朱春靖工程師 樊文龍工程師 程宗華工程師

(1.青島中油華東院安全環(huán)保有限公司，山東 青島 266000；2.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

0 引言

隨著港口運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，其周邊地區(qū)已逐漸形成商業(yè)、住宅等人口密集區(qū)域，而港口運(yùn)輸涉及的?；芬坏┌l(fā)生泄漏，將會對周邊人口密集區(qū)域造成嚴(yán)重傷害。尤其是天津港8.12事故的發(fā)生，更是引起對港口安全問題的重視。天津港8.12事故除管理原因外，外部安全防護(hù)距離不足也是導(dǎo)致事故后果嚴(yán)重的重大原因。因此對于周邊存在人口密集區(qū)域的港口，其外部安全防護(hù)距離的確定變得愈發(fā)重要。目前針對港口的規(guī)范、研究成果多應(yīng)用于危化品碼頭，且研究基本基于碼頭整體或?qū)ξｋU貨物運(yùn)輸、裝卸過程進(jìn)行的評價[1-3]。根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》(JTS 165-2013)第5.6.1.6條：危險品數(shù)量較少時，其裝卸作業(yè)可與港區(qū)其他碼頭泊位混合使用，但應(yīng)采取必要的安全措施。即普貨碼頭也可運(yùn)輸少量?；?。不同于危化品碼頭，普貨碼頭的外部安全防護(hù)距離暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且目前相關(guān)研究較少。鑒于普貨碼頭在采取必要的安全措施后可運(yùn)輸少量危化品的特性，本文旨在研究含?；芳b箱運(yùn)輸?shù)钠肇洿a頭外部安全防護(hù)距離的確定方法，在相關(guān)規(guī)范空白的基礎(chǔ)上，為此類碼頭提供外部安全防護(hù)距離的確定依據(jù)，并提出對于周邊防護(hù)目標(biāo)的分級管理模式。

1 研究方法

本文結(jié)合多米諾效應(yīng)分析?；芳b箱泄漏物料總量，基于挪威船級社(Det Norske Verotas， DNV)公司的量化風(fēng)險評估軟件(Software for Assessment of Flammable, Explosive and Toxic Impacts，SAFETI)的泄漏模型，進(jìn)行事故后果模擬、建筑物超壓損壞模擬，根據(jù)后果嚴(yán)重程度、建筑物超壓計算結(jié)果對外部防護(hù)目標(biāo)提出分級管理的方法，使防范措施層級化、具體化、重點(diǎn)化，為含?；芳b箱運(yùn)輸?shù)钠肇洿a頭外部安全管理提供依據(jù)。

2 普貨碼頭外部安全防護(hù)距離相關(guān)規(guī)范對標(biāo)

外部安全防護(hù)距離指為了預(yù)防和減緩危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施潛在事故對外部防護(hù)目標(biāo)的影響，在裝置和設(shè)施與防護(hù)目標(biāo)之間設(shè)置距離或風(fēng)險控制線[4]。通過對標(biāo)現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范，目前尚無適用的針對普貨碼頭的外部安全距離要求的規(guī)范，見表1。

表1 外部安全距離相關(guān)規(guī)范要求對標(biāo)Tab.1 Comparison and analysis on regulations relative to the external protection distance

3 定量風(fēng)險評估模型

3.1 建筑物超壓損壞

碼頭周邊人口作為受影響群體，如人口基數(shù)大，在發(fā)生事故時，建筑物的坍塌、沖擊波的過高強(qiáng)度可能造成群死群傷后果。建筑物受損壞的主要源頭為爆炸造成的沖擊波，因此，通過對周邊建筑物爆炸超壓風(fēng)險的模擬，以構(gòu)造建筑物不受損壞的“安全距離”。

(1)泄漏場景。參考?xì)v史失效數(shù)據(jù)，固定的帶壓容器失效場景為小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏、完全破裂。

(2)泄漏時間。泄漏時間跟許多因素有關(guān)，如泄漏的位置、泄漏破孔尺寸、環(huán)境因素(如風(fēng)向)、管理因素(如巡檢安排)、人員反應(yīng)時間、安全系統(tǒng)的響應(yīng)時間和可靠性等，這些因素都會影響到物料總的泄漏時間和泄漏總量。

