某化工厂“68226;27”事故原因计算机模拟分析报告

北京东方化工厂“627”事故原因计算机模拟分析报告北京理工大学爆炸与安全科学国家重点实验室编者按：北京理工大学爆炸与安全科学国家重点试验室，利用计算机模拟技术，根据爆炸现场情况，对乙烯、石脑油云团的形成和云团爆炸过程数值模拟，把计算机模拟结果同现场情况进行比较，认为“627”事故是石脑油A罐溢出的石脑油首先爆炸引起的。这个分析报告同北京东方化工厂“627”事故调查专家组的事故技术原因分析报告是一致的。1 前言1997年6月27日北京东方化工厂油品罐区发生特大爆炸事故，造成了重大人员伤亡和财产损失。受国家经贸委安全生产局的委托，北京理工大学爆炸与安全科学国家重点实验室根据有关单位提供的爆炸现场情况，对此次爆炸事故进行了计算机模拟分析，目的是为全面正确地分析爆炸事故的发生原因提供技术依据。2 爆炸情况基本分析图1是北京东方化工厂发生爆炸的油品罐区布置平面示意图（见本网北京东方化工厂“627”事故的技术原因分析报告图1）。在工厂油品罐区内，分布有25个球形罐和小柱形罐，6个大浮顶柱形罐，部分建筑和围墙等。根据爆炸现场情况观察，当时在工厂油品罐区，发生了两处爆炸。一处是图1中TK9561区（乙烯区）中，乙烯B罐（球形罐）发生了爆炸。另一处是V0102区（石脑油区）中，石脑油A罐（柱形罐）周围空间发生爆炸和几乎同时发生的油泵房内部爆炸。根据爆炸现场附近地震台站当时的记录结果，第一次爆炸为21时26分38秒，第二次为21时40分57秒，两次爆炸间隔大约为14分21秒。由于存在两处爆炸现象，因此，正确判断两处爆炸发生的先后顺序是找到爆炸发生原因的关键环节。2.1乙烯B罐爆炸现场主要特征乙烯B罐爆炸残骸分析结论表明：乙烯B罐全部爆飞，其爆炸能量很大。B罐在爆炸前已被火烧灼。B罐被火烧灼后内压增高，局部区域罐壁材料强度下降，产生罐体裂纹，随后引起爆沸。2.2 石脑油A罐爆炸现场主要特征石脑油A、B罐外面有被下部火焰烧烤的明显迹象，且该罐附近地面大范围的碎石被烧变色。表明该罐附近地面上曾经积有油品，并有较长时间的燃烧和较猛烈的火焰。该罐体围堤是由混泥土浇注而成，有一处明显倾斜。表明围堤内曾经发生可燃混合气体的爆燃。另外，通向石脑油A罐两道气动阀门呈开启状态。2.3 其它部分爆炸现场情况油品罐区内的油泵房被完全破坏，墙体内外倒塌，表明油泵房发生了内爆现象。2.4 人员伤亡情况当时有爆炸现场共有41人，其中有9人死亡（死在现场4人及送到医院后死5人）。死亡者被发现的位置在图1中由三角符标出，并附有死者姓名和编号。2.5 爆炸事故发前主要罐区的工况各罐的液位、温度、压力等每2小时记录一次，详见当日生产操作记录，此处只列出乙烯B罐和石脑油A罐的工况。1） 乙烯B罐工况18时：液位8.23m，液体体积占罐内总容积的73%，罐内温度30，罐内气体压力2.0MPa。20时：液位7.30m，液体体积占罐内总容积的65%，罐内温度30时，罐内气体压力2.0Mpa。该厂中心控制室计算机自动记录的乙烯罐压力变化图显示：21点26分前压力平稳，26分左右压力突然降至零（与地震台记录的第一次爆炸时间吻合）。2） 石脑油A罐的工况（12时至20时记录相同）液位13.725m，液体体积占罐内总容积的99.64%（上限报警13.775m）油温19，发生事故时正在往该罐里装油（两道阀门都开启）。3） 当班操作记录显示20时30分开始从铁路槽车卸油，21时左右现场人员闻到气味。闻到气味时间距第一次爆炸大约为20-25分钟。2.6 事故关键过程分析对现场情况的初步分析表明，存在乙烯B罐周围首先发生爆炸或石脑油A罐周围首先发生爆炸的两种可能。