重大危險源多米諾效應研究

重大危險源多米諾效應研究

1多米諾效應引起的重大事故和重大危險源犯罪由于潛在的巨大能量，大型危險因素往往會造成巨大的破壞。然而，在工廠和工業(yè)區(qū)，風險因素通常包括幾個風險因素。當一個危險因素發(fā)生事故時，其他危險因素也會相繼發(fā)生事故，可能會造成更大的災難。在這種情況下，這種現(xiàn)象被稱為多米諾效應或連鎖反應效應。我國由于歷史原因,城市安全規(guī)劃不盡合理,各種危險源之間的安全距離不足,因此對重大危險源的多米諾效應的研究具有重要的現(xiàn)實意義。以往的事故資料表明不少重特大危險化學品事故是由于多米諾效應引發(fā)的。例如,1979年9月溫州電化廠液氯鋼瓶爆炸事故,一氯氣瓶爆炸飛出碎片引發(fā)其他氯氣瓶的破裂,最終造成死亡59人,中毒779人,經(jīng)濟損失63萬元的重大事故。1997年6月27日,北京東方化工廠儲罐區(qū)由于人員操作失誤,造成石腦油罐冒頂泄漏后遇明火發(fā)生第一次燃爆,繼而引發(fā)罐區(qū)內(nèi)乙烯罐等其他罐的爆炸和燃燒事故,最終死亡9人、傷39人、直接經(jīng)濟損失1.17億元。1998年3月5日的西安煤氣公司的一液化石油氣儲罐泄漏后發(fā)生爆炸,引發(fā)其他儲罐燃燒、爆炸的事故造成死亡11人,重傷33人。2005年11月13日,吉林石化分公司雙苯廠硝基苯精餾塔也是發(fā)生多次連鎖爆炸,造成8人死亡,60人受傷,直接經(jīng)濟損失6908萬元,并引發(fā)松花江水污染事件。國外的1984年墨西哥LPG事故造成500多人死亡也是一個非常典型的多米諾事故的例子。Ⅱ由于多米諾效應的嚴重性,歐盟的塞維索法令對于重大危險源的多米諾效應作出專門規(guī)定,要求重大危險源企業(yè)提交的安全報告中要有多米諾效應分析的內(nèi)容,可能產(chǎn)生多米諾效應的企業(yè)之間要共享危險源信息等。而我國目前對于重大危險源的多米諾效應方面研究很少,特別是在安全評價或土地使用規(guī)劃中很少考慮重大危險源的多米諾效應。本文對火災、爆炸和碎片飛出等情況引發(fā)多米諾效應的機理進行了分析,給出了不同情況下引發(fā)多米諾效應的閾值,并使用該方法確定液化石油氣儲罐泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸后可能引發(fā)多米諾效應的范圍。2事故后果的多米諾分析傳統(tǒng)的事故后果分析主要關(guān)注對于人員造成危害,而在多米諾效應研究中主要關(guān)注的是在初始事故的各種場景下,有哪些目標設備會受到影響,從而造成更大的危害。目標設備破壞后產(chǎn)生的事故后果影響范圍則可采用傳統(tǒng)的后果分析方法。根據(jù)相關(guān)研究資料和以往工業(yè)事故案例表明,重大危險源的多米諾效應主要是由于火災、爆炸沖擊波以及爆炸產(chǎn)生碎片撞擊引發(fā)的,盡管有的文獻認為毒氣泄漏也會引發(fā)多米諾效應,但這種多米諾事故主要是通過對人員中毒而影響應急或操作失誤而間接造成的,本文對此情況不予考慮。另外應注意的是對于一個初級事故可能同時產(chǎn)生爆炸沖擊波、熱輻射及碎片而引發(fā)多米諾事故,如BLEVE事故。2.1火災引發(fā)的多米諾事故火災是化工廠中常見的事故。它是可燃物質(zhì)在空氣中劇烈氧化產(chǎn)生大量熱的現(xiàn)象?；馂囊l(fā)多米諾事故主要通過兩種方式,一種是火焰直接包圍或接觸目標設備而引發(fā)事故,另一種是火災的熱輻射造成目標設備失效而引發(fā)多米諾事故。