孫曄 張禮敬 陶剛

南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院

天然氣已成為化工園區(qū)最重要的燃料來(lái)源。一旦泄露，被引燃出現(xiàn)火災(zāi)爆炸事故，可能導(dǎo)致臨近的目標(biāo)裝置發(fā)生多米諾效應(yīng)引發(fā)二次事故，造成嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失。

本文依據(jù)火災(zāi)模型，計(jì)算天然氣泄露后發(fā)生噴射火和火球事故因多米諾效應(yīng)，對(duì)目標(biāo)設(shè)備造成事故概率增加的影響概率。

1 天然氣泄露事故熱通量計(jì)算

本文只考慮立即起火的事故情景，即噴射火和火球。

1.1 噴射火

噴射火是湍流火，由于噴射動(dòng)能很高，在泄漏方向上會(huì)產(chǎn)生很長(zhǎng)的距離。由于事故發(fā)生頻率較高和危害半徑較大，噴射火很容易導(dǎo)致多米諾事故。

計(jì)算噴射火的熱通量時(shí)，把它看做一系列位于射流軸上的點(diǎn)熱源，每個(gè)點(diǎn)熱源的熱輻射通量都為q，可按下式計(jì)算[2]：

式中：

q—點(diǎn)熱源熱輻射通量，W；

η—效率因子，取0.35；

Q0—泄露速度，kg/s；

Hc—燃燒熱，J/kg。

1.2 火球

火球包圍下常壓容器的失效時(shí)間一般大于火球持續(xù)時(shí)間，但屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)，故本文仍將火球引發(fā)多米諾效應(yīng)考慮在內(nèi)。

發(fā)生火球燃燒時(shí)，火球的最大半徑r為

式中：

r—火球半徑，m；

M—急劇蒸發(fā)的可燃物質(zhì)的質(zhì)量，kg。

火球燃燒的持續(xù)時(shí)間t為：

式中：

t—火球持續(xù)時(shí)間，s。

火球燃燒時(shí)發(fā)出的輻射通量Q為：

式中：

Q—火球燃燒時(shí)熱輻射能，kw；

Hc—燃燒熱，kJ/kg；

M—急劇蒸發(fā)的可燃物質(zhì)的質(zhì)量，kg；

t—火球持續(xù)時(shí)間，s；

η—效率因子，取決于設(shè)備中可燃物質(zhì)的飽和蒸汽壓p。

2 多米諾效應(yīng)對(duì)目標(biāo)設(shè)備事故概率的影響

假設(shè)某目標(biāo)裝置m，其發(fā)生初始事故的概率為Fm，天然氣管道發(fā)生初始事故的概率為Fl，天然氣管道l火災(zāi)事故情景導(dǎo)致目標(biāo)裝置m產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的概率為Plm，則由于天然氣管道l火災(zāi)事故情景的影響,目標(biāo)裝置m的事故頻率增量為：ΔFm=PlmFl。Bagster、Pitlbado考慮到傳播概率與初級(jí)事故設(shè)施到目標(biāo)設(shè)施之間的距離存在一定關(guān)系,提出傳播概率與它們之間距離rlm平方呈反比的關(guān)系,即距離越遠(yuǎn)導(dǎo)致發(fā)生多米諾效應(yīng)的概率越小，因此給出如下的公式[4]：

式中：

rth—初級(jí)事故能引起破壞的最大距離,即達(dá)到多米諾效應(yīng)破壞閾值的距離；

rlm—管道與目標(biāo)裝置之間的距離。

達(dá)到多米諾效應(yīng)破壞閾值的距離因事故情景的不同而不同[5-7]，閾值距離可以根據(jù)火災(zāi)產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的熱輻射通量閾值計(jì)算得到，在噴射火災(zāi)模型下,計(jì)算公式為：

式中：

Ith—火災(zāi)的損壞閾值。

根據(jù)輻射對(duì)設(shè)備和人的危害程度一覽表，見(jiàn)表1，火災(zāi)損壞閾值取值為 Ith=37.5kW/m2。

表1 輻射危害程度一覽表

3 實(shí)例計(jì)算

現(xiàn)某化工園區(qū)內(nèi)一已建倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)內(nèi)有10000m3汽油儲(chǔ)罐2個(gè)，一用一備，瀝青儲(chǔ)罐、重油儲(chǔ)罐若干。園區(qū)擬建一條天然氣管道經(jīng)過(guò)該企業(yè)圍墻外。企業(yè)平面布置、及天然氣管道位置如圖1所示，汽油儲(chǔ)罐與擬建天然氣管道相距30m。

