劉 超 李向欣 胡緒鑫 李祥岳

中國人民警察大學

隨著我國經濟的發(fā)展以及國家戰(zhàn)略的調整，全國范圍內儲罐區(qū)數量迅猛增加，隨之而來油罐區(qū)發(fā)生火災爆炸事故的風險也越來越高。油罐區(qū)一旦發(fā)生事故，極易處于失控狀態(tài)，危害后果十分嚴重。例如：2015年4月，漳州騰龍芳烴有限公司發(fā)生重大火災爆炸事故，造成6人受傷、近1億元的經濟損失。油罐區(qū)事故具有復雜性，多種事故類型往往相互作用，過去只對單一事故進行研究的模式已不能適應滅火作戰(zhàn)的需要[1-2]。深入研究油罐區(qū)事故的發(fā)展規(guī)律，科學預測耦合事故的危害范圍，為消防部隊制定處置預案提供理論支撐已成為當務之急。

1 油罐區(qū)耦合事故的特性

1.1 油罐區(qū)單一事故的類型

根據事故發(fā)生的位置及規(guī)模可分為罐體或管道泄漏、密封圈火災、浮頂泄漏局部火災、蒸氣云爆炸、全液面火災、油罐爆炸、防火堤內火災等10余種，但按種類劃分主要為泄漏、池火災、油罐爆炸、蒸氣云爆炸。

由于外界因素使得油罐或管道破裂，大量油品外流。油品外流后，在重力以及地形的作用下四處漫延，直至達到一定的飽和范圍，形成近似圓形的液池面，大約4%的油品會產生揮發(fā)。由于油品毒性較低，泄漏后通常不考慮中毒事故。同時油品具有易燃易爆且易受外部環(huán)境條件干擾的特性，遇火源則轉化為蒸氣云爆炸或池火災。池火災會產生強烈的熱輻射，臨近設施可能因為強烈的熱輻射發(fā)生新的事故。重質油品的全液面池火災在撲救不及時的情況下有可能發(fā)生沸溢噴濺。對于拱頂罐和內浮頂罐，還有可能發(fā)生油罐爆炸。蒸氣云爆炸與油罐爆炸的成災機理以及危害形式相同，但蒸氣云爆炸的能量完全以沖擊波的形式作用于周圍環(huán)境，但油罐爆炸所處的區(qū)域封閉性更強，沖擊波的部分能量被罐體吸收，對周圍環(huán)境的危害相對較小。

1.2 油罐區(qū)耦合事故的機理

在參考了各學科對于耦合的定義，同時結合油罐區(qū)火災爆炸事故特征，將耦合事故定義為：事故發(fā)展過程中，由于各因素間相互作用，使得不同的事故類型相互影響，事故的危害后果發(fā)生變化。油罐區(qū)耦合事故主要表現為池火災、泄漏、蒸氣云爆炸、油罐爆炸等事故間的相互耦合。LASTFIRE統(tǒng)計的71例油罐火災事故中，耦合事故占50起，占火災總數的70%[3]。

油罐耦合事故有零耦合、強耦合兩種類型[4]。零耦合指的是單一事故間相互作用未改變事故的危害后果，表現形式為“1+1=2”。強耦合指的是各單一事故之間相互影響，使得事故的危害后果呈上升趨勢，表現形式為“1+1＞2”，強耦合是油罐區(qū)事故的主要耦合類型。例如，由于管道發(fā)生破裂，造成大量的原油外流，遇火源形成大面積的流淌火，強烈的熱輻射導致相鄰儲罐發(fā)生爆炸，兩單一事故耦合作用后危害范圍擴大。

2 耦合事故危害范圍的預測

2.1 單一事故危害范圍的數學模型

2.1.1 池火災

油罐火災主要類型為池火災。池火災數學模型是根據火焰特征以及燃燒特性建立的。常用的數學模型有點火源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型等[5-7]。由于油罐事故現場環(huán)境復雜，救援時間緊迫，本文采用計算相對簡便的點火源模型。

