二氧化碳充装过程爆炸事故后果模拟分析研究

姜斌

摘要：瓶装二氧化碳广泛应用于人民的生产生活中，二氧化碳气体充装过程的安全问题也越来越受重视，由于二氧化碳气瓶受压力、温度影响较大，一旦发生爆炸会造成人员伤亡和经济损失。本文对瓶装二氧化碳充装过程的安全问题进行了分析，以伊川县某气瓶充装站为例对气瓶充装过程的爆炸事故后果进行了模拟计算，研究结果对提高二氧化碳充装的安全水平和充装项目的安全运行具有重要意义。

关键词：二氧化碳;充装;安全;爆炸

引言：随着我国经济的高速发展，气体越来越广泛的存在于各行各业的生产过程中，并且潜移默化地融入在我们的日常生活中。其中，CO2广泛应用于石油化工、食品、焊接、消防、制冷、醫疗、农业及石油开采等领域[1]，为了满足这些行业的不同需求，CO2运输和使用的安全就显得异常重要。气瓶就是最普遍的的一种运输方式，气瓶充装带来的危险往往都不是小问题，作为具有爆炸危险可能的设备，不论是泄露还是爆炸，都会带来巨大的损害，因此，气瓶充装安全的相关研究需进一步深入[2]。

一、 二氧化碳气瓶充装的危险性分析

气瓶充装工艺和过程中含有的危险因素有[3]：一具有燃烧性、二具有毒性、三具有腐蚀性、四具有爆炸性;但二氧化碳并不具有燃烧性，不参与燃烧反应甚至会阻止燃烧，相对其他气体而言是比较安全的气体，也没有毒性和腐蚀性，瓶内气体的温度和压力对气体状态和危险性有很大影响。

二氧化碳充装工艺流程主要包括：低温贮藏、低温液体泵、气体充装、气瓶储存[4]。二氧化碳充装时还要严格按照季节标准充装量来进行充装，否则危险性也会大大增加。除此之外，液态二氧化碳在常压情况下容易快速气化，可能导致接近零下80摄氏度的低温，很容易伤害到皮肤与眼睛[5]。

二、气瓶充装安全问题研究方法

气瓶充装具有危险性，而不同气体之间的特性也各有差别，在对气瓶充装进行安全评价与管理时，要根据不同情况分别分析。在进行气瓶充装安全评价研究时，除了按照国家要求和标准外，还需考虑具体单位设施状况、生产储存流程以及运输流程等。其中，安全检查表法作为一种最基本的安全评价方法，在气瓶充装安全评价中得到广泛应用，此外还有一些学者运用模糊评价、层次分析法、故障树分析法、道化学火灾、爆炸指数评价法等或是将多个方法结合起来对气瓶充装进行评价[6]。在此基础上，也可以使用重大事故后果模拟分析对项目的固有危险程度和风险程度进行定量分析评价，重大事故后果模拟分析是安全评价过程中危险源危险性分析的一个重要组成部分。

三、爆炸事故后果模拟分析

二氧化碳气瓶充装工艺爆炸事故主要是物理爆炸，气瓶受到高温如近火或阳光暴晒时瓶内压力升高、野蛮装卸、超过耐压极限等，都易发生物理爆炸。运用二氧化碳气瓶爆炸事故后果模拟计算，可以定量的描述气瓶爆炸对人员、设备及周围环境造成危害的严重程度。爆炸事故后果模拟分析分为两步：

1.爆破能量的计算

当气瓶发生物理性爆炸时，温度、压力、体积等物理参数迅速发生变化，在瞬间放出大量能量并对外做功，一只气瓶爆炸后所释放的爆破能量可由下式计算：

式中：—气体的爆破能量，kJ;—容器内气体的绝对压力，MPa;—容器的容积，m3;—气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比。

2.爆炸冲击波及其伤害、破坏作用

当气瓶发生物理性爆炸时产生爆炸冲击波，对其波及范围内人员、设备等造成伤害和破坏，相关参数计算如下：

（1）将爆破能量Eg换算成TNT当量q：

（2）求爆炸模拟比：

（3）计算死亡半径：

当冲击波超压大于0.1MPa时将导致大部分人员死亡，以此作为超压致人死亡的极限值。根据1000kgTNT爆炸时的冲击波超压试压所知，当1000kgTNT爆炸时，在爆炸中心23m处将产生大于0.1MPa的超压，其计算公式为：

以伊川县某气瓶充装站为例，一只二氧化碳气瓶的物理参数取值为：=15MPa，=0.04m3，=1.397，代入上述公式（1）-（4）计算得出：

爆破能量=1508kJ，死亡半径为1.6m。

由此可知，单只二氧化碳气瓶充装时的死亡距离为1.6m，虽然单只气瓶发生爆炸时死亡半径不大，但对操作人员的危害不可避免，如果引起其他气瓶连环爆炸，产生的破坏力将极其严重，后果不堪设想，因此气瓶充装企业和管理部门应进一步采取自我防护措施，加强安全管理。

四、结语

二氧化碳气瓶充装工艺和过程中存在气瓶爆炸的危险性，本文采用重大事故后果模拟分析对伊川县某气瓶充装站二氧化碳充装过程中的固有危险程度和风险程度进行定量分析计算，得到单个气瓶爆炸的爆破能量为1508kJ，死亡半径为1.6m，建议气瓶充装作业人员在操作时应该注意安全距离，采取自我防护措施，并避免气瓶连环爆炸事故的发生。

参考文献：

[1]张美华. 二氧化碳生产及应用[M]. 西安： 西北大学出版社， 1988.

[2]王庆春. 气瓶充装安全性的认识[J]. 川化， 2001（04）：20-21.

[3]施倚. 工业气瓶使用中存在的较大危险因素有哪些[J]. 劳动保护， 2017（4）：95-95.

[4]王璇. 浅析自动充装技术在工业瓶装气体充装中的应用[J]. 冶金管理， 2019， 375（13）：88-89.

[5]孙明. 瓶装压缩气体的分类、危害及安全对策（上）[J]. 低温与特气， 2008（3）：39-42.

[6]惠志全， 毛力， 牟乐， 等. 模糊评价数学模型在特种承压设备安全评价中的应用[J]. 化学工程与装备， 2016（12）： 265-266.

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