石化儲罐區(qū)池火災(zāi)多米諾效應(yīng)研究

張云杰,王 旭

(沈陽航空航天大學(xué) 安全工程學(xué)院，沈陽 110136)

隨著我國石化行業(yè)的迅速發(fā)展,石化儲罐區(qū)成為油品儲運的關(guān)鍵場所。生產(chǎn)作業(yè)中石化行業(yè)為了節(jié)約空間方便操作,儲罐區(qū)內(nèi)的儲罐通常相鄰分布。由于儲罐區(qū)工藝管線繁多且復(fù)雜、儲罐體積大且數(shù)量多、罐中儲存?；贩N類多等特點，?；饭迏^(qū)極易發(fā)生安全事故。出于對儲罐區(qū)的安全考慮，儲罐儲存巨大的能量，一旦能量意外泄露很容易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故,繼而可能演化為連鎖多米諾事故。

由于石化儲罐區(qū)通常儲存的物品具有易燃性所以發(fā)生火災(zāi)的頻率非常高。加上儲罐泄露方式以及外部環(huán)境不同，發(fā)生火災(zāi)的事故類型也不相同。從近年來發(fā)生的?；坊馂?zāi)事故調(diào)查分析中得知,各種火災(zāi)事故類型中以池火災(zāi)最為典型，發(fā)生頻率和危害程度最為嚴(yán)重。以往的事故案例表明儲罐區(qū)發(fā)生池火災(zāi)事故時很可能造成事故連鎖反應(yīng)。1984年11月墨西哥一個液化石油氣轉(zhuǎn)運油庫發(fā)生了火災(zāi)和爆炸連鎖事故，造成544人死亡，120萬人被迫疏散[1]；2015年8月，天津港危險化學(xué)品倉庫發(fā)生火災(zāi)爆炸,由于事發(fā)地周圍有居民區(qū)，致使人員傷亡慘重，附近建筑物、汽車等破壞嚴(yán)重，經(jīng)濟損失巨大；2017年6月5日臨沂市發(fā)生了讓人提心吊膽的“6·5”事故，因金譽石化一裝卸區(qū)液化石油氣罐車在裝卸時發(fā)生爆炸，使距離事故不遠(yuǎn)處的異辛烷罐區(qū)(4個異辛烷儲罐)、液化氣罐區(qū)(6個液化氣球罐)處于大火燃燒中，情況十分緊急，稍有不慎就可能引發(fā)儲罐區(qū)發(fā)生連鎖火災(zāi)爆炸事故。由于消防員滅火及時，事故得以控制,但事故還是造成了10人死亡，9人受傷。

因此，儲罐區(qū)池火災(zāi)多米諾效應(yīng)研究對石化儲罐區(qū)安全間距的設(shè)定，以及發(fā)生事故時的消防應(yīng)急救援有重要的指導(dǎo)意義。

1 多米諾效應(yīng)作用機理

多米諾效應(yīng)：初始事故發(fā)生后進(jìn)一步擴展影響到相鄰設(shè)備設(shè)施，從而持續(xù)引發(fā)連鎖事故發(fā)生，造成更為嚴(yán)重的事故后果。事故發(fā)生多米諾效應(yīng)的機理過程具體見圖1。

圖1 事故多米諾效應(yīng)過程

以火災(zāi)為例，單一設(shè)備或設(shè)施發(fā)生火災(zāi)事故時，會以熱輻射的形式向其相鄰的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行強輻射。如果存在有危險隱患的設(shè)備在熱輻射破壞范圍內(nèi)，則危險設(shè)備吸收釋放出的熱輻射能后，會引起本身物理特性的變化。當(dāng)壓力超過許用壓力、溫度大于設(shè)備所能承受的溫度時易燃爆物質(zhì)就會從設(shè)備中釋放出來，在巨大能量的沖擊下繼續(xù)影響附近的裝置，發(fā)生火災(zāi)爆炸等連鎖事故。同理，在儲罐區(qū)一個儲罐發(fā)生爆炸時,如果救援不及時、相鄰儲罐間距不合理時，意外釋放的能量會以沖擊波、碎片及熱輻射等方式作用在周邊其它儲罐，從而造成二次及二次以上事故發(fā)生的連鎖多米諾效應(yīng)。

