航空煤油罐區(qū)煤油泄漏事故后果模擬分析

姚國(guó)平，耿曉茹

(中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司青島分公司，山東青島 266108)

油庫(kù)儲(chǔ)罐區(qū)通常儲(chǔ)存了大量的油品，因油料的流動(dòng)性較好，揮發(fā)性較大，若碰撞或者遇到點(diǎn)火源，容易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失[1]。油罐內(nèi)油品泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)、爆炸事故時(shí)有發(fā)生。近幾年國(guó)內(nèi)外部分油庫(kù)油罐事故情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)：油罐發(fā)生泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)害事故。在實(shí)際情況下，如果處置不當(dāng)，油罐發(fā)生爆炸或者燃燒會(huì)引燃周圍的罐體，產(chǎn)生更大的傷害，甚至發(fā)生多米諾效應(yīng)[2-3]。液體油罐發(fā)生泄漏之后常見(jiàn)的事故類型是池火災(zāi)和蒸氣云爆炸。以某油庫(kù)罐區(qū)的航空煤油儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，通過(guò)PHAST軟件對(duì)泄漏擴(kuò)散后發(fā)生的燃燒爆炸等事故進(jìn)行分析，計(jì)算得到池火災(zāi)熱輻射影響范圍以及蒸氣云爆炸沖擊波影響范圍，以期為油罐區(qū)設(shè)計(jì)、事故發(fā)生后的緊急救援提供一定的參考。

表1 近幾年國(guó)內(nèi)外部分油庫(kù)罐區(qū)火災(zāi)、爆炸事故

1 PHAST軟件介紹

PHAST軟件全稱為工藝危險(xiǎn)源分析軟件工具(Process Hazard Analysis Software Tools)，由挪威船級(jí)社(DNV)公司開(kāi)發(fā)，是專門針對(duì)石油化工等危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域的危害范圍計(jì)算和分析的軟件[4-5]。該軟件可以快速的模擬泄漏擴(kuò)散、毒氣、燃燒和爆炸等4種事故類型[6-8]，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該軟件模擬計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。

根據(jù)燃燒發(fā)生前可燃物質(zhì)與空氣是否進(jìn)行預(yù)混合，燃燒類型可以分為擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒[9-10]?；鹧嫒紵愋图疤卣魅鐖D1所示。

圖1 燃燒類型

2 事故后果仿真參數(shù)設(shè)定

2.1 油罐區(qū)布局

目標(biāo)油庫(kù)占地面積約57 000 m2，庫(kù)區(qū)分為油罐區(qū)、卸油區(qū)和輔助功能區(qū)，其中油罐區(qū)位于庫(kù)區(qū)西北側(cè)，共設(shè)10 000 m3儲(chǔ)罐3座，南北向布置成一列，油罐之間間距12 m。罐區(qū)四周設(shè)置防火堤，油罐按單罐單堤的要求隔開(kāi)，防火堤高度1.2 m，隔堤高度0.8 m。其中，左側(cè)為1#油罐，中間為2#油罐，右側(cè)為3#油罐。

圖2 油罐區(qū)布局示意

2.2 事故描述

目標(biāo)油庫(kù)所在地青島地區(qū)雷雨天氣較多，且雷擊是油庫(kù)火災(zāi)的主要點(diǎn)火源之一。雷擊可破壞浮頂，引燃引爆浮艙內(nèi)的易燃油氣，引發(fā)爆炸或火災(zāi)，造成儲(chǔ)罐坍塌失效。航空煤油通常儲(chǔ)存在常溫常壓下，煤油泄漏通常是由于罐壁的腐蝕穿孔、裂紋、相關(guān)管道工程失效等原因造成。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，儲(chǔ)罐相連接的管道在法蘭連接處存在一些滲漏、滴漏，故選擇該事故場(chǎng)景進(jìn)行模擬。

2.3 煤油物性

航空煤油具有易燃易爆的特性，密度比水小，輕組分的揮發(fā)出的油氣與空氣混合能形成爆炸性物質(zhì)，油品的安全特性見(jiàn)表2。

表2 航空煤油油品物性指標(biāo)

2.4 天氣數(shù)據(jù)

根據(jù)青島地區(qū)的天氣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，受風(fēng)速以及濕度影響較大，且主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，根據(jù)青島氣象站的氣象資料，得到常年平均氣溫為13 ℃，平均風(fēng)速4.5 m/s，最大風(fēng)速37.8 m/s，平均大氣濕度75%。

2.5 事故參數(shù)

