加油儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸事故分析

0安全事故中復(fù)建港油站事故后果石油產(chǎn)品具有低燃料儲(chǔ)存和蒸汽形成的低能耗，蒸汽密度高于空氣密度。它可以延伸到底部，并與空氣混合形成爆炸氣體。由于火災(zāi)、雷聲、靜電監(jiān)測(cè)和電氣裝置（裝置）引起的火焰、摩擦和火焰事故等。加油站作為儲(chǔ)存和注入危險(xiǎn)石油產(chǎn)品的場(chǎng)所，是危險(xiǎn)爆炸環(huán)境。近年來(lái)，由于區(qū)位優(yōu)勢(shì)、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、施工質(zhì)量差、安全管理不足等原因，火災(zāi)發(fā)生的安全事件頻發(fā)。例如，2001年，河南鄭州石化工公司的加油站因油罐接頭破裂，導(dǎo)致中國(guó)大陸上埋有儲(chǔ)水池的爆炸事故。4人死亡，12人受傷。本文針對(duì)加油站典型危險(xiǎn)源油品存儲(chǔ)罐區(qū),選擇實(shí)際建設(shè)案例,通過(guò)對(duì)罐體結(jié)構(gòu)及裝卸油工作區(qū)的系統(tǒng)安全分析,確定其可能發(fā)生危險(xiǎn)的途徑及可能導(dǎo)致事故的形式,在此基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬等方式對(duì)加油站油品存儲(chǔ)罐區(qū)的事故后果進(jìn)行了定量計(jì)算和分析評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)的結(jié)論對(duì)于加油站整體布置與設(shè)計(jì)、消防設(shè)施選型與配備具有一定的參考價(jià)值.1油罐及管線的安裝目前,加油站油品罐區(qū)的儲(chǔ)罐一般選擇地埋方式,地下油罐的埋地方式有兩種,一種是直埋式,一種是罐池式.加油站埋地油罐一般采用臥式罐,油罐上開(kāi)設(shè)油品進(jìn)出口、放空口、量油口、人孔和液位傳送口等管口.安裝在罐池中的儲(chǔ)罐,可同地上儲(chǔ)罐一樣直接在罐體上開(kāi)設(shè)各種管口.直接埋入土中的儲(chǔ)罐,其接管方式常采用在罐體上開(kāi)設(shè)兩個(gè)管口,其中一個(gè)作為入孔,內(nèi)設(shè)爬梯,供檢修用;另一個(gè)類(lèi)似于入孔,其孔蓋上開(kāi)設(shè)各種管口.油罐入孔處設(shè)有操作井,操作井包括量油孔、油罐進(jìn)出油管線、通氣管管線等.量油孔孔口處設(shè)有量油帽,量油帽直接與量油結(jié)合管相連伸入儲(chǔ)罐,距罐底0.2m,量油計(jì)采用機(jī)械方式量油.出油管線一端與加油機(jī)相連,另一端伸入罐體距罐底0.15m,端口設(shè)置雙門(mén)底閥.由于加油站采用了卸油油氣回收系統(tǒng)和加油油氣回收系統(tǒng),油罐通氣管線安裝了工作壓力在2000～3000Pa范圍內(nèi)的機(jī)械呼吸閥,并在頂端設(shè)有阻火透氣閥,阻火透氣閥與地面距離4m.卸油井內(nèi)的進(jìn)油管線末端設(shè)有手動(dòng)閥門(mén)和過(guò)濾器,均設(shè)置在進(jìn)油井內(nèi).另外,油罐內(nèi)還設(shè)有具有對(duì)液位上下限報(bào)警功能的液位計(jì).直埋式油罐及管線的具體安裝示意圖見(jiàn)如圖1.油罐作為油品儲(chǔ)存的主要形式,由于原油產(chǎn)品本身的理化特性,使其具備了火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)性.