2 熱輻射為主的池火災(zāi)多米諾效應(yīng)定量分析

儲罐區(qū)裝置損壞來源于池火災(zāi)的劇烈熱輻射[2-3]。而罐區(qū)池火災(zāi)的發(fā)生由于設(shè)備老化、撞擊、油罐過載、雷電等原因?qū)е鹿迌?nèi)可燃物質(zhì)泄漏并在防火堤內(nèi)形成油池,在滿足火災(zāi)發(fā)生的三要素后，油池迅速燃燒發(fā)展成池火。本文就儲罐區(qū)內(nèi)儲存物的危險特性、儲存條件和外部環(huán)境等因素給出了罐區(qū)池火災(zāi)多米諾效應(yīng)分析過程，如圖2所示。

圖2 儲罐區(qū)池火災(zāi)多米諾效應(yīng)分析圖

在池火模型計算中，主要有以下幾步，即計算液池直徑、燃燒速度、火焰高度、火焰擴展半徑、燃燒總輻射通量和目標(biāo)接受熱通量。

2.1 防火堤內(nèi)液池直徑

液池直徑計算如式(1)所示。

(1)

式中,D為防火堤內(nèi)液池直徑,單位m；Ap為液池面積，單位m2。

2.2 燃燒速度

常用池火災(zāi)燃燒速度計算方法有兩種[4]。

(2)

表1 常見物質(zhì)的和κ×β

(2)有風(fēng)時池火災(zāi)燃燒速度的計算如式(3)所示。

(3)

式中,ΔHc是燃燒熱，單位kJ/kg；Cp是定壓比熱容,單位kJ/(kg·K)；Tb是沸點，單位K；T0是環(huán)境溫度，單位K；H是汽化潛熱，單位kJ/kg。

2.3 池火災(zāi)火焰高度

火焰高度的計算如式(4)所示。

(4)

2.4 池火焰擴展半徑

池火焰擴展半徑如式(5)所示。

(5)

式中，D′為火焰擴展半徑，單位m。

2.5 液池燃燒總輻射通量

液池燃燒總輻射通量如式(6)所示。

(6)

式中，Q為總輻射通量，單位kW；η為效率因子，取值0.13～0.35。

2.6 目標(biāo)受到的入射熱輻射強度

假設(shè)全部輻射熱量由液體中心點的小球面輻射出來，則在距離池中心某一距離X處的入射熱輻射強度如式(7)所示。

(7)

式中，I指一定范圍內(nèi)物體接收到的入射熱通量，單位kW/m2；tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無相對理想的數(shù)據(jù)時，取值1；x為物體到池火災(zāi)的水平距離，單位為m。

不同熱輻射值對人體及設(shè)施的破壞[6-10]見表2。

表2 不同熱輻射值對人體及設(shè)施的破壞

2.7 池火災(zāi)多米諾事故發(fā)生概率

初始事件引發(fā)的多米諾效應(yīng)的概率如式(8)所示[11-12]。

Fd=f×pd

(8)

式中，F(xiàn)d為發(fā)生多米諾效應(yīng)的概率，f為發(fā)生初始事故概率，pd為初始事故擴展概率，計算如式(9)所示。

(9)

(10)

Pi常用概率函數(shù)法計算如式(11)所示。

(11)