對(duì)于易燃液體而言，事故的后果模式分為以下4種：噴射火，池火，爆炸，閃火，其中火災(zāi)以池火為主要事故類型，爆炸以蒸氣云爆炸為主要類型。假設(shè)該罐區(qū)事故參數(shù)如表3所示。

表3 事故參數(shù)

3 事故仿真后果模型建立及危害分析

3.1 池火災(zāi)事故模擬

池火事故造成的主要危害是泄漏油品燃燒產(chǎn)生輻射熱值[11-12]?；馂?zāi)燃燒時(shí)有2個(gè)主要特征，一是火焰場(chǎng)溫度不斷上升，二是附近物體的熱輻射強(qiáng)度持續(xù)增加。當(dāng)火焰熱輻射強(qiáng)度超過(guò)一定的傷害閾值，周圍的可燃物體發(fā)生燃燒、設(shè)備設(shè)施損壞變形、人員生命安全受到威脅，甚至引發(fā)災(zāi)害事件的連鎖，即多米諾效應(yīng)。油池燃燒造成的熱輻射通量的傷害閾值如表4所示[13-14]。

表4 熱通量傷害準(zhǔn)則

罐區(qū)中的航空煤油泄漏之后會(huì)發(fā)生流散，此時(shí)遇到點(diǎn)火源將會(huì)產(chǎn)生池火事故。假設(shè) 1#儲(chǔ)罐的進(jìn)口原油管道的法蘭連接處存在泄漏孔發(fā)生泄漏，泄漏后的航空煤油存儲(chǔ)在防火堤內(nèi)并形成 44 m×44 m×0.5 m的油池，在特定的溫度下，煤油持續(xù)蒸發(fā)在煤油表面上方形成油蒸氣，在油池上面存在點(diǎn)火源。

3.1.1 平均風(fēng)速

在平均風(fēng)速4.5 m/s的條件下，油罐管線發(fā)生泄漏之后輻射影響的強(qiáng)度范圍見(jiàn)圖3。

圖3 池火災(zāi)熱輻射影響范圍

由圖3并結(jié)合表4可見(jiàn)：圖中最里層藍(lán)色橢圓處于37.5 kW/m2的輻射范圍內(nèi)，在下風(fēng)向73 m，側(cè)風(fēng)向52 m，此范圍內(nèi)的操作設(shè)備全部損壞，發(fā)生此泄漏造成的池火對(duì)罐區(qū)內(nèi)的2#儲(chǔ)罐造成強(qiáng)烈的熱輻射作用，有可能造成2#儲(chǔ)罐坍塌失效；3#儲(chǔ)罐沒(méi)有損壞的危險(xiǎn)，但是需要對(duì)附近的儲(chǔ)罐采取降溫措施。中間紅色橢圓處于12.5 kW/m2的輻射熱通量范圍內(nèi)，在下風(fēng)向112 m，側(cè)風(fēng)向90 m，此范圍內(nèi)不要存放木材或者塑料，否則會(huì)造成木材燃燒，塑料熔化。最外層黑色橢圓范圍處于4 kW/m2的輻射熱通量范圍內(nèi)，即在事故點(diǎn)下風(fēng)向171 m，側(cè)風(fēng)向153 m范圍內(nèi)人員應(yīng)盡快撤離現(xiàn)場(chǎng)。由于池火的熱輻射作用會(huì)對(duì)相鄰儲(chǔ)罐造成損傷，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)罐體不同高度處熱輻射值大小，其中2#儲(chǔ)罐及3#儲(chǔ)罐罐體不同高度處的熱輻射值如圖4所示。

圖4 熱輻射值隨罐體高度的變化曲線

由圖4可見(jiàn)：2#儲(chǔ)罐及3#儲(chǔ)罐罐體的熱輻射值從罐底到罐頂逐漸增加，且增加趨勢(shì)逐漸變緩。2#儲(chǔ)罐受到火焰強(qiáng)烈的熱輻射作用，儲(chǔ)罐壁面處接受到的輻射最大值為54 kW/m2，該值很容易造成2#儲(chǔ)罐坍塌失效；由于2#儲(chǔ)罐的阻擋，且隨著下風(fēng)向距離的增加，3#儲(chǔ)罐接受到的輻射值較少，最大值為12.5 kW/m2，該輻射值不會(huì)對(duì)油罐罐壁產(chǎn)生影響。

