王文明，王子文

(1.中石化江蘇鹽城石油分公司，江蘇鹽城 224005 2.中建安裝集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210046)

石油庫(kù)是收發(fā)、儲(chǔ)存成品油及其他易燃和可燃液體化學(xué)品的獨(dú)立設(shè)施[1]。其工藝系統(tǒng)的設(shè)備故障或人為操作失誤容易導(dǎo)致油品泄漏，并因油品易燃、易爆、易蒸發(fā)、易產(chǎn)生靜電、有毒等特性而存在火災(zāi)傷害和窒息中毒的危險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)處置預(yù)案是針對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)較大的具體場(chǎng)所、裝置或者設(shè)施所制定的應(yīng)急處置措施；應(yīng)急演練則是針對(duì)可能發(fā)生的事故情景，依據(jù)應(yīng)急預(yù)案模擬開展的應(yīng)急活動(dòng)[2]。預(yù)案是否具有科學(xué)性、針對(duì)性和實(shí)用性，是對(duì)應(yīng)急演練能否進(jìn)行正確指導(dǎo)和事故真的發(fā)生時(shí)能否在保證應(yīng)急人員人身安全前提下及時(shí)、有效實(shí)施初期處置的關(guān)鍵。但在一些油庫(kù)組織對(duì)油罐閘閥、波紋管等或油罐車汽油泄漏的應(yīng)急演練時(shí)，存在應(yīng)急人員按應(yīng)急預(yù)案持用簡(jiǎn)單刮舀工具進(jìn)行汽油回收的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。為此，以裝油罐車因海底閥復(fù)位失效發(fā)生大面積泄漏為例，基于泄漏和池火模型，計(jì)算出不同時(shí)間內(nèi)的泄漏、擴(kuò)散狀態(tài)及引發(fā)池火災(zāi)時(shí)對(duì)人體傷害的距離閾值，提出閾值凈距半徑倍率的概念，進(jìn)而提出相關(guān)建議，將有助于預(yù)案編制人員和油庫(kù)員工對(duì)油品泄漏形態(tài)、油氣危害及油品火災(zāi)特性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，切實(shí)提高預(yù)案編制和應(yīng)急演練的科學(xué)性、針對(duì)性和實(shí)用性。

1 泄漏模型計(jì)算

在安全評(píng)價(jià)中，事故后果分析一般從泄漏分析開始，工業(yè)危險(xiǎn)源理論將泄漏分為兩種情況：一是物料經(jīng)較小的孔洞長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)泄漏的小孔泄漏；二是物料經(jīng)較大孔洞在很短時(shí)間內(nèi)泄漏出大量液體的大面積泄漏[3]。在油庫(kù)，小孔泄漏通常出現(xiàn)在油罐附件和設(shè)備本身存在孔隙或與管道連接密封失效等；而大面積泄漏則多表現(xiàn)為閥門未關(guān)閉或受外力撞擊突然斷離、閥芯復(fù)位失效，管線爆裂、折斷或盲板誤拆等。小孔泄漏單位時(shí)間內(nèi)泄漏量較小，損失和風(fēng)險(xiǎn)也較?。淮竺娣e泄漏則事發(fā)突然，瞬間泄漏量較大，窒息中毒和火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)也更大[4]。因此，本文僅以公路發(fā)油時(shí)油罐車發(fā)生大面積泄漏——即液體經(jīng)管道泄漏模型為例，進(jìn)行相關(guān)研究。

現(xiàn)假設(shè)一輛40 m3油罐汽車灌裝95#汽油，汽油密度740 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度0.76×10-6m2/s，沸點(diǎn)35 ℃，罐車安全容量液面離地高度3 m，DN100海底閥及進(jìn)出管長(zhǎng)度1 m，閥中心離地高度0.7 m。裝油結(jié)束拆卸下裝鶴管因海底閥復(fù)位失效，致出口全開發(fā)生汽油泄漏并引發(fā)火災(zāi)。為方便計(jì)算，設(shè)天氣條件為常溫，罐內(nèi)氣相空間表壓為0，泄漏時(shí)長(zhǎng)30 s，泄漏至清理完畢用時(shí)30 min。

