張 林，段佩俠

(中國(guó)石化銷售股份有限公司陜西石油分公司，陜西西安 710000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，許多原處于郊區(qū)早期建設(shè)的石化企業(yè)周邊陸續(xù)修建起高速路、國(guó)道、快速路等，一方面有利于道路運(yùn)輸和人員出行，但同時(shí)也讓臨近石化企業(yè)道路上的車輛人員處于危險(xiǎn)之中。一旦發(fā)生化學(xué)品泄漏、爆炸等事故，極有可能造成道路上車輛損壞和人員傷亡。例如，2018年11月28日河北張家口市盛華化工有限公司發(fā)生的燃爆事故，泄漏的氯乙烯擴(kuò)散到廠區(qū)外的公路上，遇明火發(fā)生爆燃，并引燃周圍車輛，造成重大的人員傷亡，社會(huì)影響極大[1]。

為吸取“11·28”爆燃事故教訓(xùn)，防止發(fā)生類似重大事故，對(duì)臨近道路的危化品企業(yè)展開潛在事故后果分析，探討企業(yè)可能給周邊道路帶來(lái)的危險(xiǎn)，采取措施保障附近車輛及人員安全等。但對(duì)于這種早期建設(shè)的企業(yè)，常用的一些風(fēng)險(xiǎn)分析方法[2-6]無(wú)法提供簡(jiǎn)便且符合實(shí)際情況的事故預(yù)測(cè)結(jié)果，因此提出了一種最壞可信事故場(chǎng)景的選擇方法，結(jié)合三維事故后果模擬分析方法，可實(shí)現(xiàn)危化品泄漏事故對(duì)臨近道路的影響預(yù)測(cè)分析，并用該方法對(duì)某石化企業(yè)臨近道路的危險(xiǎn)品罐區(qū)開展?jié)撛谛孤┦鹿屎蠊绊懛治?，提出了預(yù)防建議措施。

1 “最壞假想事故情景法”介紹

在20世紀(jì)70年代，歐洲發(fā)生過(guò)幾起非常重大的化學(xué)品安全事故，自此之后，人們就加強(qiáng)了對(duì)預(yù)防重大事故的重視程度，并積極開展各種重大危險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)研究?；诤蠊椒ň褪瞧渲兄弧＿@種方法的主要依據(jù)是對(duì)假定的事故后果進(jìn)行分析，確保現(xiàn)有的措施可以保護(hù)人們免受最壞的事故的影響。因此，也被稱之為“最壞假想事故情景法”。這種方法主要是針對(duì)事故后果利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立模型，計(jì)算出事故發(fā)生時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的傷害半徑，然后將計(jì)算結(jié)果作為事故后果嚴(yán)重程度的度量。采用該分析方法，可以為企業(yè)提出相關(guān)的改進(jìn)措施，以避免對(duì)企業(yè)周邊人員設(shè)施造成傷害。

1.1 存在的問(wèn)題

該方法假定發(fā)生的最壞事故，不考慮最壞事故的可能性，主要適用于新開發(fā)的項(xiàng)目規(guī)劃和在危險(xiǎn)設(shè)施附近選址的時(shí)候。然而對(duì)于已建多年的石化企業(yè)，各種預(yù)警監(jiān)測(cè)防護(hù)技術(shù)比較完善，如果按最壞場(chǎng)景進(jìn)行后果分析，對(duì)罐區(qū)臨近道路的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)會(huì)過(guò)高，不符合企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀。所采用的后果計(jì)算方法也過(guò)于保守，分析結(jié)果可信性有待商榷。

1.2 方法改進(jìn)

