科技创新 ２０１３年第３５期ｌ科技创新与应用 汽油罐车池火灾热辐射下的安全距离研究 丁建川 （成都铁路石；ｄ￣４Ｅ＿ｘ．－实业有限公司，四川成都６１００００） 摘要：热辐射是池火灾的主要传热方式。本研究对汽油罐车池火灾的伤害模型进行分析，根据热辐射伤害破坏判定准则，对站 内或区间上汽油罐车发生池火灾时造成的伤害距离进行计算与分析。分析结果表明，当采取措施，泄漏汽油形成的液池直 径，可以明显降低池火火焰高度和热辐射通量，从而减小池火灾热辐射造成的破坏，上述结论为汽油罐车在站内或区间上发生池 火灾时的风险评估、应急救援提供了重要的理论依据。 关键词：汽油罐车；池火灾；热辐射；安全距离 （ｋｇ／ｍ ）；Ｐ一容器内介质压力（Ｐａ）；Ｐ旷－大气压力（Ｐａ）；ｇ一重力加速度 随着我国经济的发展，我国油品需求增长强劲，油品市场的成 （ｍ／ｓｚ），一般取９－８ ｍ／ｓｚ巾一泄漏口上液位高度（ｍ）。 １前言 长壮大也带动了我国油品运输业的发展。铁路运输，由于其相对于 公路、水路来说，单位运输成本低、运送批量大，因此在油品运输中 一般采用铁路运输方式。由于油品具有易挥发、易流动扩散、易燃、 易爆等特点，在运输过程中，可能由于设备老化、意外撞击、罐车过 载等原因发生泄漏事故，泄漏出的油品如果遇明火，就会发生燃烧 爆炸事故，造成极大的人员伤亡和财产损失。 池火灾是指可燃液体泄漏到地面，形成液池，遇到火源，在液面 发生燃烧，形成池火。液体泄漏，一般会引起池火灾。池火灾的破坏 主要是热辐射，如果热辐射作用在容器和设备上 其内部压力会迅 速升高，引起容器和设备的破裂；如果热辐射作用于可燃物，会引 燃可燃物；如果热辐射作用于人员，会引起人员烧伤甚至死亡。 汽油［闪点≤２３℃］，别名车用汽油，信息化品名汽油，属一级易 燃液体，铁危编号３１００１。其化学成分是Ｃ ～Ｃ。的脂肪烃和环烷的混 合物，为无色或淡黄色透明液体，有特殊气味，易挥发，相对密度 ０．６７～０．７１，闪点为一５Ｏ℃，沸点为４０℃～２００￣Ｃ，自燃点２８０℃～４５６℃。 蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限为１．３％一６．Ｏ％。与氧化 剂能发生强烈反应。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到较远的地 方，遇明火会引起回燃。有低毒，吸人汽油蒸气能引起头痛、眩晕、恶 心、心动过速等现象。吸量蒸气时，会引起严重的中枢神经障 碍。误饮汽油引起呕吐、消化道的黏膜刺激症状，进而出现抽搐、不 安、心力衰弱、呼吸困难。该物质对环境有害，对水体应特别注意污 染。 本研究对汽油罐车发生泄漏后池火灾事故造成的伤害距离进 行计算分析，所获得的有关安全距离为汽油罐车在站内或区间上发 生池火灾时的风险评估、应急救援提供了重要的理论依据。 ２池火物理模型分析 池火灾是指可燃液体泄漏到地面，形成液池，遇到火源，在液面 发生燃烧，形成池火。对于池火灾，辐射过程是最主要的换热过程，对 邻近人员及设备的热影响体现在受辐射的强度和辐射时间上。池火 灾事故对周围设施集人员的热辐射危害程度与物料的储存量、燃烧 时间、距事故原点的距离等诸多因素有关。