雷電災(zāi)害對儲罐影響的定量風(fēng)險評估方法研究*

蓋程程，翁文國，袁宏永

(清華大學(xué)工程物理系公共安全研究院，北京100084)

0 引言

隨著全球氣候環(huán)境的變化，對石化企業(yè)而言，越來越多的外部事件導(dǎo)致火、爆、毒事故的發(fā)生。其中最為常見，也是后果最嚴(yán)重的就是，自然災(zāi)害誘發(fā)的石化裝置事故。國外文獻(xiàn)中將這一類由自然災(zāi)害誘發(fā)的事故災(zāi)難事件定義為Natech事件，由英文Natural and Technological Disasters簡寫而來。其中比較典型的初始事件有地震、雷電和颶風(fēng)，它們可能導(dǎo)致化工廠容器爆炸，有毒氣體的意外釋放，化學(xué)液體泄漏，水源污染等［1］。

本文研究的對象就是雷電災(zāi)害對儲罐區(qū)的影響。在國內(nèi)，最為典型的案例就是1989年8月12日發(fā)生在青島黃島油庫的特大火災(zāi)，其事故原因就是雷電發(fā)生時，非金屬油罐在遭受對地雷擊時，產(chǎn)生感應(yīng)火花而引爆油氣。事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失3 400多萬元，死傷140人。2005年7月10日，克拉瑪依卡6井一號站100 m3儲油罐在正常進(jìn)油的情況下，遇雷擊出油氣口著火，后經(jīng)烏蘇消防局搶救滅火才避免了更大的損失［2］。1994年，埃及南部某鎮(zhèn)，雷電導(dǎo)致一個軍用燃料倉庫8個儲罐被引燃爆炸，萬余噸油燃燒著流進(jìn)村莊，造成400多人死亡［3］。

雷電除了可以引發(fā)火災(zāi)和爆炸以外，還可以干擾控制系統(tǒng)和電氣線路，破壞敏感的電器元件，影響范圍可以超過3 km。國內(nèi)外的研究［4］中主要以IEC62305標(biāo)準(zhǔn)為評估藍(lán)本，評估人員生命、公眾服務(wù)、文化遺產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)價值4個方面的損失。Renni［5］對雷擊的604個儲存易燃物品的常壓儲罐研究結(jié)果表明，163個儲罐遭受到結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生泄露，228個被雷電擊中后立刻起火燃燒，還有213個發(fā)生電氣設(shè)備失效。陳軍［6］對燃料油罐區(qū)多個油罐組進(jìn)行整體風(fēng)險評估，并比較了整體法相對于單體法的優(yōu)點(diǎn)。目前鮮有詳細(xì)的方法評估雷電誘發(fā)事故的風(fēng)險。

本文試圖從自然災(zāi)害誘發(fā)事故災(zāi)難這一類災(zāi)害的評估框架中，對雷電災(zāi)害誘發(fā)儲罐區(qū)火爆毒事故進(jìn)行定量風(fēng)險評估。

1 評估流程

這一評估框架是基于QRA定量風(fēng)險評估建立的，如圖1所示。在第1步和第4步對于不同的自然災(zāi)害輸入不同的參數(shù)。利用設(shè)備對某一災(zāi)害的易損性模型計算損失概率和后果等。對于雷電災(zāi)害，恰恰缺少的就是這一子模型。但是對于設(shè)備在雷電中的損失類型可以通過常識有一個初步的判斷，并且災(zāi)害的后果也是可以推理的。

第1步:評估雷電的頻率和強(qiáng)度。通過歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可以計算出頻率，如以年為單位。常用的單位是地閃密度(Ng)，即地閃定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)測到的每年每平方米雷擊大地次數(shù)。難點(diǎn)在于對于某一強(qiáng)度的雷擊發(fā)生頻率的預(yù)測。因為雷電強(qiáng)度在記載中通常是定性表示或者根本沒有記錄，通常只記錄了雷電落地次數(shù)。根據(jù)概率分析的風(fēng)險評估方法，表達(dá)式如下:

