危險介質爆炸后果模擬及防護設施影響分析

江繼峰 王東 朱逸 賈微 姜顏寧

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

危險介質爆炸后果模擬及防護設施影響分析

江繼峰 王東 朱逸 賈微 姜顏寧

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

隨著近年來計算機數(shù)值模擬的應用，定量風險分析（QRA）得到了飛速發(fā)展。采用可燃氣體擴散模型、爆炸沖擊波模擬軟件，對某加油站泄露工況進行了爆炸沖擊波模擬計算，得到特定建筑墻面超壓，并針對模擬計算結果設置相應的防護措施，為易燃易爆危險化學品裝置風險定量分析與安全防護設計提供一種新思路。

定量風險分析；可燃氣體擴散模型；爆炸沖擊波模擬；安全防護

石油化工行業(yè)因涉及具有火災、爆炸、毒性等危險特性的化學品，一直是發(fā)生重大工業(yè)事故的主要潛在行業(yè)。為實現(xiàn)對重大危險化學品設備設施、區(qū)域的有效控制，預防重大危險化學品事故發(fā)生，降低其危害后果，定量風險評估技術應運而生。定量風險評估（Quantitative Risk Assessment，簡稱QRA），采用定量化的概率風險值對系統(tǒng)的危險性進行描述，基本理念是將風險定義為關于事故發(fā)生可能性與事故后果兩個因素的計算值，并從該兩個因素環(huán)節(jié)著手進行風險分析。

本文結合化工危險源分析方法與可燃氣體擴散、爆炸模擬軟件建模，對某爆炸風險分析項目進行分析，為該類項目風險分析設計提供一種思路。

1 研究對象和內容

1.1 研究對象

研究對象為某加油站如發(fā)生危險工況，其可燃物擴散、爆炸超壓對于鄰近商業(yè)區(qū)產生的風險影響。

1.2 研究內容

主要內容：利用PHAST軟件、CFD系列軟件進行爆炸后果模擬。

（1）對研究對象的可燃物擴散和爆炸超壓危險進行定量模擬評估。

（2）提供相應的防爆措施，并對防爆措施風險分析效果進行模擬，加以評估優(yōu)化。

1.3 主要參考

參照目前國際通用的參照標準《API RP752 management of hazards associated with location of process plant permanent buildings》，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、火災評估等[1]。

1.4 分析對象資料

1.4.1 設施配置

加油站位于商業(yè)廣場南側，供應93#汽油、97#汽油、0#柴油三種油品，設有五處加油槍站、油氣回收系統(tǒng)及儲油罐系統(tǒng)等設施。

其中，儲油罐包含三個30 m3的93#汽油儲罐、一個30 m3的97#汽油儲罐、兩個15 m3的0#柴油儲罐，總計六個儲罐150 m3油品儲量，配置輸油機泵。油氣回收系統(tǒng)配套設置一臺變頻式壓縮機、2 m3的緩沖罐，配置輸油機泵。

儲油罐系統(tǒng)與油氣回收系統(tǒng)除變頻式壓縮機外，均設置在一塊長19.5 m、寬8 m的地下，地上部分周邊設置高0.5 m，寬0.2 m的混凝土圍堰，并設有12處強密封人孔及DN 50、離地約5 m高處放空的放空管線。

1.4.2 工藝流程

加油站油品通過油罐車經DN 100的輸油管道輸入各儲油罐。儲油罐為常溫常壓，通過輸油泵向加油槍輸送油品，加油槍處壓力約為0.2 MPa。

加油時油品揮發(fā)產生的氣相通過變頻式壓縮機產生的微負壓經DN 25管道抽吸進入地下緩沖罐，揮發(fā)汽油經充分緩沖后重新呈液態(tài)，經泵送回儲油罐。儲油罐設有DN 50的放空管線，出地面5 m后放空。