本文采用Ｍｕｄａｎ模型确 定热辐射危害影响程度，Ｍｕｄａｎ模型把池火焰看做垂直（无风）或倾 斜（有风）的圆柱形辐射源，用Ｔｈｏｍａｓ经验公式进行计算。Ｍｕｄａｎ模 型适用的热辐射通量范围没有明确的 ，３４，１。 ２．１液池的直径 为了理论计算、分析方便，假定液池为圆形，并假定池火焰为圆 柱形，火焰直径为池直径。 池直径与面积的关系可由下式（１）得出： 。＝ ㈩ 式中：Ｄ一液池直径（ｍ）；Ｓ一液池面积（ｍ ）；叮Ｔ一圆周率。 根据泄漏的可燃液体质量和地面性质，可按下式（２）计算液池 面积： Ｓ： ，一 日 Ｐ （２） 式中：ｗ一泄漏的可燃液体质量（ｋｓ）；Ｈ 广最小液层厚度ｍ）；Ｐ一 泄漏液体密度（ｋｇ／ｍｓ）。 ‘ 泄露的液体质量可通过伯努利方程计算： Ｗ＝Ｑ ｔ （３） Ｑ （４） 式中：Ｑ一液体泄漏速率（ｋｇ／ｓ）；ｔ一液体泄漏时间ｓ）；Ｃ 一液体泄 漏系数，此值常用０．６ ０．６４；Ａ一泄漏口面积（ｍ ）；ｐ－泄漏液体密度 可以查到，不同地面的最小液层厚度如下表１所示 表１不同地面的最小液层厚度表 地面性质 最小液层厚度鼠√忉 地面性质 最小液层厚度儡√ 草地 ０．０２０ 混凝土地面 ０．００５ 粗糙地面 ０．０２５ 平静的水面 ０．００１８ 平整地面 Ｏ．Ｏ１Ｏ ２．２确定燃烧速度 燃烧是一个复杂的物理化学过程，总的来说，燃烧的速度取决 于：１．可燃物与氧的化学反应速度；２．氧和可燃物的接触混合速度。 前者是一个化学反应过程，也称为化学条件；后者是一个物理混合 过程，也称为物理条件。不同的介质，燃烧速度也不同。 当可燃物的沸点高于周围环境的温度时，液池单位面积的燃烧 速度ｄｄｄ 可按下式（５）进行计算＿２１３， ： 生一 ： 竺 Ｃｐ（ 一Ｔｏ）＋日 （５） 式中：Ｈ 一液体燃烧热（Ｊ／ｋｇ）；Ｈ一液体蒸发热（Ｊ／ｋｇ）；Ｃｐ－液体的比 定压热容（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））；Ｔ 一液体沸点（Ｋ）；１ｌ『环境温度（Ｋ）。 另外，一些常见可燃液体的燃烧速度也可通过手册查得，如下 表２所示目： 表２一些常见可燃液体的燃烧速度 物质名称 车用汽油 航空汽油 柴油 原油 苯 甲苯 乙醚 甲醇 速度燃烧 ８０ ８５ ９１．９８ ４９．３３ ２１．１ １６５．３７ １３８．２９ １２５．８４ ５７．６ （１Ｏ ｋ＃／（ ・ ）） ２，３火焰高度的计算 前文将池火模型简化为直径为Ｄ的圆池，Ｔｈｏｍａｓ给出的计算 池火焰高度的经验公式（６）被广泛使用『２－３ｌ４ ｌ５１： 三：４Ｄ 【２Ｉ生 ＩＰｏ，／ｇｏ Ｊ （６） 式中：Ｌ一火焰高度（ｍ）；Ｄ一液池直径（ｍ）；ｄｄｄ 一液体燃烧速度 （ｋｇ／（ｍ ・ｓ））；Ｐｏ－空气密度（ｋｇ／ｍ ）；ｇ一重力加速度（ｍ／ｓ ），一般取９．８ ＩＩ】／ｓ２。 其中空气密度由下式（７）进行计算： Ｐｏ＝１．２９３＂（ＰｆＰｏ（．）＊２７ ．３ １５／Ｔｏ 式中：Ｐ１－ 境大气压（Ｐａ）；）Ｐ。 一标准物理大气压（Ｐａ）；Ｔ。一环境温 （７）度（Ｋ）。 ２．４热辐射强度 ２．４．１火焰表面热辐射通量 假定火焰向四周均匀辐射，根据经验公式（１０），得到火焰表面 热辐射通量Ｂ ： Ｏｏ：—０．２５７ｒＤ２Ａ Ｈｄｍ＝一—＝＿．