本文對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn)。首先，對(duì)假設(shè)的“最壞”事故場(chǎng)景進(jìn)行替換，要求事故場(chǎng)景的選取不應(yīng)一味地追求事故后果的嚴(yán)重程度，同時(shí)保證選擇的事故場(chǎng)景具有一定的可信性，即“最壞可信”事故場(chǎng)景[7]；其次，利用三維事故后果模擬分析方法替代傳統(tǒng)泄漏、火災(zāi)、爆炸等二維工程化模型，對(duì)事故后果進(jìn)行仿真模擬分析，增強(qiáng)事故后果的可信度。優(yōu)化的基于后果方法流程見圖1。

圖1 基于后果的風(fēng)險(xiǎn)分析流程

選擇最壞可信事故的過(guò)程：首先，依據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)方法，確定企業(yè)罐區(qū)存在的重大危險(xiǎn)源及等級(jí)，選擇出危險(xiǎn)性最大的設(shè)備[8]；然后，利用已有的技術(shù)手段、文獻(xiàn)資料、歷史數(shù)據(jù)分析重大危險(xiǎn)源設(shè)備可能發(fā)生的后果以及比較嚴(yán)重的場(chǎng)景，設(shè)定為該區(qū)域的“最壞可信”事故場(chǎng)景。利用該方法對(duì)某石化企業(yè)臨近道路的?；饭迏^(qū)泄漏燃爆事故進(jìn)行分析。

2 最壞可信事故場(chǎng)景選擇

該石化企業(yè)?；饭迏^(qū)存有甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯等20余種易燃易爆物質(zhì)，且距周邊道路較近，對(duì)道路上的車輛人員構(gòu)成巨大威脅，必須對(duì)罐區(qū)可能給附近道路帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

根據(jù)重大危險(xiǎn)源辨識(shí)方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以確定罐區(qū)一級(jí)重大危險(xiǎn)源有丙烯罐(R=867.6)、丙烷罐(R=127.6)、丁烯-1罐(R=157.6)、乙烷罐(R=137.8)(R值用于判斷重大危險(xiǎn)源級(jí)別)。根據(jù)R值可判斷丙烯罐屬于危險(xiǎn)性最高的一級(jí)重大危險(xiǎn)源，如若丙烯儲(chǔ)罐發(fā)生事故，給臨近道路帶來(lái)的影響也是最高的。因此，選擇丙烯儲(chǔ)罐為分析對(duì)象進(jìn)行罐區(qū)事故后果影響分析。

根據(jù)丙烯罐現(xiàn)場(chǎng)情況評(píng)估、資料分析及事故案例可以得出，除非發(fā)生恐怖襲擊等不可控事件，丙烯儲(chǔ)罐不會(huì)發(fā)生坍塌或爆炸等極端事故，實(shí)際發(fā)生的泄漏事故為儲(chǔ)罐底部法蘭、罐底管道等發(fā)生破裂。依據(jù)最大管徑破裂設(shè)定原則[9]，儲(chǔ)罐底部不同管道、閥蘭最大管道破裂孔徑小于等于80 mm。因此，選擇泄漏口徑為80 mm，泄漏位置位于球罐底部，并在某一時(shí)刻遇明火發(fā)生燃爆。

3 三維后果模擬分析

本文選用FLACS軟件對(duì)發(fā)生的氣體泄漏及燃爆過(guò)程進(jìn)行模擬分析，確定事故可能造成的影響范圍。FLACS是由挪威GexCon公司開發(fā)的基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法的三維化學(xué)品事故后果模擬軟件，主要用于復(fù)雜工藝區(qū)域的通風(fēng)、泄漏、擴(kuò)散、火災(zāi)及爆炸后果的分析。該軟件經(jīng)過(guò)了大量試驗(yàn)的驗(yàn)證，在油氣及過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也利用FLACS軟件對(duì)典型氣體泄漏燃爆事故開展了模擬分析[10,11]。

3.1 三維建模

為了考慮實(shí)際廠區(qū)周邊建筑的影響，利用MICROSTATION軟件對(duì)罐區(qū)及周邊區(qū)域進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入到FLACS軟件中，并加入相關(guān)的周邊環(huán)境(樹、地面等)，得到罐區(qū)及周邊區(qū)域計(jì)算模型(圖2)，已知丙烯球罐距廠區(qū)界區(qū)外道路最短距離為172 m。