可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸極限的原因有兩種,一是因油罐及其附件破損導(dǎo)致油品泄露,泄露未及時(shí)發(fā)現(xiàn)或得到有效控制而形成燃燒爆炸環(huán)境;例如,油罐在加油作業(yè)時(shí),由于操作人員疏忽發(fā)生冒頂,就會(huì)有大量油品在操作井內(nèi)蔓延,油品在操作井內(nèi)的剩余空間內(nèi)揮發(fā)與空氣形成可燃性混合氣體;進(jìn)出油管道可能會(huì)由于管線腐蝕、機(jī)械碰撞等原因破裂,泄露的油品在卸油井內(nèi)揮發(fā)形成爆炸性混合氣體.二是油罐檢修維護(hù)時(shí),清罐不合格,罐內(nèi)油氣濃度依然較高,隨著維修工作的進(jìn)行,油氣與空氣混合就可能會(huì)達(dá)到爆炸極限濃度范圍內(nèi),從而形成燃燒爆炸環(huán)境.點(diǎn)火源主要包括明火、撞擊火花、電火花、雷電火花和靜電火花.加油站內(nèi)違章吸煙、罐區(qū)撥打手機(jī)、違章動(dòng)火、使用不防爆工具等都會(huì)直接或間接地提供點(diǎn)火源.另外,避雷裝置失效、油品流動(dòng)產(chǎn)生靜電等都會(huì)導(dǎo)致靜電積聚,達(dá)到油品的點(diǎn)火能.埋地油罐火災(zāi)爆炸事故主要有以下四種情況:(1)油罐內(nèi)無(wú)油液.當(dāng)油品不能持續(xù)供應(yīng)或油罐由于泄露、設(shè)備故障等都會(huì)導(dǎo)致油罐空罐.在對(duì)油罐進(jìn)行維修、年檢時(shí)要清洗,若油罐未清洗或清洗不徹底而產(chǎn)生達(dá)到爆炸極限的混合氣體,這時(shí)遇到焊火、雷擊火花、開(kāi)啟罐蓋或孔口時(shí)產(chǎn)生撞擊火花,或者油罐水洗后,水自一定體積的油品中沉降,產(chǎn)生靜電火花等,都會(huì)發(fā)生爆炸.(2)油罐內(nèi)有油液.當(dāng)油罐內(nèi)裝有油液,其罐內(nèi)非液體部分的混合氣體達(dá)到爆炸極限時(shí),遇到火源就會(huì)發(fā)生爆炸.由于油罐內(nèi)裝有油液,發(fā)生爆炸后,罐體破裂,同時(shí)與油罐相連的操作井會(huì)在爆炸沖擊波巨大的壓力作用下被掀開(kāi),油罐中剩余的油直接與空氣接觸,在爆炸后的高溫環(huán)境下被引燃,引起的火災(zāi)形成池火或形成二次爆炸,這是儲(chǔ)罐區(qū)可能發(fā)生的最嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故.導(dǎo)致油罐發(fā)生蒸氣云爆炸的點(diǎn)火源主要包括明火、雷擊火花和撞擊火化等.例如,罐區(qū)避雷針設(shè)施失效,罐體在雷雨天氣時(shí)就會(huì)積累靜電,產(chǎn)生足以引燃可燃油氣的能量;對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作中,入空罐蓋、機(jī)械計(jì)量裝置等都會(huì)產(chǎn)生摩擦電火花形成點(diǎn)火源.(3)油罐附件發(fā)生泄露.操作井中的進(jìn)出油管及呼吸管(閥)、量油管的管線由于化學(xué)腐蝕和機(jī)械碰撞等原因發(fā)生油品泄露,泄露油品在操作境內(nèi)蒸發(fā),形成易燃易爆性混合氣體.在罐區(qū)檢修維護(hù)時(shí),所使用的工具可能會(huì)與罐體金屬摩擦產(chǎn)生足以點(diǎn)燃油氣的火花,操作境內(nèi)發(fā)生蒸氣云爆炸,破壞罐體和臨近管線后引燃泄露油品.另外,油罐罐蓋密封不嚴(yán)、進(jìn)出油口閥門(mén)封閉不嚴(yán)、卸油油氣回收系統(tǒng)出現(xiàn)故障等都會(huì)導(dǎo)致燃燒爆炸性環(huán)境的形成,在明火、雷擊火花和撞擊火化等作用下都會(huì)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故.(4)油罐外部火災(zāi)爆炸事故.