如果是乙烯B罐周围首先发生爆炸，其原因可能是乙烯B罐附近的乙烯管道发生了泄露，汇露后的乙烯在空气中扩散，与空气混合形成乙烯云团。乙烯云团在某种刺激的作用下发生爆炸。如果是石脑油A罐周围首先发生爆炸，其原因可能是由于工作人员在输油时，进行了误操作，把应该输入其它油罐的油料错误地输入了石脑油A罐。由于石脑油A罐是浮顶罐，当时在石脑油A罐中，液位为13.725m、石脑油体积占罐内总容积的99.64%，已基本装满了油料，继续错误地输入油料，将使石脑油从石脑油A罐顶部溢出，并沿着罐的侧壁流下，流到围堤内。在这个过程中，石脑油会向空气中挥发，在一定时间后，会形成石脑油和空气的混合云团，混合云团在某种刺激作用下发生爆炸。油泵房内部发生爆炸，可能是乙烯或石脑油云团的气体扩散到油泵房内，在乙烯云团或石脑油云团爆炸后，随即油泵房内的乙烯或石脑油与空气的混合气体发生了爆炸。有证据显示，在爆炸事故发生前27分钟，现场有一个危险气体探测器发生过报警。另外，21时左右现场人员闻到异常气体气味。距第一次爆炸大约为2025分钟。因此，可以认为无论是乙烯泄漏到爆炸，还是石脑油溢出爆炸，其间的时间，大约为27分钟。3 爆炸过程的计算机模拟分析本报告主要是利用计算机模拟技术，对乙烯、石脑油云团的形成和云团爆炸过程进行数值模拟。把计算结果同现场情况进行比较，从而判断出那一种过程符合实际发生的情况。根据事故发生关键过程的初步分析结果，主要针对乙烯-空气云团形成、乙烯-空气云团爆炸、石脑油-空气云团形成、石脑油-空气云团爆炸等主要过程进行计算机模拟分析。3.1 乙烯-空气云团和石脑油-空气云团形成过程模拟3.1.1 油库罐区流场模型利用流体力学理论建立油库罐区三维流场模型，应用美国FLUENT公司的流体力学分析软件Fluent5.3进行流场模拟分析。流场模型范围东起V0102区的东面围墙，西至综合楼的西面围墙。北起V0110区的北面围墙（编者注：原文可能有误。实际大概是V0101区北面靠近东门的北面围墙），南至油库东门位置，包括了油库罐区的大部分范围（见图1），流场的高度为60m 。模型中考虑了油库罐区内的综合楼、油泵房、所有的油罐和主要的围墙。其中综合楼、油泵房被简化为与实际尺寸等效的长方体，球形和柱形油罐被取为实际形状和尺寸。图2是流场模型的初始网络图（编者注：本文中图2107所版面巨大，本文编辑时只列出图号，图略去，下同）。流场的计算采用了求解三维、不可压Navier-stokes方程的方法，湍流模型采用了标准的k-模型方程，同时，采用了组分扩散方程。（1） 控制方程（2） 计算方法采用了单步的segregated solver算法。该方法首先求解动量方程，然后在用压力修正的方法求解质量守恒方程，再求解湍流方程和组分方程等。计算中，周围大气条件设为标准大气，过程时间设为27分钟。根据北京市通县气象台提供的当时通县地区的气象资料，21时至21时30分，平均风速为1m/s左右，是东南风。实际上在油库罐区内，风速和风向会处于一定的不定场状态，现场实际的风场情况已难以准确的确定。由于风场对空气云团的位置和范围有一定的影响，因此，在流场模型中，选取了两种风场条件，一种是风速为1m/s的东南风，另一种是风速为1m/s的偏南10度风。图3是第一种风场条件下的风压分布图。3.1.2 乙烯-空气云团形成过程模拟已有的分析结果表明，乙烯B罐的罐体本身并没有发生泄漏现象。如果乙烯发生泄漏，很可能是乙烯B罐附近的乙烯管道出现裂缝泄漏出乙烯。由于没有可靠的依据确定裂缝的尺寸，因此，对两种管道裂缝情况进行了计算，一种是假设裂缝面积为乙烯管道（直径101.6mm）截面积的十分之一，另一种假设乙烯管道全部断裂的情况。