2.1 過程爆炸事故模式及致因分析 對蒸氣云爆炸和沸騰液體擴展蒸氣爆炸兩種典型的重大爆炸災害事故進行案例統計與分析，根據近40年來國內外已經正式發布的不同的工廠、工藝過程中所發生的重大氣云爆炸事故數據，根據各事故致因的不同，經統計分析，歸納提煉出的UVCE、BLEVE分為以下事故模式，見表2.1，2.2。

表2.1 蒸氣云爆炸事故模式統計分析
Table 2.1 Statistic and analysis of accident modes for UVCE

　　

　　圖2.1表明，UVCE發生的場所中，煉油廠占比例最大，氣體加工、乙烯、石油化工、LPG罐區發生比率依次減少。
　　而導致UVCE發生的事故原因也是有多種多樣的，主要包括閥門泄漏、法蘭失效泄漏、管線失效（損壞、破裂、腐蝕）、儲罐失效（破裂、裂縫、腐蝕、超壓、沖擊作用）、閥門開啟、滿裝外溢等因素導致危險物質泄漏，形成氣云被引爆，以上主要致因所導致的UVCE事故模式所占比率，見圖2.2。

　　圖2.2表明，由于管線損壞導致的UVCE事故所占比率最大，而由于閥門開啟泄漏、滿裝外溢、儲罐失效（裂縫、腐蝕、破裂、超壓）等因素導致的UVCE事故比率依次減少。
　　從表2.2，可以看出，導致BELVE的主要原因外來火焰包圍、熱輻射沖擊（火災、太陽）、外來撞擊、貯罐破裂、管線泄漏、槽罐火災（罐車出軌等）、貯罐腐蝕泄漏、管線破裂（低溫、撞擊）、閥門泄漏（凍結、失效，無法關閉），引發BLEVE的重要事故致因所占比率，見圖2.3。

　　從圖2.3可以看出，在導致BLEVE的事故致因中，火焰包圍導致BLEVE的事故模式比率最大，而管線破裂或失效、外來熱腐蝕沖擊、閥門故障或失效泄漏、貯罐腐蝕泄漏、槽罐火災、外來撞擊等因素引發BLEVE的事故模式比率依次減少。以上統計分析是根據近40年來國內外已經正式公布的重大事故案例數據來進行的，沒有正式公布或事故案例數據不完整的不在統計之列。

　　2.2 氣云爆炸事故機理
　　氣云爆炸是化工裝置中發生的重大災難性事故，包括蒸氣云爆炸和沸騰液體擴展蒸氣爆炸兩種事故模式，氣云爆炸的共同特點是參與的爆炸物質量一般都較大，導致的危害和損失巨大。
　　2.2.1 蒸氣云爆炸事故機理 蒸氣云爆炸(UVCE)是由于氣體或易于揮發的液體燃料的大量快速泄漏，與周圍空氣混合形成覆蓋很大的范圍的“預混云”，在某一有限制空間遇點火而導致的爆炸。
　　UVCE發生有一定的條件，包括一定量的液化石油氣泄漏并與周圍空氣預混、延遲點火、局限化的空間[1]（周圍環境如樹木、房屋、設備及其它建筑物等形成具有一定限制的空間）等。蒸氣云爆炸事故在液化氣等物質的運輸過程中并不常見，因為在運輸過程中即使發生液化氣泄漏，也不容易積聚起來。而在液化氣儲備場所，UVCE事故相對易于發生。導致UVCE發生的事故原因也是有多種的，主要包括上文統計分析出的閥門泄漏、法蘭失效泄漏、管線失效（損壞、破裂、腐蝕）、儲罐失效（破裂、裂縫、腐蝕、超壓、沖擊作用）、閥門開啟、滿裝外溢等因素導致危險物質泄漏，形成氣云被引爆。
　　UVCE的發生大多數是由于儲存液化氣等物質的設備罐體在機械、化學或熱作用下發生破壞而導致大量液化氣泄漏所引起的，此外工作人員在裝運取樣等日常業務中是否正確操作，也是導致罐內液化氣泄漏的一個重要因素。罐體破裂是導致UVCE發生的直接原因，因此研究罐體破裂的原因是研究UVCE事故機理的重點。液化氣容器在受到機械作用（如撞擊、打擊）、化學作用（如腐蝕）或熱作用（如火焰環境、熱沖擊）時，由于所收作用程度的不同，容器會發生以下幾種破裂模式。容器破裂導致蒸氣云爆炸機理，見圖2.4。
　　（1） 容器罐體突然炸裂，產生巨大的沖擊力，炸裂的碎片以很大的動量向四周拋射出去，比如容器受到物體猛烈的撞擊或震蕩，或遭受劇烈的熱沖擊等作用。
　　（2） 容器局部破裂，導致液化氣以氣液兩相的混合物從裂口噴出，比如容器在遭受到非均勻熱沖擊、小物體撞擊或化學腐蝕等作用，容器局部器壁材料軟化、失效或腐蝕成孔而導致容器局部破裂。
　　（3） 安全閥動作及失效，導致容器內壓力過高而爆炸。