地埋式儲(chǔ)罐部分附件,如阻火透氣閥管道、出油管雙門(mén)底閥量油孔所在管道井、進(jìn)油管及閥門(mén)井與外界相連,這些設(shè)施在外接事故或者機(jī)械碰撞等作用下可能會(huì)發(fā)生破裂,導(dǎo)致油罐內(nèi)揮發(fā)性油氣發(fā)生泄露,遇到點(diǎn)火源使儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸,或者這些部件在外接事故作用下直接發(fā)生燃燒爆炸,進(jìn)而會(huì)引起儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)爆炸事故.2系統(tǒng)模型模擬上述油品罐區(qū)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性分析給出了四種火災(zāi)爆炸事故的形成模式,指出事故發(fā)生的主要原因是危險(xiǎn)爆炸環(huán)境的形成.蒸氣云爆炸數(shù)學(xué)模型依據(jù)爆炸事故產(chǎn)生的爆炸沖擊波對(duì)周?chē)O(shè)備和人員的傷害程度進(jìn)行評(píng)估.池火災(zāi)數(shù)學(xué)模型通過(guò)火災(zāi)的熱輻射強(qiáng)度對(duì)周?chē)O(shè)備和人員的影響進(jìn)行評(píng)估.因此,本文擬采用蒸氣云爆炸數(shù)學(xué)模型模擬油罐區(qū)發(fā)生蒸氣云爆炸的事故后果;采用池火災(zāi)數(shù)學(xué)模型模擬罐區(qū)由于爆炸引起的罐內(nèi)池火災(zāi)的事故后果.2.1含量測(cè)定方法tnt采用TNT當(dāng)量法描述爆炸事故的能量釋放程度,把某次爆炸事故造成的破壞狀況與XkgTNT爆炸造成的破壞狀況相當(dāng),即把爆炸燃料的質(zhì)量換算成TNT當(dāng)量,具體見(jiàn)式(1).WTNT=αWfQfQTNT(1)WΤΝΤ=αWfQfQΤΝΤ(1)式中,WTNT為蒸氣云爆炸事故的當(dāng)量TNT質(zhì)量(kg);α為蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù),通常取4%;Wf為泄漏到空氣中的燃料質(zhì)量(kg);Qf為參與蒸氣云爆炸事故的燃料燃燒熱(MJ/kg);QTNT為T(mén)NT的爆炸熱,一般取值4.52MJ/kg.采用TNT當(dāng)量法描述火災(zāi)事故的方法是計(jì)算處于燃燒范圍內(nèi)的燃料質(zhì)量,然后利用式(2)計(jì)算蒸氣云爆炸事故的當(dāng)量TNT質(zhì)量.WTNT=W′fQf/QTNT(2)式中,W′f為混合氣中處于燃燒范圍內(nèi)的燃料質(zhì)量(kg).埋地油罐因爆炸產(chǎn)生傷害的距離范圍,采用萊克霍夫爆炸沖擊波超壓與距離關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算,見(jiàn)式(3).R=(0.8WTNTP)13(3)R=(0.8WΤΝΤΡ)13(3)式中,R為爆炸傷害距離(m);P為爆炸沖擊波超壓(MPa).爆炸沖擊波造成的傷害,主要依據(jù)表1的沖擊波超壓“傷害-破壞準(zhǔn)則”,分別表示對(duì)人體的傷害作用和對(duì)建筑物的破壞作用,并計(jì)算沖擊波造成的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)、財(cái)產(chǎn)損失分區(qū)等半徑.2.2u3000加入熱傳導(dǎo)系數(shù)池火災(zāi)的危險(xiǎn)性主要是熱輻射,火焰通過(guò)輻射對(duì)液池周?chē)奈矬w傳熱,火焰對(duì)物體的輻射通量取決于火焰溫度、厚度、火焰內(nèi)輻射粒子的濃度和火焰與被輻射物體之間的幾何關(guān)系等因素.熱輻射通量的計(jì)算見(jiàn)式(4).Q=(πr2+2πrh)dmdtηHC/[72(dmdt)0.61+1](4)Q=(πr2+2πrh)dmdtηΗC/[72(dmdt)0.61+1](4)式中,Q為總熱輻射通量;η為效率因子,可取0.13～0.35.假設(shè)全部輻射熱量由液池中心點(diǎn)的小球面輻射出來(lái),則在距液池中心某一距離(X)處的入射輻射強(qiáng)度為:I=Qtc4πX2(5)Ι=Qtc4πX2(5)式中,I為輻射強(qiáng)度(W/m2);Q為總熱輻射強(qiáng)度(W);tc為熱傳導(dǎo)系數(shù),在無(wú)相對(duì)理想數(shù)據(jù)時(shí),可取1;X為目標(biāo)點(diǎn)到液池中心的距離(m).