隧道火灾中氢气罐破裂的QRA（定量风险评估）方法
PART01总结本文参考：QRAmethodologyofhydrogentankruptureinafireinatunnel在当今全球积极寻求可持续能源解决方案的大背景下，氢燃料电池汽车（HFCV）凭借其零排放等诸多优势，正逐渐成为未来交通领域的重要发展方向。越来越多的国家和地区大力推动HFCV的研发、生产与应用，涵盖轿车、公交车、卡车乃至火车、船舶和飞机等多种交通工具。然而，随着氢燃料电池汽车数量的增加以及应用场景的拓展，其安全性问题愈发受到关注，特别是在像隧道这样的封闭空间内，一旦发生事故，后果可能极为严重。从技术原理来看，氢燃料电池汽车通过电化学反应将氢气的化学能转化为电能，为车辆提供动力，这一过程本身较为清洁高效。但氢气具有密度小、扩散速度快、着火能量低以及燃烧范围广等特性，这使得氢燃料电池汽车在某些情况下存在一定安全隐患。比如，在车辆发生碰撞、遭受火灾或者其他极端情况时，车载储氢系统有可能受损，进而引发氢气泄漏，一旦遇到火源，极易引发燃烧甚至爆炸。格拉茨理工大学（TUGraz）的研究团队在奥地利政府的资助下，深入分析了涉及氢动力汽车的交通事故潜在风险。研究指出，尽管目前道路上燃料电池汽车数量稀少，导致此类交通事故发生概率较低，但由于燃料电池乘用车的氢罐通常加压至700bar，公共汽车和卡车等较重车辆的氢罐加压至350bar，一旦氢罐在事故中破裂，将会瞬间释放出巨大能量，加之氢气在超过2,000°C的高温下燃烧，极有可能造成毁灭性后果。该团队还特别强调，虽然氢罐在设计上通常能够较好地抵御一般机械冲击，但面对与卡车的追尾碰撞等严重冲击时，现有氢罐难以承受。在隧道环境中，氢燃料电池汽车事故的危害程度会因空间封闭、通风条件受限等因素进一步加剧。欧盟的HyTunnelCs项目通过一系列实验，对隧道中氢动力汽车事故的潜在损害程度进行了详细分析。实验结果表明，由于氢气的高能量密度以及储存的高压状态，氢燃料电池汽车在隧道中一旦发生事故，其损坏潜力巨大。当隧道内发生涉及氢燃料电池汽车的严重事故时，可能出现以下几种危险场景：第一种情况，当车辆着火，热压释放装置（TPRD）正常启动，氢气会以受控射流的形式从氢罐中释放出来，方向远离汽车并朝向地面，以此防止氢罐爆炸。不过，格拉茨工业大学也指出，若该射流着火，依然十分危险，因为氢气燃烧时无色无味，难以察觉，只是其危险区域相对有限。第二种情况，如果热泄压装置失效，氢罐发生爆炸，强大的冲击波将迅速蔓延至整个隧道。根据格拉茨工业大学的警告，在距离爆炸中心30米范围内，人员面临着极高的死亡风险；在300米以内，旁观者极有可能遭受“严重的内伤，例如肺部出血”；即便距离更远，也存在耳膜破裂的风险。第三种情况，氢气从氢罐中释放出来，但在碰撞后没有立即着火。由于氢气是元素周期表中最轻的元素，它会迅速上升并聚集在隧道天花板下，形成氢气云。若此时遇到诸如热灯开启、风扇启动产生的电脉冲等点火源，氢气云便会爆炸，同样会在隧道中引发强大的冲击波。为深入评估隧道内氢燃料电池汽车火灾事件的风险，阿尔斯特大学的研究团队构建了一套定量风险评估（QRA）方法。该方法聚焦于公路隧道场景，着重考虑70MPa、62.4升氢罐在99%和59%两种充电状态（SoC）下，遭遇火灾发生破裂后的后果，并对每辆车每年的死亡风险以及每次事故的成本展开评估。耐火等级（FRR）是影响氢罐安全性的关键因素之一。当前车载复合高压储罐在面对汽油/柴油/氢火灾，且火灾强度为HRR/A=1-4MW/m²时，耐火等级普遍较低，仅为4-8分钟。