以下對工廠中最常見的火災事故場景池火災、閃火、火球、噴射火等分別進行分析論述。目標設備與火焰的接觸池火災是易燃液體形成液池后遇到火源而被點燃的火災。根據(jù)有關(guān)文獻的統(tǒng)計池火災引發(fā)的多米諾事故次數(shù)僅次于爆炸事故,占到44%。池火災引發(fā)多米諾事故有兩種情況。一種是目標設備完全或部分被包圍在火焰內(nèi),大多數(shù)池火災引發(fā)的多米諾事故是這種情況造成的。另一種情況是火焰不直接接觸目標容器通過熱輻射對目標設備造成影響。根據(jù)相關(guān)研究,當被目標設備與火焰直接接觸的情況,則大都會引發(fā)多米諾事故。熱輻射造成設備破壞則需要一定輻射強度和時間。根據(jù)有關(guān)學者的研究,對于無防護常壓容器,當輻射熱小于10kW/m2時容器失效時間大于30分鐘;無防護壓力容器,當輻射熱低于40kW/m2時失效時間大于30分鐘。噴射火引發(fā)多米諾事故包含易燃氣體或閃蒸液體的壓力容器或管道發(fā)生泄漏后,點燃后可能導致噴射火。噴射火是湍流火,由于很高的噴射動能,在泄漏方向上會產(chǎn)生有很長距離。由于事故發(fā)生頻率較高和較大的危害半徑,因此噴射火也很容易導致多米諾事故。與池火災類似,噴射火可以通過火焰直接烘烤或熱輻射引發(fā)事故升級。噴射火引發(fā)多米諾事故主要是火焰直接接觸目標容器的情況下發(fā)生,有關(guān)文獻表明目標設備甚至在水噴淋和隔熱層情況下,噴射火接觸容器壁,可能形成熱點,也能導致BLEVE或容器物理爆炸。由于壓力容器的設計結(jié)構(gòu)、壁厚等因素,熱輻射情況下引發(fā)多米諾效應壓力容器比常壓容器失效需要更高的熱輻射量。閃火屬于擴散云團閃火是可燃性氣體或蒸氣泄漏到空氣中并與之混合后被點燃而發(fā)生的一種非爆炸性的燃燒。閃火的主要危害來自直接接觸火焰以及熱輻射?？扇嘉镌茍F的大小決定了可能造成直接火焰接觸危害的面積。而云團的大小則與泄漏和擴散的條件相關(guān)。閃火事故發(fā)生條件與蒸氣云爆炸類似,是處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃物質(zhì)發(fā)生泄漏經(jīng)過一定延遲時間后被點燃。唯一的區(qū)別是閃火發(fā)生后,火焰?zhèn)鞑ミ^程中沒有自我加速的條件,即泄漏源不產(chǎn)生紊流,空間也不存在局部約束條件。閃火一般表現(xiàn)為低速燃燒,其持續(xù)時間一般從幾微秒到幾秒,比目標設備受熱輻射失效時間可以低幾個數(shù)量級。因此閃火一般不會引起多米諾事故。但是可能發(fā)生閃火火焰直接接觸易燃物質(zhì)并將其點燃的多米諾事故?；鹧嬉l(fā)多米諾事故火球一般是易燃液化氣體瞬時泄漏后,立即點燃的結(jié)果?；鹎虻奶卣鳛閹缀鯙榍驙畹娜剂蠚?蒸氣濃度在火球內(nèi)部要高于可燃極限上限,基本上是湍流式從外向內(nèi)燃燒。蒸氣的燃燒導致球體浮動上升,火球的體積在逐漸增大。易燃液體壓力容器發(fā)生沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)后往往會產(chǎn)生火球?；鹎蛉紵^程不會產(chǎn)生沖擊波,但是燃燒過程中高強度的熱輻射帶來極大的危險。但火球事故的持續(xù)時間一般不長,以LPG為例通常小于60s(見表1)。火球引發(fā)多米諾事故,不同文獻對此有不同的看法。