劉 超 李向欣 胡緒鑫 李祥岳

中國(guó)人民警察大學(xué)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及國(guó)家戰(zhàn)略的調(diào)整，全國(guó)范圍內(nèi)儲(chǔ)罐區(qū)數(shù)量迅猛增加，隨之而來(lái)油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越高。油罐區(qū)一旦發(fā)生事故，極易處于失控狀態(tài)，危害后果十分嚴(yán)重。例如：2015年4月，漳州騰龍芳烴有限公司發(fā)生重大火災(zāi)爆炸事故，造成6人受傷、近1億元的經(jīng)濟(jì)損失。油罐區(qū)事故具有復(fù)雜性，多種事故類型往往相互作用，過(guò)去只對(duì)單一事故進(jìn)行研究的模式已不能適應(yīng)滅火作戰(zhàn)的需要[1-2]。深入研究油罐區(qū)事故的發(fā)展規(guī)律，科學(xué)預(yù)測(cè)耦合事故的危害范圍，為消防部隊(duì)制定處置預(yù)案提供理論支撐已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 油罐區(qū)耦合事故的特性

1.1 油罐區(qū)單一事故的類型

根據(jù)事故發(fā)生的位置及規(guī)?？煞譃楣摅w或管道泄漏、密封圈火災(zāi)、浮頂泄漏局部火災(zāi)、蒸氣云爆炸、全液面火災(zāi)、油罐爆炸、防火堤內(nèi)火災(zāi)等10余種，但按種類劃分主要為泄漏、池火災(zāi)、油罐爆炸、蒸氣云爆炸。

由于外界因素使得油罐或管道破裂，大量油品外流。油品外流后，在重力以及地形的作用下四處漫延，直至達(dá)到一定的飽和范圍，形成近似圓形的液池面，大約4%的油品會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)。由于油品毒性較低，泄漏后通常不考慮中毒事故。同時(shí)油品具有易燃易爆且易受外部環(huán)境條件干擾的特性，遇火源則轉(zhuǎn)化為蒸氣云爆炸或池火災(zāi)。池火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射，臨近設(shè)施可能因?yàn)閺?qiáng)烈的熱輻射發(fā)生新的事故。重質(zhì)油品的全液面池火災(zāi)在撲救不及時(shí)的情況下有可能發(fā)生沸溢噴濺。對(duì)于拱頂罐和內(nèi)浮頂罐，還有可能發(fā)生油罐爆炸。蒸氣云爆炸與油罐爆炸的成災(zāi)機(jī)理以及危害形式相同，但蒸氣云爆炸的能量完全以沖擊波的形式作用于周圍環(huán)境，但油罐爆炸所處的區(qū)域封閉性更強(qiáng)，沖擊波的部分能量被罐體吸收，對(duì)周圍環(huán)境的危害相對(duì)較小。

1.2 油罐區(qū)耦合事故的機(jī)理

在參考了各學(xué)科對(duì)于耦合的定義，同時(shí)結(jié)合油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故特征，將耦合事故定義為：事故發(fā)展過(guò)程中，由于各因素間相互作用，使得不同的事故類型相互影響，事故的危害后果發(fā)生變化。油罐區(qū)耦合事故主要表現(xiàn)為池火災(zāi)、泄漏、蒸氣云爆炸、油罐爆炸等事故間的相互耦合。LASTFIRE統(tǒng)計(jì)的71例油罐火災(zāi)事故中，耦合事故占50起，占火災(zāi)總數(shù)的70%[3]。

油罐耦合事故有零耦合、強(qiáng)耦合兩種類型[4]。零耦合指的是單一事故間相互作用未改變事故的危害后果，表現(xiàn)形式為“1+1=2”。強(qiáng)耦合指的是各單一事故之間相互影響，使得事故的危害后果呈上升趨勢(shì)，表現(xiàn)形式為“1+1＞2”，強(qiáng)耦合是油罐區(qū)事故的主要耦合類型。例如，由于管道發(fā)生破裂，造成大量的原油外流，遇火源形成大面積的流淌火，強(qiáng)烈的熱輻射導(dǎo)致相鄰儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸，兩單一事故耦合作用后危害范圍擴(kuò)大。

2 耦合事故危害范圍的預(yù)測(cè)

2.1 單一事故危害范圍的數(shù)學(xué)模型

2.1.1 池火災(zāi)

油罐火災(zāi)主要類型為池火災(zāi)。池火災(zāi)數(shù)學(xué)模型是根據(jù)火焰特征以及燃燒特性建立的。常用的數(shù)學(xué)模型有點(diǎn)火源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型等[5-7]。由于油罐事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，救援時(shí)間緊迫，本文采用計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便的點(diǎn)火源模型。

