苯储罐区火灾爆炸灾害模式及事故后果评估

苯储罐区火灾爆炸灾害模式及事故后果评估

0基本消防安全设计方法设计中存在的问题近年来，随着我国经济的快速发展和工业化的深入，各种危险液体原料的储藏室不断修建，不同储藏室的规模不断扩大。对于这种储存易燃易爆液体的场所,由于其危险化学品性质的复杂,潜在火灾爆炸因素繁多,因此,储罐区的消防安全设计是工程设计的重点,尤其是露天建设的甲、乙类易燃易爆液体储罐区。甲、乙类罐区的消防安全设计主要依据现有的规范或标准给出的基本条款(也称“处方式”设计),例如“确定物质是甲类液体还是乙类液体”、“甲类或者乙类液体储罐之间的间距符合标准给出的间距要求”和“进行符合性设计”,很少针对储存物质的具体理化特性和火灾爆炸模式变化等因素进行相应的消防安全设计。这样设计的缺点是忽略了储存物质危险特性对消防安全评价的影响,缺乏系统的综合考虑,未能很好地考虑环境条件变化对易燃液体储罐区火灾爆炸模式的影响。本文以北京某企业在役使用的苯罐区为例,针对苯的理化特性和火灾爆炸危险性,通过定性分析苯的危险特性,利用定量风险评估方法评价事故后果的影响程度,确定应进一步采取或加强的消防安全措施,为新建此类罐区的消防安全设计提供参考。1苯储水池火灾风险分析1.1低通插装式水岸式水2.苯是组成结构最简单的芳香烃,在常温下为一种无色、有甜味的透明液体,具有强烈的芳香气味。闪点-10.11℃,熔点5.5℃,沸点80.1℃,不溶于水,溶于多数有机溶剂;密度为0.88g/cm3,相对蒸气密度2.77(空气为1);饱和蒸气压13.33kPa(26.1℃),临界压力4.92kPa,燃烧热值3264.4kJ/mol,引燃温度562.22℃,最小点火能0.2mJ,爆炸极限范围为1.2%~8%。苯的气化特性参数见表1。1.2防火堤外侧与生产装置甲类场所的距离苯储罐区布置在厂区的北侧,罐区设防火堤,防火堤为钢筋混凝土结构,罐区围堤长约为40m,宽为10m,高1m,占地面积为400m2。防火堤外侧与生产装置(甲类场所)的距离为15m,与一侧废弃建筑物的距离为5m,一侧毗邻厂内其他建筑。罐区共有4个储罐,储罐一字布置,储罐与临总厂道路和废弃建筑物侧防火堤内墙的距离为2m,与其他防火堤内墙的距离为4.5m,罐与罐之间的间距为3m。苯储存条件为常压、常温,苯储罐采用平地固定顶储罐,材质为钢衬塑,容积为200m3,罐直径为6m,罐高7m,罐体无冷却水系统及高温防晒保护措施。1.3苯储罐区因外温变化引起的火灾或地区苯属于甲类易燃液体,且罐区潜在的点火温度及能量都大大超过苯的最小引燃能量,苯蒸气与空气可形成爆炸性混合物,遇明火、高热极易发生火灾爆炸,其蒸气比空气重,能在较低处扩散到相当远的地方,遇火源会发生着火回燃。苯在沿管道流动与管壁摩擦和运输过程中受到振荡,会产生静电。当静电积累到一定程度则会放电,如果静电不能及时消除,则容易产生电火花,存在火灾或爆炸的危险。苯受热后体积膨胀,根据表1的数据,蒸气压力随温度升高变化幅度较大。若储罐呼吸阀因某种原因来不及开启或开启不够,会造成储罐破坏,增大火灾危险性。北京地区近几年春季最高气温为12~18℃,5月份平均气温为14℃。苯的爆炸极限范围为1.2%~8.0%,计算得爆炸上、下限对应的蒸气压分别为1.22kPa、8.11kPa,由表1饱和蒸气压与温度的关系可知对应的温度分别为-14℃、16℃,因此,春季露天储存的苯储罐内液体温度处于爆炸温度极限范围内,其蒸气与空气混合遇火源的灾害模式为爆炸。由于气体和液体都具有流动扩散的特性,在苯储存过程中,由于储罐腐蚀或开裂等因素的影响,若发生溢流、泄漏等现象,物料迅速向四周扩散,特别是储罐破裂后,沿防火堤流淌,突遇明火,就可能导致池火等火灾现象。苯储罐区由外界环境温度变化引起的火灾爆炸模式见图1。另外,苯的沸点为80.1℃,其饱和蒸气压随温度的变化较大(见表1),遇外部火源等高热的影响会导致储罐内压增大,有开裂和爆炸的危险。