式中:Ii表示強(qiáng)度;i=1，…，NI表示了區(qū)域內(nèi)所有可能的雷電強(qiáng)度的離散化。歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明［7］，上述表達(dá)式服從對數(shù)正態(tài)分布:

對于評估區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計，可以得到平均雷電流幅值，較為常見的形式是雷電流幅值累積頻率分布圖［8］。

圖1 自然災(zāi)害誘發(fā)事故災(zāi)難風(fēng)險評估流程圖

第2步:對雷電災(zāi)害中可能遭受破壞的設(shè)備進(jìn)行辨識。通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，顯示關(guān)鍵的受損設(shè)備是管道、法蘭、反應(yīng)裝置、儲罐等。本文以儲罐為主要研究對象。

第3步:對災(zāi)害情景進(jìn)行假設(shè)。雷擊導(dǎo)致儲罐燃燒，爆炸的案例中，原因非常復(fù)雜。對于金屬儲罐和非金屬儲罐，其誘發(fā)因素差距很大。本文對金屬常壓儲罐進(jìn)行情景假設(shè)，雷擊導(dǎo)致儲罐破裂，油品外溢。

第4步:根據(jù)第一步選定災(zāi)害的特性，確定其他的影響因子。

第5步:對假設(shè)的情景進(jìn)行定量化風(fēng)險評估，以個人風(fēng)險、社會風(fēng)險的形式表達(dá)。

第6～9步是對更為復(fù)雜的災(zāi)害情景組合進(jìn)行的分析。此處略去。

2 方法介紹

本文所研究的對象為接地不良的金屬儲罐，在雷電發(fā)生時因聯(lián)結(jié)點(diǎn)熔毀所導(dǎo)致的?；沸孤妒鹿?。

雷電流在流經(jīng)導(dǎo)體時，由于導(dǎo)體電阻而發(fā)熱，這種熱效應(yīng)通常作用于電弧的根部，如某些部位的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，國外的相關(guān)文獻(xiàn)中曾有報道［9］。雷電導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)身固體的孔洞如圖2所示。

圖2 雷電導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)身固件的孔洞［10］

由于雷電流通道所造成的導(dǎo)體溫度升高可以按照下面方法進(jìn)行計算［11］。

電流在導(dǎo)體內(nèi)以熱能形式消散的表達(dá)式:

雷電通道的歐姆阻抗的能量也可以用下式表示:

在雷電放電過程中，高能的特殊性，使得其產(chǎn)生的熱量在極短時間內(nèi)耗散完畢。這一過程可以近似認(rèn)為是絕熱過程。

導(dǎo)體的溫度可以用下式表示:

式中:θ－θ0為導(dǎo)體升高的溫度(K);α為電阻的溫度系數(shù)(1/K);W/R為電流脈沖能量(J/Ω);ρ0為在常溫下導(dǎo)體的歐姆阻抗(Ωm);q為導(dǎo)體的橫截面積(m2);γ為材料密度(kg/m3);cw為熱容(J/kgK);θs為熔化溫度(℃)。

雷電的典型特征是持續(xù)時間很短，峰值電流很高。在這種條件下，必須考慮趨膚效應(yīng)(skin effect)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于物質(zhì)的屬性(如導(dǎo)磁性)和幾何特征(導(dǎo)體的橫斷面積)減小了趨膚效應(yīng)，使得由此導(dǎo)致的溫度升高可以忽略不計。

在雷電發(fā)生過程中，熱效應(yīng)的來源主要是第一次回?fù)?。在?lián)結(jié)點(diǎn)會發(fā)生材料融化和腐蝕。在弧根區(qū)，由于雷電弧本身產(chǎn)生的大量熱量及通電造成的電阻熱效應(yīng)。大量熱能在金屬的表面產(chǎn)生。在弧根區(qū)產(chǎn)生的熱量，超過了金屬傳導(dǎo)可吸收的及金屬融化和蒸發(fā)過程損失的。這一過程的嚴(yán)重程度與電流幅度和持續(xù)時間相關(guān)。

