爆炸超壓計算和風險分析

賈微（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

?

爆炸超壓計算和風險分析

賈微
（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

摘 要結合某海外項目所提爆炸超壓分析的要求，以軟件模擬為基礎，根據國外相關規(guī)范的分析步驟，針對項目中裝置區(qū)和罐區(qū)，進行爆炸超壓計算和風險分析，得出定量化的分析數據，為總平面布置和重要建筑物的抗爆設計提供依據。

關鍵詞可燃氣體；擴散；爆炸超壓；重要建筑物；風險分析

生產易燃、易爆、有毒、有害介質，或在工序中包含上述介質的化工和煉油裝置存在各類風險，隨著安全保護理念和科學技術的日益提升，各種應對風險的有效手段也隨之有了極大的發(fā)展。例如：對于有毒氣體泄漏、可燃氣體泄漏爆炸等風險，通過各類分析工具進行量化，模擬其危險工況的后果，在工程設計和生產管理階段采取相應的應對措施，降低石油化工裝置在事故狀態(tài)下對于人員、財產、環(huán)境的危害，使其風險程度達到社會可以接受的等級。在目前應對風險的方法中，可燃氣體擴散和爆炸超壓分析是主要手段之一。

1 背景介紹

在某海外大型聯合裝置項目中，包含丙烷脫氫（PDH）、聚丙烯（PP）、罐區(qū)、裝車及公用工程和輔助設施。在項目實施過程中，因安全設計的需要，國外業(yè)主提出對裝置重要建筑及有人區(qū)域進行爆炸超壓分析的要求，作為總平面布置和重要建筑物抗爆的設計依據。通過系統(tǒng)化的學習與反復論證研究，同時兼顧海外項目技術保密的原則，本文針對論述分析方法和步驟、后果分析、模型建立和后果等幾方面進行描述。在此過程中以軟件模擬為基礎，結合國外相關規(guī)范，提出分析和總結。

2 爆炸超壓及風險分析步驟

爆炸超壓分析研究的對象為全廠范圍內的各類建筑物，目前國際上通用的參照標準為《API RP752：Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings》[1]，該標準主要內容為：爆炸超壓領域的術語、鑒定需要評估的建筑物、建筑物評估流程、爆炸評估、火災評估、建筑物中有毒物質影響評估。參照該標準中有關爆炸超壓的內容，為本文提供了指導性的分析步驟及方法。

2.1 分析目標

對工程項目中涉及的所有建筑物開展系統(tǒng)性的、完整的爆炸超壓分析，并形成分析報告，為重要建筑物的布置，例如：控制室、變電所等重要建筑物的抗爆設計提供依據。

2.2 資料準備

爆炸超壓分析前期需要準備的資料如下：

（1）總物料流程；

（2）工藝流程介紹；

（3）氣候條件；

（4）地形條件；

（5）總圖布置；

（6）物料組成和介質特性；

（7）設計資料（例如：關鍵設備尺寸和操作條件等）；

（8）建筑物一覽表（包括各建筑物的功能與定員情況說明）。

2.3 分析步驟

爆炸超壓分析適用于新建、改建和擴建的建設項目和在役裝置或設施，主要包括如下內容：

（1）初步危險源辨析；

（2）泄漏擴散和潛在的爆炸場所分析；

（3）重要（有人）建筑物辨析；

（4）建模及爆炸超壓計算；

（5）建筑物影響分析；

（6）結論和建議。

在分析過程中，需要成立專門分析小組，其主要由項目中安全、工藝、總圖、配管、建筑、結構等專業(yè)組成。

3 爆炸超壓及風險分析方法

依據API RP 752，爆炸超壓及風險分析方法，可以分為三個階段，即：第一階段建筑物和危險源辨識，第二階段建筑物評估和第三階段風險管理。由于本次討論針對爆炸超壓風險分析的過程和方法，再者出于篇幅的考慮，本文只包含第一階段的過程和方法和第二階段的部分分析過程和方法。