(3)泄漏頻率PX。通過查詢工業(yè)失效數(shù)據(jù)庫，查找典型泄漏場景下的泄漏頻率值。

(4)點(diǎn)火概率Pi。點(diǎn)火源產(chǎn)生途徑很多，有很多不確定因素，主要包含明火、電火花、靜電放電、雷擊及雜散電流、機(jī)械火花、人口等。延遲點(diǎn)火概率Pi計算如下：

Pi=Pe[1-exp(-ωt′)]

(1)

式中：

Pi—0-t時間內(nèi)發(fā)生的點(diǎn)火概率；

Pe—點(diǎn)火源存在的概率；

ω—點(diǎn)火效率，s-1；

t′—時間，s。

(5)確定阻塞率。阻塞率對于爆炸超壓的計算結(jié)果影響很大。貨輪上的集裝箱區(qū)域，密集度較高，應(yīng)假定為一定程度的受限空間。

(6)爆炸場景發(fā)生頻率P。

P=PXPiPMPφ

(2)

式中：

P—爆炸場景發(fā)生頻率；

PM—天氣等級出現(xiàn)概率；

Pφ—風(fēng)向出現(xiàn)概率。

(7)根據(jù)阻塞率、爆炸源強(qiáng)度、氣云半徑、云團(tuán)能量等參數(shù)，依托SAFETI軟件進(jìn)行超壓風(fēng)險模擬計算。由于居民區(qū)人口數(shù)量龐大，選擇10-5/a作為風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)，確定2.07kPa的超壓等值線范圍，即為建筑物不受損壞的“安全距離”。

3.2 蒸氣云爆炸、毒性擴(kuò)散

根據(jù)事故統(tǒng)計，由蒸氣云爆炸(Vapor Cloud Explosion，VCE)引發(fā)的爆炸破壞范圍更廣、破壞力更大，發(fā)生概率高。如危險貨物發(fā)生泄漏，迅速蒸發(fā)為蒸氣云，形成爆炸性氣體混合物，遇靜電火花、人為因素等點(diǎn)火源即可發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故；部分危險貨物具有毒性，有毒氣云的飄散可能致人中毒，甚至死亡。SAFETI軟件已包含經(jīng)典的計算模型，其中，蒸氣云爆炸及毒性擴(kuò)散計算理論如下：

3.2.1 蒸氣云爆炸

蒸氣云爆炸計算可使用TNT(Trinitrotoluene)模型、TNO(The Netherlands Organization，TNO)模型。其中，TNT模型是將蒸氣云爆炸的破壞作用轉(zhuǎn)化成TNT爆炸，模擬爆炸近場時高估爆炸產(chǎn)生的超壓；根據(jù)TNO模型理論，只有受約束的蒸氣云才對爆炸強(qiáng)度有作用，不受約束的蒸氣云對爆炸強(qiáng)度近乎沒有貢獻(xiàn)。集裝箱擺放密集程度較高，考慮到阻塞程度的影響，本文選用TNO模型計算蒸氣云爆炸超壓。

爆炸源的燃燒能見下式：

E=Vb×3.5×106

(3)

式中：

E—爆炸源內(nèi)燃料空氣混合物的燃燒能，J；

Vb—爆炸源中燃料空氣混合物體積，m3。

比擬距離見下式：

(4)

式中：

R′—爆炸源的Sachs比擬距離(無量綱)；

R—距爆炸源中心的距離，m；

P0—環(huán)境大氣壓，Pa。

爆炸超壓見下式：

PTNO=ΔPSP0

(5)

式中：

PTNO—爆炸超壓值，Pa；

ΔPS—Sachs比擬爆炸超壓值(無量綱)。

3.2.2 毒性擴(kuò)散

非重氣云擴(kuò)散模型采用高斯煙羽擴(kuò)散模型，通過疊加不存在地面時的實(shí)源和地面反射形成的像源得到高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯煙羽模型為：

(6)

式中：

C(x，y，z，y)—某點(diǎn)(x,y,z)和t時刻的濃度，kg/m3；

Q—泄漏質(zhì)量，kg；

u—風(fēng)速，m/s；

t—時間，s；

H—有效源高度，m，為泄漏源高度和抬升高度之和；

σx、σy、σz—x，y，z方向上的擴(kuò)散系數(shù)。

4 定量風(fēng)險計算

4.1 確定泄漏的物料總量

某容器發(fā)生泄漏爆炸后，產(chǎn)生熱輻射、超壓，可能引發(fā)周邊容器發(fā)生爆炸，在通過計算事故后果確定防護(hù)距離時，應(yīng)考慮多米諾效應(yīng)帶來的影響，以確定泄漏的物料總量。

