薛源慶民

(沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院 沈陽 110136)

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LPG罐區(qū)事故后果模擬與風(fēng)險控制研究*

(沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院 沈陽 110136)

LPG在儲存過程中，可能由于泄漏或?yàn)?zāi)難性破裂等原因引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等重大事故。首先根據(jù)兩類危險源理論，辨識與分析了LPG罐區(qū)的危險源及其危險性。然后，利用事件樹方法，建立了瞬時泄漏和連續(xù)泄漏后果模型。通過研究典型的事故后果計算與模擬分析方法、風(fēng)險確定與表示方法，借助PHAST和LEAK系統(tǒng)模擬分析與計算了某LPG罐區(qū)發(fā)生泄漏后的事故后果及其影響，并繪制了個人風(fēng)險等值線和社會風(fēng)險F-N曲線。最后，根據(jù)分析結(jié)果提出了多項(xiàng)針對性的風(fēng)險控制措施。

LPG儲罐 事故后果模擬 個人風(fēng)險 社會風(fēng)險 風(fēng)險控制

0 引言

隨著社會對LPG需求量的增大，大中城市均設(shè)有不同規(guī)模的LPG儲罐區(qū)。然而，LPG具有易燃、易爆、閃點(diǎn)低、高燃燒值等特點(diǎn)，儲罐或管線一旦泄漏，遇到明火極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒事故，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，LPG儲罐區(qū)的安全問題一直倍受重視。對大型LPG儲罐區(qū)進(jìn)行事故后果計算與風(fēng)險分析，并依據(jù)分析結(jié)果提出經(jīng)濟(jì)、合理、有效的風(fēng)險控制措施，對提高LPG儲罐區(qū)風(fēng)險預(yù)測與防范能力，提高其整體安全性水平具有重大意義。1 LPG儲罐區(qū)危險性分析

1.1 LPG儲罐區(qū)危險源辨識與分析

1.1.1 第一類危險源

(1)物質(zhì)的危險性

甲A類(主要成份為丙烷)，閃點(diǎn)-104 ℃，最小引燃能量0.31 mJ，引燃溫度為426～537 ℃，氣態(tài)相對密度為1.686，泄漏后極易在地勢低洼地帶集聚，或沿地面向外擴(kuò)散，遇到點(diǎn)火源將被引燃；爆炸范圍大；燃燒值高，會產(chǎn)生大量的熱量，火焰溫度可達(dá)2 000 ℃，爆炸速度為2 000～3 000 m/s；燃燒產(chǎn)生的高熱輻射、爆炸產(chǎn)生的超壓沖擊波向四周擴(kuò)散傳播，會對周圍人員、財產(chǎn)造成巨大傷害、破壞[1]。

(2)超壓爆炸危險性

LPG儲罐采用常溫加壓儲存，儲存壓力可達(dá)1.7 MPa。在密閉容器內(nèi)，溫度升高1 ℃，丙烷壓力上升2. 21 MPa，丁烷壓力上升1.53 MPa。若溫度升高，且LPG具有較高的膨脹系數(shù)，就可能引起超壓爆炸。

(3)中毒、窒息危險性

吸入大量高濃度氣態(tài)LPG會引起人員中毒，出現(xiàn)嘔吐、昏迷、惡心、頭痛、頭暈等癥狀，使人進(jìn)入麻醉狀態(tài)并喪失意識。若在相對密閉空間內(nèi)，LPG泄漏會使空氣中的氧分壓大幅降低，人體長時間氧氣供應(yīng)不足會出現(xiàn)窒息死亡[2]。

(4)二次爆炸

LPG儲罐、管道等若發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，爆炸產(chǎn)生的熱輻射、超壓沖擊波會對人員造成傷害、對財產(chǎn)造成損失，且可能引發(fā)二次爆炸事故。

