員文權(quán)

（ 上海翊員科技有限公司，上海 201611）

1 事故描述-加油站爆炸事故

2000年2月11日15時(shí)40分左右，江西樟樹(shù)市某加油站發(fā)生爆炸，死亡6人，炸塌小樓一座。

加油站為磚混結(jié)構(gòu)三層樓房，地下一層，地上二層。地下一層建筑面積108 m2，有兩個(gè)10 m3柴油罐，一個(gè)6 m3汽油罐，3 m3空罐一個(gè)，及10余個(gè)油桶。地上一層建筑面積為57.26 m2，有一個(gè)5 m3柴油罐，兩臺(tái)加油機(jī)和臥室；地上二層為兩間住房，面積與地上一層相同。油罐設(shè)在密閉地下室內(nèi)，室內(nèi)燈管和卸油泵為非防爆型設(shè)備，且采用敞口噴濺式卸油，卸油時(shí)罐室內(nèi)油氣濃度較大，遇電器打火，引發(fā)爆炸。

本案例的啟示是如果環(huán)境中存在爆炸性風(fēng)險(xiǎn)，需要防止點(diǎn)火源的出現(xiàn)，從而避免火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。

本文通過(guò)闡述出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的頻率(即危險(xiǎn)區(qū)域劃分)與點(diǎn)火源的控制，討論基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略，從而使同時(shí)出現(xiàn)爆炸性環(huán)境與點(diǎn)火源的頻率滿足風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)。

2 火災(zāi)爆炸基本原理回顧

對(duì)于易燃?xì)怏w、易燃液體發(fā)生火災(zāi)爆炸必須具備三要素，如圖1所示。

圖1 火災(zāi)爆炸三要素

對(duì)于可燃粉塵發(fā)生粉塵爆炸必須具備五要素，如圖2所示。

圖2 粉塵爆炸五要素

易燃?xì)怏w/易燃液體著火爆炸三要素與可燃粉塵爆炸五要素的一個(gè)共同點(diǎn)是必須具備可燃物、氧化劑和點(diǎn)火源才會(huì)發(fā)生爆炸，只要移去這三者中的一個(gè)就不會(huì)發(fā)生爆炸。可燃物與氧化劑混合物的定義為爆炸性環(huán)境，可以用危險(xiǎn)區(qū)域劃分進(jìn)行表征，因此可以將三要素簡(jiǎn)化為如下表達(dá)方式：危險(xiǎn)區(qū)域+點(diǎn)火源=著火爆炸。

3 危險(xiǎn)區(qū)域劃分有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)照

危險(xiǎn)區(qū)域劃分(Hazardous Area Classification,HAC) 是系統(tǒng)性地、定性地識(shí)別爆炸性環(huán)境可能出現(xiàn)頻率的一種工具，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)控制措施以防止泄漏的易燃物質(zhì)被點(diǎn)燃而導(dǎo)致著火爆炸。

危險(xiǎn)區(qū)域劃分的目的是根據(jù)易燃物質(zhì)出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時(shí)間，將爆炸性區(qū)域環(huán)境按危險(xiǎn)程度進(jìn)行分類(lèi)。

目前國(guó)際上關(guān)于危險(xiǎn)區(qū)域劃分的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-10-1：2020《爆炸性環(huán)境 第10-1部分：危險(xiǎn)區(qū)域劃分-爆炸性氣體環(huán)境》以及IEC 60079-10-2：2015《爆炸性環(huán)境 第10-2部分：危險(xiǎn)區(qū)域劃分可燃性粉塵環(huán)境》[1-2]；另一類(lèi)是NFPA70美國(guó)電氣法規(guī)NEC 500-503以及NEC 505-506提供了危險(xiǎn)區(qū)域劃分要求[3]。

我國(guó)危險(xiǎn)區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)主要采用的是GB 50058—2014《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]。

危險(xiǎn)區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照如表1所示：

表1 危險(xiǎn)區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照

無(wú)論采用哪種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，其原理和方法基本一致。本文以國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-10-1及IEC 60079-10-2為例回顧介紹危險(xiǎn)區(qū)域劃分方法。