4.1.1 超壓爆炸

當(dāng)一個罐體發(fā)生破裂泄漏，爆炸后產(chǎn)生沖擊波，沖擊波會引起爆炸點(diǎn)周邊空氣的擾動，使其溫度、密度和壓力等發(fā)生突躍變化，在向周圍傳播過程中，將造成附近設(shè)備破裂。對沖擊波超壓引起的多米諾效應(yīng)的定量分析中，多采用概率模擬方法[5-6]。其中，高壓容器的概率單位值計算為：

FP=-42.44+4.33lnPm

(7)

式中：

FP—高壓容器的概率單位計算值；

Pm—設(shè)備受到的靜態(tài)超壓的峰值，Pa。

當(dāng)破壞概率為30%～70%時，設(shè)備發(fā)生災(zāi)難性破裂，沖擊波作用1～10min，造成全部存量損失；當(dāng)破壞概率為70%～100%時，設(shè)備發(fā)生災(zāi)難性破裂，沖擊波作用小于1min，造成全部存量損失。

4.1.2 熱輻射

火災(zāi)產(chǎn)生熱輻射，鄰近設(shè)備吸收一級事故單元釋放的熱量后，設(shè)備許用應(yīng)力降低，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)溫度上升，壓力上升，超過容器的爆炸壓力時則造成設(shè)備損壞，目前多采用Cozzani等[5-6]提出的事故擴(kuò)展概率模型。針對高壓臥式容器，初始場景擴(kuò)大效應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備損壞的概率單位值計算為：

Fh=12.54-1.847lnts

(8)

lnts=-0.947lnl-8.835V0.32

(9)

式中：

Fh—高壓臥式容器熱輻射初始場景擴(kuò)大效應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備損壞的概率單位值；

ts—設(shè)備失效時間，s；

l—作用于目標(biāo)設(shè)備的熱輻射度，kW/m2；

V—設(shè)備的體積，m3。

4.2 模擬過程

根據(jù)4.1節(jié)確定危化品泄漏總量，基于SAFETI軟件根據(jù)第3節(jié)計算建筑物“安全距離”，對最嚴(yán)重的事故場景(破裂泄漏)進(jìn)行蒸氣云爆炸、毒性擴(kuò)散后果模擬。根據(jù)模擬得到不同后果嚴(yán)重程度的影響距離，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件、主要風(fēng)向的影響，得到以?；芳b箱為中心的事故影響范圍。

5 分級管理

在外部防護(hù)目標(biāo)的管理上，要根據(jù)不同的后果嚴(yán)重程度考慮不同的對策措施，以達(dá)到利用有限資源進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)的目的。對各事故后果嚴(yán)重程度進(jìn)行劃分，見表2。

表2 不同后果嚴(yán)重程度的劃分依據(jù)Tab.2 The basis for determining consequence severity

外部安全防護(hù)的分級需根據(jù)基于實(shí)例計算的后果嚴(yán)重程度分區(qū)劃定。當(dāng)建筑物超壓、蒸氣云爆炸、毒性擴(kuò)散影響范圍產(chǎn)生重疊時，應(yīng)提高分級等級。分級矩陣，見表3。

表3 外部安全防護(hù)距離分級矩陣Tab.3 The grading matrix of the external safety protection distance

根據(jù)外部安全防護(hù)距離分級結(jié)果，制定不同的安全對策措施予以防范，使其具有針對性、重點(diǎn)性，對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)防范，節(jié)約資源，見表4。

表4 外部安全防護(hù)距離分級管控Tab.4 The grading management and control for the external safety protection distance

6 實(shí)例分析

6.1 模擬背景

本文以某港區(qū)擬建10萬噸級集裝箱碼頭為例進(jìn)行模擬計算。擬建碼頭東側(cè)為大型居民區(qū)。全年每船平均載箱量為2 000箱，全船危險貨物運(yùn)輸量占比5%，模擬危險貨物為丙烯、液氨。