　　蒸氣云爆炸特點。UVCE具有以下特點：一般由火災發展成爆燃，而不是爆轟；蒸氣云的形成是加壓存儲的可燃液體和液化氣大量泄漏的結果，存儲溫度一般大大高于它們的常壓沸點；參與蒸氣云爆炸的可燃氣體或蒸氣的量一般在5×103kg以上；參與蒸氣云爆炸的燃料最常見的是低分子碳氫化合物，偶爾也有其它物質，如氯乙烯、氫氣與異丙醇等；爆源初始尺寸與特征長度相當，并且蒸氣云爆炸的能量釋放速率比較小，是一種面源爆炸。
　　蒸氣云爆炸傷害形式。UVCE發生后，云霧區內的爆炸波作用、云霧區外的沖擊波作用、高溫燃燒作用和熱輻射作用，以及缺氧造成的窒息作用的主要因素，是造成對周圍人員、建筑物、儲罐等設備的傷害、破壞作用。蒸氣云爆炸的破壞效應表現為：形成相當大的火球，在大氣中形成爆轟波，其強度取決于氣云的燃燒速度；碎片效應通常可以忽略[2]。
　　蒸氣云爆炸氣云燃燒傳播及超壓形成機理。氣云點燃后的燃燒模式最可能是爆燃，而不是爆轟，爆燃是沿著波的前峰在壓力和密度上都減小的膨脹波，屬于亞音速的。當可燃氣云和空氣的預混物在低能量點火下就會發生爆燃。

　　2.2.2 沸騰液體擴展蒸氣爆炸事故機理
　　裝有液化氣的容器當處于火焰環境下、受到撞擊或機械失效等狀態時，容器突然破裂，壓力平衡破壞，LPG急劇氣化，大量的氣化的LPG釋放出來，并隨即被火焰點燃就會導致沸騰液體擴展蒸氣爆炸。根據實驗研究表明，BELVE可以分為熱BLEVE和冷BLEVE[3]，根據BLEVE過熱極限理論，熱BLEVE是指BLEVE的發生是由于LPG在爆炸前高于LPG大氣過熱極限溫度，而冷BLEVE是指BLEVE的發生是由于LPG在爆炸前低于LPG大氣過熱極限溫度。冷BLEVE一般是由于強度比較差的容器由于機械或熱的作用而引起的災難性失效所導致的，而熱BLEVE一般是由于過熱液體在容器局部失效時發生噴射釋放而引發的過熱爆炸，它們的發生機理、條件及導致的后果分析與對比，見表2.3。