阿尔斯特大学的研究表明，FRR受到火灾比热释放率（HRR/A）、储罐设计以及充电状态（SoC）等多种因素影响。一般而言，HRR/A越高，FRR值越大；而在车辆实际使用过程中，随着车辆行驶，SoC会逐渐降低，当SoC降低到一定程度，例如低于54%时，储罐在火灾中可能不会破裂，而是发生泄漏。在QRA方法中，死亡风险的计算综合考虑了死亡概率、储罐破裂频率以及受影响个体数量等因素。同时，还将TPRD失效概率、火灾升级概率等参数纳入考量范围。例如，通过将火灾发生频率、储罐破裂概率、隧道长度、隧道吞吐量以及局部火灾模式概率等参数相乘，可得出储罐破裂频率。而火灾发生频率又通过隧道内事故频率、严重事故概率以及碰撞后火灾概率相乘得到。以类似都柏林隧道的假设隧道为实例进行分析，该隧道长度为2.89英里（4650米），有2个管廊，每个管廊2条车道。研究假设一辆氢燃料电池汽车在隧道内遭遇严重事故并引发火灾，车上62.4升、NWP=70MPa、氢质量m=2.5kg的较大储罐在火灾中破裂，且不引发较小储罐破裂。同时假设事故位置距离隧道管廊出口50米，导致同一方向管廊内两条车道堵塞，受影响隧道长度达4600m。针对SoC=59%（相当于20°C时35.5MPa的存储压力和1.5kg的氢）和SoC=99%两种情况，对隧道内冲击波衰减进行计算，确定不同危害区域。结果显示，对于SoC=59%的储罐破裂，死亡区域在距离汽车前70米内，该区域内受影响人数经计算约为23.25人，按照英国健康与安全执行局（HSE）规定的死亡成本标准，此次事故因人员死亡造成的损失高达31,080,600英镑/事故。从频率分析角度来看，由于目前缺乏氢燃料电池汽车火灾事故的统计数据，研究人员假设与氢燃料电池汽车相关的初始火灾事件频率评估参数与化石燃料汽车相同。通过一系列复杂计算，得出初始火灾事件频率为5.84×10⁻³火灾/10⁶车辆-英里/年。在TPRD失效概率方面，由于缺乏氢动力汽车TPRD失效率的公开数据，研究参考公开数据库NPRD中压力释放装置（PRD）随机机械失效概率的保守特征值6.04×10⁻³，并结合FireComp项目提出的在火灾条件下TPRD的失效概率数据，计算出在局部火灾情景下TPRD的失效概率为5.03×10⁻¹。升级概率则通过实施概率单位函数Y来评估，考虑到消防队到达火灾事故现场不同响应时间的失效概率，结合氢罐的FRR，计算出升级概率。最终，得出储罐破裂概率为2.97×10⁻¹，储罐破裂频率为6.89×10⁻³破裂/年。研究结果表明，当氢罐FRR为8分钟时，每辆车每年的死亡风险高达1.07×10⁻²死亡/车辆/年，远远超出可接受标准值10⁻⁵死亡/车辆/年。若要将风险降低到可接受水平，需将氢罐的FRR提高到58分钟。而若想使每次事故的成本风险也降低到可接受水平（300英镑/事故），则需将FRR进一步提高到91分钟。为实现氢罐FRR的提升，可采用多种技术手段。例如，使用膨胀型涂料是一种可行方案，当膨胀型涂料层厚度约为1厘米时，氢罐的FRR有可能超过1.5小时。但这种方法会增加车载储罐的额外体积，在实际应用中存在一定局限性。相比之下，微泄漏-不破裂（μLNB）无爆炸、火灾自通风（无TPRD）储罐的突破性安全技术具有显著优势。该技术能够在不改变储罐壁厚的前提下，赋予储罐前所未有的安全特性，有效排除火灾中储罐破裂的风险，同时避免了TPRD作为潜在失效源带来的安全隐患。