3.1.2 最大風(fēng)速

受青島地區(qū)天氣的影響，常年有風(fēng)且主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，因此，需考慮最大風(fēng)速情況下發(fā)生池火事故造成的熱輻射影響范圍，設(shè)定風(fēng)速為37.8 m/s，對(duì)比平均風(fēng)速的情況，池火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度為4 kW/m2的范圍如圖5所示，其中該俯視圖為高度為1.6 m時(shí)(人員的平均高度)的影響范圍。

圖5 池火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度為4 kW/m2的影響范圍

由圖5可見(jiàn)：池火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度為4 kW/m2的影響范圍呈橢圓形，即在事故點(diǎn)下風(fēng)向155 m，側(cè)風(fēng)向144 m范圍內(nèi)人員應(yīng)盡快撤離現(xiàn)場(chǎng)。

在最大風(fēng)速的情況下，危險(xiǎn)區(qū)域范圍隨著池火災(zāi)燃燒規(guī)模擴(kuò)大而不斷擴(kuò)大，同時(shí)，熱輻射強(qiáng)度不斷增加。從上述分析可見(jiàn)，熱輻射強(qiáng)度值是隨著高度的增加而逐漸變大。對(duì)于儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，根據(jù)表4，選擇 37.5 kW/m2的輻射閾值作為危害區(qū)域的判斷標(biāo)準(zhǔn)。高度為0.5 m時(shí)(液池高度)熱輻射值的影響范圍見(jiàn)圖6。

圖6 池火災(zāi)輻射強(qiáng)度隨下風(fēng)向距離的變化

由圖6可見(jiàn)：泄漏的航空煤油燃燒初期僅在點(diǎn)火源及其周圍是危險(xiǎn)區(qū)域，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，火焰熱輻射影響范圍變大。根據(jù)3個(gè)儲(chǔ)罐的位置不同，最大風(fēng)速下，事故源可對(duì)1#和2#儲(chǔ)罐造成強(qiáng)烈的熱輻射作用，其中1#儲(chǔ)罐附近熱輻射最大值可達(dá)到71 kW/m2，該值遠(yuǎn)大于輻射閾值37.5 kW/m2，此情況下會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐罐壁造成破壞；2#儲(chǔ)罐附近熱輻射最大值達(dá)到33 kW/m2，該值接近輻射閾值37.5 kW/m2，因此2#儲(chǔ)罐也相當(dāng)危險(xiǎn)；3#儲(chǔ)罐附近熱輻射最大值為7.7 kW/m2，該值遠(yuǎn)小于閾值37.5 kW/m2，因此3#罐是安全的，且罐壁也不會(huì)受到損傷。

3.2 蒸氣云爆炸事故模擬分析

在特定條件下，航空煤油揮發(fā)出來(lái)的蒸氣與空氣混合可形成爆炸性的物質(zhì)，遇到引燃源立即發(fā)生燃燒爆炸?；旌峡扇嘉镔|(zhì)在引燃源的刺激下發(fā)生快速的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生巨大化學(xué)能量，使附近的壓力和溫度快速上升，同時(shí)波狀沖擊氣壓向周圍擴(kuò)散，這一階段就是“爆燃”[15-16]。而開(kāi)敞空間中的蒸氣云爆炸大多數(shù)為爆燃現(xiàn)象，其中爆炸使周圍環(huán)境中的空氣受到?jīng)_擊波并發(fā)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)在空氣中傳播形成沖擊波。其中沖擊波破壞準(zhǔn)則[17-18]的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 沖擊波破壞準(zhǔn)則

發(fā)生爆炸后沖擊波超壓的影響范圍如圖7所示。

圖7 沖擊波超壓的影響范圍

由圖7可見(jiàn)：最里層藍(lán)色橢圓范圍內(nèi)，即在下風(fēng)向距離57 m，側(cè)風(fēng)向距離56 m的范圍內(nèi)的爆炸沖擊波超壓為20.685 kPa，1#和2#儲(chǔ)罐在此影響區(qū)域內(nèi)，因此1#和2#儲(chǔ)罐罐體會(huì)受到不同程度的影響；中間紅色橢圓的超壓閾值為13.790 kPa，即下風(fēng)向距離75 m，側(cè)風(fēng)向距離73 m范圍內(nèi)不要有人員停留，否則足以致死；最外層黑色橢圓的沖擊波超壓閾值為2.068 kPa，即在下風(fēng)向距離284 m，側(cè)風(fēng)向距離283 m范圍內(nèi)，整個(gè)油罐區(qū)均包含在內(nèi)，人員將受到些許傷害，附近的水泥墻會(huì)產(chǎn)生裂縫。