常、高壓設(shè)備損壞概率模型如表3所示。I為對外界的熱輻射強度，單位kW/m2;V為設(shè)備體積，單位m3;t設(shè)備故障時間，單位s。

表3 常用設(shè)備損壞概率模型

3 具體場景概率分析

某汽油儲罐區(qū)內(nèi)分布著4個體積均為20 000 m3的豎直常壓儲罐，儲罐區(qū)具體分布如圖3。儲罐半徑均為15 m且獨立分布在防火堤內(nèi)，防火堤半徑25 m。儲罐充裝系數(shù)為0.85，環(huán)境溫度25 ℃,測得1.6 m處風(fēng)速為4 m/s。計算出汽油儲罐區(qū)有效儲存量為49 300 t。根據(jù)《危險化學(xué)品重大危險源辨識》(GB18218-2009)，該汽油儲罐區(qū)現(xiàn)存汽油量超過規(guī)定儲存臨界量，存在重大危險源。汽油儲罐區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)事故極可能引發(fā)周邊儲罐發(fā)生事故從而造成連鎖反應(yīng)。設(shè)定A汽油儲罐發(fā)生池火災(zāi)，通過計算得到其對相鄰儲罐可能產(chǎn)生的影響后果。具體計算結(jié)果見表4。A罐發(fā)生池火災(zāi)時后果參數(shù)值如表5。

根據(jù)某油罐區(qū)的實際情況，從概率分析的角度可知，A罐發(fā)生火災(zāi)有7種可能造成連鎖爆炸的情況，具體每種情況發(fā)生連鎖多米諾效應(yīng)的概率見表6。

上述計算結(jié)果表明，罐與罐之間的距離(32 m)小于發(fā)生多米諾事故的半徑，并且《石油庫設(shè)計規(guī)范》(GB50074-2014)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的值小于事故多米諾半徑和儲罐破壞時的臨界距離。因此該汽油儲罐區(qū)在現(xiàn)存條件下有很大可能發(fā)生事故多米諾效應(yīng)。

圖3 某油儲罐區(qū)示意圖

盡可能采取以下防護措施防止事故多米諾效應(yīng)發(fā)生和擴展：(1)合理設(shè)置儲罐間的安全間距；(2)在防火堤內(nèi)側(cè)培土或噴涂隔熱防火涂料；(3)在儲罐區(qū)設(shè)置強有效的噴淋系統(tǒng)。

表4 A罐臨界入射通量對受害目標(biāo)的影響距離

表5 A罐發(fā)生池火災(zāi)的特征參數(shù)計算

表6 A罐發(fā)生池火災(zāi)引發(fā)的連鎖事故概率

4 結(jié)論

由于石油儲備大型化的特點，儲罐數(shù)量多且存放的物質(zhì)大多具有易燃性，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，儲罐儲存的巨大能量很容易發(fā)生由熱輻射引發(fā)的多米諾事故。失控的能量外泄將造成財產(chǎn)損失、人身傷亡和環(huán)境破壞等嚴(yán)重后果。通過對石油儲罐區(qū)池火災(zāi)多米諾效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)：

(1)本文從對某油罐區(qū)可能發(fā)生的多米諾事故概率計算結(jié)果可知：單個20000 m3汽油罐發(fā)生火災(zāi)時將會導(dǎo)致其周圍約33 m內(nèi)常壓儲罐受到破壞，同時約150 m范圍內(nèi)的人會受到傷害。

(2)研究發(fā)現(xiàn)儲罐區(qū)以熱輻射方式引發(fā)池火災(zāi)多米諾效應(yīng)的后果較其它方式更為嚴(yán)重。

(3)通過對某汽油儲罐區(qū)發(fā)生池火災(zāi)多米諾效應(yīng)的概率分析，可以針對儲罐區(qū)發(fā)生事故概率較大的裝置采取防控或聯(lián)鎖措施降低發(fā)生多米諾效應(yīng)的概率；為類似石化儲罐區(qū)的新建、改建、擴建項目中儲罐區(qū)安全間距的設(shè)置、重大危險源控制以及消防應(yīng)急救援提供理論和數(shù)據(jù)參考。