圖1 研究對象平面Fig. 1 Plot plan for the gas station

1.4.3 分析原則

（1）爆炸超壓后果量化分析遵循《AQ/T 3046—2013化工企業(yè)定量風險評價導則》。

（2）爆炸超壓計算后果反映可能發(fā)生的最嚴重工況。

1.4.4 風向及風力條件

受影響對象商場建筑位于該加油站正北方，因此超壓計算將按可能產生最嚴重后果的正南風為建模風向條件。分析對象所在地風力為3～4級或微風，通過轉化，超壓計算將按1.5 m/s（微風）、3.4 m/s（3級風）、8 m/s（4級風）分別作為建模風力條件，從而分析后果最嚴重工況。

1.4.5 大氣穩(wěn)定度條件

根據(jù)《AQ/T 3046—2013化工企業(yè)定量風險評價導則》，結合分析對象所在地風力條件，選取大氣穩(wěn)定度F（大氣流動平穩(wěn)）作為建模條件，對各風速條件分別計算以分析后果最嚴重工況，見表1。

1.4.6 物性數(shù)據(jù)條件

加油站所供應油品中，93#汽油最易揮發(fā)形成爆炸氣體云導致爆炸，爆炸產生的超壓最大。因此，本文統(tǒng)一以93#汽油作為爆炸可燃物建模計算。

表1 大氣及風力條件Tab. 1 Atmospheric and wind conditions

1.4.7 點火概率

易燃易爆物質形成爆炸氣體云后并不一定會導致爆炸，還需有外部點火觸發(fā)?！禔Q/T 3046—2013化工企業(yè)定量風險評價導則》對點火概率進行了限制，本計算為反映可能發(fā)生的最嚴重工況，將點火概率按100 %考慮，即爆炸氣體云爆炸[2]。

1.5 爆炸超壓建模計算

1.5.1 爆炸超壓計算方法

通常用于爆炸超壓計算的方法主要有三種：TNT法、TNO Multi-Energy和“Baker-Strehlow”法。

TNO Multi-Energy法是一種較為嚴密的爆炸超壓估算法，且適用于本文研究對象實際情況，選擇其作為爆炸超壓計算方法。

按《AQ/T 3046—2013化工企業(yè)定量風險評價導則》，典型化工裝置工藝單元曲線按所處聚集程度低到高通常選取7至9，其他受擾動區(qū)域部分選取3。加油站所在空間聚集程度不能按常規(guī)化工裝置選取，為反映可能發(fā)生的最嚴重工況，取僅次于石油化工裝置典型曲線的聚集程度曲線6，足以滿足本分析中最苛刻工況的計算。

圖2 TNO Multi-Energy法Sachs比擬超壓計算[2]Fig. 2 Sachs overpressure calculation reference of TNO Multi-Energy method

根據(jù)加油站的地理位置、平面布局、工藝流程，按最嚴重工況計算的原則確定潛在爆炸點。由于加油島與商場建筑之間有加油站辦公樓阻擋，因此加油槍處的氣體揮發(fā)泄漏所導致的爆炸影響因辦公樓的存在而不作為潛在爆炸點考慮。將辦公樓北側與商場建筑距離較近的儲油罐區(qū)確定為潛在爆炸點。

儲油罐區(qū)以長19.5 m、寬8 m的范圍考慮災難性崩塌工況，整體作為潛在爆炸點。在此基礎上分析認為油品供給系統(tǒng)地下部分安全，地上部分以變頻式壓縮機進出口處（DN 25）、放空管線閥門處（DN 50）、油罐車輸油管道（DN 100）三處管道連接處作為可能泄漏對象，設定為潛在爆炸點進行分析。泄露工況如表2所示。

表2 泄漏工況Tab. 2 List of hazardous conditions

以工況1為例進行模擬分析：

針對工況1儲油罐區(qū)災難性破裂建立模型，模擬的是儲油罐區(qū)在面臨各種嚴重災害（比如地震、加油站受外部強破壞等）時，整體破裂損壞所可能導致的后果。

1.5.3 可燃物料擴散云團模擬

三種風速下的可燃物料擴散云團模擬見圖3。

圖3 可燃物料擴散云團模擬側視Fig. 3 Combustible material diffusion cloud side view

如圖3所示，藍色、紅色和綠色三條曲線分別代表儲油罐在1.5 m/s、3.4 m/s、8 m/s風速下災難破裂時可燃物質擴散云團側視圖（紅綠線重合）。由圖3可以看出，1.5 m/s風速下擴散范圍較大，擴散云團能夠達到儲油罐下風側水平距離32 m左右的區(qū)域。3.4 m/s、8 m/s風速下相互重疊，可燃物質在風速影響下瞬間向高處擴散，并隨即被吹散，水平方向上能擴散至離儲油罐4 m左右。