儲(chǔ)罐所在地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向是北風(fēng)，爆炸超壓隨下風(fēng)向距離的變化見(jiàn)圖8。

圖8 爆炸超壓隨下風(fēng)向距離的變化

由圖8可見(jiàn)：爆炸超壓隨下風(fēng)向距離的增加逐漸減小。下風(fēng)向距離22 m處為一個(gè)超壓過(guò)程，是由于初期可燃?xì)庠朴龅近c(diǎn)火源立即發(fā)生爆燃，爆燃產(chǎn)出沖擊壓力波，促使周圍壓力及溫度快速上升，在爆炸超壓達(dá)到峰值點(diǎn)之后，隨著距離的增加，爆炸超壓逐漸降低，且降低較快，這是由于2#儲(chǔ)罐的阻擋作用，3#儲(chǔ)罐的位置爆炸超壓相對(duì)較低且緩慢減少。

4 結(jié)論

油品的燃燒與爆炸發(fā)展是一個(gè)特別復(fù)雜的過(guò)程，通過(guò)PHAST軟件模擬建立模型對(duì)航空煤油儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散后發(fā)生的爆炸、燃燒等事故進(jìn)行分析，研究不同工況下池火災(zāi)及蒸氣云爆炸的影響范圍，得到如下結(jié)論。

1)對(duì)于池火災(zāi)，根據(jù)熱通量準(zhǔn)則，一般風(fēng)速條件下在下風(fēng)向73 m，側(cè)風(fēng)向52 m，此范圍內(nèi)的操作設(shè)備全部損壞，發(fā)生此泄漏造成的池火對(duì)罐區(qū)內(nèi)的2#儲(chǔ)罐造成強(qiáng)烈的熱輻射作用，有可能其坍塌失效，對(duì)3#儲(chǔ)罐沒(méi)有損壞的危險(xiǎn)，但是需要對(duì)附近的儲(chǔ)罐需要采取降溫措施。在下風(fēng)向112 m，側(cè)風(fēng)向90 m，此范圍內(nèi)不要存放木材或者塑料，否則會(huì)造成木材燃燒，塑料熔化。在事故點(diǎn)下風(fēng)向171 m，側(cè)風(fēng)向153 m范圍內(nèi)人員應(yīng)盡快撤離現(xiàn)場(chǎng)。

2)池火災(zāi)對(duì)人員的影響?？紤]大風(fēng)天氣的影響，在事故點(diǎn)下風(fēng)向155 m，側(cè)風(fēng)向144 m范圍內(nèi)人員應(yīng)盡快撤離現(xiàn)場(chǎng)。

3)池火災(zāi)對(duì)臨近油罐的影響?？紤]大風(fēng)的影響，危險(xiǎn)區(qū)域范圍隨著池火災(zāi)燃燒規(guī)模擴(kuò)大而不斷擴(kuò)大，同時(shí)，熱輻射強(qiáng)度不斷增加，對(duì)1#和2#儲(chǔ)罐造成強(qiáng)烈的熱輻射作用，1#儲(chǔ)罐會(huì)發(fā)生坍塌，2#儲(chǔ)罐也由于接近輻射閾值會(huì)造成罐壁損傷，3#儲(chǔ)罐附近熱輻射最大值為7.7 kW/m2，該值遠(yuǎn)小于閾值37.5 kW/m2，因此3#罐是安全的，且罐壁也不會(huì)受到損傷。且隨著罐體高度的增加，熱輻射值逐漸增加，但增加幅度變緩。

4)爆炸沖擊波危害較大，在下風(fēng)向距離57 m，側(cè)風(fēng)向距離56 m的范圍內(nèi)，1#和2#儲(chǔ)罐罐體會(huì)受到不同程度的影響；在下風(fēng)向距離75 m，側(cè)風(fēng)向距離73 m范圍內(nèi)不要有人員停留，否則足以致死；在下風(fēng)向距離284 m，側(cè)風(fēng)向距離283 m范圍內(nèi)，整個(gè)油罐區(qū)均包含在內(nèi)，人員將受到少許傷害，附近的水泥墻會(huì)產(chǎn)生裂縫。

5)爆炸超壓隨下風(fēng)向距離的增加逐漸減小。在下風(fēng)向距離22 m處經(jīng)歷了一個(gè)超壓階段，此后，爆炸超壓逐漸降低，且降低的較快。由于2#儲(chǔ)罐的阻擋作用，3#儲(chǔ)罐的位置爆炸超壓相對(duì)較低且緩慢減少。