式中，

Q—總輻射熱通量，kW；

I—熱輻射強度，kW/m2；

tc—熱傳導系數，通常取值為1；

X—目標點到池火中心的距離，m。

2.1.2 蒸氣云爆炸

當發(fā)生蒸氣云爆炸時，沖擊波對周圍設施及人員的危害采用TNT當量模型進行預測[8]。蒸發(fā)的油品并非完全參與到爆炸中去，為了保守估計，則認為蒸發(fā)量等于爆炸量。計算公式如下所示：

式中，

W—泄漏油品的質量，kg；

α—參與爆炸的燃料占泄漏燃料的比例，取平均值0.04；

qTNT—單位質量TNT爆炸所釋放出的能量，4.52 MJ/kg。

2.1.3 油罐爆炸

荷蘭應用科學研究院通過研究得到了油罐爆炸的沖擊波危害半徑計算公式[9]：

式中，

r—損害半徑，m；

V1—參與反應的可燃氣體體積，m3；

η—效率因子，其值與燃燒濃度持續(xù)展開所造成損耗的比例和燃燒所得機械能的數量有關，一般取10%；

CS—危害等級系數，其取值，見表1。

2.2 危害程度的劃分

不同區(qū)域的人員所受的危害程度存在差異，根據危害程度的不同以事故點為中心劃分重度區(qū)、中度區(qū)、輕度區(qū)。其中，重度區(qū)距離事故儲罐最近，該區(qū)域極易造成大規(guī)模人員傷亡以及建構筑設施完全損壞。中度區(qū)距離事故儲罐中等距離，該區(qū)域的人員若缺少防護且未及時撤離，其中半數人會出現中等程度的傷害，極少數人員可能死亡，建構筑設施嚴重損壞。輕度區(qū)距離事故儲罐較遠，該區(qū)域的人員一般受到輕微傷害，建構筑設施發(fā)生輕微的變形。本文在參考超壓準則、沖量準則、超壓—沖量準則后確定了沖擊波的傷害閾值，依據熱輻射通量準則和熱輻射強度準則確定了熱輻射的傷害閾值，見表1。

表1 傷害閾值

2.3 耦合事故危害范圍的確定方法

2.3.1 單一事故危險性指數

通過查閱相關文獻及標準，結合單一事故的閾值以及事故危險性因子對人、環(huán)境的危害程度，對單一事故進行分級，H代表各類單一事故在不同危害程度下的危險性指數，見表2-4。

表2 火災事故危險性指數

表3 油罐罐體爆炸危險性指數

表4 爆炸事故危險性指數

2.3.2 耦合事故危險性改變量

耦合事故發(fā)生時，各單一事故通過因素的相互作用使得事故危害后果增大，但耦合的規(guī)模以及耦合程度受各種外界因素影響，因此耦合事故的危害后果具有一定的不確定性。本文通過耦合事故危險性改變量ΔHi在一定程度上對危害范圍進行調整，量化由于耦合事故所導致危害后果增加的部分，較為科學地預測危害范圍。當耦合事故為雙災種耦合時，根據改變量ΔHi矩陣選取數值，若為三災種耦合時，可視為2個雙災種耦合相加，如蒸氣云爆炸-池火災-油罐爆炸的耦合可視為蒸氣云爆炸-池火災與油罐爆炸-池火災的耦合數值之和。耦合事故危險性改變量ΔHi矩陣，見表5。

表5 耦合事故危險性改變量ΔHi矩陣

2.3.3 耦合事故危害半徑

在對初始事故場景進行分析后，判斷可能參與耦合的事故類型，運用數學模型計算各單一事故在不同危害程度下的危害半徑，采用最大值原則分別得到重、中、輕度區(qū)危害半徑的最大值rmax，將rmax帶入公式（4）中即可得到耦合事故危害范圍的半徑R耦。