表2.3 熱BLEVE和冷BLEVE的比較
Table 2.3 Comparisons of Hot and Cold BLEVE

　　    從圖2.5可見，容器發生TLOC導致的BLEVE是由于容器產生初始失效如產生裂縫，從記錄的事故案例能發現容器大多數是在容器內氣相區產生初始裂縫，而且容器材料強度不同導致的BLEVE事故模式不同，一般材料強度小的容器易發生快速BLEVE，而材料強度大的容器易發生慢速BLEVE。導致容器產生初始裂縫的原因很多如罐體材料缺陷、材料疲勞、罐壁腐蝕、熱應力、壓應力、暴露火焰環境下罐體強度下降等，但從已發生的BLEVE事故案例來看，大多數容器是由于受到池火災、噴射火災或噴射火炬等外來強熱輻射的作用，由于容器內液相區的熱傳導系數較大，因而即使處在強熱輻射的作用下，液相區的罐體溫度也會很快與內部液體溫度相近而不會產生初始裂縫，而在容器內的氣相區由于熱傳導系數較小，氣相區的罐體在熱輻射的作用下，罐體溫度很高使得材料強度下降，加上容器內部壓力的共同作用使得材料發生塑性變形最后產生裂縫。
　　容器產生初始裂縫后，若容器罐體強度較大能承受一定的超壓和應力使得裂縫不能繼續擴展，此時不會導致快速的TLOC和BLEVE，只會發生LPG的兩相噴射，反之就會導致快速的TLOC和BLEVE的發生。當LPG從初始裂縫快速噴射導致容器內LPG處于過熱狀態，產生劇烈沸騰，容器內壓力迅速上升，也會使得初始裂縫重新擴展增大，即使容器上裝有壓力泄放閥（PRV），但也會由YesNo YesYes自動制冷無BLEVE導致BLEVE: 中等超壓、拋射物、火球裂縫擴展，產生LOC過壓大于罐強度？ 導致HOT BLEVE: 高超壓、遠距離拋射物、高火球過壓大于罐強度？沸騰氣化溫度大于過熱極限溫Cold BELVE: 低超壓、短程拋射物、近地面火球LOC 容器初始失效缺陷結構 容器腐蝕容器疲勞火焰包圍 沖擊破壞 裂縫停止擴展？ YesNo 快速壓力下降？YesNoNoLPG過熱爆炸自動制冷 無BLEVE 裂縫擴展，產生LOC圖2.5 容器失效導致沸騰液體擴展蒸氣爆炸的機理 Fig 2.5 Mechanism of Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion for lapse of vessel 于PRV的設定壓力接近或超過LPG的的過熱極限溫度、泄放面積不夠或暴露火焰環境時間過長導致容器內壓力大于對應溫度的材料的爆炸壓力，而導致慢速的TLOC和BLEVE的發生。容器內壓力變化、火焰暴露時間及材料強度關系，見圖2.6。

導致TLOC和BLEVE的能量來自于氣相區和液相區兩部分^[4]，對于快速的TLOC和BLEVE其能量主要來自于氣相區，而液相區的能量此時對BLEVE的發生并不重要，而慢速的TLOC和BLEVE，其能量主要來自于過熱液體的劇烈沸騰氣化，此時氣相區的能量只影響容器初始失效而對TLOC和BLEVE的發生影響不大，當氣相區能量不足以導致TLOC和BLEVE的發生時，液相區的能量此時就決定著TLOC和BLEVE的能否發生。 

可見BLEVE的發生是由許多因素決定的^[5]，其中容器的壁厚、材料強度、外來熱輻射通量的大小及作用時間、泄壓閥的開啟面積和設定壓力以及熱保護措施等這些因素對BLEVE的發生起著決定性的作用。

         BLEVE發生時，經常導致爆炸火球的產生，而影響爆炸火球形狀的影響因素有多種，包括容器的裝料系數、釋放的危險物質量、風速及風向、容器失效模式等。

2.3 氣云爆炸災害模擬計算模型

2.3.1 已有UVCE模擬計算模型的對比分析

根據氣云爆炸沖擊波預測模型的特點和復雜性，可以將它們分成數值模型、物理模型和相關模型三種。數值模型大多數是基于CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，例如典型VCE數值模型有FLACS、REAGS，數值模型也許是用于模擬蒸氣云爆炸的理想方法，但由于其需要高性能的計算機以及模擬計算時間長等缺點，使得此方法在UVCE模擬方面的應用和推廣受到限制；而物理模型屬于簡化模型，例如典型VCE物理模型有SCOPE模型、CLICHÉ模型，物理模型用一個簡化的方法來描述VCE的物理過程，能夠預測大范圍內的爆炸超壓，但由于其簡化了VCE的爆炸過程，因而此類模型的模擬與預測精度受到影響。相關模型也就是縮放比率模型，依靠實驗結果而建立起來的，典型的UVCE相關模型包括TNT模型、TNO模型、ME模型、CAM模型^[10]；由于相關模型易于應用于災害風險評價方面，所以本文將以此類模型為研究重點。