有學者分析認為由于火球持續(xù)時間較短,遠小于目標設備失效所需時間,因此火球的熱輻射情況不會引發(fā)多米諾事故。壓力容器即使在被火球包圍情況下其失效時間也遠大于火球持續(xù)時間,因此一般不認為會引發(fā)多米諾事故?；鹎虬鼑鲁喝萜鞯氖r間一般也大于火球持續(xù)時間,但屬于一個數(shù)量級,出于保守考慮,如果常壓容器位于火球半徑范圍內(nèi),則認為可能引發(fā)多米諾事故。2.2遠傳播的波浪在化工廠中爆炸比其他事故更容易引發(fā)多米諾效應。有學者統(tǒng)計100起多米諾事故中與爆炸相關(guān)的數(shù)量最多,占到47%。爆炸是能量劇烈快速釋放的過程,同時伴隨著由近及遠傳播的沖擊波。在絕大多數(shù)爆炸事故中這種在空氣中傳播的強沖擊波是造成附近建筑物、設備等破壞以及人員傷亡的重要原因。因此一旦發(fā)生爆炸事故,可能由于其產(chǎn)生的沖擊波對附近的危險源造成破壞從而引發(fā)多米諾事故發(fā)生。爆炸沖擊波事故引發(fā)多米諾效應比較復雜,不僅與爆炸事故產(chǎn)生的超壓大小有關(guān),而且受沖擊波反射、阻力效應、與目標設備的相對位置以及目標設備的機械特性等因素所影響。對于沖擊波引發(fā)多米諾效應在工業(yè)中最常見的初級事故場景包括凝聚相爆炸、蒸氣云爆炸、物理爆炸、沸騰液體擴展蒸汽爆炸等。2.3拋射距離對事故發(fā)生的影響當設備發(fā)生物理爆炸或BLEVE時,除了產(chǎn)生沖擊波外,設備會破裂,產(chǎn)生碎片飛出。這種碎片的飛行速度、飛行距離以及穿透能力非常大,可能會造成較遠距離的建筑物、設備等破壞,從而導致多米諾事故的發(fā)生。碎片數(shù)目、形狀和重量主要與設備的特性相關(guān),拋射距離主要與初始碎片速度、最初拋射方向、角度以及碎片的阻力系數(shù)相關(guān)。最初拋射速度主要由碎片質(zhì)量和爆炸能量轉(zhuǎn)化為動量的比例要決定,阻力系數(shù)與碎片幾何以及質(zhì)量相關(guān)。3熱通量準則和熱輻射進行多米諾效應后果評價首先要確定在什么情況下目標設備會破壞。為簡化分析,一般取表征破壞效應的相關(guān)物理參數(shù)的閾值作為是否會引發(fā)多米諾事故的判定準則。以下分別對火災、爆炸沖擊波和碎片引發(fā)多米諾效應的破壞閾值分別進行討論。熱輻射對目標設備的破壞效應的指標有熱通量準則、熱劑量準則以及熱通量-熱劑量準則。熱劑量準則一般適用于作用于目標的熱通量持續(xù)時間非常短的情況,而由于時間很短時,引發(fā)目標設備失效的可能性很小,不適合使用熱劑量準則,另外熱通量-熱劑量準則的相關(guān)數(shù)據(jù)比較缺乏,因此對于多米諾后果分析中主要考慮熱通量準則。相關(guān)文獻中對于熱輻射引發(fā)多米諾效應的閾值各不相同,F.I.Khan等給出針對所有目標設備都是37kW/m2;JohnGledhill等給出的是37.5kW/m2;法國給出的無防護設備的熱輻射閾值為8kW/m2,有防護設備為12kW/m2;而西班牙給出的無防護設備的閾值為12kW/m2,有防護設備的是37kW/m2。ValerioCozzani等對熱輻射引發(fā)多米諾效應進行了深入研究,在對相關(guān)文獻進行比較分析以及對火災引發(fā)多米諾事故進行數(shù)值計算的基礎上,給出常壓容器10分鐘以上熱輻射下的閾值是15kW/m2,壓力容器10分鐘以上熱輻射下的閾值是50kW/m2。該閾值考慮了目標設備類型以及火災持續(xù)時間對設備破壞的影響,因此更為接近實際情況、更為合理,故本文采用此閾值。