式中，

Q—總輻射熱通量，kW；

I—熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；

tc—熱傳導(dǎo)系數(shù)，通常取值為1；

X—目標(biāo)點(diǎn)到池火中心的距離，m。

2.1.2 蒸氣云爆炸

當(dāng)發(fā)生蒸氣云爆炸時(shí)，沖擊波對(duì)周圍設(shè)施及人員的危害采用TNT當(dāng)量模型進(jìn)行預(yù)測(cè)[8]。蒸發(fā)的油品并非完全參與到爆炸中去，為了保守估計(jì)，則認(rèn)為蒸發(fā)量等于爆炸量。計(jì)算公式如下所示：

式中，

W—泄漏油品的質(zhì)量，kg；

α—參與爆炸的燃料占泄漏燃料的比例，取平均值0.04；

qTNT—單位質(zhì)量TNT爆炸所釋放出的能量，4.52 MJ/kg。

2.1.3 油罐爆炸

荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院通過(guò)研究得到了油罐爆炸的沖擊波危害半徑計(jì)算公式[9]：

式中，

r—損害半徑，m；

V1—參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w體積，m3；

η—效率因子，其值與燃燒濃度持續(xù)展開所造成損耗的比例和燃燒所得機(jī)械能的數(shù)量有關(guān)，一般取10%；

CS—危害等級(jí)系數(shù)，其取值，見(jiàn)表1。

2.2 危害程度的劃分

不同區(qū)域的人員所受的危害程度存在差異，根據(jù)危害程度的不同以事故點(diǎn)為中心劃分重度區(qū)、中度區(qū)、輕度區(qū)。其中，重度區(qū)距離事故儲(chǔ)罐最近，該區(qū)域極易造成大規(guī)模人員傷亡以及建構(gòu)筑設(shè)施完全損壞。中度區(qū)距離事故儲(chǔ)罐中等距離，該區(qū)域的人員若缺少防護(hù)且未及時(shí)撤離，其中半數(shù)人會(huì)出現(xiàn)中等程度的傷害，極少數(shù)人員可能死亡，建構(gòu)筑設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞。輕度區(qū)距離事故儲(chǔ)罐較遠(yuǎn)，該區(qū)域的人員一般受到輕微傷害，建構(gòu)筑設(shè)施發(fā)生輕微的變形。本文在參考超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、超壓—沖量準(zhǔn)則后確定了沖擊波的傷害閾值，依據(jù)熱輻射通量準(zhǔn)則和熱輻射強(qiáng)度準(zhǔn)則確定了熱輻射的傷害閾值，見(jiàn)表1。

表1 傷害閾值

2.3 耦合事故危害范圍的確定方法

2.3.1 單一事故危險(xiǎn)性指數(shù)

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合單一事故的閾值以及事故危險(xiǎn)性因子對(duì)人、環(huán)境的危害程度，對(duì)單一事故進(jìn)行分級(jí)，H代表各類單一事故在不同危害程度下的危險(xiǎn)性指數(shù)，見(jiàn)表2-4。

表2 火災(zāi)事故危險(xiǎn)性指數(shù)

表3 油罐罐體爆炸危險(xiǎn)性指數(shù)

表4 爆炸事故危險(xiǎn)性指數(shù)

2.3.2 耦合事故危險(xiǎn)性改變量

耦合事故發(fā)生時(shí)，各單一事故通過(guò)因素的相互作用使得事故危害后果增大，但耦合的規(guī)模以及耦合程度受各種外界因素影響，因此耦合事故的危害后果具有一定的不確定性。本文通過(guò)耦合事故危險(xiǎn)性改變量ΔHi在一定程度上對(duì)危害范圍進(jìn)行調(diào)整，量化由于耦合事故所導(dǎo)致危害后果增加的部分，較為科學(xué)地預(yù)測(cè)危害范圍。當(dāng)耦合事故為雙災(zāi)種耦合時(shí)，根據(jù)改變量ΔHi矩陣選取數(shù)值，若為三災(zāi)種耦合時(shí)，可視為2個(gè)雙災(zāi)種耦合相加，如蒸氣云爆炸-池火災(zāi)-油罐爆炸的耦合可視為蒸氣云爆炸-池火災(zāi)與油罐爆炸-池火災(zāi)的耦合數(shù)值之和。耦合事故危險(xiǎn)性改變量ΔHi矩陣，見(jiàn)表5。

表5 耦合事故危險(xiǎn)性改變量ΔHi矩陣

2.3.3 耦合事故危害半徑

在對(duì)初始事故場(chǎng)景進(jìn)行分析后，判斷可能參與耦合的事故類型，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型計(jì)算各單一事故在不同危害程度下的危害半徑，采用最大值原則分別得到重、中、輕度區(qū)危害半徑的最大值rmax，將rmax帶入公式（4）中即可得到耦合事故危害范圍的半徑R耦。