（1） 裂缝面积为乙烯管道截面积的十分之一图4（a-d）是数值模拟在风速为1m/s的东南风下，乙烯空气混合云团不同边缘浓度下的形状和大小。在边缘浓度为2.7%（乙烯爆炸极限浓度下限）时，乙浠空气云团形状为椭球型。同乙烯罐的尺寸相比，乙烯空气云团在不大（可等效为长8m，宽6m，高6m的立方体），并在乙烯A罐的附近。泄漏的乙烯平均流量为1.3052kg/s。由于乙烯空气云团范围有限，并在乙烯A罐的附近，风场的风向对乙烯空气云团没有实质性的影响。因此，本报告没有进行其它风向下的乙烯-空气云团形成过程模拟。（2） 乙烯管道全部断裂图4（e）是在1m/s的东南风下，乙烯管道全部断裂时，乙烯-空气混合云团在边缘浓度为2.7%时的形状和大小。云团为扁长的椭球形，其范围已覆盖了油泵房的一部分。泄漏的乙烯平均流量为13.054kg/s。3.1.3 石脑油空气云团形成过程的模拟石脑油从柱形浮顶罐溢出后，在空气中挥发，扩散，形成石脑油空气混合云团。因此，主要对石脑油挥发和扩散过程进行数值模拟。在模拟计算时，需要石脑油在当时温度条件下的挥发速率。由于没有现有的石脑油挥发速率数据，因此，采用了实验方法确定的石脑油的挥发速率，其值大约为每分钟2.64mg/cm2。图5(a-d)是在1m/s风速的东南风下，在不同边缘浓度下，数值模拟的石脑油空气混合云团的形状和大小。在边缘浓度为1.2%（石脑油爆炸极限浓度的下限）时，如图（d）所示，石脑油空气云团高大约20m，其形状近似梯形体，其长约280m，最宽处约150m，高约20m。云团范围已到达东南方向的油库东门位置和接近油泵房的边缘。图6（a-d）是数值模拟的在1m/s风速偏南10度风下，乙烯-空气混合云团不同边缘逍度下和形状的大小。在边缘浓度为1.2%时，如图6（d）所示，石脑油空气混合云团高大约20m，其形状近似为长约280m，宽约200m，高约20m的长方体，同在东南风下相比，其范围到达东南方向的油腔库东门位置，并覆盖了油泵房的一部分。3.2 乙烯空气云团和石脑油空气云团的爆轰参数两种爆炸去团的爆轰参数包括：不同浓度下云团混合气体爆炸的爆轰压力、爆轰速度、爆轰温度、体积膨胀比、绝热指数、混合气体的初始密度等。这些参数是云团爆炸模拟中需要的基本参数。本报告采用中国工程物理研究院开发的fortran VLW 程序，计算乙烯空气云团的基本爆轰参数。由于实际中的气云团内浓度分布不均匀，呈现一定的浓度梯度分布，而目前气相爆轰模拟计算中，只能计算均匀浓度下云团爆轰过程。根据乙烯空气云团和石脑油空气云团形成过程的模拟分析结果，本报告主要模拟计算了3.5%和5%浓度下，云团爆轰过程。表1是乙烯一空气云团和石脑油空气云团在3.5%和5%浓度下的主要爆轰参数。表1 乙烯-空气云团和石脑油-空气云团的爆轰参数3.3 云团爆炸模型，测点分布及-伤亡判据本报告采用AutoreaGas软件模拟乙烯空气云团和石脑油空气云团爆炸过程。AutoReaGas软件由美国Gentury Dy-namics公司和荷兰TNO公司于1997年联合开发完成，用于分析气体爆轰现象的数值模拟软件。AutoReaGas可以用来模拟计算可燃性气体混合物燃烧、爆炸与冲击效应等，适用于爆炸危险性辨识与安全评估，安全防护距离的测定，工房的了优规划设计，冲击墙与安全庇护设计，物体冲击波加载的测定和冲击破坏等方面。3.3.1 爆炸场模型建立根据油库罐区的分布情况，建立爆炸场模型。其范围与流场模型基本一致。包括综合楼、油泵房、所有的油罐和主要的围墙。其中综合楼、油泵房被简化为实际尺寸相同的长方体，球形油罐被设为等效尺寸的圆柱形状。如图7所示的是爆炸场模型的几何平面图。