定量风险分析在氢气长管拖车风险评价中的应用

广东佛燃科技有限公司 范 力

氢气储运是氢能产业链发展的关键环节。现阶段氢气储运主要以氢气长管拖车为主，涉及的车辆、人员、设备都有严格的、能有效降低储运危险性的管理规程，但在运行过程中仍存在一定的安全风险。近年来氢气储运的安全频频亮起红灯，如2019 年6 月，美国加州硅谷空气产品公司氢气配送拖车泄漏爆炸，导致事故拖车以及现场其他多个配送拖车均受到不同程度损坏；2021 年8 月，辽宁沈阳经开区内一辆氢气罐车的卸车软管破裂，后发生爆燃，所幸未造成人员伤亡。氢气储运领域安全风险的管控，是业界亟需关注的问题。

1 氢的基本特性

氢是自然界中最轻的元素，相对原子质量为1.008，在标准状态下的密度为0.089 9 kg/m3。氢气在空气中的扩散系数为0.61 cm2/s[1]，是天然气的3.8 倍、汽油的12 倍。即氢气散逸能力强，易发生泄漏。在高温条件下，氢分子能够溶入并逸散穿透金属，且温度越高，这种效应的发生速度越快。同时氢气的最小点火能小、燃烧和爆炸范围宽，具有易燃易爆的特性。氢气泄漏后，在开放空间下较为安全可控，若在受限空间内发生泄漏，则易形成可燃氢气云，一旦被点燃就会发生爆燃、爆轰事故[2]。

(1) 燃烧热：119.93～141.86 kJ/g；

(2) 可燃极限(体积分数)：4%～75%(常温常压空气中)，4.1%～94.0%(常温常压氧气中)

(3) 爆轰极限(体积分数)：18.3%～59.0%(常温常压空气中)，15%～90%(常温常压氧气中)

(4) 空气中的最小点火能量：0.017 MJ

(5) 空气中的着火温度：858 K

(6) 空气中的火焰温度：2 318 K

(7) 空气中的燃烧速度：2.65～3.25 m/s (常温常压)

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2 氢气长管拖车规格

当前我国氢气储运仍属于发展初期，相关技术及产业标准落后于国外水平。氢气长管拖车普遍使用20 MPa 钢制储氢罐(Ⅰ型)，单车运氢量约300 kg。2018 年中集安瑞科控股有限公司和浙江蓝能氢能科技股份有限公司开发并推出Ⅱ型大容积缠绕气瓶，单车运氢量达到450 kg 以上。目前安瑞科、浙江蓝能和中材科技股份有限公司正在积极研发和制造30 MPa 的Ⅱ型运氢产品，以安瑞科30 MPa 氢气运输车为例，单车最大允许充装量能达到625 kg。国外已实现45 MPa 及以上的纤维全缠绕氢瓶(Ⅳ型)长管拖车运氢，单车运氢量达700 kg 以上，如美国空气产品公司已推出52 MPa 的Ⅳ型储氢瓶长管拖车，单车运氢约700 kg。

3 定量风险分析软件

定量风险分析(Quantitative Risk Analysis，简称QRA)是一种对风险进行量化评估的重要技术手段。近年来，随着数字技术的革新发展，国内外许多相关机构开发了一系列定量风险分析的仿真模拟软件。在氢气长管拖车定量风险分析方面，可以通过对历史安全事故的数据统计及仿真模拟软件中内嵌的氢气模块，对氢气泄漏、扩散、爆炸和火灾等事故后果加以定量分析。本文主要采用的风险分析软件有：

(1) PHAST&SAFETI。该软件由挪威船级社DNV(DET NORSKE VERITAS)负责开发和维护，是目前用于评估工业石油石化行业最全面、最广泛的QRA 软件工具。软件集成了30 多年来评估易燃易爆、有毒物泄漏等安全事故的工程实践，能在给定的设施结构框架内开展QRA 相关的所有分析和数据处理，并清晰全面地展现分析结果，用以辅助重大决策。