1.1.2 第二類危險源

(1)人失誤

操作失誤、違章作業(yè)、盲目指揮、管理缺失等是人失誤的主要因素。例如：①上崗前無安全教育或未按期對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)、考核，造成誤操作；②廠內(nèi)違章動火，尤其對儲罐進(jìn)行隔絕、排空、清洗、置換等操作時；③沒有按照安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作；④操作人員沒有及時對儲罐的液面計位裝置、安全閥門、壓力表、儲罐法蘭等裝置出現(xiàn)故障、失效后及時修理，造成儲罐壓力、溫度不準(zhǔn)，致使人員出現(xiàn)判斷失誤，超壓未能及時泄壓；⑤安全教育缺失、隱患排查不足、沒有制定應(yīng)急救援預(yù)案、沒有開展應(yīng)急救援演練、責(zé)任制度不健全等。

(2)物的不安全狀態(tài)

主要指儲罐失效、閥門故障、法蘭故障、管道失效、安全閥門開啟泄壓等因素導(dǎo)致LPG 泄漏，引發(fā)事故。①儲罐失效主要有破裂、腐蝕、超壓、沖擊作用，儲罐設(shè)計缺陷或故障都會造成儲罐失效；②儲罐區(qū)的管道、閥門、法蘭、壓力泵等在進(jìn)出液過程中，充滿高壓液體，若出現(xiàn)腐蝕、磨損而密封不好，易造成泄漏；③為了提高安全性，會增加很多檢測裝置、提示裝置、報警裝置、安全裝置，操作人員依據(jù)這些裝置反饋的信息發(fā)出指令，若反饋的信息有誤或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能控制儲罐，就會引發(fā)事故。

(3)環(huán)境因素

主要從自然環(huán)境、物理環(huán)境、企業(yè)和社會的軟環(huán)境等方面進(jìn)行分析。①若儲罐區(qū)及建筑物的防雷設(shè)施沒有或失效，致使在雷雨天氣雷擊造成停電，造成關(guān)鍵部位失效而引發(fā)事故；若同時消防設(shè)施也失效，就會大大增大撲救的難度，并增加事故造成的損失；②儲罐長期處于高溫的環(huán)境或長時間受高熱輻射烘烤，極易引起儲罐內(nèi)部壓力升高而發(fā)生爆炸事故；③LPG的最小引燃能量很小，且爆炸下限低，很少的泄漏都有可能在爆炸范圍內(nèi)，而手機(jī)等通訊工具所發(fā)出的射頻電的微弱能量足以引發(fā)氣體爆炸。

1.2 LPG儲罐泄漏后果模型分析

LPG泄漏后產(chǎn)生的危害種類、后果以及影響區(qū)

域取決于泄漏模式、擴(kuò)散條件和點(diǎn)燃方式等。借助事件樹分析方法分析了LPG瞬時泄漏和連續(xù)泄漏的事故后果演變模型[3]，如圖1和圖2所示。

圖1 LPG連續(xù)泄漏事件樹

圖2 LPG瞬時泄漏事件樹

相關(guān)文獻(xiàn)對閃火、噴射火、火球、蒸汽云爆炸(VCE)、沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸(BLEVE)均有所研究，并形成了一系列經(jīng)典計算模型，在此不再贅述。

本文根據(jù)所選LPG罐區(qū)及其周邊居民與環(huán)境情況，所利用的PHAST軟件系統(tǒng)所使用的事故后果計算模型主要有噴射火模型、池火模型、火球模型和蒸汽云爆炸模型[4]。

2 某LPG罐區(qū)事故后果模擬分析與計算

2.1 罐區(qū)概述

該儲罐公司配有8個1 000 m3LPG球罐，儲存壓力為1.7 MPa，溫度為35 ℃。罐區(qū)北側(cè)緊臨一廢品收購站、東北方向緊鄰一看守所；向北450 m、東南方向830 m、西南方向630 m均是居民區(qū)；東南方向330 m有一個公交站；西側(cè)和西北方向600 m范圍內(nèi)均為農(nóng)田；向南360 m、向北200 m均為某品牌汽車倉庫，占地面積分別為110 520 m2、124 800 m2；向北420 m、東南方向440 m為城區(qū)主干道，北側(cè)630 m有一個加氣站。