4 危險(xiǎn)區(qū)域劃分方法

4.1 危險(xiǎn)區(qū)域的定義及定性表征

根據(jù)IE C60079-10-1，爆炸性氣體環(huán)境的定義如下[1]：

1)0區(qū)：易燃?xì)怏w、蒸氣形成的爆炸性環(huán)境持續(xù)存在或者長(zhǎng)時(shí)間存在的區(qū)域。

2)1區(qū)：易燃?xì)怏w、蒸氣形成的爆炸性環(huán)境在正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中偶爾出現(xiàn)或者定期出現(xiàn)的區(qū)域。

3)2區(qū)：易燃?xì)怏w、蒸氣形成的爆炸性環(huán)境在正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中不太可能出現(xiàn)，如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生或者短時(shí)間存在的區(qū)域。

根據(jù)IEC 60079-10-2，爆炸性粉塵環(huán)境的定義如下[2]：

1)20區(qū)：爆炸性粉塵環(huán)境以粉塵云的形式持續(xù)出現(xiàn)或者長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)或者頻繁出現(xiàn)的區(qū)域。

2)21區(qū)：爆炸性粉塵環(huán)境以粉塵云的形式在正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中偶爾出現(xiàn)的區(qū)域。

3)22區(qū)：爆炸性粉塵環(huán)境以粉塵云的形式在正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中不太可能出現(xiàn)，如果出現(xiàn)也是短時(shí)間出現(xiàn)的區(qū)域。

可以將易燃?xì)怏w和蒸氣與可燃粉塵出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的頻率和持續(xù)時(shí)間匯總于表2中。

表2 危險(xiǎn)區(qū)域出現(xiàn)頻率及持續(xù)時(shí)間的定性表征

表2針對(duì)每個(gè)不同的危險(xiǎn)區(qū)域劃分，提供了定性地持續(xù)時(shí)間用于參考，如爆炸性環(huán)境每年出現(xiàn)的時(shí)間為10～1 000小時(shí)，可以劃分為1區(qū)/21區(qū)。需要注意的是精細(xì)化工有很大差別,精細(xì)化工行業(yè)通常產(chǎn)品變化很大，在一年時(shí)間中可能某個(gè)產(chǎn)品只生產(chǎn)1個(gè)月(即最多720小時(shí))，但是不可以將涉及易燃液體的反應(yīng)釜內(nèi)部劃分為1區(qū)，因此表格中給出的持續(xù)時(shí)間只是用于參考和定性評(píng)估。

4.2 危險(xiǎn)區(qū)域劃分要求簡(jiǎn)介

作為基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)控制策略非常關(guān)鍵的一部分內(nèi)容，需要編制系統(tǒng)性的危險(xiǎn)區(qū)域劃分研究報(bào)告，不同公司對(duì)于危險(xiǎn)區(qū)域劃分研究報(bào)告的格式要求有所不同，但都應(yīng)至少包括以下內(nèi)容：

1)危險(xiǎn)區(qū)域劃分時(shí)所用的資料以及工藝信息。

2)與危險(xiǎn)區(qū)域劃分有關(guān)的工程控制措施，如：通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件。

3)生產(chǎn)工藝條件說(shuō)明(如操作溫度，操作壓力等)。

4)釋放源等級(jí)說(shuō)明。

5)危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖。

危險(xiǎn)區(qū)域劃分需要綜合考慮釋放源類(lèi)型、易燃液體的閃點(diǎn)、爆炸下限、粉塵區(qū)域清潔頻率、通風(fēng)條件、工藝操作條件以及操作模式等因素綜合評(píng)估。