(2) KFX(Kameleon FireEx)。该软件也由挪威船级社DNV 负责持续开发和维护，是目前国际上在气体扩散、火灾和爆炸模拟等方面处于领先地位的三维计算流体力学CFD 软件，并逐渐成为燃烧和火灾领域的工业标准。

4 事故风险识别

氢气长管拖车瓶体或附件因为制造缺陷或使用维护不当，拖车尾部气体充装系统(如阀门或法兰)故障失效，运输过程中由于事故撞击(如追尾事故、车辆故障撞护栏侧翻)等原因，均可能造成氢气长管拖车发生氢气泄漏，氢气泄漏后可能造成的后果有可燃气体扩散、喷射火、闪火和爆炸等。

氢气长管拖车泄漏场景树如图1 所示。

图1 氢气长管拖车泄漏场景树

氢气泄漏的后果类型有很多，若氢气连续泄漏被立即点燃产生喷射火后果，后果影响范围取决于泄漏孔尺寸和氢气系统压力。氢气扩散气云在开放空间被延迟点燃，产生闪火后果；而在结构密集的阻塞空间被点燃，或者在封闭空间被延迟点燃，将产生气体爆炸后果。其中喷射火是氢气泄漏后较易发生的，故本文主要对长管拖车喷射火事故展开模拟，喷射火不同热辐射强度造成的伤害和损坏，详见表1[3]。

表1 不同热辐射强度造成的伤害和损坏

当喷射火的热辐射强度达到12.5 kW/m2及以上时，对设备造成损坏、对人员造成烧伤或死亡的可能性增加，因此将热辐射强度12.5 kW/m2作为本次模拟喷射火热辐射强度影响距离的临界点。

5 事故模拟

本文针对储氢瓶压力分别为20 MPa、30 MPa和45 MPa 的氢气长管拖车(水容积21 m3，泄漏孔直径20 mm)失效泄漏的气体扩散和火灾事件进行后果模拟和影响分析。

5.1 模拟场景定义

模拟场景假定氢气长管拖车尾部的装卸阀门故障失效泄漏，或者车辆追尾事故造成阀门、管道失效泄漏，泄漏后首先产生气体扩散后果；氢气尾部泄漏水平喷射，泄漏持续时间60 s，然后泄漏气体在第60 s 被点燃，产生喷射火灾后果。模拟场景的气象条件为：环境温度25 ℃，中等风速3 m/s，风向与泄漏方向一致，大气稳定度等级为D。模拟假定行驶车辆泄漏后处于停车状态，暂不考虑车速对氢气扩散的影响。氢气长管拖车建模如图2 所示。

图2 氢气长管拖车建模

场景模拟首先基于PHAST 软件的经验公式计算泄漏孔直径为20 mm 时，储氢瓶压力分别为20 MPa、30 MPa 和45 MPa 氢气长管拖车泄漏质量速率分别为3.79 kg/s、5.60 kg/s 和8.22 kg/s，然后将泄漏质量速率、环境温度、风速等边界条件加载到KFX 软件的三维计算网格中进行后果模拟。

5.2 模拟后果分析

(1) 可燃气体扩散图解。以储氢瓶压力为20 MPa 氢气长管拖车为例，氢气泄漏扩散60 s 后的可燃浓度扩散气云，如图3 所示。氢气水平喷射，远处气团冲击公路表面，可燃浓度下限LFL(体积分数4%)以上浓度扩散距离为130 m。氢气扩散过程中可燃浓度气云受风力作用被逐渐拉长，而氢气质量较轻，泄漏时向上逃逸速度较快，因此气云呈现向上拉伸的效果。

图3 长管拖车泄漏气体的可燃浓度扩散气云

(2) 喷射火热辐射图解。以储氢瓶压力为20 MPa 氢气长管拖车为例，尾部泄漏的氢气被点燃，风速和大气稳定度组合条件3D(3 是指中等风速3 m/s，D 是指大气稳定度等级)，水平方向泄漏，风向与泄漏方向一致，火焰水平段长度为20 m。由于氢气和燃烧产物(水蒸气)的相对空气密度小，火焰尾部存在明显的浮力抬升效应，如图4 所示。