2罐区及罐区消防设施、阻火器设计苯储罐区消防基础设计建设主要依据GB50160—2008《石油化工企业设计防火规范》所规定的防火要求,其要点主要包括罐区与周围设施、建筑物的安全和防火间距的确定与规划,储罐型式选择与储罐之间防火间距的确定,建筑物耐火等级,罐区防雷防静电设计和罐区消防设施、阻火器的设计。本文主要考虑给出常压甲B类可燃液体罐区的总平面布置与建筑物防火间距的消防安全评价如下。1)此罐区总容积为800m3,罐区与生产装置(甲类场所)的距离为30m,实际距离为15m,不符合规范的要求;与全场重要设施的距离不小于35m,实际距离大于150m。2)储罐为钢质罐,罐组内的储罐为单排,罐区设防火堤,防火堤的耐火极限不小于3h,防火堤内的有效容积为4000m3,符合规范要求;立式储罐至防火堤内堤脚线的距离不应小于罐壁高度的一半(3.5m),但本实例该距离为2m左右,不符合规范要求。3)罐区内各储罐之间的间距小于4.5m,不能满足规范对储罐间间距0.75D(D为相邻较大罐直径)的要求。3苯储存区火灾事故结果分析3.1不同储存量时储罐上空间危险性混合物的量依据苯的理化特性分析,在北京春季平均气温14℃,单罐储存苯的量分别为罐容的10%、50%和90%,储罐上部空间形成爆炸性混合物,因静电积聚或雷击导致的爆炸,其灾害模式可认为是受限空间内可燃混合物气体爆炸,利用TNT当量法分别计算此条件下储罐上部空间形成的爆炸性混合物的爆炸当量。式中mTNT为爆炸TNT当量,kg;E为爆炸的总能量,kJ;QTNT为TNT爆炸能量当量,其均值为4686kJ/kg;R为目标与爆炸中心的距离,m,R0为目标与1000kgTNT爆炸中心的当量距离,m,Δp为实际TNT当量的爆炸冲击波超压,MPa,Δp0为1000kgTNT的爆炸冲击波超压,MPa,β为无量纲比值。储罐内温度为14℃时,其饱和蒸气压为8.01kPa,通过充装系数计算出相应的罐容和储罐上部受限空间爆炸性混合物的量,计算结果见表2。根据表2的计算结果可以得出在同一温度条件下,随苯储存量所占储罐容积减少,储罐上部空间爆炸性混合物的量逐渐增加,其发生超压爆炸的危险性较大。当取值为0.0196MPa、0.049MPa、0.098MPa时,分别导致人员的轻伤、重伤和死亡,取值0.040MPa、0.060MPa、0.200MPa时导致的建筑物损坏分别为墙出现大裂缝、房架松动、大型钢架结构破坏,具体结果见表3。依据表3的计算结果得出:当充装系数为10%时,人员的死亡半径为17.81m,重伤半径为25.15m,轻伤半径为43.62m,在临近总厂道路和废弃建筑物两侧,已经波及过往行人和车辆,并能造成整个防火堤的全部破坏。当充装系数为90%时,形成受限空间内的爆炸性混合物最少,危险性最小,此时人员的死亡半径为8.58m,重伤半径为12.12m,已超过了储罐与防火堤之间的距离,能造成防火堤和临近储罐完全破坏。3.2云计算物质破坏系数tnt假设储罐内的苯完全泄漏形成爆炸性蒸气云,依据蒸气云爆炸的TNT当量法,进一步分析蒸气云爆炸可能引发的后果,其计算公式为式中mp为可燃气体的丙烷当量,kg;α为蒸气云的TNT当量系数(取0.04);Qp为丙烷的爆炸热,50290kJ/kg;R1为死亡半径,m;R2为重伤半径,m;R3为轻伤半径,m;R4为财产损失半径,m;K3为建筑物三级破坏系数(取4.6)。计算结果见表4。由表4可以看出,当充装系数为90%时,苯储罐发生蒸气云爆炸的危害性最为严重,死亡半径为90.72m,重伤半径为159.16m,轻伤半径为308.38m,财产损失半径为176.24m,事故已完全覆盖苯储罐区周围的生产装置区、交通道路和废弃建筑物及其他建构筑物。3.3计算公式假设苯储罐区由于冲击波超压引起储罐破裂,液体苯流入周围防火堤,遇点火源形成池火,进一步分析池火引起的火灾事故后果,其计算公式详见文献[12-14]。计算结果见表5和6。根据表5和6可知:当苯储罐充装系数为90%时,其形成池火的热危害程度最大,造成人员死亡的伤害距离为74.25m,人员重伤的距离为103.12m,一度烧伤的距离为132.16m,距生产装置最近处的苯储罐形成池火将覆盖罐区周围的建构筑物,而且对现场救援人员的安全造成很大的威胁。