对于爆轰波可以用质量、动量、能量守恒方程和反应速率方程来描述，其中对上述数学模型，进行离散化处理，利用AutoReaGas软件可以计算爆炸场中各点和各时刻的爆轰参数系数。3.3.2 测点布置在模拟计算中，主要在现场人员伤亡位置和部分毁伤点上设置测点，记录气云团爆炸中，测点位置超压和温度随时间的变化过程，从而为判断人员的伤亡情况和设备毁坏情况提供依据。图8是计算机的测点布置图。19号测上为分别为9位死亡人员被发现位置，15号测点为乙烯B罐附近位置，16号测点综合楼东面位置。3.3.3 人员伤亡判据表2是爆炸波超压对人体伤害准则。根据表2中的数据，可以判断爆炸波超压对人体的伤害程度。表2 爆炸波超压对人体伤害准则3.4 裂缝面积为乙烯管道截面积十分之一时，乙烯空气云团爆炸模拟乙烯空气云团形成过程模拟结果表明，乙烯空气云团形状为椭球形。同乙烯罐的尺寸相比，乙烯空气云团并不大，并在乙烯B罐的附近。由于计算中，乙烯管道裂缝开口朝东南方向，在东南风的作用下，乙烯空气云团在乙烯罐东南面。在爆炸模拟计算中，把椭球形云团近似简化为长8m，宽6m的立方体。模拟乙烯空气云团在3.5%和5%的平均浓度下的爆炸过程。另外，由于乙烯管道裂缝开口朝向可能不一定朝向东南方向，为了能比较全面的分析问题，本报告对比乙烯空气云团在乙烯B罐西北面时的爆炸过程进行了模拟。气云团爆炸数值模拟结果主要有不同时刻爆炸场空间的压力分布，各个测点的压力和温度随时间的变化情况等。考虑到篇幅有限，本报告中只列举了部分与原因分析有关的结果。3.4.1 3.5%乙烯空气云团爆炸模拟（1）3.5%乙烯空气云团在乙烯B罐东南面爆炸模拟结果图9（a-d）是乙烯B罐东南面的3.5%乙烯空气云团爆炸时，不同时刻下爆炸场的压力分布图。从图中可以看到，乙烯空气云团爆炸后，超压区的影响范围不大。随着时间的推移，超压区向东南方向扩展。图10（a）、（b）-图18（a）、（b） 分别是19测点的压力时间曲线和温度时间曲线。从曲线图中，可以看到，在乙烯空气云团爆炸过程中，1，2，3，6号测点位置的最大超压大约为400600pa，最高温度大约为288k，属正常环境温度，49号测点的最大超压和最高温见表3。表3 3.5%乙烯-空气云团爆炸超压和温度上述测点的最大超压远小于表2对人能造成轻微挫伤的19620pa超压下限，因此，在这种爆炸情况下，对在这些测点位置的人员不会有任何的伤害。图19（a）、(b)是16号测点的压力时间曲线和温度时间曲线。最大超压大约为60Pa，温度为288K。在这一位置基本上不会受到爆炸的影响。以上测点的数据表明，如果乙烯空气云团在乙烯罐东南面首先发生爆炸，在现场死亡的9人中，都不会受到任何伤害，在发生第二次大爆炸前，他们都可有逃生的可能。而事实上，他们都未幸免遇难。因此，本报告认为，3.5%乙烯空气云团在乙烯罐东南面首先发现爆炸的情况没有发生。（2）3.5%乙烯空气云团爆炸时，不同时刻下爆炸场的压力分布图。从图中可以看出。乙烯空气云团爆炸后，超压区的影响范围不大。随着时间的推移，超压区向南扩展。图21（a）、（b）-图29（a）、(b)分别是19号测点的压力时间曲线和温度时间曲线。所有测点的最大超压都小于300Pa，远小于表2中对人能造成轻微挫伤的19620Pa超压下限，爆炸对在这些测点位置的人员不会有任何的伤害。图30(a)、(b)是16号测点的压力时间曲线和温度时间曲线。最大超压大约为200Pa，温度为288K，这一位置基本上也不会受到爆炸的影响。因此，3.5%乙烯空气云团在乙烯A罐西北面首先发生爆炸的情况也不可能发生。3.4.2 5%乙烯空气云团爆炸模拟（1） 5%乙烯空气云团在乙烯罐东南面爆炸模拟结果图31（a-d）是乙烯罐东南面的5%乙烯空气云团爆炸时，不同时刻下爆炸场的压力分布图。