3.1 第一步——建筑物和危險辨識方法

建筑物和危險辨識主要目的是：根據物性參數、建筑物一覽表、建筑物人員配置情況等信息，識別裝置中的危險介質和重要（有人）建筑物。詳細內容和方法如下：

3.1.1 危險工藝介質辨識

在特定化工裝置包含的所有種類的化學物質中，可能有數種具有可燃爆炸的風險，因此需要通過危險辨識對其進行甄別。通過危險辨識的方法，可對項目中工藝介質及危險化學品進行有效和有根據的辨識，辨識過程所參照的關鍵物性大致有化學物質的沸點、可燃上限（UFL）、可燃下限（LFL）等。表1為某項目辨識的危險工藝介質清單。

表1 某項目危險工藝介質清單（表格為部分內容舉例）Tab. 1 Hazardours material list （Examples）

3.1.2 駐人建筑物辨識

根據API 752中所規(guī)定，凡“有人員在內辦公作業(yè)的駐人建筑”均需要進行評估，包含辦公室、實驗室、中控室、車間等建筑，而“無需評估的建構筑物”包含三種類型的建筑：設有頂蓬不設墻的構架、僅需在外操作的裝置區(qū)域、絕大部分時間無人的建筑，包括分析小屋、廢品收集站等。

經過研究和分析，決定建筑是否屬于“有人建筑”的關鍵在于人員使用該建筑的頻率，具體可由兩方面體現：單位時間內建筑物內的總人工時、單位時間內建筑物內的總人次。前者突出在發(fā)生危險時出現傷亡的概率，后者突出一旦發(fā)生傷亡的人員損失程度。

根據上述理念，并參照國外已建成項目實際經驗，規(guī)定如下判據：

（1）無人建筑物判定

一周內，建筑物內的總人工時小于300 h；或一天中，少于5人次在其中工作至少1 h。即判定為無人建筑。

（2）駐人建筑物判定：

一周內，建筑物內的總人工時大于300 h；并且一天中，大于5人次在其中工作至少1 h。即判定為有人建筑。

3.1.3 建筑物重要性辨識

除“駐人建筑”外，裝置中還有若干有特定用途的建筑，其職能極為關鍵，對整個裝置運行、對人員和高價值設施的安全起決定性作用，為了使整個爆炸超壓分析更全面完善，分析小組認為也需要將此類建筑物進行評估。

根據國外工程經驗以及分析小組研究，建筑物重要性辨識考慮如下因素：

（1）緊急狀況下，人員能夠在建筑物中得到庇護。例如：避難所。

（2）用于緊急響應設施的建筑物，如消防站，緊急支持控制中心或診所，控制室等。

（3）對于工藝裝置后續(xù)操作是必須的建筑物。（此類建筑物包括控制室或為多個工藝裝置供能的變電所。）

（4）在事故影響下，影響工藝裝置安全可控停車的建筑物。例如：中央控制室。

通過辨識，只要此建筑物滿足駐人建筑物或者重要建筑物其中之一的要求，此建筑就需要進一步分析。

建筑物辨識分析表舉例：

以PDH Substation為例，從Peak Occupancy和Duration of Stay的情況可以判斷出此建筑滿足無人建筑的判定，屬于無人建筑。同時此建筑也并非緊急情況下人員的庇護所。但根據建筑物的功能描述，此建筑對工藝裝置后續(xù)操作為必須的建筑物，屬于重要建筑物。因此最終判斷此建筑需要進一步的評估。如表2。

表2 某項目重要（駐人）建筑物分析表舉例Tab. 2 Occupied buildings assessment list （Examples）

通過以上步驟，將辨識中需要進一步分析的建筑物篩選出來，進入第二步后果分析。

3.2 第二步——建筑物爆炸超壓影響評估方法

經過第一步的工作后，整個分析過程已將危險工藝介質及需要評估的建筑辨識甄選，第二步的工作是評估建筑物受到危險工藝介質爆炸超壓的影響。目前國際上已有數款國際認可的先進模擬軟件可供分析使用，軟件均建立在真實工況模擬實驗基礎上，模擬結果能夠較真實地反映爆炸超壓所產生的各方面作用。