／／ｄ，ｆ———一 （１Ｏ）Ｊ ０．２５７ｒＤ ＋丌ＤＬ 式中：Ｑ 火焰表面的热辐射通量（ｋｗｌｍ２）；盯一圆周率；ＡＨｒ燃 烧热（ｋｊ／ｋｇ）；ｆ－热辐射系数，一般情况下取值为０．１５；ｄＪｄ 一液体燃烧 速度（ｋｓ／（ｍ ・ｓ））。 ２．４．２目标接受热辐射通量的计算 目标接受热辐射通量与其至火焰表面的距离间的关系为（１１） 式： ａ，＝ａｏ（１－０．０５８１ｎ ｒ）Ｖ （１１） 一、一 科技创新与应用ｌ ２０１３年第３５期 距Ｎ（ｍ）；ｖ一视角系数。 科技创新 或设备所造成不同的伤害程度来表示。表３给出了不同热辐射值对 人体的伤害和周围设施的破坏情况。 取目标距液池边缘的距离为ｌｏｒｅ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍ、５０ｍ时，分别 计算目标接受的热辐射通量，得出计算结果如表４。 表４目标距液池边缘不同距离的热辐射通量 ：厕 ｓ－１）０ ５（‘ ２） 距离（热辐射通量（ｋｗ／ｒｒ？） ｍ） 汽油任意蔓延 直径为ｌＯｍ １０ ２７＿７９ １７．８７ １２４５ ９．１７ ７．０３ １９．６７ ４．９２ ２．１９ １ ２３ ０．７９ ￣＋１）Ａ： ｌ／ｔａｎ－ｌ［ １２０ ３０ ４０ ５０ ，Ｂ： ］—ｔａｎ １ （ａ＋１）（ｓ－１）￣５ ！ ：二 ！ ＋ （ 二 ！ 目标受到的热辐射通量与目标距液池表面距离之间的关系如 下图１所示。 丌ｖ＇＝ ａｎ ，＝【斋 ［ １０ ａｎ…ｌ 广＿ １０ ２０ ３Ｏ ４０ ５０ ｈ ＋Ｓ ＋１ ２ ： 距离（ｍ） 图１目标受到的热辐射通量与目标距液池表面的距离之间的关系 式中，ａ、ｂ、Ｊ、Ｋ、Ａ、Ｂ为方便计算而引入的中间变量，Ｖ 为目标 从上图可以看出，随着距离的增加，目标物受到的热辐射通量 在垂直方向的几何视角系数，ｖ 为目标在水平方向上的几何视角系 迅速减小；当距离超过３０ｍ时，热辐射通量减小的趋势变缓；当采取 — 差一嘁四杂驿案 数。 措施液池直径为ｌＯｍ时，在同一距离，目标物受到的热辐射通 ∞ ∞ 侣 ∞ ５ Ｏ 从一些实例数据中发现，Ｖ值总是小于１，且随着Ｓ的增大而减 量（与汽油任意蔓延造成的热辐射通量相比）明显降低，液池直 小，随着ｈ的增大而增大 。 径对降低池火灾热辐射造成的伤害效果明显【１．４ ＇－－－。 ３汽油罐车池火灾的计算 ４结束语 铁路上通常使用Ｇ６０ｋ型罐车装运汽油，该型罐车载重量为５３ 通过上述计算，可以发现，池火灾火焰高度、热辐射通量与液池 随着液池直径的减少而明显下降。 吨。为了计算方便，本文假定，一辆Ｇ６０ｋ型罐车在车站内发生泄漏， 直径相关，２Ｓ 车内装载的５３吨汽油全部泄漏，汽油任意蔓延及采取措施将液池 铁路上运输汽油罐车，当其中１节汽油罐车发生泄漏，若任由 直径为１０ｍ，两种情况发生池火灾事故，目标物在不同距离受 汽油蔓延，发生池火灾后，人员、设备设施的安全距离大于５０ｍ，会 到的热辐射通量。 对相邻车厢、相邻铁路线及相邻铁路线上运行的列车造成极大的破 ３．１液池的直径 坏。若相邻车体也为汽油罐车，则有可能引起其发生燃烧爆炸，造成 汽油是一种混合物，各成分含量不同，密度也不相同，本文中取 更大的破坏。当采取措施，泄漏汽油形成的液池直径，可以明显 ９３＃汽油的密度值７２５ｋｇ／ｍ 进行计算。