总体而言，随着氢燃料电池汽车在未来交通领域的应用逐渐广泛，确保其在各种场景下的安全性至关重要。尤其是在隧道等封闭空间内，需要通过不断优化车辆设计、提升储氢系统安全性、完善风险评估方法以及制定科学合理的安全标准和规范等多方面措施，来有效降低事故风险，保障人员生命财产安全，推动氢燃料电池汽车产业的健康可持续发展。PART02摘要本文旨在为隧道内燃料电池汽车的火灾事件开发一种定量风险评估（QRA）方法。该方法应用于公路隧道。考虑了70MPa、62.4升氢罐在两种充电状态（即99%和59%）下火灾破裂的后果分析。评估了每辆车每年的死亡风险和每次事故的成本。为将风险降低到可接受的10⁻⁵死亡/车辆/年水平，车载储氢罐在隧道中的耐火等级（FRR）应高于58分钟。将FRR提高到91分钟，可将两种风险都降低到可接受水平，即每辆车每年的死亡风险和每次事故的成本（300英镑/事故）。为了氢动力汽车在隧道中的本质安全使用，建议相应地提高FRR，或者使用无爆炸、火灾自通风、无热激活泄压装置（TPRD）的储罐。PART03关键词风险评估、氢安全、隧道、氢存储、自通风容器。PART04术语表𝑓𝑖𝑟𝑒𝑖𝑛𝑖𝑡.：火灾发生𝐸：能量（J）𝐸𝑃：升级概率（-）𝐻₂：氢𝑙𝑜𝑐.𝑓𝑖𝑟𝑒：局部火灾𝐹：频率（事故/10⁶车辆-英里/年；破裂/车辆/年）𝑚：机械（能量）𝑛𝑜𝑙𝑒𝑎𝑘：无氢泄漏𝐻𝑅𝑅/𝐴：火灾比热释放率（W/m²）𝐿：长度（m）𝑝−𝑐𝑟𝑎𝑠ℎ𝑓𝑖𝑟𝑒𝑠𝑒𝑣.𝑎𝑐𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡：碰撞后火灾严重事故𝑚：质量（kg）𝑠𝑒𝑟.𝑖𝑛𝑗𝑢𝑟𝑦：严重伤害𝑁：受影响的人数（死亡/破裂）𝑠𝑙.𝑖𝑛𝑗𝑢𝑟𝑦：轻微伤害𝑡𝑜𝑡：总计𝑃：概率（-）𝑇𝑃𝑅𝐷𝑓𝑎𝑖𝑙.：TPRD失效𝑅𝑖𝑠𝑘：风险（死亡/车辆/年；英镑/事故）𝑡𝑢𝑛.𝑎𝑐𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡：隧道内事故𝑉：储罐体积（m³）下标𝑐ℎ：化学（能量）𝑡.𝑟𝑢𝑝𝑡.：氢罐破裂𝑓𝑎𝑡.：死亡PART05引言世界上许多国家都在部署氢燃料电池汽车（HFCV），包括轿车、公交车、卡车、火车、船舶和飞机。诸如易燃液体泄漏、氢喷射火、阴燃火等火灾事件可能导致氢罐破裂。当前的车载复合高压储罐在汽油/柴油/氢火灾中，当强度为HRR/A=1-4MW/m²时，耐火等级（FRR）较低，为4-8分钟[1-4]。在像隧道这样的封闭空间中，氢燃料电池汽车发生的事件可能升级为火灾，并导致车载储罐灾难性破裂，对生命、财产和建筑环境造成后果。事件的严重程度和风险值将取决于储罐体积和压力、隧道和交通参数。虽然隧道中的定量风险评估（QRA）模型[5]侧重于隧道的社会风险和安全措施，但缺乏考虑氢燃料电池汽车相关安全问题的隧道内QRA方法。实际上，在涉及公众和急救人员的安全时，个体风险水平至关重要。研究[6]表明，通过创新的工程解决方案，提高车载存储的FRR可以将风险降低到可接受的10⁻⁵死亡/车辆/年水平。火灾的比热释放率（HRR），即HRR/A，直接影响储罐的FRR[4]。考虑到HRR/A越高，FRR值越大，当前的标准储罐在火灾中可能耐受约4-8分钟。文献中不同实验室获得的FRR值存在差异的原因之一是GTR#13[7]现行的火灾测试协议没有规定HRR/A的控制。影响FRR的其他因素包括储罐设计和充电状态（SoC）。在两次加油之间驾驶车辆时，SoC总是低于100%。观察到17辆氢动力汽车在加油前的SoC平均值在17%到59%之间[8]。