分析過程通過軟件對已知的各項條件進行建模（爆炸后果模型），其模擬后果將會作為爆炸超壓報告的分析基礎。

3.2.1 爆炸條件

根據爆炸理論和模擬軟件設計者的概念進行總結：可燃性氣體在某一受限空間內形成一定濃度的云團，因內在或外在的誘因下會產生爆炸?？扇颊魵庠频男纬墒菤怏w發(fā)生爆炸的必要條件，同時圍繞著蒸氣云產生的精確位置，軟件將其定位后模擬其爆炸過程，從而可對各建筑物受到的超壓進行分析。

蒸氣云爆炸VCE（Vapor Cloud Explosion）條件如下：

（1）蒸氣爆炸云團必須可燃；

（2）在擴散過程中，蒸氣爆炸云團在大氣中的濃度必須在可燃區(qū)間內，即可燃上/下極限（UFL/ LFL）內；

（3）須考慮空間擁塞程度對爆炸超壓的影響。

在本次分析中，考慮各方面可能，提出蒸氣云的形成過程：危險物質從某一位置泄漏，經歷擴散后形成蒸氣云。

3.2.2 爆炸超壓的危害

爆炸超壓危險分類詳見表3。

爆炸超壓峰值低于2.07 kPa時，對于人員和建筑物的影響可以忽略。

3.2.3 爆炸超壓的預測方法選擇

在爆炸超壓預測計算方法中，主要為CAM2法、TNT當量法和TNO多能法三種方法，其中TNT已經被多個國家禁用于化工裝置爆炸分析，例如：在美國，TNT法已經立法禁止用于化工裝置爆炸定量風險分析。

三種方法簡單描述如表4。

3.2.4 潛在爆炸地點（PES）

通過危險辨識及工況分析，可以確認各類爆炸工況所引發(fā)的潛在爆炸地點（PES），如表5。最終整理形成PES列表如表6作為輸入條件1；同時通過軟件模擬計算或者爆炸源受限空間計算得到每個PES 的VCE的體積，形成列表如表7作為輸入條件2。

下面以該海外項目中PDH Reactor舉例，如表8。

表8為PDH反應器工藝介質在受限空間內（反應器框架內）泄漏，并以擴散充滿可占據空間的70 %為最苛刻工況，形成蒸氣云（VCE），通過計算所得VCE體積及相關氣象平穩(wěn)度的完整條件。

4 爆炸超壓定量風險分析實例

4.1 建模介紹及分析實例選擇

表3 爆炸超壓危害分類Tab. 3 Blast overpressure sort table

表4 爆炸超壓計算方法計算Tab. 4 Blast overpressure calculation methods

表5 潛在爆炸地點篩選（表格為部分內容舉例）Tab. 5 PES filter table （Examples）

在軟件建模過程中，各工況模型在真實比例的總布置圖上的相應位置鋪設。模型的通用輸入條件包

含物料組成、流量溫度壓力屬性、氣象條件等內容；特殊輸入條件例如超壓模型中的泄漏管口尺寸、高度、泄漏方位等，爆炸模型中的爆炸氣體云體積等，均對分析結果起到非常關鍵的作用。建模過程中將各種危險工況所涉及的重要設備分別設置成分析對象，評估其在危險工況下所受到的傷害。

表6 潛在爆炸地點列表（表格為部分內容舉例）Tab. 6 PES list （Examples）

表7 蒸氣云爆炸列表（表格為部分內容舉例）Tab. 7 VCE list （Examples）

表8 丙烷脫氫反應器輸入條件舉例Tab. 8 PDH reactor data input

本實例將選取PDH反應器作為爆炸危險分析對象。

4.2 PDH反應器爆炸危險分析

PDH反應器（PDH Reactor）位于裝置區(qū)中心方塊標識處，紅圈即為爆炸模型，詳見圖1，反應器為生產裝置典型關鍵設備，此處以PDH反應器（PDH Reactor）作為評估對象進行爆炸分析。