图4 长管拖车尾气事故性泄漏的火灾后果

氢气长管拖车尾部泄漏的氢气被点燃，燃烧火焰高温区域立面图，如图5 所示，火焰最高温度分布在槽车尾部近15 m 范围。

图5 长管拖车尾部燃烧火焰立面

氢气长管拖车尾部泄漏的氢气被点燃，火灾热辐射强度分布如图6 所示，12.5 kW/m2以上热辐射强度影响至拖车尾部45 m、槽车每侧25 m 的范围。

图6 长管拖车火灾热辐射横向断面

5.3 模拟结果小结

对储氢瓶压力分别为20 MPa、30 MPa 和45 MPa 氢气长管拖车失效泄漏的可燃浓度气云(体积分数4.0%～75%)扩散距离及喷射火热辐射强度(12.5 kW/m2)影响距离的模拟计算，得出以下结论：

(1) 当长管拖车氢气泄漏扩散60 s 后，20 MPa、30 MPa、45 MPa 可燃浓度气云扩散距离分别为130 m、130 m、110 m，可燃浓度气云扩散距离与长管拖车压力呈负相关。这是因为45 MPa 压力等级在泄漏点附近的气云尺寸大，更多的气云受到地面限制，对水平气流产生干扰，浮力驱动向上扩散的主导作用更强，且由于气云浓度高，稀释和扩散需要更大的距离和更多的时间，这些因素造成其可燃浓度气云的扩散距离在设定时间内小于20 MPa和30 MPa 的压力等级。

(2) 氢气长管拖车尾部泄漏的氢气被点燃，20 MPa、30 MPa、45 MPa 喷射火热辐射在水平喷射方向的影响距离分别为45 m、52 m、60 m，可见热辐射影响距离与长管拖车压力呈正相关。这是因为压力等级越高，泄漏气云浓度越大，发生喷射火的热辐射强度越大；而拖车两侧的影响距离在20 MPa 和30 MPa 两个压力等级下的影响距离差异不明显，主要是两侧热辐射受自然风力的阻碍(假定自然风与车辆轴向平行，与水平喷射方向一致)，在一定压力范围内风力会限制拖车两侧的热辐射距离。当压力升高至45 MPa 时，热辐射突破风力限制，影响距离扩散到拖车两侧35 m 范围内。

氢气长管拖车扩散和火灾后果模拟结果汇总见表2。

表2 氢气长管拖车尾气泄漏的后果模拟结果

根据表3 所示的模拟结果，建议当拖车发生泄漏火灾事故时，拖车周围按热辐射强度影响距离进行分区管理。目前国内常规的氢气长管拖车工作压力主要为20 MPa，热辐射强度为12.5 kW/m2的影响距离最大至拖车尾部45 m，叠加10%安全系数。因此，以事故拖车为中心，将直线距离50 m 范围内划分为“热区(hot zone)”，禁止人员停留，无关人员尽快撤离；50～150 m 范围内划分为“暖区(warm zone)”，允许消防救援人员有限时间停留；150 m 以外范围划分为“冷区(cold zone)”，属于安全地带。

6 结语

本文采用定量风险分析QRA 评估了长管拖车氢气泄漏事故中可燃浓度气云的扩散距离和喷射火热辐射强度的影响距离，可为氢气长管拖车的安全风险管理提供借鉴和参考。为防止或减轻长管拖车事故影响，建议在生产阶段应重视氢气长管拖车设计、制造、安装等关键环节的质量把控，强化设备的密封性能；在使用阶段应加强设施泄漏探测、加强完整性管理以及操作人员的培训防护等，必须按照T/CCGA 40003—2021《氢气长管拖车安全使用技术规范》的要求，加强氢气长管拖车的日常检查和定期检验，提升氢气长管拖车全生命周期安全水平。