因此，研究SoC=100%的储罐的后果分析将是最坏情况。当SoC降低到一定水平时，例如在数值研究[4]中低于54%，储罐在火灾中不会破裂，而是泄漏。本研究不涉及对不同危害的详细综合分析，包括来自热激活泄压装置（TPRD）的喷射火、爆燃和爆轰可能产生的压力和热效应，以及储罐爆炸产生的抛射物。本QRA研究旨在解决隧道内储罐破裂后的冲击波相关风险。在典型隧道上演示了QRA方法，以计算冲击波衰减并确定死亡、伤害和无伤害的危险距离。针对SoC=99%和SoC=59%，评估了每辆车每年的死亡风险和每次事故的成本（仅考虑人员生命损失）。PART06隧道内车载氢罐破裂的QRA图1显示了QRA方法的流程图。基于氢罐破裂的后果分析和公路隧道内每辆车每年的破裂频率，计算每辆车每年的死亡风险（图1a）。遵循类似的后果分析程序，使用储罐破裂概率并额外考虑事件情景中的人员生命损失，评估每次事故的成本风险（图1b）。火球、热危害、严重伤害、轻微伤害图1.隧道内氢燃料电池汽车的QRA方法流程图：(a)每辆车每年的死亡风险；(b)每次事故的货币损失风险。a由于目前没有评估隧道内火球传播的工具，本研究不考虑火球和热危害。b本研究不考虑严重和轻微伤害；仅考虑死亡。隧道内储罐破裂后的主要危害被认为是冲击波，由于问题的一维特性，其随距离的衰减很小，以及火球（本研究未考虑），根据初步计算研究，火球在隧道中以高达20-25m/s的速度在冲击波后面传播。隧道内冲击波对人体的有害影响（见图2）基于预先定义的伤害标准[9]：死亡严重伤害轻微伤害无伤害沿隧道的冲击波衰减图2.隧道内可能的超压阈值和危险区域的示意图。描述“严重”和“轻微”伤害的区域是通过阈值划分隧道内超压范围的结果。频率分析（见图1）包括通过将以下参数相乘来估计储罐破裂频率（破裂/年）：火灾发生频率、储罐破裂概率、隧道参数（即隧道长度和隧道吞吐量）以及局部火灾模式的概率（在所有发生的火灾中）。这里，火灾发生频率是通过将隧道内事故频率、严重事故概率和碰撞后火灾概率相乘计算得出的。储罐破裂概率包括无氢泄漏的概率（因为在储罐破裂前被认为无泄漏），根据[10]，还包括火灾升级概率和TPRD失效概率。在所有火灾中，局部（在影响或不影响TPRD的意义上）火灾类型的概率没有统计数据，可能也无法获得。实际上，每场火灾都可能是局部火灾，例如液体泄漏的边缘影响储罐，或者是吞噬储罐的火灾。此外，火灾可能开始时是局部的，由于初始燃烧面积较小，然后发展为吞噬性火灾（按照GTR#13火灾测试协议）。因此，在我们的研究中，假设所有火灾中有一半会以吞噬性火灾的形式影响储罐，另一半以局部火灾的形式影响。因此，局部火灾的概率Ploc.fire取为0.5。后果分析包括估计死亡概率（Pfat./破裂）和受影响的个体，即车辆乘客（人/车辆）。最后，每辆车每年的死亡风险计算为死亡概率、储罐破裂频率和隧道内受死亡影响的个体（见图1a）的乘积。每次事故的成本风险估计为生命成本（基于受影响的个体）和储罐破裂概率的乘积。后者通过将无氢泄漏概率、火灾升级概率和TPRD失效概率相乘计算得出。PART07QRA方法应用示例本研究中假设隧道的尺寸类似于都柏林隧道，长度为2.89英里（4650米），基于英国和爱尔兰不同隧道的可用信息[11]。该隧道有2个管廊，每个管廊2条车道。一个管廊内的交通在两条车道上同向行驶。在QRA方法应用示例中，将对1个管廊进行后果分析。