3.4分散剂的结果3.4.1速度状态方程由于碎片的飞行速度一般不超过音速(爆炸碎片抛射见图2),三维体系中碎片在飞行过程中的加速度状态方程为式中x、y为水平方向的坐标,z为竖直方向的坐标,k为阻力系数,t为时间,g为重力加速度。在上升阶段,由于阻力与重力方向相同,式(11)中的符号为“+”;而在下降阶段,情况正好相反,符号为“-”。根据文献,本文空气阻力系数均取1.21×10-3。3.4.2储罐区发生火灾爆炸模式的安全约束在确定碎片抛射距离的过程中,首先要确定碎片的初始速度、碎片的抛射角和空气阻力,这些参数涉及碎片的能量、形状和数量等,并且这些参数大多是随机的,参考文献[17-18]给出了这些不确定性参数的分布。当碎片的数量、形状、质量、抛射速度、垂直和水平抛射角已知后,用Monte-Carlo方法进行数值模拟,将这些参数代入碎片轨迹方程,计算出碎片从抛射到落地间的轨迹曲线。当轨迹与目标容器有交集时,n取1;无交集时,n取0。模拟Nsim次得到总的碰撞概率Pimp。式中N为每一次模拟中产生的碎片总数,V目标为目标容器的外切立方形区域,V碎片为被抛射碎片的轨迹,Nsim为模拟次数。本实例计算参数见表7。由图3可知,风速对某一特定的碎片飞行距离虽然有一定的影响,但由于苯储罐爆炸后碎片向四周散落抛射出去,抛射距离远近不同,总体碎片抛射距离的概率分布情况几乎与风速无关,说明在实际计算中可以忽略风速这一影响因素。表8给出了不同充装水平的储罐爆炸碎片碰撞不同距离处目标物的概率。由表8得出:若要保证事故罐碎片抛射概率小于0.01,则10%、50%和90%充装水平的事故罐要求的距离应分别大于10m、10m和10m;若提高安全级别到0.001,则10%、50%和90%充装水平的事故罐对应的距离分别为60m、30m和40m。可以看出,当目标不同时,储罐爆炸碎片对应的碰撞概率差别较大,防护碎片所需的安全距离也不同。因此,在储罐区布局时,要充分考虑周围目标的差别而确立不同的安全防护距离。由图4可知,充装水平对碰撞概率的影响不大,尤其是充装水平在50%~90%。表9给出了无风条件下碎片碰撞不同距离目标物的概率值。将表9中数据进行数值拟合,得出碰撞概率Y与距离X之间的关系式Y=0.009e-0.0548X,决定系数R2=0.947,表明两者之间的指数关系可靠性较高。由表3、4、6和9中苯储罐区发生火灾爆炸模式的破坏半径计算结果可知,苯储罐区发生蒸气云爆炸产生的危害最大,虽然苯储罐区发生蒸气云爆炸事故是小概率事件,但是一旦发生事故,将给整个罐区及周围的人员和建筑物带来毁灭性的破坏。其次,苯储罐区发生池火灾带来的危害较大,而且池火灾事故发生的概率较高,容易引发二次灾害及多米诺效应。基于上面对苯储罐发生火灾爆炸模式进行的定量分析,依据规范的要求,得出对此类甲、乙类液体进行消防安全评价时,应考虑其可能产生的火灾爆炸事故后果,对其进行定量计算,以此得出应进一步需要采取的消防安全防控措施。1)由于苯的饱和蒸气压随温度的变化较大,在高热或火焰烘烤的条件下,促使苯储罐内压急剧变化,致使储罐发生破裂和爆炸的发生。因此,应采取减少日晒高温的措施,还应按照规范的要求进行固定式消防冷却水系统的设置,且由于苯储罐区存在火灾爆炸事故后果,固定式消防冷却水系统用量应高于规范的规定。2)苯储罐区点火源的控制,在日常环境温度升高的情况下,固定顶储罐内上部空间形成爆炸性混合物,且苯的最小点火能较低,应注意增加防雷和静电消除措施。3)由于外部环境温度的不断变化,储罐上部空间形成的爆炸性混合物由于超压爆炸导致的蒸气云爆炸或池火等的事故后果,应提高储罐首次爆炸的抗爆能力,采取正确的减压泄爆措施,同时,应在防火堤内设置固定灭火设施,避免形成二次破坏及多米诺效应。4)对已建成投产使用或规划用地无法满足防火所需的安全距离时,采取在事故源与目标物之间安装拦网的方式弥补距离上的不足,减缓和控制碎片产生的风险。4种充装水平事故后果分析1)本文依据苯储罐区危险特性和火灾爆炸事故后果进行定量分析,给出了外界温度变化情况下储罐区所对应的