5 基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略

5.1 控制策略的風(fēng)險(xiǎn)表征

當(dāng)爆炸性環(huán)境與點(diǎn)火源同時(shí)出現(xiàn)時(shí)就會(huì)發(fā)生著火爆炸事故。爆炸性環(huán)境的出現(xiàn)頻率可以使用上述危險(xiǎn)區(qū)域劃分進(jìn)行表征。但是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中企業(yè)不可能將危險(xiǎn)區(qū)域出現(xiàn)的頻率和點(diǎn)火源出現(xiàn)的概率降低為零，也不可能將火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)真正降低為零，因此形成了基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略，可以使用以下公式進(jìn)行表征。

f=f1×f2

其中：

f: 發(fā)生著火爆炸的頻率

f1: 出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率

f2: 出現(xiàn)點(diǎn)火源的頻率。

從風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)角度考慮，如果希望將火災(zāi)爆炸的發(fā)生頻率f控制于某一頻率以下，則需要平衡同時(shí)出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率f1與出現(xiàn)點(diǎn)火源的頻率f2，從而最終滿足風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)，可以用簡(jiǎn)易圖示進(jìn)行表征(圖3)。

圖3 基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸平衡控制策略

類(lèi)似于表征危險(xiǎn)區(qū)域，我們可以將點(diǎn)火源出現(xiàn)的頻率定性地用以下方法表述：

1)一直/經(jīng)常出現(xiàn)。

2)偶爾出現(xiàn)。

3)很少出現(xiàn)。

4)幾乎不出現(xiàn)。

5.2 基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸平衡控制策略

如果將出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率與出現(xiàn)點(diǎn)火源的頻率表征根據(jù)以上簡(jiǎn)易圖匯總，可以得到以下基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略動(dòng)態(tài)表(表3)。

表3 基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸平衡控制矩陣

根據(jù)上面的控制策略可以得出：

1)假設(shè)爆炸性環(huán)境一直出現(xiàn)(即0區(qū)或者20區(qū))，則需要將點(diǎn)火源出現(xiàn)的頻率控制到“幾乎不出現(xiàn)”。

2)假設(shè)爆炸性環(huán)境偶爾出現(xiàn)(即1區(qū)或者21區(qū))，則需要將點(diǎn)火源出現(xiàn)的頻率控制到“很少出現(xiàn)”。

3)假設(shè)爆炸性環(huán)境很少出現(xiàn)(即2區(qū)或者22區(qū))，則只需要將點(diǎn)火源出現(xiàn)的頻率控制到“偶爾出現(xiàn)”。

4)假設(shè)爆炸性環(huán)境幾乎不出現(xiàn)(即非危險(xiǎn)區(qū)域)，則從風(fēng)險(xiǎn)角度點(diǎn)火源可以一直或者經(jīng)常出現(xiàn)也可以滿足風(fēng)險(xiǎn)控制要求。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)候很難將點(diǎn)火源控制到“幾乎不出現(xiàn)”，如靜電中的火花放電，即使有靜電接地和跨接也很難做到。因此依據(jù)基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略動(dòng)態(tài)表，這種情況下就需要降低爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率。現(xiàn)將點(diǎn)火源出現(xiàn)的頻率及其允許的爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率匯總于表4中。

表4 基于點(diǎn)火源出現(xiàn)概率的火災(zāi)爆炸平衡控制矩陣

5.3 基于風(fēng)險(xiǎn)的平衡控制策略的應(yīng)用

下面通過(guò)具體的例子闡述基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略動(dòng)態(tài)表。