表2為不同熱輻射值對(duì)人體的傷害和周?chē)O(shè)施的破壞情況.3案例應(yīng)用3.1車(chē)站工程特點(diǎn)本文所選加油站位于天津市某高速公路服務(wù)區(qū)內(nèi),加油站油品罐區(qū)共6個(gè)埋地油罐,其中,50m3汽油罐2個(gè)、50m3柴油罐4個(gè),總?cè)莘e200m3(柴油折半計(jì)入),屬于一級(jí)加油站.站內(nèi)設(shè)加油島6座,加油機(jī)共6臺(tái).埋地油罐西側(cè)距加油站圍墻17.31m,東側(cè)距站房5m、距最近加油機(jī)12.83m,北側(cè)距公廁59.4m.加油站儲(chǔ)油罐為鋼制臥式油罐,所用鋼板厚度為6mm,采用直埋方式設(shè)置,頂部覆土厚度為1.2m,進(jìn)油管距管底0.2m,油罐設(shè)有高液位報(bào)警功能的液位計(jì).該加油站的油罐區(qū)設(shè)置四處防靜電接地裝置,接地電阻不大于10Ω.該加油站管線一共包括三部分:進(jìn)油管線、出油管線和油罐通氣管線.輸油管道采用無(wú)縫鋼管焊接連接形式,埋地設(shè)置,砂土回填,管頂距路面不小于350mm.加油站卸油口采用密閉卸油方式和油氣回收系統(tǒng).密閉卸油管道的接口設(shè)快速接頭及悶蓋,油氣回收系統(tǒng)前設(shè)手動(dòng)閥門(mén).儲(chǔ)油罐通氣管線根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行安裝,采用直徑50mm的鋼管,在距離地面高度4m處的出口端設(shè)置阻火呼吸閥.3.2火災(zāi)事故面積的數(shù)學(xué)模型3.2.1油罐半罐火災(zāi)襲擊場(chǎng)景依據(jù)上述加油站布局與油品罐區(qū)儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性分析,總結(jié)加油站事故案例,可以得到以下幾種最常見(jiàn)的火災(zāi)爆炸場(chǎng)景模式.(1)油罐空罐爆炸場(chǎng)景.油罐只有汽油蒸汽,油氣與空氣混合達(dá)到爆炸極限下限,油罐遇到點(diǎn)火源發(fā)生爆炸.(2)油罐半罐火災(zāi)爆炸場(chǎng)景.假設(shè)一個(gè)汽油罐剩余油品50%,罐內(nèi)部無(wú)汽油空間因油品揮發(fā)形成爆炸性混合氣體并達(dá)到爆炸極限下限,遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸;爆炸使油罐上面炸開(kāi),部分油品汽化,與空氣形成爆炸混合物,發(fā)生二次爆炸,假設(shè)爆炸壓力與前次未疊加,二次爆炸后,汽油罐有余油會(huì)形成池火;假設(shè)整個(gè)事故過(guò)程不危及油品灌區(qū)其它油罐.(3)油罐外部因素導(dǎo)致的火災(zāi)場(chǎng)景.油罐進(jìn)出油管線由于化學(xué)腐蝕和機(jī)械碰撞等原因發(fā)生油品泄露,泄露油品在操作井內(nèi)揮發(fā)形成易燃易爆混合性氣體,遇到點(diǎn)火源后發(fā)生爆炸.爆炸沖擊波破壞罐蓋,使罐內(nèi)油品與高溫空氣直接接觸,從而引發(fā)儲(chǔ)罐發(fā)生二次爆炸或者直接引起罐內(nèi)池火災(zāi)事故.3.2.2不同場(chǎng)景下火災(zāi)爆炸事故影響的數(shù)學(xué)模型如下以汽油儲(chǔ)罐為例,不同場(chǎng)景下火災(zāi)爆炸事故傷害范圍的數(shù)學(xué)模擬如下.(1)油罐爆炸場(chǎng)景的數(shù)學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果油罐內(nèi)油氣含量為2.36%,W′f=5.34kg,WTNT=51.63kg.