同3.5%乙烯空气云团爆炸结果相似，5%乙烯空气云团爆炸后，超压区的影响范围不大。随着时间的推移，超压区向东南方向扩展。图32 （a）、（b）-图41（a）、（b）分别是19号测点和16号测点的压力时间曲张和温度时间曲线。7和8号测点的超压相对较高，最大超压大约为40006000Pa，最高温度大约为290K，其它测点的最大超压都低于1000Pa，最高温度大约为288K。所有测点的最大超压都远低于微挫伤的19620Pa超压下限，因此，这种爆炸情况也不可能发生。（2） 5%乙烯空气云团在乙烯罐西北面爆炸模拟结果图42（ad）是乙烯罐西北面的5%乙烯一空气云团爆炸时，不同时刻下爆炸场的压力分布图。超压区的影响范围不大，随着时间的推移，超压区向南扩展。图43（a）、（b）图52（a）、（b）分别是19号测点和16号测点的压力时间曲线和温度时间曲线。所有测点的最大超压都小于320 pa，最高温度大约为288K，因此，5%乙烯空气云团在乙烯B罐西北首先发生爆炸的情况也不可能发生。3.5 乙烯管全部断裂时，5%乙烯空气云团爆炸模拟结果图53（ad）乙烯管全部断裂时，5%乙烯一空气云团爆炸时，不同时刻下爆炸场的压力分布图。爆炸时，在乙烯B罐东南面的超压区，随着时间的推移，继续向东南方向移动。图54图63分别是19号测点和16号测点的压力时间曲线。1，2，3，4，5，7，8，9号测点的超压分别大约为81kpa，400kpa，520kpa、1300kpa，140kpa、1200kpa，1000kpa、160kpa。这些测点的超压已大大超过了表2中可能性能造成大部分死亡的98.1kpa的超压强度，在这些测点位置上的人员都会死亡。在以上这些测点上，基本符合现场情况。但6号测点的超压大约为25kpa，在此处的人员只能受到轻微挫伤，而实际情况是人员已伤亡。16号测点的大约压力为170kpa ，在此测点位置上的人员也会死亡，而实际情况是人员没有受到任何伤害。因此，乙烯管全部断裂时，乙烯空气云团首先爆炸的情况不可能发生。3.6 石脑油空气云团爆炸模拟石脑油空气云团形成过程模拟结果表明，在爆炸极限浓度下，石脑油空气云团扩散到了很大的范围。在东南风下石脑油空气云团形状近似梯形体，在偏南10风下石脑油空气云团形状近似长方体。在爆炸模拟计算，石脑油空气云团被简化为等效长方体。在东南风下，等效长方体尺寸取为长280m，宽150m，高20m。在偏南10风下，等效长方体尺寸取为长280m，宽200m，高20m。3.6.1 3.5%石脑油空气云团爆炸模拟（1） 在东南风下3.5%石脑油空气云团爆炸模拟结果图64(a-b)是在东南风下石脑油空气云团爆炸时，不同时刻下爆炸场的压力分布图。从图中可以看出，石脑油空气云团爆炸后，在云团内迅速形成压力幅值较高的超压区，由于石脑油空气云团本身的范围很大，超压区的范围也很大。由于爆炸冲击波的传播作用，冲击波在油库区西南的两排球形罐上反射后，在每个球形罐的附近形成了新的超压区，随着时间的推移，新的超压区向南扩展。图56（a）、（b）-图73（a）、（b）分别是19号测点的压力时间曲线和温度时间曲线。在石脑油空气云团爆炸中，各号测点位置的最大超压和最高温度见表4。表4 3.5石脑油-空气云团爆炸超压和温度上述测点的超压已大大超过了表2中可能造成大部死亡的98.1kpa的超压强度，在这些测点位置上的人员都会死亡。6号测点的最大超压大约48kpa，最高温度大约为350K。其超压值属于中等损伤（听觉器官损伤，内脏轻度出血，骨折）的范围，但已接近严重伤害（内脏严重挫伤，可引起死亡）的下限值49.05kpa。考虑计算和实际情况存在一定的误差，6号测点位置人可能是重伤，也有死亡的可能。