TNT當量法和TNO（Multi-Energy）模型法^[12]是蒸氣云爆炸（UVCE）模擬方法中的兩個典型模型。TNT當量法是把氣云爆炸的破壞作用轉化成TNT爆炸的破壞作用，從而把蒸氣云的量轉化成TNT當量。TNT當量法簡單易行，但有其明顯缺陷：

（1）TNT爆炸時爆源體積可忽略，而蒸氣云較大不能忽略，且隨著爆炸的進行，爆源體積在增大。

（2）TNT爆炸時能量是瞬間釋放的，而蒸氣云爆炸過程中能量的釋放速率是有限的。

（3）TNT爆炸過程形成的沖擊波強度大，但衰減速度快，而蒸氣云爆炸多屬爆燃過程，正壓作用時間較短，負壓作用時間較長。因而TNT當量法只適用于很強的蒸氣云爆炸且用以模擬爆炸遠場時偏差較小，模擬爆炸近場時高估蒸氣云爆炸產生的超壓。

（4）TNT當量法的當量系數難以確定，可變性大（0.02%-15.9%）。 

TNT當量法關鍵模型：

W_TNT=aWQ/Q_TNT (2-1)

z = R/(W_TNT)^1/3 (2-2)

P_i = (3.9/z^1.85) + (0.5/z) (2-3)

W_TNT，kg；a為LPG蒸氣云當量系數（統計平均值為0.04，占統計的60%）；W為蒸氣云中LPG質量，kg；Q為LPG的燃燒熱，J/kg; Q_TNT為TNT的爆炸熱,J/kg； z為R處的爆炸特征長度；P_i為R處的爆炸超壓峰值。

由式（2-1）計算出對氣云爆炸有貢獻的爆炸物的當量，由式（2-2）可以確定目標R處的爆炸特征距離，再由式（2-3）計算出目標R處的爆炸超壓峰值。

TNO模型基本觀點是約束條件是增強氣云爆炸威力的關鍵因素，只有受約束的那部分氣云才對爆炸強度有作用，而不受約束的那部分蒸氣云幾乎對爆炸強度沒有貢獻；TNO模型以半球形氣云為模型，假設中心點火，火焰以恒定的速度傳播，從而以數值方法計算不同燃燒速度下的氣云爆炸強度，獲得一組爆炸強度曲線。TNO模型在理論上比較合理，但在具體應用中仍存在一些缺點：（1）如何確定受限區域的尺寸是個難以解決的問題。（2）忽略了處于開敞空間的氣云對爆炸強度的貢獻，而在實際中，當氣云形成時間較長，反應激烈的氣云，在開敞空間形成了均勻混合物，則對蒸氣云爆炸強度作用很大。（3）如果將整個氣云分成幾個爆炸源，它們的爆炸強度的疊加時的問題。（4）爆炸強度圖中的10個級別如何選取。圖中10條曲線代表不同的爆源強度（火焰速度不同），曲線10代表爆轟情況，曲線1-10依次增大；曲線6-7代表爆源強度居中的情況，用于一般氣云爆炸時，模擬遠場超壓較合適。曲線，見圖2.7。

 

TNO關鍵模型：

△p_s^、=△p_s/p₀ (2-4)

R^、=R/(E_c/p₀)^1/3 (2-5)

E_c=3.5V (2-6)

r₀^、=R₀/(E_c/p₀)^1/3 (2-7)

根據受限氣云的體積V就可以由式（2-6）計算出對爆炸有貢獻的燃燒能量，由式（2-5）計算出目標R處的R^、，然后就可以從圖2.7查得△p_s^、，再由式（2-4）計算出目標R處的爆炸超壓值。

ME模型與TNO模型有很多的相似，ME模型認為由湍流火焰產生的沖擊波和爆炸過程中存在約束作用，在有障礙物的情況下，將產生巨大的沖擊波，而在沒有障礙物的條件下沖擊波將不會產生。ME模型能夠估算出UVCE的最大靜壓、最大動壓、正相超壓持續時間和超壓時間圖形。