油罐爆炸的傷害距離(R1)及傷害程度見(jiàn)表3.(2)油罐半罐火災(zāi)爆場(chǎng)二次爆炸后連續(xù)時(shí)時(shí)油罐內(nèi)外因素導(dǎo)致的災(zāi)害油罐半罐火災(zāi)爆炸場(chǎng)景參與二次爆炸的燃料應(yīng)與一次爆炸的能量有關(guān),假設(shè)第二次爆炸有1/10的能量用于汽油汽化,計(jì)算得出W′f=2.7kg,用于汽化的能量E=11799.0kJ.汽化汽油的質(zhì)量約為35.2kg,汽油蒸氣帶出的和爆炸噴出的液滴汽化蒸氣是能量汽化的6倍,估算蒸氣云中的燃料質(zhì)量為Wf=211.3kg,蒸氣存在大量的液滴,參與蒸氣云爆炸的燃料占總?cè)剂系陌俜直鹊?α取1%,計(jì)算TNT當(dāng)量WTNT=20.4kg.用TNT當(dāng)量計(jì)算出對(duì)應(yīng)的傷害半徑(R2)及傷害程度,具體結(jié)果見(jiàn)表3.油罐半罐火災(zāi)爆炸場(chǎng)景二次爆炸后汽油罐有余油會(huì)形成池火,儲(chǔ)罐規(guī)格為3000mm×7500mm,最大面積的半徑R=2.7m,汽油的燃燒速度為0.0256kg/(m2·s),用池火火焰與輻射強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型計(jì)算火焰高度為6.56m,當(dāng)液池燃燒時(shí)放出的總熱輻射通量為5847.5kW,根據(jù)不同的輻射強(qiáng)度(入射通量)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的距離,見(jiàn)表4.油罐外部因素導(dǎo)致的火災(zāi)場(chǎng)景的模式主要包括蒸氣云爆炸事故和罐內(nèi)池火災(zāi)事故.與油罐半罐火災(zāi)爆炸場(chǎng)景二次爆炸后形成池火的災(zāi)害模式類(lèi)似,不再贅述.3.3設(shè)施影響的程度分析、對(duì)照城市加油站設(shè)計(jì)規(guī)范要求加油站距甲乙類(lèi)物品生產(chǎn)廠房、庫(kù)房和甲乙類(lèi)液體儲(chǔ)罐間距為25m;距重要公共建筑50m;距一類(lèi)保護(hù)民用建筑25m;距明火或散發(fā)火花地點(diǎn)30m;距其他生產(chǎn)廠房18m;距城市道路10m.城市加油站設(shè)計(jì)規(guī)范要求站內(nèi)設(shè)施之間間距、實(shí)例中加油站各設(shè)施之間間距、罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故對(duì)相鄰建(構(gòu))筑物及設(shè)備設(shè)施影響的程度分析、對(duì)照見(jiàn)表5.由3.2中的模擬計(jì)算及表5給出的分析、對(duì)照結(jié)果,可知:(1)規(guī)范要求城市道路距油罐10m,熱輻射強(qiáng)度為4.0kW·m-2,傷害程度為“20s以上感覺(jué)疼痛,并未起泡”,屬于可以接受的范疇;爆炸波超壓為對(duì)人體的傷害程度為“人員嚴(yán)重傷害”,屬于不可接受的范疇.實(shí)際設(shè)計(jì)距離為17.31m,熱輻射及爆炸波超壓造成傷害的程度均屬于可以接受的范疇.(2)規(guī)范要求加油站距重要公共建筑50m、一類(lèi)保護(hù)民用建筑25m,熱輻射強(qiáng)度為小于1.6kW·m-2,傷害程度為“長(zhǎng)期輻射無(wú)不舒服感覺(jué)”,屬于可以接受的范疇;爆炸波超壓為對(duì)人體的傷害程度為“人員輕微傷害”,屬于可以接受的范疇.實(shí)際設(shè)計(jì)距離為距站房5m、距其它最近建筑59.4m,對(duì)站房的熱輻射及爆炸波超壓造成傷害的程度均屬于可以接受的范疇,對(duì)其它最近建筑屬于不可接受的范疇.(3)對(duì)密閉卸油點(diǎn),由于實(shí)際的原因,設(shè)計(jì)距離不可能距油罐區(qū)太遠(yuǎn),規(guī)范要求設(shè)計(jì)距離3m,本案例實(shí)際設(shè)計(jì)距離為3.2m