1.1 油品泄漏的流淌擴(kuò)散

當(dāng)無(wú)人工邊界阻礙時(shí)，泄漏油品會(huì)以泄漏點(diǎn)為中心呈扁圓柱形在光滑平面上擴(kuò)散；當(dāng)泄漏的油品被人工邊界阻擋時(shí)，液池即為人工邊界圍成的面積。根據(jù)假設(shè)條件，可計(jì)算出油罐車經(jīng)海底閥出口泄漏汽油的質(zhì)量流量為22.52 kg/s，且在相鄰兩座發(fā)油臺(tái)之間的地面向兩端快速流淌擴(kuò)散，絕大部分液面深度都在0.5～25 mm之間。若設(shè)地面油層厚度為10 mm，則面積流散速率約為3.0 m2/s，泄漏30 s擴(kuò)散面積可達(dá)91.29 m2。

1.2 泄漏汽油的蒸發(fā)擴(kuò)散

按蒸發(fā)機(jī)理液池內(nèi)油品可分為閃蒸、熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)3種[5]。正常情況下，泄漏后的汽油因受表面風(fēng)的對(duì)流而緩慢蒸發(fā)。對(duì)于工藝運(yùn)行和作業(yè)條件均處于環(huán)境溫度下發(fā)生的汽油泄漏，蒸發(fā)過程只存在熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)2種形式。

根據(jù)泄漏模型，熱量蒸發(fā)時(shí)，汽油的蒸發(fā)速率可按公式(1)估算。

(1)

式中：Q1——熱量蒸發(fā)速率，kg/s；

λ——表面熱導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)，水泥地面通常取1.1；

S——液池面積，m2；

T0——環(huán)境溫度，K；

Tb——泄漏液體沸點(diǎn)，K，汽油沸點(diǎn)為30～205 ℃；

H——液體氣化熱，J/kg，汽油取3.025×105；

αs——表面熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，水泥地面通常取1.29×10-7；

t——蒸發(fā)時(shí)間，s。

質(zhì)量蒸發(fā)時(shí)，汽油的蒸發(fā)速率可按公式(2)估算。

(2)

式中：Q2——質(zhì)量蒸發(fā)速率，kg/s；

p——液體表面蒸氣壓，Pa，汽油取平均值80 kPa；

M——汽油的摩爾質(zhì)量，kg/mol，汽油可取估算值86.18 kg/kmol；

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314 J/(mol·K)；

u——風(fēng)速，m/s；

r——液池半徑，m；

α、n——大氣穩(wěn)定系數(shù)，按中性取α=4.685×10-3、n=0.25。

液體蒸發(fā)總量按公式(3)計(jì)算。

Wp=Q1t1+Q2t2

(3)

式中：Wp——液體蒸發(fā)總量，kg；

t1——熱量蒸發(fā)時(shí)間，s；

t2——從液體泄漏到全部清理完畢時(shí)間，s。

若設(shè)泄漏前3 min為熱量蒸發(fā)，其余均為質(zhì)量蒸發(fā)，2.5 m/s輕風(fēng)，可計(jì)算自泄漏至清理結(jié)束30 min內(nèi)，每2 s間隔的相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 30 s內(nèi)汽油泄漏量、擴(kuò)散面積及30 min內(nèi)蒸發(fā)情況

汽油的揮發(fā)性較強(qiáng)，環(huán)境溫度不同時(shí)，因自然蒸發(fā)而形成的油氣濃度也有所不同。油品泄漏初期，在現(xiàn)場(chǎng)生成的蒸氣云團(tuán)聚集在泄漏源點(diǎn)周圍，隨后因環(huán)境溫度、風(fēng)力和湍流等諸多因素的影響，使氣團(tuán)飄移、擴(kuò)散。由于油品具有一定的毒性，尤其是裂化汽油中的不飽和烴和芳香烴比飽和烴的毒性更大，且油氣主要由呼吸道進(jìn)入人體，極容易發(fā)生窒息中毒事故。因此，GB/T 37243—2019[6]附錄G，規(guī)定了人員暴露在油氣環(huán)境中1 h，不會(huì)產(chǎn)生危及生命健康的汽油濃度影響閾值為4 000×10-6，超過此閾值，則可能會(huì)造成健康損害。

1.3 結(jié)果分析及建議

a) 裝油罐車因海底閥復(fù)位失效發(fā)生大面積泄漏，車內(nèi)汽油將以22.52 kg/s的質(zhì)量流量泄漏，并同時(shí)以3.0 m2/s(10 mm油層厚度)的面積速度擴(kuò)散，30 s內(nèi)675.6 kg的泄漏量可擴(kuò)散成10 mm厚油層面積91.29 m2。可見，在發(fā)油場(chǎng)地上發(fā)生汽油泄漏，很難形成一定厚度的油層，更不可能形成可用刮舀工具進(jìn)行人工回收的油層厚度。