3 應(yīng)用舉例

3.1 案例基本情況

某城市化工園區(qū)內(nèi)建設(shè)有一儲(chǔ)罐區(qū)，罐區(qū)內(nèi)共有四個(gè)儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存介質(zhì)為柴油和汽油。汽油的密度為740kg/m3，燃燒熱為46MJ/kg；柴油的密度為850kg/m3，燃燒熱為42.5MJ/kg，具體參數(shù)，見(jiàn)表6。儲(chǔ)罐區(qū)長(zhǎng)寬均為129m，儲(chǔ)罐分布，如下圖。

表6 儲(chǔ)罐具體參數(shù)

圖 儲(chǔ)罐區(qū)分布情況示意圖

3.2 事故情景分析

由于操作人員的失誤，1號(hào)汽油罐管道發(fā)生破裂，大量汽油泄漏，泄漏量為30m3，泄漏的汽油在防火堤內(nèi)的一側(cè)聚積形成液池，面積約為700m2且未立即引發(fā)火災(zāi)以及爆炸事故，當(dāng)天無(wú)風(fēng)。

對(duì)初始事故進(jìn)行分析，初始事故為汽油泄漏事故，但由于泄漏量較大，且汽油易揮發(fā)，因此事故現(xiàn)場(chǎng)極易發(fā)生蒸氣云爆炸和池火災(zāi)的耦合。倘若引發(fā)池火災(zāi)，則汽油罐可能在池火災(zāi)的猛烈烘烤下發(fā)生油罐爆炸，使得耦合事故更加復(fù)雜，因此危害范圍的確定應(yīng)基于蒸氣云爆炸、池火災(zāi)以及油罐爆炸3者耦合的情況下。

3.3 單一事故危害半徑

液池的面積約為700m2，近似視為半徑15m的圓形液池。對(duì)于油罐爆炸，出于保守起見(jiàn)，爆炸體積考慮為油罐上部未充滿部分，為1500m3。分別根據(jù)池火災(zāi)模型、蒸氣云爆炸模型以及油罐爆炸模型求出單一事故在不同危害程度下的危害半徑，見(jiàn)表7。

表7 單一事故的危害半徑

3.4 耦合事故危害范圍

通過(guò)計(jì)算以及查表5得此次事故中油罐爆炸、蒸氣云爆炸、以及池火災(zāi)的危險(xiǎn)性指數(shù)分別為2、3、3。將事故中蒸氣云爆炸-池火災(zāi)-油罐爆炸多災(zāi)種耦合視為蒸氣云爆炸-池火災(zāi)、油罐爆炸-池火災(zāi)耦合相加，危險(xiǎn)性改變量為兩者數(shù)值之和。因此耦合事故的危險(xiǎn)性改變量為：0.3+0.3=0.6。通過(guò)比較各單一事故在不同危害程度下的危害半徑，得到危害半徑的最大值r重max、r中max、r低max，分別為57.1m、114.2m、285.5m。

將危險(xiǎn)性改變量以及危害范圍的最大值帶入公式（4）中，可預(yù)測(cè)出耦合事故的危害范圍，見(jiàn)表8。

表8 耦合事故安全距離的預(yù)測(cè)

3.5 結(jié)果分析與討論

（1）由表7可知，油罐單一事故中油罐爆炸相比于池火災(zāi)以及蒸汽云爆炸，其后果相對(duì)嚴(yán)重，危害范圍最大，因此在處置過(guò)程中應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐做好防護(hù)措施，避免儲(chǔ)罐出現(xiàn)爆炸。

（2）油罐區(qū)事故現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，往往多種事故相互耦合，通過(guò)分析各單一事故規(guī)模預(yù)測(cè)耦合事故發(fā)生后危害后果的變化，耦合事故的危害半徑變?yōu)閱我皇鹿实?.6倍。

（3）耦合事故的作用使得危害范圍大大增加，指揮員在耦合事故發(fā)生前就應(yīng)考慮危害范圍的變化，合理地確定安全區(qū)域，科學(xué)地進(jìn)行力量部署，同時(shí)兼顧處置的效率以及處置人員的安全。

4 結(jié)論與不足

（1）通過(guò)對(duì)油罐單一事故進(jìn)行分析，可得油罐事故類型相對(duì)較多，在處置過(guò)程中應(yīng)盡可能地破壞事故的形成條件，切斷單一事故發(fā)生的可能性，避免出現(xiàn)耦合事故。

（2）針對(duì)油罐區(qū)耦合事故發(fā)生頻次高且危害大的特點(diǎn)，本文提出了油罐區(qū)耦合事故危害范圍預(yù)測(cè)的方法，幫助指揮員在掌握現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情的基礎(chǔ)上，對(duì)事故的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行一定的預(yù)判，合理的劃分危害范圍。

（3）本文所提出的預(yù)測(cè)方法，其具有一定的理論基礎(chǔ)，且在一定程度上能夠消除指揮員對(duì)于短時(shí)間內(nèi)事故迅速擴(kuò)大而出現(xiàn)人員傷亡的擔(dān)憂，但不足之處在于缺少在實(shí)際油罐區(qū)耦合事故中的檢驗(yàn)。