3 應用舉例

3.1 案例基本情況

某城市化工園區(qū)內建設有一儲罐區(qū)，罐區(qū)內共有四個儲罐，儲罐的儲存介質為柴油和汽油。汽油的密度為740kg/m3，燃燒熱為46MJ/kg；柴油的密度為850kg/m3，燃燒熱為42.5MJ/kg，具體參數，見表6。儲罐區(qū)長寬均為129m，儲罐分布，如下圖。

表6 儲罐具體參數

圖 儲罐區(qū)分布情況示意圖

3.2 事故情景分析

由于操作人員的失誤，1號汽油罐管道發(fā)生破裂，大量汽油泄漏，泄漏量為30m3，泄漏的汽油在防火堤內的一側聚積形成液池，面積約為700m2且未立即引發(fā)火災以及爆炸事故，當天無風。

對初始事故進行分析，初始事故為汽油泄漏事故，但由于泄漏量較大，且汽油易揮發(fā)，因此事故現場極易發(fā)生蒸氣云爆炸和池火災的耦合。倘若引發(fā)池火災，則汽油罐可能在池火災的猛烈烘烤下發(fā)生油罐爆炸，使得耦合事故更加復雜，因此危害范圍的確定應基于蒸氣云爆炸、池火災以及油罐爆炸3者耦合的情況下。

3.3 單一事故危害半徑

液池的面積約為700m2，近似視為半徑15m的圓形液池。對于油罐爆炸，出于保守起見，爆炸體積考慮為油罐上部未充滿部分，為1500m3。分別根據池火災模型、蒸氣云爆炸模型以及油罐爆炸模型求出單一事故在不同危害程度下的危害半徑，見表7。

表7 單一事故的危害半徑

3.4 耦合事故危害范圍

通過計算以及查表5得此次事故中油罐爆炸、蒸氣云爆炸、以及池火災的危險性指數分別為2、3、3。將事故中蒸氣云爆炸-池火災-油罐爆炸多災種耦合視為蒸氣云爆炸-池火災、油罐爆炸-池火災耦合相加，危險性改變量為兩者數值之和。因此耦合事故的危險性改變量為：0.3+0.3=0.6。通過比較各單一事故在不同危害程度下的危害半徑，得到危害半徑的最大值r重max、r中max、r低max，分別為57.1m、114.2m、285.5m。

將危險性改變量以及危害范圍的最大值帶入公式（4）中，可預測出耦合事故的危害范圍，見表8。

表8 耦合事故安全距離的預測

3.5 結果分析與討論

（1）由表7可知，油罐單一事故中油罐爆炸相比于池火災以及蒸汽云爆炸，其后果相對嚴重，危害范圍最大，因此在處置過程中應對儲罐做好防護措施，避免儲罐出現爆炸。

（2）油罐區(qū)事故現場復雜，往往多種事故相互耦合，通過分析各單一事故規(guī)模預測耦合事故發(fā)生后危害后果的變化，耦合事故的危害半徑變?yōu)閱我皇鹿实?.6倍。

（3）耦合事故的作用使得危害范圍大大增加，指揮員在耦合事故發(fā)生前就應考慮危害范圍的變化，合理地確定安全區(qū)域，科學地進行力量部署，同時兼顧處置的效率以及處置人員的安全。

4 結論與不足

（1）通過對油罐單一事故進行分析，可得油罐事故類型相對較多，在處置過程中應盡可能地破壞事故的形成條件，切斷單一事故發(fā)生的可能性，避免出現耦合事故。

（2）針對油罐區(qū)耦合事故發(fā)生頻次高且危害大的特點，本文提出了油罐區(qū)耦合事故危害范圍預測的方法，幫助指揮員在掌握現場災情的基礎上，對事故的未來發(fā)展趨勢進行一定的預判，合理的劃分危害范圍。

（3）本文所提出的預測方法，其具有一定的理論基礎，且在一定程度上能夠消除指揮員對于短時間內事故迅速擴大而出現人員傷亡的擔憂，但不足之處在于缺少在實際油罐區(qū)耦合事故中的檢驗。