2.2 典型事故后果模擬計算與分析

2.2.1 典型事故模型的參數(shù)輸入

根據(jù)LPG的性質(zhì)、儲罐周邊環(huán)境、天氣狀況輸入模擬參數(shù)[5-7]，詳見表1。

表1 事故模型參數(shù)輸入

2.2.2 噴射火事故后果模擬計算與分析

噴射火的主要危害是熱輻射，當(dāng)熱輻射通量超過一定的范圍就會對人體造成傷害，該LPG儲罐噴射火危害影響范圍見表2。

表2 噴射火危害影響范圍 m

噴射火模型中，孔徑泄漏的危險程度低于固定時間泄漏。固定時間泄漏的時間越少，在同一點(diǎn)上的熱輻射值越高，越危險。LPG儲罐區(qū)最危險、失效概率最大的部位是輸入/輸出管線，閥門、法蘭、管道、安全閥門均屬于薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生失效，出現(xiàn)LPG泄漏。應(yīng)加強(qiáng)各管線的強(qiáng)度設(shè)計，正常工作狀態(tài)時加強(qiáng)對各個管線、接口處的檢查，及時發(fā)現(xiàn)因腐蝕、撞擊、磨損等原因出現(xiàn)管線泄漏的事故。

2.2.3 蒸汽云爆炸事故后果模擬計算與分析

蒸汽云爆炸的危害主要是爆炸沖擊波，當(dāng)爆炸超壓超過一定范圍就會對人體造成傷害，具體危害后果詳見表3。

表3 蒸汽云爆炸的超壓影響范圍 m

蒸汽云爆炸中所有模型的爆炸直徑都基本不變，但爆炸中心到泄漏點(diǎn)的水平距離在增大，則爆炸影響區(qū)域在增大，危險度增加。固定爆炸模型中，時間越少，影響區(qū)域越大。

2.2.4 火球事故后果模擬計算與分析

火球的主要危害也是熱輻射。與前面模型不同，當(dāng)LPG大量瞬時間泄漏時，泄漏物質(zhì)不能及時擴(kuò)散，大量集聚，形成高濃度云團(tuán)，將產(chǎn)生火球。利用PHAST進(jìn)行后果分析，給出了兩種泄漏量災(zāi)難性破裂時火球的結(jié)果，見表4。若天氣穩(wěn)定，泄漏物質(zhì)未及時擴(kuò)散，大量高濃度的云團(tuán)延緩漂移，延遲點(diǎn)火也可能產(chǎn)生火球。

表4 火球危害的影響范圍 m

火球模型的危害程度最大，致死距離比其它模型遠(yuǎn)。若出現(xiàn)火球，對廠區(qū)周邊看守所、廢品收購站的人員、財產(chǎn)直接構(gòu)成威脅，都在人員死亡距離之內(nèi)。廢品收購站有大量易燃物質(zhì)，因此應(yīng)將看守所和廢品收購站進(jìn)行搬遷。

2.2.5 池火事故后果模擬計算與分析

LPG重于空氣，發(fā)生泄漏后，會在地勢低洼處集聚形成液池，一旦被點(diǎn)燃，往往造成池火危害。具體危害結(jié)果見表5。

表5 池火危害的影響范圍 m

池火災(zāi)的形成與釋放量有關(guān)系，根據(jù)模擬分析可知：在無防火堤的情況下1 000 m3儲罐泄漏不會形成液池，而8 000 m3儲罐泄漏會產(chǎn)生。因此，需合理設(shè)計防火堤(如表5)，提高安全性水平。

2.3 個人風(fēng)險與社會風(fēng)險計算

根據(jù)LPG儲罐孔徑泄漏模型數(shù)據(jù)，計算LPG儲罐泄漏后儲罐區(qū)的風(fēng)險，繪制個人風(fēng)險等值線圖及社會風(fēng)險F/N曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 儲罐孔徑泄漏個人風(fēng)險等值線