天然氣輸送管道管徑d=295.5mm，天然氣平均分子量M=21.22184，管長(zhǎng)L=1400，管內(nèi)初始?jí)毫0=8.8588Mpa，氣體溫度T0=42℃，泄露孔徑為20mm[3]。

經(jīng)計(jì)算可得天然氣泄露速度隨時(shí)間的變化情況，如圖2[3]。

由圖2可以得出，在天然氣發(fā)生泄露的前期，泄露速度最大，最大泄露速度為5.286kg/s[3]，隨著泄露時(shí)間的增加，管道壓力降低，泄露速度也隨之降低。本文在計(jì)算的過(guò)程中，考慮到可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重事故后果，取最大的泄露速度來(lái)計(jì)算。

根據(jù)假設(shè)中，天然氣的平均分子量為M=21.22184，并假設(shè)天然氣組分僅為甲烷和丙烷，可計(jì)算出甲烷和丙烷的分子的量之比為22.78∶5.22，故兩者質(zhì)量之比為1.59∶1。甲烷、丙烷的燃燒熱分別為890.3kJ/mol，2221.5kJ/mol，即為5.59×108J/kg，5.05×108J/kg，由此可得出，此天然氣的燃燒熱為5.38×108J/kg。

根據(jù)式（1）可計(jì)算出，天然氣泄漏后，發(fā)生噴射火時(shí)的熱通量為q=9.95×105kJ/s。根據(jù)式（7）可計(jì)算出初級(jí)事故能引起破壞的最大距離rth=45.95m；繼而，根據(jù)式（6）可知天然氣噴射火對(duì)汽油儲(chǔ)罐產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的概率為Plm=0.12。由表2可知，若不受多米諾效應(yīng)的影響，汽油儲(chǔ)罐發(fā)生罐體損壞的概率為0.1×10-3；若考慮天然氣管道泄漏后發(fā)生噴射火，對(duì)汽油儲(chǔ)罐產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，汽油儲(chǔ)罐發(fā)生罐體損壞的概率的增量為ΔFm=PlmFl=0.12×0.1×10-3=0.12×10-4，則考慮多米諾效應(yīng)的影響之后，汽油儲(chǔ)罐發(fā)生罐體損壞的概率為Fm’=Fm+ΔFm=0.1×10-3+0.12×10-4=0.112×10-3。

表2 汽油儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸基本事件概率表

4 總結(jié)

由上述計(jì)算可以得出，實(shí)例中，天然氣管道破裂發(fā)生泄漏，發(fā)生噴射火災(zāi)后，由于多米諾效應(yīng)的影響，使汽油儲(chǔ)罐罐體損壞的概率增加了0.12×10-4，而不考慮多米諾效應(yīng)時(shí)汽油儲(chǔ)罐罐體損壞的概率為0.1×10-3，即增加了12%。

由此可知，化工園區(qū)內(nèi)天然氣管道發(fā)生火災(zāi)事故，有可能因?yàn)槎嗝字Z效應(yīng)，使得周邊的設(shè)施設(shè)備發(fā)生事故的概率增大，不可忽視。

[1]魏利軍,多英全,于立見(jiàn),劉驥,吳宗之.化工園區(qū)安全規(guī)劃方法與程序研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17(9):45-51

[2]劉艷華.基于多米諾效應(yīng)的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)事故后果研究[D].四川:西南石油大學(xué)供熱,2009

[3]劉中良,羅志云,王皆騰,劉驥,張捷,孫曉春.天然氣管道泄露速率的確定[J].化工學(xué)報(bào),2008,59(8):2121-2126

[4]Bagster D F，Pitblado R M.The Estimation of Domino Incident Frequencies-an Approach[J].Process Safety Environmental Protection.1991,69B:196-210

[5]李求進(jìn)，楊玉勝，陶紅.基于多米諾效應(yīng)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8（1）:71-76

[6]Cozzani V,Gubinelli G,Antonioni G et al.The Assessment of Risk Caused by Domino Effect in Quantitative Area Risk Analysis[J].Journal of Hazardous Materials,2005,127:14-30

[7]F.I.Khan,S.A.Abbasi.DOMIFFECT(Domino Effect):User-friendly Software for Domino Effect Analysis[J].Environmental Modelling & Software.1998,13:163-177