圖1 丙烷脫氫反應器爆炸模型Fig. 1 The explosion modeling of PDH reactor

軟件在模擬PDH反應器爆炸危險的過程中，通過對大氣條件、可燃易爆介質工藝屬性、蒸氣爆炸云體積、反應器所在建筑框架的擁塞度等關鍵條件進行處理，還原出危險工況發(fā)生時接近真實的場景，并且計算出量化的相關數據，可以用數字或曲線的形式呈現。

如圖2，曲線所呈現的是超壓隨距離變化所產生的增減趨勢，可見隨著距PDH反應器可燃蒸氣云爆炸點距離的增加，爆炸后產生的超壓逐漸降低。

圖2 爆炸超壓和距離變化趨勢（以上為參考數值，非正式）Fig. 2 The picture of relationship between distance and overpressure

顯示在布置圖上的效果詳見圖3，爆炸點（Explosion）發(fā)生爆炸時所產生超壓分布狀況及其區(qū)域。其中紅色超壓曲線代表400 mBar（1 mBar = 100 Pa），綠色超壓曲線代表300 mBar，褐色超壓曲線代表100 mBar，藍色超壓曲線代表20 mBar，可見超壓在爆炸中心為峰值，隨著距離的增加而衰減。

圖3 丙烷脫氫反應器爆炸超壓分布狀況和區(qū)域Fig. 3 The drawing of PDH reactor explsion state

軟件中可定義超壓承受對象，在PDH反應器（PDH Reactor）北面坐落有PDH Operator Shelter，如圖4中標識所示，受到PDH反應器（PDH Reactor）爆炸的影響。

圖4 丙烷脫氫操作人員避難所爆炸超壓影響Fig. 4 The impact of PDH operator shelter during explosion

觀察軟件輸出計算結果如圖5，可見該對象所承受的超壓及其風險。

圖5 丙烷脫氫操作人員避難所計算結果Fig. 5 The result of PDH operator shelter

根據對潛在爆炸點的模擬，得出重要建筑物所受到的超壓影響，從而完成爆炸超壓定量風險分析。從圖5可知，PDH Operator Shelter的超壓約為32.5 kPa，屬于表3中“木制的支撐柱折斷”的后果，需要建筑和結構專業(yè)在工程設計中進行后續(xù)抗爆設計，或者總圖專業(yè)將其移到2 kPa超壓區(qū)域內，以提高其安全性。

5 總結

5.1 工作總結

結合以上描述和石油化工工程項目應用情況，其主要有如下兩點作用：

（1）從設計的角度而言，為總平面布置和重要建筑物的抗爆設計提供依據。

（2） 從項目管理的角度而言，為項目管理層提供本項目量化的安全風險參數和模型，為未來風險應對計劃制定和更加進一步風險分析創(chuàng)造條件。

整個爆炸超壓計算和風險分析的過程主要目的為：降低石油化工裝置在事故狀態(tài)下對于人員、財產、環(huán)境的危害，使其風險程度達到規(guī)范允許的等級。

5.2 定量工作應用于定性工作的意義

1988年，英國北海阿爾法原油鉆井平臺爆炸火災事故造成167人死亡，事后報告建議用定量分析的方式提高定性分析的準確性。2005年，英國邦斯菲爾德油庫發(fā)生爆炸火災事故，受傷人員達43人，直接經濟損失2.5億英鎊，事發(fā)后，多家機構進行定量化的后果模擬分析，其所得出的理論和結論，沿用至今，有效地促進了定量風險分析技術發(fā)展?，F在國外石油化工項目將爆炸超壓計算和風險分析作為工程設計的“必修課”[3-6]，發(fā)達國家和地區(qū)甚至寫入國家法律法規(guī)。

國內工程設計中的爆炸超壓計算和風險分析，由于考慮到數據資料和后果建模工作量的問題，往往不針對某個工況或者某個建筑直接進行定量計算及分析，而是進行有針對性的定性分析，根據相關防火技術規(guī)范或者建筑物抗爆規(guī)范，選取上限保守的結果數值進行建筑物結構設計[7-10]。這種做法容易導致過度設計、缺乏輸入依據、工程費用上升等問題。降低了準確性，不適用于中外合資或國外項目。

