋全部遭受相应程度的破坏，而破坏距离以外的房屋无一遭受相应程度的破坏。或者说，
距离以外的房屋无一遭受相应程度的破坏。或者说，破坏距离以内没有遭受相应程度破坏的房屋正好被破坏距离以外遭受相应程度破坏的房屋抵消。
本文采用房屋破坏等级为Cb时的房屋破坏距离作为标准房屋破坏半径。
2 LNG加注过程气罐泄漏蒸气云爆炸实例分析
经调研，我国内河LNG动力船舶多为小型船舶，储罐容积有3m3、5m3、8m3不等，就目前国内LNG双燃料动力船舶而言，多采用5m3的储罐[6]，取其充装系数为0.9，泄漏前气罐内液化天然气的密度为437.7kg/m3，极端情况下，若气罐内的液化天然气全部泄漏并发生蒸气云爆炸，天然气泄漏的总质量为：
根据式（1）~式（8），通过Excel表格计算得到如表3、表4所示的计算结果。通过Matlab程序得到冲击波超压与人员伤害距离的关系曲线如图2所示。
从上述结果可以看出，柴油—LNG双燃料动力船舶加注过程中若5m3气罐发生完全泄漏并造成蒸气云爆炸事故，带来的危害及损失将是巨大的。人员伤亡方面，距离爆炸点16.64m范围以内的人员如缺少防护将无例外地蒙受重伤或死亡，距离爆炸点16.64m~46.34m范围内的人员如缺少防护绝大多数将遭受严重伤害，距离爆炸点46.34m~83.26m范围内的人员如缺少防护，绝大多数将遭受轻微伤害。房屋破坏方面，该气罐蒸气云爆炸对房屋产生的影响范围较大，在距离爆炸点90m范围内的区域将产生Cb级及以上破坏，即屋顶部分或完全坍塌，或1~2个外墙部分被摧毁，或承重墙严重破坏，需要修复。在实际发生的爆炸事故中，房屋倒塌是人员伤亡的一个重要原因，但室内人员因房屋倒塌死亡的概率与房屋的倒塌程度和房屋倒塌的突然程度有密切关系，因为如果房屋倒塌之前有警告，人们就可以根据危险的严重性和紧迫性采取不同的应对措施，如跑到室外，或呆在室内比较安全的地方，从而降低伤亡的概率。
上述估算是在假定储罐完全泄漏的情况下进行的，在实际操作中，储罐发生完全泄漏的概率较小。对于该储罐，若发生部分泄漏，泄漏后的人员伤害半径和Cb级房屋破坏半径随泄漏百分比的变化曲线分别如图3图4所示。
由图3可以看出，对于死亡、重伤、轻伤半径来说，随着泄漏百分比的不断增大，人员伤亡半径也不断增大。由图4可以看出，随着泄漏百分比的不断增大，Cb级房屋破坏半径也不断增大。相关研究表明，在相同泄漏百分比情况下，如果加注人员穿着防护服，或者在加注区域设置防护设施，人员死亡、重伤、轻伤半径将有所减小。
3结论
1）若5m3气罐发生完全泄漏并造成蒸气云爆炸事故：人员伤亡方面，距离爆炸点16.64m范围以内的人员如缺少防护将无例外地蒙受重伤或死亡；房屋破坏方面，该在距离爆炸点90m范围内的区域将产生Cb级及以上破坏，即屋顶部分或完全坍塌，或1～2个外墙部分被摧毁，或承重墙严重破坏。
2）气罐完全泄漏发生蒸气云爆炸的情况最为极端，偏安全考虑，建议在距离泄漏源83m范围内不应有人员密集的处所存在，如学校、居民区等，距加注船90m范围内不应有桥梁、船闸等大型工程设施，以免造成重大经济损失，同时也不应有危险品码头的存在，以免造成二次伤害。
3）通过实例计算，再次说明了加注过程发生泄漏事故产生后果的严重性，加注过程中加注人员需穿着防护服，非加注人员尽量远离加注区。此外，在加注过程中，首先要严格遵循加注流程，对相应的探测系统、压力计、安全阀进行严格检查，加注人员在加注过程中需时刻党察加注状况，防止泄漏和过充现象发生，一旦有意外情况发生，立即采取积极有效的避险措施，使得危险得以有效控制。同时应在岸基式加气站和被加注船之间设置精确计量仪器和拉断阀，以防止事故的发生。
参考文献：
[1]尹群，杜亚南，张健.柴油一LNG双燃料船储罐附管天然气泄漏后果分析口].舰船科学技术，2012、34（6）：117-121.
[2]孙晓平，朱渊，陈国明，等，国内外LNG罐区燃爆事故分析及防控措施建议[J].天然气工业，2013（5）：126-131.
[3]涂吉兴，揭业香.LNG储罐组泄漏爆炸事故后果模拟].安防科技，2006(11)：25-27.
[4]郭晓晓，蔡治勇，袁成天.TNT模型对LNG储罐蒸气云爆炸模拟分析J.重庆科技学院学报：自然科学版，2013(Z1):9-11,28.
[5]傅智敏，黄金印，臧娜.爆炸冲击波伤害破坏作用定量分析[J].消防科学与技术，2009(6）：390-395.
[6]王强。杨眉.LNG储罐泄漏事故后果分析]].重庆科技学院学报：自然科学版，2013，15（2）：72-75.
[7]史腾飞，管锋.79800DWT双燃料散货船LNG储气罐位置确定[J].船海工程，2015（8）：158-166.