拟议的情景包括以下假设：一辆氢燃料电池汽车在隧道内遭遇严重事故并引发火灾，车上62.4升、NWP=70MPa、氢质量m=2.5kg的较大储罐在火灾中破裂，且不引发较小储罐破裂。较大储罐的破裂不会引发较小储罐的破裂。后一个假设被视为单个储罐破裂的孤立案例。隧道内的冲击波衰减是针对独立储罐破裂的情况计算的，即不考虑压缩气体的机械能用于车辆破坏、车身框架平移等[13]。其理由是，在远场，实际上是整个隧道长度上，独立储罐或车下储罐的冲击波强度相似[14]。汽车事故位置距离隧道管廊出口50米，导致同一方向管廊内两条车道堵塞，受影响隧道长度达4600m。针对SoC=59%（相当于20°C时35.5MPa的存储压力和1.5kg的氢）和SoC=99%两种情况，对隧道内冲击波衰减进行计算，确定不同危害区域。表1显示了机械能Em和化学能Ech的分数，这些分数有助于冲击波强度，并使用方法[14]计算。a将用于方法应用示例中的后果分析。表2列出了本研究的隧道参数、假设的车辆数量和每辆车的平均人数。a5.5×10⁶车辆吞吐量是针对隧道的两个管廊，对于一个管廊，该值为5.5×10⁶/2=2.75×10⁶，将在我们的研究中使用。后果分析储罐破裂是由于储罐暴露于初始火灾，且两个安全屏障（即TPRD被火灾启动和应急行动灭火）均失效。图3显示了事件的序列。汽车事故由于TPRD失效导致的火灾应急操作失败氢罐破裂冲击波图3.导致火灾中储罐破裂并产生冲击波的事件序列。关于氢储氢罐在火灾中的性能、储罐破裂的后果以及冲击波形成和衰减机制的实验[17-19]和数值[4]研究仅在开阔大气中进行。关于与三硝基甲苯（TNT）质量相当的高能炸药装药，只有部分数据可用。另一方面，TNT冲击波与氢罐在火灾中破裂产生的冲击波不同，特别是在化学能的释放过程方面。本研究应用原始的无量纲相关性[13]来计算62.4升、70MPa储罐在SoC=99%（70MPa，20℃）和SoC=59%（35.5MPa，20℃）下破裂后隧道内的冲击波衰减。相关性[13]允许对任何横截面面积、纵横比和长度的隧道内火灾中的任何氢罐破裂进行后果评估。计算的假设隧道内超压衰减与三个阈值（死亡、伤害和无伤害）一起显示在图4中。V=62.4L，SoC=99%（P=70MPa）选定的“死亡”阈值V=62.4L，SoC=59%（P=35.5MPa）选定的“伤害”阈值选定的“无伤害”阈值图4.62.4升储罐在SoC=99%和SoC=59%（T=20℃）时隧道内的冲击波衰减对于SoC=59%的储罐破裂，死亡区域在距离汽车前70米内，该区域内受影响人数经计算约为23.25人，按照英国健康与安全执行局（HSE）规定的死亡成本标准，此次事故因人员死亡造成的损失高达31,080,600英镑/事故。频率分析初始火灾事件的频率由于目前缺乏氢燃料电池汽车火灾事故的统计数据，研究人员假设与氢燃料电池汽车相关的初始火灾事件频率评估参数与化石燃料汽车相同。通过一系列复杂计算，得出初始火灾事件频率为5.84×10⁻³火灾/10⁶车辆-英里/年。TPRD的失效概率目前没有关于氢动力汽车TPRD失效率的公开数据。在公开可用的数据库NPRD[22]中，提出的压力释放装置（PRD）的随机机械失效概率的保守特征值为6.04×10⁻³。该值用于计算TPRD失效概率，类似于Dadashzadeh等人[6]的做法。FireComp项目[23]提出，在火灾条件下，TPRD在全淹没火灾中的失效概率为0，在局部火灾中的失效概率为0.5。