1.5.4 可燃物料池火輻射模擬

河流和陸上融化的冰川給北冰洋帶來的源源不斷的淡水加劇了這一區(qū)域的脆弱性，因為淡水更難中和二氧化碳酸化效應。有研究者指出，北歐的海洋酸化范圍非常廣，其表層的海水酸化最快，深層的海水則更慢一些?？茖W家表示，流入北冰洋地區(qū)的大型河流因其流量大會形成巨大的集水區(qū)域。由于淡水和海水的混合較慢，因此在一些地方產生了淡水覆蓋在海水上層的情況。淡水降低了能夠緩和PH值變化的離子的濃度。海洋冰川相當于是北冰洋面的一個蓋子，所以冰的融化將加速海水吸收二氧化碳。

如圖4所示，藍色、紅色和綠色曲線分別代表儲油罐在1.5 m/s、3.4 m/s、8 m/s風速下，油罐災難破裂時可燃物質擴散形成池火火災后的輻射等級與距離的關系。由圖中可以看出，池火火災形成后將產生峰值約42 kW/m2的熱輻射，該等級的熱輻射能夠延伸至距儲油罐圍堰北端6 m處，隨后迅速降低，并可以看出，相同工況下，風速越大，同一位置池火輻射越高。

1.5.5 可燃物料超壓-距離模擬

如圖5所示，藍色、紅色和綠色曲線分別代表儲油罐在1.5 m/s、3.4 m/s、8 m/s風速災難破裂時可燃物質爆炸產生超壓與距離的關系。爆炸形成后將在下風側30 m范圍內產生峰值約0.51 bar的超壓。

根據(jù)《AQ/T 3046—2013化工企業(yè)定量風險評價導則》，超壓0.020 68 bar不造成安全后果，圖6顯示在距離離儲油罐186 m以外，爆炸超壓將不造成破壞后果。

圖4 可燃物料池火輻射等級與距離Fig. 4 Combustible material Radiation - Distance for late pool fire

圖5 沿風向水平方向上爆炸超壓分布Fig. 5 Explosion overpressure distribution along the horizontal wind direction

1.5.6 可燃物料爆炸超壓持續(xù)時間-距離模擬

根據(jù)模擬結果發(fā)現(xiàn)，儲油罐在1.5 m/s、3.4 m/s、8 m/s風速災難破裂時可燃物質爆炸產生超壓的持續(xù)時間幾乎相同。由圖7所示，爆炸點的持續(xù)時間約為0.021 5 s為其峰值，10 m以內出現(xiàn)下降趨勢并于10 m處到達最低點0.016，10 m以后緩慢增至0.019 5 s。

圖6 爆炸超壓0.020 68 bar等值線俯視Fig. 6 Explosion overpressure 0.020 68 bar contours top view

圖7 爆炸超壓持續(xù)時間-距離模擬計算Fig. 7 Explosion overpressure Durations - Distance calculation

1.5.7 可燃物料爆炸超壓模擬小結

綜合模擬計算結果，可以得出以下分析結果。

根據(jù)表3，綜合所有工況，可燃物質擴散高度不會超過1.6 m，東西向最大擴散半徑不超過20 m，只要存在一面高度高于1.6 m、長度長于40 m的實體墻即可以阻擋住可燃物質擴散。

可燃物質燃燒所產生的熱輻射在預設抗爆墻處最高能夠達到25 kW/m2，根據(jù)《AQ/T 3046—2013化工企業(yè)定量風險評價導則》，人員在此熱輻射強度下超過1 min導致100 %死亡。由于混凝土墻體具有抵抗熱輻射的作用，因此在設置抗爆墻后可以大大減輕加油站對商場建筑的火災輻射傷害[2]。