綜上所述，進行爆炸超壓計算和風險分析對于工程設計項目而言是十分必要和有意義的。但就當今國內安全設計領域應用情況來說，爆炸超壓計算和風險分析仍是一種正在被逐步認識的方法，目前其應用還不十分廣泛，為進一步提高爆炸超壓計算和風險分析的水平應該深入研究不同計算模型和不同類型石油化工裝置的應用經驗?？傊ǔ瑝河嬎愫惋L險分析方法的廣泛應用和完善必將促進石油化工安全設計能力的提高。

參考文獻

[1]API-752 Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings，2009.

[2]AQ/T 3056—2013化工企業(yè)定量風險評價導則[S].

[3]OSHA.OSHA 29 CFR 1910.119.Process Safety Management.美國職業(yè)安全健康管理局，1992.

[4]葛春濤， 化工過程本質安全原理及應用的研究進展[J].化工技術與開發(fā)，2014，43（10）.

[5]武亮. 化工工藝設備本質安全程度評價模式研究[J].河南科技機械與自動化.

[6]李一銣. 火災、爆炸危險評價方法選擇及介紹[J]．勞動保護科學技術，2000.

[7]楊林娟，沈士明. 工業(yè)風險分析與評價方法綜述[J]．壓力管道，2005.

[8]王建波. 談安全評價及其方法[J]．林業(yè)勞動安全，2004.

[9]何華剛，費先明. 化工安全評價探討[J]．安全與環(huán)境工程，2003.

[10]樊曉華，吳宗之，宋占兵. 化工過程的本質安全化設計策略初探[J]. 應用基礎與工程科學學報，2008.

封一介紹

南京久諾科技有限公司

南京久諾科技有限公司成立于2001年，主要從事醫(yī)藥和電子廠房的自動化系統(tǒng)設計和工程實施。

自成立之日起，一直致力于解決醫(yī)藥行業(yè)風量壓差穩(wěn)定性差的難題。2010年，經過多年的理論研究和經驗總結，正式首創(chuàng)風量平衡系統(tǒng)概念。此概念中的多個產品獲得國家實用新型專利證書。

同年，風量平衡系統(tǒng)應用在連云港恒瑞醫(yī)藥無菌粉針車間（環(huán)磷酰胺，API與制劑分裝），該車間經過多年準備，于2014年通過歐盟與FDA認證。

隨后，陸續(xù)開展了多個車間的改造與新建項目，運用風量平衡系統(tǒng)后，風量壓差均可穩(wěn)定運行。得到行業(yè)內專家以及眾多醫(yī)藥企業(yè)的認可?；诖耍群箝_展多個醫(yī)藥企業(yè)的項目新建與舊廠房改造。

憑借著解決客戶難題的態(tài)度，于2012年提出了醫(yī)藥凈化空調運行管控系統(tǒng)的概念，致力于解決凈化空調高能耗問題。實現了在保證壓差和環(huán)境的前提下，值班模式與生產模式的合理切換。

秉承堅如磐石的理念和一成不變的態(tài)度，公司將一直走在為客戶解決難題，為醫(yī)藥行業(yè)服務的路上。

地 址：南京市中山北路611號百合華府1幢803室 郵政編碼：210011

聯系電話：025-86901148 15715145965 郵 箱：1691724102@qq.com

網 址：http://www.china-jn.cn/

Calculation of Over-pressure Due to Blast and Risk Analysis

Jia Wei
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Abstract:With the requirements in one overseas project for the analysis of over-pressure due to blast and based on the methods and procedures provided in relative foreign codes, the analysis of explosion and over-pressure for the areas for setting equipment and tank were carried out by using software stimulation. The quantitative data were obtained so that the basis for plot plan and anti-blast in the design of buildings was provided.

Keywords:flammable gas; dispersion; over-pressure due to blast; important building; risk assessment

作者簡介：賈微（1983—），男，在讀研究生，工程師，主要從事石油化工工程設計及石油化工安全設計。

收稿日期：2015-09-26

中圖分類號：TQ 086.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）01-0005-000