圖2 罐區(qū)三維模型

3.2 丙烯泄漏擴(kuò)散過(guò)程模擬分析

首先針對(duì)丙烯的擴(kuò)散過(guò)程開展分析，利用FLACS軟件的FLASH泄漏速率計(jì)算模型，按照儲(chǔ)罐最大設(shè)計(jì)壓力、溫度計(jì)算得到丙烯泄漏速率為198.2 kg/s；根據(jù)所處位置，風(fēng)向選擇最不利的南風(fēng)；風(fēng)速選擇，根據(jù)相關(guān)研究1.5 m/s最不利氣體擴(kuò)散，3 m/s為當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速，另外選擇一較大風(fēng)速5 m/s，進(jìn)行對(duì)比分析；泄漏時(shí)間選擇，緊急切斷閥的響應(yīng)關(guān)閉時(shí)間約為60 s，泄漏事故中最壞可信事故時(shí)間一般選取600 s，選擇兩個(gè)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析。丙烯的爆炸極限為2%～11%，選擇空氣中丙烯體積濃度為2%～11%進(jìn)行后果分析。場(chǎng)景參數(shù)對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果見表1。

由表1計(jì)算結(jié)果可得出，南風(fēng)條件下，風(fēng)速1.5，3 m/s，泄漏時(shí)間為60 s時(shí)，2%LFL～11%UFL丙烯氣云主要影響區(qū)域?yàn)楣迏^(qū)及與北側(cè)快速路之間的區(qū)域；泄漏時(shí)間為600 s時(shí)，2%LFL～11%UFL丙烯氣云則會(huì)影響北側(cè)快速路；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5 m/s時(shí)，2%LFL～11%UFL丙烯氣云主要影響區(qū)域?yàn)楣迏^(qū)與北側(cè)快速路。以場(chǎng)景2為例分析氣體擴(kuò)散云團(tuán)，丙烯擴(kuò)散云圖隨時(shí)間變化見圖3。

表1 罐區(qū)泄漏擴(kuò)散場(chǎng)景設(shè)置及模擬結(jié)果

圖3 丙烯在距地面0.5 m可燃?xì)怏w云圖隨時(shí)間變化示意(LFL～UFL)

由圖3可以看出，風(fēng)速1.5 m/s下，云團(tuán)在4 min左右即可影響到北側(cè)快速路，且形成的云團(tuán)較大，如果云團(tuán)被點(diǎn)燃，在卷吸等作用下，火焰會(huì)覆蓋道路，威脅到過(guò)往車輛和人員安全。

3.3 丙烯蒸氣云爆炸模擬分析

蒸氣云的燃爆過(guò)程，不僅會(huì)產(chǎn)生火焰、熱輻射，也會(huì)產(chǎn)生超壓。因此，可從丙烯氣云擴(kuò)散過(guò)程模擬判斷火焰影響范圍，而產(chǎn)生的超壓大小受到氣云尺寸、位置、點(diǎn)火位置、障礙物、堵塞程度等多個(gè)因素的影響。液態(tài)丙烯泄漏后，由于設(shè)備阻擋、地形條件等可能廠區(qū)內(nèi)形成不同大小尺寸的云團(tuán)。美國(guó)?？松梨诠驹谔岢鰵庠瞥叽绱笮?0 000 m3的氣云為最壞可信蒸氣云事故場(chǎng)景[13]。本文借鑒了此場(chǎng)景的選擇方法，設(shè)定氣云體積為30 000 m3，通過(guò)改變氣云尺寸、位置、點(diǎn)火位置進(jìn)行蒸氣云爆炸超壓大小分析。罐區(qū)泄漏蒸氣云爆炸模擬場(chǎng)景及模擬結(jié)果見表2。