将汽油密度带人（２）式中计 降低池火火焰高度和热辐射通量，从而减小池火灾热辐射造成的破 坏。 算可得汽油任意蔓延时的液池面积为２９２４ｍ ，液池直径为６１ｍ。 ３．２火焰高度的计算 本研究对池火灾热辐射的伤害范围进行计算，所获得的有关伤 害范围的信息为汽油罐车在站内或区间上发生池火灾时的风险评 取环境温度为２９８Ｋ，空气密度为１．１８５ｋｇ／ｍ ，经过计算，汽油任 意蔓延时，火焰高７０．８６ｍ；液池直径为１０ｍ时，火焰高２０．１７ｍ。 估、应急救援提供了重要的理论依据。 池火灾热辐射破坏仅是可燃液体发生泄漏事故后造成的破坏 ３３热辐射强度的计算 ３．３．１火焰表面热辐射通量的计算 中的一种（爆炸破坏、毒性、腐蚀性危害等等），要对可燃液体发生泄 通过查询物质的系数和特征表，可以查出汽油的燃烧热△Ｈｆ为 漏事故后造成的破坏进行评估，还需要客观、全面的考虑其他相关 ４．７３ｘ１０￣４ ｋｊ／ｋｇ，经过计算，汽油任意蔓延情况下，火焰表面热辐射 因素。 参考文献 通量Ｑ 为１０１．５８９５ ｋｗ／ｍ ；液池直径为１０ｍ时，火焰表面热辐射通 ｆ１１刘志勇．池火灾模型及伤害特征研究『Ｊ】．消防科学与技术，２００９， 量Ｑ 为６３．２６ ｋｗ／ｍ 。 ３．３．２目标接受热辐射通量的计算 １ １ｆ１ １）：８０３—８０５ 热辐射对人体、设备的伤害主要是通过不同热辐射通量对人体 ［２１Ｐ．Ｈ．Ｔｈｏｍａｓ．Ｔｈｅ Ｓｉｚｅ ｏｆ Ｆｌａｍｅｓ ｆｒｏｍ Ｎａｔｕｒａｌ Ｆｉｒｅｓ，９ｔｈ Ｓｙｍｐ． 表３不同热辐射值对人体的伤害和周围设施的破坏情况表 热辐射通量 ／（ｋｗ／Ⅱ ） Ｏｎ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ａ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｅ．，１９６３．８４４ 人体伤害类别 在ｌｍｉｎ内１００％的人死亡， １０ｓ内１％的人死亡 周围设施破坏类别 对周围设备造成严重损坏 无明火时，木材长时间暴露而被 引燃所需的最小能量；设备设施 钢结构开始变形 【３侏建华，褚家成．池火特性参数计算及其热辐射危害评价［Ｊ】．中国 安全科学学报，２００３，６（１３）：２５—２８ ３７５ ｌｍｉｎ内１００％的人死亡， ２５０ １０ｓ内严重烧伤 ｆ４１宇德明，冯长根，曾庆轩等．开放空气环境中的池火灾及其危险性 分析ｆＪ１．燃烧科学与技术，１９９６，２：９５—１０３ 『５］ｚ志荣，蒋军成，姜慧．室外池火灾火焰环境研究进展『Ｊ１．石油与 天然气化工，２００５，３４（４）：３２１—３２４ １２５ ４ ０ １．６ ｌｍｉｎ内１０％的人死亡， １０ｓ内１度烧伤 有明火时，木材长时间暴露而被 引燃所需的最小能量：塑料管及 合成材料熔化的最小能量 『６１徐志胜，吴振营，何佳．池火灾模型在安全评价中应用的研究『Ｊ１． 灾害学，２００７，２２（４）：２５—２８ ［７］李丽霞，张礼敬，孟亦飞等．池火灾热辐射下的最小安全距离『Ｊ］． 中全科学学报，２００４，１４ｆ３）：１６—１９ 超过２０ｓ引起疼痛，但不会起水泡 玻璃暴露３０ｉｒ￣ｒｌ后破裂 长期接触不会有不适感 一６一