因此，在我们的研究中，TPRD的失效概率可以计算为：对于全淹没火灾，（1-0）×（6.04×10⁻³）+0=6.04×10⁻³；对于局部火灾，（1-0.5）×（6.04×10⁻³）+0.5=5.03×10⁻¹。Dadashzadeh等人[6]表明，伦敦道路上氢动力汽车的最高风险源于局部火灾。本研究仅关注局部火灾情景，因为它是火灾中储罐破裂的最严重可信情景。升级概率升级概率则通过实施概率单位函数Y来评估，考虑到消防队到达火灾事故现场不同响应时间的失效概率，结合氢罐的FRR，计算出升级概率。储罐破裂概率通过将无氢泄漏概率、火灾升级概率和TPRD失效概率相乘计算得出，最终得出储罐破裂概率为2.97×10⁻¹。储罐破裂频率通过将火灾发生频率、储罐破裂概率、隧道长度、隧道吞吐量以及局部火灾模式概率等参数相乘，得出储罐破裂频率为6.89×10⁻³破裂/年。风险每辆车每年的死亡风险计算为死亡概率、储罐破裂频率和隧道内受死亡影响的个体的乘积。PART08QRA结果与讨论研究结果表明，当氢罐FRR为8分钟时，每辆车每年的死亡风险高达1.07×10⁻²死亡/车辆/年，远远超出可接受标准值10⁻⁵死亡/车辆/年。若要将风险降低到可接受水平，需将氢罐的FRR提高到58分钟。而若想使每次事故的成本风险也降低到可接受水平（300英镑/事故），则需将FRR进一步提高到91分钟。图5a展示了车载氢储氢罐的死亡风险作为FRR的函数。风险可接受标准值被定义为10⁻⁵死亡/车辆/年，这是[29]提出的氢燃料加注站急救人员的可接受风险水平。图5b显示，对于上述FRR=8分钟的储罐，每次事故的风险成本可高达约924万英镑。62.4升储罐在SoC=59%时破裂的风险作为火灾中氢储氢罐FRR的函数：(a)风险（死亡/车辆/年），(b)风险（英镑/事故）。为实现氢罐FRR的提升，可采用多种技术手段：使用膨胀型涂料是一种可行方案，当膨胀型涂料层厚度约为1厘米时，氢罐的FRR有可能超过1.5小时。但这种方法会增加车载储罐的额外体积，在实际应用中存在一定局限性。微泄漏-不破裂（μLNB）无爆炸、火灾自通风（无TPRD）储罐的突破性安全技术已被发明并成功应用于IV型氢储氢罐[30]。该技术允许制造与原始储罐壁厚相同的储罐，但具有前所未有的安全特性，可排除火灾中的破裂并避免TPRD作为潜在的失效源。PART09结论考虑到先前关于隧道内火灾中灾难性氢罐破裂的风险和危害的知识空白，本研究对类似于都柏林隧道的公路隧道内氢动力汽车进行了QRA。这促进了氢技术和燃料电池汽车的本质安全设计，告知利益相关者和公众特定的危害和可接受的风险，并阐明了现有的危害预防和缓解解决方案。这凸显了我们研究的重要性。本研究进一步发展了QRA方法及其应用，以及氢动力汽车事件中隧道内冲击波衰减的新相关性。隧道事件的QRA被展示为对安全和风险降低措施（如提高车载储氢罐的耐火等级）的整体分析。评估了隧道内人员面临的“新”危害，即火灾中储罐破裂后的冲击波，以及相关的风险，包括每辆车每年的死亡风险和每次事故的成本。针对62.4升、NWP=70MPa的氢罐在SoC=99%和SoC=59%的火灾中破裂的情况评估了风险。使用公路隧道事故的现有统计数据集进行了频率分析。使用英国健康与安全执行局提供的概率分析资源评估了每次事故的成本风险。将FRR提高到91分钟可将两种风险都降低到可接受水平，即低于10⁻⁵死亡/车辆/年和300英镑/事故。提及了提高耐火等级和排除火灾中储罐破裂的竞争技术。从行业和欧洲氢项目FireComp获得的PRD失效率的保守特征值被用作TPRD失效频率。来源：气瓶设计的小工程师