圖4 儲罐孔徑泄漏社會風(fēng)險F/N曲線

廠區(qū)內(nèi)個人風(fēng)險最少達(dá)到10-5，這部分區(qū)域的個人風(fēng)險水平需要采取有效措施提高。廠區(qū)外圍的廢品收購站、看守所等地區(qū)個人風(fēng)險也較高[8-9]。由于廠區(qū)周圍人員密集度不高，大部分為開闊地，社會風(fēng)險都在“盡可能降低區(qū)”，但需要在可能的情況下，采取風(fēng)險處理措施盡量減少風(fēng)險。因此，廠區(qū)內(nèi)應(yīng)嚴(yán)格控制點(diǎn)火源，例如杜絕違章動火、動火作業(yè)必須經(jīng)過審批、工作嚴(yán)禁攜帶火種、嚴(yán)禁吸煙、機(jī)動車輛必須戴好阻火器。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)兩類危險源理論，辨識與分析了LPG罐區(qū)的危險源及其危險性。LPG以及儲罐、管線等載體共同構(gòu)成了第一類危險源。導(dǎo)致第一類危險源的能量意外釋放的人、物、環(huán)境因素構(gòu)成了第二類危險源。

(2)借助PHAST和LEAK系統(tǒng)模擬分析與計算，確定了LPG泄漏后產(chǎn)生的危害種類、后果，影響區(qū)域取決于泄漏模式、擴(kuò)散條件和點(diǎn)燃方式等。噴射火模型最為常見，任何一個關(guān)鍵設(shè)備的失效，產(chǎn)生縫

隙、漏洞，出現(xiàn)噴射火，泄漏孔徑越大，危害越大；火球模型的危害最大，致死距離比其它模型遠(yuǎn)；池火災(zāi)的形成與釋放量、圍堰有關(guān)系。

(3)根據(jù) LPG 儲罐孔徑泄漏模型數(shù)據(jù)，得出LPG儲罐泄漏后儲罐區(qū)個人風(fēng)險明顯偏高，但由于廠區(qū)周圍人員密集度不高，社會風(fēng)險都在“盡可能降低區(qū)”，需采取降風(fēng)險措施。

對LPG罐區(qū)事故后果模擬與風(fēng)險控制研究可以為LPG罐區(qū)實(shí)施區(qū)域定量風(fēng)險評價提供模式參考，相關(guān)安全管理人員可根據(jù)計算數(shù)據(jù)、模擬結(jié)果，有針對性地加強(qiáng)罐區(qū)安全管理，降低其整體危險性。

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Research on Consequence Simulation and Risk Control of LPG Tank Accident

XUE Yuan SI Qingmin

(CollegeofSafetyEngineering,ShenyangAerospaceUniversityShenyang110136)

In the process of storage, LPG may cause fire, explosion, poisoning and other major accidents due to leakage or catastrophic rupture. According to the theory of two types of hazards, the risk of LPG storage tank is identified and analyzed. Then, by using event tree method, the model of instantaneous leakage and continuous leakage is established. Through the study of typical accident consequence calculation and simulation analysis method, risk determination and representation methods and with the aid of PHAST and LEAK system, the consequences and influences of a LPG storage tank after the accident are simulated, analyzed and calculated and the individual risk isoline is mapped, as well as the social riskF-Ncurve. Finally, according to the analysis results, a number of targeted risk control measures are proposed.

LPG storage tank accident consequence simulation personal risk social risk risk control

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2015408)，遼寧省社會科學(xué)規(guī)劃基金重點(diǎn)項(xiàng)目(L15AGL008)。

薛源，男，1992年生，主要研究方向?yàn)槲ｋU源辨識、控制與評價，事故應(yīng)急救援理論及技術(shù)。

2015-10-16)

危險源辨識、控制與評價，風(fēng)險管理，安全評價，事故應(yīng)急救援理論及技術(shù)，適航性安全性評估。