建模計算已較為保守地使用了TNO法聚集程度曲線6，點火概率100 %的爆炸條件，在發(fā)生概率極低的狀況下將在30 m內產生0.51 bar峰值的超壓，峰值處超壓持續(xù)時間0.021 5 s。加油站不存在加氣設施，并設有油氣回收系統(tǒng)，主要儲油及輸油設施均置放于地下，正常運行情況下形成可燃氣體云團并爆炸的可能性極低，只有在極端狀況下（如地震、大型天災、嚴重人為襲擊等），爆炸才有可能產生并將對周邊設施產生損壞，在考慮發(fā)生此類極端工況的情況下，建議增設抗爆墻。

表3 可燃物爆炸超壓模擬計算結果總結Tab. 3 Summary of explosion overpressure calculation

圖8 爆炸超壓等值曲線Fig. 8 Explosion overpressure contours in plot plan

如圖8所示，工況1和工況4兩組同心圓分別含四級曲線，從內至外分別代表0.3 bar、0.51 bar、0.22 bar、0.03 bar超壓。從圖中可看出工況1的等值超壓范圍大于工況4。工況1代表儲油罐區(qū)爆炸點（即最苛刻爆炸點），其超壓峰值0.51 bar產生在離爆炸點15～30 m處。工況4代表油罐車卸油管道法蘭連接處爆炸點，其超壓峰值0.51 bar產生在離爆炸點約11 m處。

本文以儲油罐區(qū)發(fā)生爆炸，且在距爆炸點約20 m處產生0.51 bar超壓峰值的情況作為抗爆墻設置方案的分析工況，即以儲油罐區(qū)北側圍堰的中點向東西兩側各延伸20 m，抗爆墻的長度不小于40 m。

根據(jù)爆炸超壓分析軟件計算和相關流體力學模型模擬，并結合現(xiàn)場可實施條件，抗爆墻高度不低于加油站地坪8 m時，可有效阻擋爆炸超壓及其衍射沖擊波對墻后建筑及商場內人員的不利影響。

1.6 防爆設施設置及對爆炸超壓的影響

1.6.1 防爆設施設置

根據(jù)前述爆炸超壓分析結論，要對爆炸發(fā)生時商場建筑中的人員起到安全保護作用，擬建抗爆墻墻頂應高于加油站地坪8 m，防爆墻的長度為40 m。商場建筑的室內標高±0.00 m相當于絕對標高83.15 m，本文的相對標高系統(tǒng)與其保持一致。加油站地坪標高約1.650 m（84.800 m），因此建議抗爆墻頂標高為9.650 m（92.800 m）。擬建的抗爆墻橫斷面示意圖見圖10。

圖9 抗爆墻設置位置示意Fig. 9 Blast- resistant wall location diagram

圖10 抗爆墻橫斷面示意Fig. 10 Cross section of blast- resistant wall

1.6.2 防爆設施設置對超壓影響

對添加防爆墻之后研究對象進行簡化建模[3]，截面圖如圖11所示，CFX模擬截取沖擊波擴散過程中防爆墻承壓時超壓分布如圖12所示。CFX爆炸源沖擊波超壓設置為20 kPa（最為嚴苛的爆炸工況），可以明顯看出超壓沖擊波被防爆墻攔下并有一定的反射效應，部分超壓延防爆墻頂部斜向上31°傳播并伴有一定的衍射，對防爆墻后7.5 m的商業(yè)建筑起到了一定的保護效果。在受保護建筑迎向沖擊波墻面上選取正對爆炸點的5個不同高度的測量點，模擬監(jiān)測墻面超壓載荷值[4-5]，結果如表4所示。

圖11 抗爆墻對超壓影響CFX模擬設置示意Fig. 11 Simpli fi ed model for blast- resistant wall CFX simulation

圖12 抗爆墻對超壓影響CFX模擬示意Fig. 12 Effect of blast-resistant wall to overpressure in CFX simulation