由表2可以看出，不同位置或尺寸，在云團(tuán)中心點(diǎn)火，產(chǎn)生的爆炸超壓最大，不同位置最大爆炸超壓影響云圖分析如下。

表2 罐區(qū)泄漏蒸氣云爆炸模擬

a) 云團(tuán)尺寸為37.5 m×40 m×20 m

氣云位于丙烯罐中心位置和北側(cè)邊緣位置時(shí)，距地面1m平面爆炸超壓最大影響區(qū)域，分布見圖4。

圖4 30 000 m3蒸氣爆炸后超壓影響范圍頂視圖(切面距地面1 m)(0.001～0.01 MPa)

圖4(a)中所在位置超壓最大可達(dá)0.019 MPa，b所在位置超壓最大可達(dá)0.011 MPa；根據(jù)云圖覆蓋范圍判斷，最大超壓會(huì)造成丙烯罐部分承重結(jié)構(gòu)彎曲、南側(cè)房屋局部出現(xiàn)裂縫及門窗損壞[12]。

b) 云團(tuán)尺寸為40 m×75 m×10 m

此時(shí)，氣云覆蓋了丙烯罐和北側(cè)罐，距地面1 m平面爆炸超壓2D分布云圖見圖5。

圖5 30 000 m3蒸氣爆炸后超壓影響范圍2D分

該場(chǎng)景下，處于丙烯罐區(qū)云團(tuán)爆炸超壓最大可達(dá)0.012 MPa，根據(jù)云圖覆蓋范圍判斷，最大超壓僅會(huì)會(huì)造成南側(cè)房子局部破損[12]。

通過(guò)以上分析可知，在最大可信蒸氣云事故場(chǎng)景下，爆炸超壓最大破壞效應(yīng)是造成儲(chǔ)罐承重結(jié)構(gòu)彎曲和墻面破損，不會(huì)造成次生災(zāi)害的發(fā)生；超壓的主要影響區(qū)域基本位于廠區(qū)內(nèi)，不會(huì)影響到周邊道路上車輛人員。

4 結(jié)果分析

本文提出了一種最壞可信事故場(chǎng)景的選擇方法，結(jié)合三維事故后果模擬分析方法，以某石化企業(yè)?；饭迏^(qū)泄漏事故對(duì)臨近道路影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)果顯示：企業(yè)丙烯儲(chǔ)罐發(fā)生最壞可信泄漏事故后，可燃?xì)庠圃? min左右即可影響到北側(cè)快速路，且形成的云團(tuán)較大，會(huì)覆蓋罐區(qū)、罐區(qū)與道路之間的區(qū)域，并會(huì)擴(kuò)散到北側(cè)的臨近路，如果發(fā)生燃爆，火焰會(huì)吞噬在云團(tuán)內(nèi)部的人員、車輛、設(shè)備及引發(fā)可燃物質(zhì)發(fā)生燃燒，直接造成人員傷亡及次生災(zāi)害后果。

企業(yè)丙烯儲(chǔ)罐泄漏遇火爆炸最大超壓約為1.9 MPa，影響范圍主要集中在罐區(qū)自身所在位置，超壓最大破壞作用是造成罐區(qū)承重結(jié)構(gòu)的彎曲和附近建筑墻面局部破損，并不會(huì)造成儲(chǔ)罐破裂，引發(fā)次生事故，氣云爆炸所產(chǎn)生的超壓不會(huì)對(duì)北側(cè)的道路產(chǎn)生影響。

通過(guò)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)本文的方法可真實(shí)考慮廠區(qū)裝置設(shè)備設(shè)施、地形地貌、周邊道路狀況等條件影響、精確預(yù)測(cè)企業(yè)?；窛撛谛孤┦鹿屎蠊绊戇吔纾治銎髽I(yè)可能對(duì)周邊道路造成的影響，可為存在同類問(wèn)題的石化企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析、應(yīng)急預(yù)案及應(yīng)對(duì)措施的制定提供參考。