b) 假設(shè)條件下，2～30 s內(nèi)泄漏的汽油可先后在18.8～21.4 min內(nèi)全部揮發(fā)完畢。若不考慮環(huán)境風(fēng)力對(duì)油氣擴(kuò)散的影響，1 kg汽油可揮發(fā)成4‰生命健康影響濃度閾值的空氣混合物約65 m3(相當(dāng)于一個(gè)4 m邊長(zhǎng)立方體或5 m直徑球體的空間)。當(dāng)泄漏量較大時(shí)，泄漏現(xiàn)場(chǎng)很大空間會(huì)被油氣彌漫，極易發(fā)生人員窒息中毒事故，危及生命健康。

c) 在編制油庫(kù)油品泄漏應(yīng)急預(yù)案時(shí)，應(yīng)將汽、柴油泄漏區(qū)別對(duì)待：在汽油泄漏的現(xiàn)場(chǎng)處置預(yù)案中，對(duì)可能發(fā)生汽油泄漏的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)增加空氣呼吸器的配置；當(dāng)發(fā)生汽油泄漏時(shí)，無(wú)論在儲(chǔ)罐區(qū)還是裝卸區(qū)，無(wú)論是否具備人工回收條件，均不得進(jìn)行人工回收(更不得在無(wú)可靠安全措施下進(jìn)入泄漏汽油的隔堤內(nèi)實(shí)施緊急搶修)，而應(yīng)優(yōu)先采用消防泡沫槍對(duì)泄漏的汽油進(jìn)行全覆蓋，再采用消防水槍沖洗，通過污水管網(wǎng)收納至事故池做出合理的后期處理；將現(xiàn)行的應(yīng)急處置卡中“停、呼、關(guān)、警、疏(堵)、控、收”七字處置法的“控”前加一“護(hù)”字，將“收”改為“沖”(消防水槍沖洗)，將“控”的操作要點(diǎn)增加泡沫覆蓋的內(nèi)容。這不僅是新《安全生產(chǎn)法》首次提出“堅(jiān)持生命至上”安全理念的具體體現(xiàn)，更是汽油泄漏應(yīng)急處置本應(yīng)遵循的最基本要求。因?yàn)橹挥袘?yīng)急人員做好個(gè)人防護(hù)，生命安全得到切實(shí)保證，才能對(duì)泄漏油品進(jìn)行“控”和“沖”，繼而實(shí)施泄漏油品一旦被引燃時(shí)初期的“滅”。

2 池火模型計(jì)算

池火是指可燃液體(如汽油、柴油)泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆蓋水面遇到點(diǎn)火源而形成的火災(zāi)。池火災(zāi)產(chǎn)生的火焰能夠向周圍發(fā)出強(qiáng)烈的熱輻射，一般汽油的火焰溫度在800～1 200 ℃之間，不僅使附近的人員受到傷害，還可能引燃周圍的可燃物。因此，火焰產(chǎn)生的熱輻射是火災(zāi)的主要危害[3]。

汽油被引燃時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，實(shí)驗(yàn)中觀察到的火焰水平傳播速度可達(dá)10 m/s，燃燒質(zhì)量速度(dm/dt)則為81～92 kg/(m2·h)[5]。

2.1 火焰高度

假定池火火焰為圓柱形，火焰直徑等于池直徑。若不考慮風(fēng)力的影響，火焰高度按經(jīng)驗(yàn)公式(4)計(jì)算。

(4)

式中：h——火焰高度，m；

dm/dt——單位面積燃燒速度，kg/(m2·s)；

ρ0——空氣密度，kg/m3，取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1.293 kg/m3；

g——重力加速度。

則可得到汽油泄漏30 s時(shí)當(dāng)量圓液池火焰高度可達(dá)h=9.6 m。

2.2 目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度

若不考慮風(fēng)力的影響，液池燃燒時(shí)放出的總熱輻射通量按公式(5)計(jì)算。

(5)

式中：Q——總熱輻射通量，W；

η——效率因子，可取0.13～0.35；

Hc——為汽油燃燒熱，kJ/kg，汽油為43 700 kJ/kg。

假設(shè)全部輻射熱量由液池中心點(diǎn)的小球面輻射出來(lái)，則在距離液池中心某一距離(X)處的入射熱輻射強(qiáng)度，按公式(6)計(jì)算。

(6)

式中：I——入射熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；

tc——熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無(wú)相對(duì)理想數(shù)據(jù)時(shí)可取1；

X——目標(biāo)到液池中心距離，m。

可得汽油泄漏30 s時(shí)液池起火，距液池中心5.15，6.30，8.91，15.76，24.91 m所對(duì)應(yīng)的入射熱輻射強(qiáng)度分別為37.5，25.0，12.5，4.0，1.6 kW/m2。