表4 抗爆墻對受保護建筑面上超壓的影響Tab. 4 Effect of blast-resistant wall to overpressure on the protected construction

1.6.3 抗爆墻上的爆炸荷載

根據(jù)爆炸超壓分析結論，擬設置抗爆墻位置處的最不利工況為儲油罐區(qū)災難性破裂的情況，此時抗爆墻承受的爆炸沖擊波峰值入射超壓51 kPa，正壓作用時間16.5 ms。參考《抗爆規(guī)范》中關于封閉矩形建筑物前墻、后墻爆炸荷載的計算方法，以抗爆墻200 mm厚為例，可以得出抗爆墻正面、背面所承受的沖擊波超壓時間歷程分別見圖13和圖14。

圖13 抗爆墻正面沖擊波超壓時間歷程Fig. 13 Positive overpressure on the blast-resistant wall

圖14 抗爆墻背面沖擊波超壓時間歷程Fig. 14 Overpressure on the back of blast-resistant wall

作用在抗爆墻正面和背面的超壓均表現(xiàn)為壓力（非吸力），則對于抗爆墻上正背兩面均存在超壓的位置，作用在抗爆墻上的凈壓力值為正面超壓減去背面超壓[6]，其時間歷程如圖15所示。

圖15 抗爆墻凈壓力時間歷程Fig. 15 Net overpressure on the blast-resistant wall

2 總結

綜合上文分析，包括危險物料擴散的范圍、劑量、可燃物質爆炸產生的超壓值、爆炸過程的現(xiàn)場動態(tài)、防爆措施的具體參數(shù)等信息，都是在定量風險分析（QRA）的理念下，結合現(xiàn)行標準規(guī)范、專業(yè)的工程設計手段與經驗得出，對于分析整個危險工況起到了較大的作用。定量化的數(shù)據(jù)信息不僅能夠為后續(xù)設計提供科學、可靠的依據(jù)，并且相對直觀明了。

先進的模擬軟件使用對于定量風險分析有積極的意義，建立在真實實驗基礎上的自帶危險物質屬性數(shù)據(jù)庫使各種假設能夠較科學地被建模觀察，增強了定量風險分析結果的說服力。

使用先進模擬軟件模擬結果為依據(jù)的定量風險分析能夠為石油化工行業(yè)的各部分提供科學的安全評估，在越來越重視安全的今天，可得到更廣泛的應用。

[1]API RP752 management of hazards associated with location of process plant permanent buildings. 2009.

[2]AQ/T 3046—2013，化工企業(yè)定量風險評價導則[S].

[3]李鑫，吳桂英，賈昊凱. 擋墻對沖擊波削弱作用的數(shù)值分析[J].中北大學學報（自然科學版），2010（31-4）.

[4]穆朝民，王光勇. 爆炸沖擊波繞過墻體的數(shù)值模擬研究[J].工程爆破，2008（06）.

[5]穆朝民，任輝啟，李永池，等. 爆炸沖擊波作用于墻體及對墻體繞射的實驗研究[J]. 實驗力學，2008（04）.

[6]劉曉峰，年鑫哲，王希之，等. 沖擊波反射超壓沿剛性墻面的分布規(guī)律[J]. 工程爆破，2015（10）.

Simulation of Explosion of Hazardous Mediums and Effect Analysis of Protection Measures

Jiang Jifeng, Wang Dong, Zhu Yi, Jia Wei, Jiang Yanning
（SINOPEC Shanghai Engineering Co. Ltd, Shanghai 200120）

With the application of computer numerical simulation, quantitative risk assessment (QRA) has been developed rapidly. Using diffusion model of combustible gas and blast wave simulation software, leak blast conditions for a gas station was simulated to give overpressure data on the walls of a speci fi c construction near. Appropriate safeguards were chosen in the simulation. In this article a new way was provided for QRA and safety design of facilities dealing with in fl ammable and explosive hazardous chemicals.

QRA; diffusion model; blast wave simulation; safety design

TQ 086.1

：A

：2095-817X（2017）02-0050-008

2016-07-26

江繼峰（1983—），男，工程師，主要從事化工工藝研究與設計。