3.2設備破壞的超壓閾值對于爆炸沖擊波破壞效應一般考慮超壓準則、沖量準則和超壓-沖量準則。由于相關(guān)有關(guān)沖量或超壓-沖量造成設備破壞數(shù)據(jù)比較缺乏,因此在爆炸沖擊波引發(fā)多米諾事故只考慮超壓對設備的影響。各類文獻給出的設備破壞的超壓閾值各不相同,有的也沒有考慮到目標設備類型的性質(zhì)。F.I.Khan等給超壓多米諾效應的閾值是70kPa;JohnGledhill等給出是固定頂罐的閾值7kPa,壓力容器是38kPa。ValerioCozzani等學者對超壓引發(fā)多米諾效應進行深入研究,在對相關(guān)文獻數(shù)據(jù)匯總的基礎上,給出常壓容器、壓力容器、長型設備和小型設備的破壞閾值分別為22kPa、16kPa、31kPa、37kPa。該閾值考慮了設備性質(zhì)對超壓閾值的影響,比較合理,因此本文采用此閾值標準。3.3u3000數(shù)學模型的確定碎片引發(fā)多米諾效應就是碎片擊中目標設備的距離,因而如果目標容器位于最大碎片拋射距離為半徑的園內(nèi),則應該考慮多米諾效應。碎片的飛行軌跡是標準的力學問題。碎片在容器爆炸后獲得初速度后,碎片不會再由于爆炸或壓力突然釋放而加速,在飛行中碎片只受到兩個作用力,即重力和流體動力學力。流體動力學力由碎片在空中的瞬時速度、空氣密度和碎片在每個瞬間的形狀和方位來確定。通常碎片的形狀相當不規(guī)則,并可能發(fā)生旋轉(zhuǎn),所以要完全準確地確定碎片飛行的流體動力學力相當困難。為此對碎片飛行軌跡研究中,人們將流體動力學力進行某些簡化,對于亞音速范圍內(nèi),該力應當物體瞬時速度的平方成比例,因此可列出以下方程,對該方程進行求解就可以算出碎片的飛行距離。相關(guān)文獻給出一般爆炸總能量的20%～50%轉(zhuǎn)化為碎片的動能,因此可以取35%作為碎片獲得的能量比例。有關(guān)文獻給出發(fā)生BLEVE的碎片數(shù)目按如下公式求出。式中:V為容器容積,m3。碎片的拋射角度可以取45°,對于臥罐的封頭碎片可以取10°。碎片阻力系數(shù)k,根據(jù)相關(guān)文獻給出位于1×10-4和～1×10-2之間,按保守考慮可取1×10-4。這些參數(shù)都確定的情況下,根據(jù)上面方程,就可得出碎片多米諾效應的距離。本文參考ValerioCozzani等研究,匯總出各種事故場景下的多米諾效應的閾值表。4多米諾效應危害的計算依據(jù)前面給出的多米諾效應的閾值標準,應用事故后果相關(guān)計算模型,就可以得出重大危險源可能發(fā)生多米諾效應的危害范圍。以下筆者針對液化石油氣儲罐泄漏后發(fā)生蒸氣云爆炸這樣的事故場景,來計算可能引發(fā)多米諾效應的范圍。對于蒸氣云爆炸事故,可根據(jù)采用TNT當量法來預測。質(zhì)量能量的增加式中:1.8—地面爆炸系數(shù);α—蒸氣云當量系數(shù),取0.04;QTNT—TNT爆熱,可取為4.52×103kJ/kg;W—蒸氣云對爆炸沖擊波有實際貢獻的燃料質(zhì)量,kg;Qc—燃料的燃燒熱,kJ/kg。水平距離m沖擊波超壓△Ps可按下式計算式中:Z=R(P0/E)1/3;R—目標到爆源的水平距離,m;E—爆源能量,J;P0—環(huán)境壓力,Pa。一般取101300Pa。根據(jù)以上數(shù)學模型,按前面給出的蒸氣云爆炸超壓多米諾效應的閾值進行計算,由圖1可見蒸氣云爆炸引發(fā)常壓容器、壓力容器、長型設備和