15号测点位置在乙烯B罐的表面附近，图74（a）、(b)是它的压力时间曲线和温度时间曲线。乙烯B罐表面附近的最大超压大约为1400kpa，最高温度大约为2300K。在这样动态高压力作用下，有可能造成乙烯B罐附近的管道破坏，引起乙烯泄漏，造成进一步的爆炸。以上结果表明，如果石脑油空气云团首先发生爆炸，在现场死亡的9人中，只有6号测点位置人可能会是重伤，其它人都没有逃身的可能。乙烯B罐表面附近的最大超压，有可能造成乙烯B罐附近管道破坏，引起进一步的爆炸。因此，在东南风下石脑油空气云团首先发生爆炸的情况，与实际现场情况基本符合。（2） 偏南100风下3.5%石脑油空气云团爆炸模拟结果图75（a-b）是在偏南100风下石脑油空气云团爆炸时，不同时刻下爆炸场的压力分布图。在偏南10度风下，石脑油空气云团爆炸过程与东南风下的爆炸过程基本相似。在南10度风向下石脑油空气云团覆盖范围更大，已覆盖油泵房一部分。云团爆炸后后，在云团内迅速形成压力幅值较高的超压区，冲击波在油库区西面的两排球形罐上反射后，在每个球形罐的附近形成了新的超压区，随着时间的推移，新的超压区向南扩展。图76（a）、(b)-图84（a）、(b)分别是19号测点的压力时间曲线和温度时间曲线。1，2，3，4，9号测点位置的最大超压大约为1400kpa，最高温度大约为2500；5号测点位置的最大超压大约为1800kpa，最高温度大约为2700K；7号测点位置的最大超压大约为800kpa，最高温度大约为2400K；8号测点位置的最大超压大约为1200kpa，最高温度大约为2400K。这些测点的超压已大大超过了表2中可能造成大部分死亡的98.1kpa的超压强度，在这些测点位置上的人员都会死亡。6号测点位置的最大超压大约为52kpa，最高温度大约为370K。其超压值已超过了表2中能造成严重的49.05kpa的超压强度，在此位置的人应该受重伤或可能死亡。图85（a）、(b)是15号测点的压力时间曲线和温度时间曲线。乙烯B罐表面附近的最大超压大约为1300kpa，最高温度大约为2400k。在这种高压力作用下，已能造成乙烯B罐体附近的管道严重破坏，进一步引起乙烯爆炸。偏南100风向下3.5%石脑油空气云团爆炸模拟结果，与在东南风下的结果基本相似，在人员伤亡方面与实际现场情况基本符合，同时，还能符合油泵房发生内爆的情况。3.6.1 5%石脑油空气云团爆炸模拟（1） 在东南风下5%石脑油空气云团爆炸模拟结果图86（a-b）是在东南风下5%石脑油-空气云团爆炸时，不同时刻下爆炸场的压力分布图。同3.5%石脑油-空气云团爆炸相似，5%石脑油-空气云团爆炸后，在云团内迅速形成压力幅值较高，范围很大的超压区，冲击波在油库区西面的两排球形罐上反射后，在每个球形罐的附近形成了新的超压区，随着时间的推移，新的超压区向南扩展。图87（a）、(b)-图95（a）、(b)分别是19号测点的压力时间曲线和温度时间曲线。表5是各号测点位置的最大超压最高温度。表5 5%石脑油-空气云团爆炸超压和温度由表5可见，在这些测点位置上的人员都会死亡。6号测点位置的最大超压大约为60kpa，最高温度大约为380K。其超压值已超过了表2中能造成严重伤瞎的49.05kpa的超压强度，在此位置的人应该受重伤，也有死亡的可能。图96（a）、(b)是它的压力时间曲线和温度时间曲线，乙烯B罐表面附近的最大超压大约为1700kpa，最高温度大约为2800K。在此压力作用下，能够造成乙烯B近管道破坏，引起进一步的爆炸。因引，此种情况与实际现场情况也基本符合。（2） 偏南100风向下3.5%石脑油空气云团爆炸模拟结果。图97（a-b）是在偏南100风向下石脑