引起罐式集裝箱泄漏的因素有很多，如集裝箱箱體完整性、裝箱過程、溫度、濕度、顛簸等[7]。由于集裝箱老化，罐壁減薄，基于電化學(xué)機(jī)理，如未及時發(fā)現(xiàn)，則會增加腐蝕速率，形成腐蝕孔，最終導(dǎo)致腐蝕泄漏[8]，造成中孔徑泄漏；由于安全附件等零件脫落，或裝卸過程中自動控制軌道吊失效等原因造成碰撞泄漏，造成大孔徑泄漏。

6.2 模擬過程

6.2.1 確定泄漏物料質(zhì)量

當(dāng)某個罐式集裝箱破裂泄漏并發(fā)生爆炸后，將產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，引發(fā)周圍的罐式集裝箱損壞，發(fā)生泄漏。通過對一個丙烯罐式集裝箱(常溫、0.2Mpa)發(fā)生破裂泄漏進(jìn)行模擬，當(dāng)破壞概率為70%時，根據(jù)式(7)，靜態(tài)超壓的峰值為21.2kPa，因此本文選取21.2kPa為多米諾效應(yīng)臨界值。為推測最大影響面積，選取下風(fēng)向進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖1、2。在泄漏罐附近約19m范圍內(nèi)，超壓值達(dá)到2000kPa，隨著距離增大，超壓值逐漸下降，至78m處降至21.2kPa，即多米諾效應(yīng)臨界值影響半徑約78m。根據(jù)集裝箱堆碼方式，影響半徑范圍內(nèi)受到超壓影響的集裝箱約64個，泄漏物料總量約832t。確定泄漏物料總量后，對超壓、擴(kuò)散場景進(jìn)行模擬，模擬條件，見表5。

圖1 丙烯罐式集裝箱破裂泄漏引發(fā)超壓爆炸與距離關(guān)系圖Fig.1 The relation between overpressure and distance when exploded by the propylene tank container leakage

圖2 丙烯罐式集裝箱破裂泄漏爆炸超壓影響范圍圖Fig.2 The overpressure affection scope when exploded by the propylene tank container leakage

表5 模擬條件Tab.5 Simulation conditions

6.2.2 模擬結(jié)果

建筑物超壓模擬計算結(jié)果、事故后果影響范圍，見表6。

表6 模擬結(jié)果Tab.6 Simulation results

結(jié)合當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向，根據(jù)表2-4，對影響區(qū)域進(jìn)行分級劃分，如圖3。根據(jù)劃分結(jié)果，圖3中，等級為Ⅳ的區(qū)域需要進(jìn)行搬遷；等級為Ⅰ、Ⅱ的區(qū)域應(yīng)制定并演練應(yīng)急預(yù)案，掌握急救措施，配備防毒面具等。

圖3 碼頭分級管控劃分圖Fig.3 The division map for the grading management and control of a wharf

7 結(jié)論

(1)提出含?；芳b箱運(yùn)輸?shù)钠肇洿a頭外部安全防護(hù)距離計算、分級的方法，對確定周邊安全防護(hù)區(qū)域范圍、保障周邊群眾人身財產(chǎn)安全具有實(shí)際意義。

(2)結(jié)合多米諾效應(yīng)確定泄漏物料總量，以毒性、爆炸后果影響范圍與建筑物超壓損壞的“安全距離”為標(biāo)準(zhǔn)，提出外部區(qū)域分級劃分依據(jù)。

(3)針對不同等級的外部安全防護(hù)距離，提出具有針對性的對策措施，節(jié)省資源，有重點(diǎn)地進(jìn)行管理。對于必須進(jìn)行搬遷的居住人口，給出具體范圍。

(4)本次模擬僅選取某一類危險貨物進(jìn)行模擬，其結(jié)果具有一定的局限性。當(dāng)若干種貨物同時進(jìn)行運(yùn)輸及裝卸時，如果某一類危險貨物出現(xiàn)火災(zāi)、爆炸事故，并與禁忌物混儲時，可能出現(xiàn)連帶效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)，其后果將嚴(yán)重于現(xiàn)在模擬的后果。此類事故產(chǎn)生的影響范圍尚待解決。

(5)建議完善相關(guān)規(guī)范，做到有據(jù)可依。