假設(shè)室外儲(chǔ)罐區(qū)有一個(gè)10 m3的正已烷儲(chǔ)罐，其操作參數(shù)與當(dāng)?shù)貧庀髼l件如下：

儲(chǔ)罐的操作參數(shù)：

1)操作溫度：常溫。

2)儲(chǔ)罐呼吸閥的設(shè)定壓力：20 kPag。

當(dāng)?shù)貧庀髼l件：

1)全年平均氣溫：16 ℃。

2)極端最高氣溫：40.2 ℃。

3)極端最低氣溫：-12.1 ℃。

1月和2月上旬是全年最冷季節(jié)，平均溫度為5 ℃。

由于正已烷的閃點(diǎn)為-22 ℃，通過(guò)其飽和蒸氣壓計(jì)算可以得出，在全年平均氣溫下儲(chǔ)罐內(nèi)氣相中正已烷的濃度約為13%，在全年最冷季節(jié)平均溫度下儲(chǔ)罐內(nèi)氣相中正已烷的濃度約為8%，因此在室溫條件下儲(chǔ)罐內(nèi)氣相正已烷的濃度基本都高于其爆炸上限LEL(7.5%),即使儲(chǔ)罐內(nèi)有空氣也不處于其爆炸范圍，但是當(dāng)空罐首次從槽車(chē)往儲(chǔ)罐進(jìn)正已烷時(shí)或者清罐維修后再次進(jìn)正已烷時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)氣相正已烷的濃度從零跨越其爆炸范圍(爆炸下限到爆炸上限)最終大于爆炸上限，意味著儲(chǔ)罐內(nèi)出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率為偶爾出現(xiàn)。此外當(dāng)從正已烷儲(chǔ)罐通過(guò)泵將物料輸送至下游用戶過(guò)程中空氣會(huì)通過(guò)呼吸閥進(jìn)入儲(chǔ)罐導(dǎo)致形成爆炸性環(huán)境，但是考慮到正已烷的閃點(diǎn)、揮發(fā)性及轉(zhuǎn)料頻次，一些企業(yè)通常認(rèn)為此過(guò)程中爆炸性環(huán)境為偶爾出現(xiàn)。

此外，在當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁叵?16 ℃)的飽和蒸氣壓約為13.45 kPag，在25 ℃的飽和蒸氣壓約為20 kPag，即在儲(chǔ)存過(guò)程中且儲(chǔ)罐內(nèi)溫度低于25 ℃時(shí)，儲(chǔ)罐呼吸閥不會(huì)排氣。但是當(dāng)處于進(jìn)料階段或者儲(chǔ)罐內(nèi)溫度大于25 ℃，呼吸閥會(huì)排氣至大氣環(huán)境，因此出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率為偶爾出現(xiàn)，儲(chǔ)罐內(nèi)部總體可以劃分為1區(qū)(圖4)。

圖4 正已烷儲(chǔ)罐危險(xiǎn)區(qū)域劃分示意圖

根據(jù)基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略，正已烷儲(chǔ)罐內(nèi)部危險(xiǎn)區(qū)域劃分為1區(qū)的情況下需要將可能出現(xiàn)的點(diǎn)火源控制到“很少出現(xiàn)”。以靜電為點(diǎn)火源為例，如果未考慮靜電控制措施(包括接地與跨接、流速控制等)的前提下，靜電出現(xiàn)的頻率為一直/經(jīng)常出現(xiàn)，在增加靜電控制措施后可以認(rèn)為其偶爾出現(xiàn)，仍然不能滿足“很少出現(xiàn)”的控制要求，因此企業(yè)可以通過(guò)增加氮?dú)獗Ｗo(hù)并設(shè)氮?dú)獾蛪簣?bào)警將爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率降低為“很少出現(xiàn)”從而滿足總體風(fēng)險(xiǎn)控制要求。

6 結(jié)論與建議

綜上所述，大部分流程工廠都會(huì)涉及易燃物質(zhì)從而可能導(dǎo)致潛在的火災(zāi)爆炸事故。當(dāng)易燃物質(zhì)和空氣形成的爆炸性環(huán)境與點(diǎn)火源同時(shí)出現(xiàn)時(shí)就會(huì)發(fā)生著火爆炸事故。爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率可以通過(guò)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行表征，本文簡(jiǎn)單介紹了危險(xiǎn)區(qū)域劃分的常用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照、劃分方法及要求從而回顧了爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率表征。在此基礎(chǔ)上，提出了采用基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略。根據(jù)爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的頻率(危險(xiǎn)區(qū)域劃分)，并結(jié)合點(diǎn)火源出現(xiàn)的概率闡述了控制策略的風(fēng)險(xiǎn)表征、火災(zāi)爆炸平衡控制矩陣，即如果爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率越高，點(diǎn)火源出現(xiàn)的頻率需要控制的越低。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中如果不能將點(diǎn)火源出現(xiàn)的頻率降低至平衡控制矩陣所要求的水平時(shí)，企業(yè)需要采取措施降低爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率。此外，本文通過(guò)正已烷儲(chǔ)罐的危險(xiǎn)區(qū)域劃分及靜電為點(diǎn)火源的案例介紹了采用基于風(fēng)險(xiǎn)的火災(zāi)爆炸控制策略的應(yīng)用。