2.3 熱通量準(zhǔn)則

火災(zāi)通過熱輻射的方式影響周圍環(huán)境，當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度足夠大時(shí)，可使周圍的物體燃燒或變形，強(qiáng)烈的熱輻射可能燒毀設(shè)備甚至造成人員傷亡?；馂?zāi)損失估算建立在輻射強(qiáng)度與損失等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，如表2所示。

表2 熱通量準(zhǔn)則的傷害閾值[3]

依據(jù)熱通量準(zhǔn)則，若將25.0 kW/m2入射熱輻射強(qiáng)度下對(duì)人的傷害閾值設(shè)定為死亡半徑，12.5 kW/m2為重傷半徑，4.0 kW/m2為輕傷半徑，顯然一旦發(fā)生油品泄漏并引起火災(zāi)事故，最不可接受的傷害是死亡和重傷[4]，其次是輕傷。

2.4 閾值凈距半徑倍率

閾值凈距半徑倍率是指泄漏汽油發(fā)生池火時(shí)的傷害距離閾值與池火當(dāng)量圓半徑之差相對(duì)于當(dāng)量圓半徑的比值。用數(shù)學(xué)計(jì)算式可表示為：

(7)

式中：N——閾值凈距半徑倍率。

為討論不同泄漏量引發(fā)池火災(zāi)時(shí)，閾值凈距半徑倍率及相關(guān)參數(shù)的變化情況，同樣進(jìn)行2 s間隔的遞進(jìn)計(jì)算，得到表3所列的以輕傷為最高傷害限度的計(jì)算結(jié)果。

表3 泄漏30 s及蒸發(fā)30 min的4 kW/m2入射熱輻射強(qiáng)度下人員輕傷距離閾值

2.5 結(jié)果分析及建議

a) 汽油被引燃時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，當(dāng)泄漏的汽油被點(diǎn)火源引燃成一定當(dāng)量圓半徑池火時(shí)，火焰高度、熱輻射通量和傷害距離閾值都隨半徑的增大而增大；火焰高度與池火半徑的比值卻呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明火焰高度并不隨池火半徑的增大而無(wú)限增高，半徑越大，范圍越大，氣壓、風(fēng)力、空氣吸收及其他環(huán)境因素對(duì)火焰高度的減弱作用也越大，由此必然存在火焰高度的極值；閾值凈距半徑倍率也呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明空氣對(duì)熱輻射的吸收作用，也使閾值凈距半徑倍率存在極值。

b) 當(dāng)汽油泄漏采取人工回收時(shí)，回收人員必然與汽油近距離接觸，一旦地面汽油被意外引燃，人員很難快速脫身而陷于火焰包圍之中。因此，在汽油泄漏應(yīng)急預(yù)案編制、應(yīng)急演練乃至真的火災(zāi)發(fā)生時(shí)初期應(yīng)急處置中，不宜近距離進(jìn)行人工回收，應(yīng)急人員有效避免火災(zāi)傷害的閾值凈距半徑倍率應(yīng)至少達(dá)到2～2.5倍。

3 結(jié)論

a) 當(dāng)油庫(kù)發(fā)生汽油泄漏時(shí)，只要硬化場(chǎng)地平坦且一定范圍內(nèi)無(wú)人工邊界包圍，泄漏點(diǎn)地面的汽油就不可能達(dá)到可用刮舀工具進(jìn)行人工回收的油層厚度；同時(shí)由于汽油具有易揮發(fā)、易擴(kuò)散、有毒等特性，油品泄漏應(yīng)急預(yù)案應(yīng)按汽、柴油分類編制，并將現(xiàn)行應(yīng)急處置卡的“七字處置法”調(diào)整為“八字處置法”，禁止汽油泄漏時(shí)任何形式的人工回收，避免油氣對(duì)人員的傷害。

b) 當(dāng)泄漏的汽油被引燃成一定當(dāng)量圓半徑池火時(shí)，火焰高度、熱輻射通量、傷害距離閾值均與池火半徑成正比關(guān)系；而火焰的高徑比、閾值凈距半徑倍率則與池火半徑成反比關(guān)系。提出的閾值凈距半徑倍率，能夠定量地表征泄漏汽油引發(fā)火災(zāi)時(shí)人員不被傷害的最小安全間距，故在汽油泄漏應(yīng)急處置中，應(yīng)遵循2～2.5倍的閾值凈距半徑倍率的距離，確保泄漏汽油被引燃時(shí)應(yīng)急人員的人身安全。