在雷電通道的金屬表面聯(lián)結(jié)點(diǎn)計算熱效應(yīng)，為了簡化，選用陽極－陰極電壓降模型。這個模型適用于薄的金屬皮，結(jié)果偏于保守。模型假設(shè)，雷擊注入聯(lián)結(jié)點(diǎn)的能量，都用來熔化或蒸發(fā)導(dǎo)體材料，而忽略在金屬中的熱耗散。也有文獻(xiàn)中的模型介紹了雷電的聯(lián)結(jié)點(diǎn)的損傷對電流脈沖持續(xù)時間上的依賴。

關(guān)于陽極－陰極電壓降模型:

雷電弧的能量W等于陽極－陰極電壓降乘以雷電電荷量Q。

式中:ua，c為陽極－陰極電壓降，幾十伏，相對恒定值;Q為雷電電流在雷電弧根部的能量轉(zhuǎn)換。

假設(shè)所有能量轉(zhuǎn)化用于融化金屬，這一假設(shè)有可能過高估計融化體積。

式中:V為融化的金屬體積(m3);ua，c為陽極－陰極電壓降，幾十伏，相對恒定值;Q為雷電電流在雷電弧根部的能量轉(zhuǎn)換;γ為物質(zhì)密度(kg/m3);cw為熱容(J/kgK);θs為融化溫度(℃);θu為環(huán)境溫度(℃);cs為融化潛熱(J/kg)。

相關(guān)金屬材料的物理屬性見表1。

表1 材料的物理屬性

圖3是三種材料在電荷作用下熔融的體積函數(shù)關(guān)系。

圖3 在ua，c=30 V，θu=20℃時，熔融的金屬體積與電荷量的關(guān)系圖

通過熔融的金屬體積可以估算破裂孔徑的數(shù)值，一般假定為圓形裂口。從而利用儲罐中的液體經(jīng)小孔泄露模型，為計算儲罐區(qū)內(nèi)外危險物的濃度提供了手段，從而為風(fēng)險的量化提供了基礎(chǔ)。

3 案例研究

以某地的石油儲罐區(qū)為研究區(qū)域，常壓金屬儲罐為研究對象，儲存的物質(zhì)是石油。儲罐的直徑30 m，高14 m，儲罐平均厚度6.5 mm。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該地區(qū)的地閃密度是1.83次/(km2·a)。

根據(jù)上文所述的方法，計算得到雷電導(dǎo)致儲罐破裂，融化的半球形金屬體積是1.7×10－6m3。計算得到等效泄露孔徑是18.2 mm。

按照傳統(tǒng)的液體連續(xù)泄露模型計算，可能發(fā)生的事件類型按照事件樹進(jìn)行分析，液體泄漏后將向低洼處流動并形成液池。對于粗糙的砂壤或砂地，擴(kuò)展液池的最小厚度為25 mm［12］。按照池火模型計算熱輻射的數(shù)值［13］，進(jìn)一步確定個人風(fēng)險值。圖4中標(biāo)注顏色的區(qū)域為個人風(fēng)險大于1×10－6區(qū)域，這個區(qū)域內(nèi)風(fēng)險不可接受。

圖4 個人風(fēng)險大于10－6分布圖

4 結(jié)論

雷電災(zāi)害誘發(fā)的儲罐區(qū)火災(zāi)和爆炸事件越來越常見，但是由于國內(nèi)對數(shù)據(jù)的收集和整理有限，許多細(xì)節(jié)還不足以利用進(jìn)行科學(xué)分析與歸納，還只是停留在定性階段。本文以雷電災(zāi)害對儲罐破壞的一種影響方式為切入點(diǎn)，評估此類型的風(fēng)險。也正是由于雷電災(zāi)害發(fā)生的隨機(jī)性，建立一個完整的評估雷電災(zāi)害對儲罐區(qū)影響的風(fēng)險模型還有許多工作要做。

對于上文提到的這種災(zāi)害，屬于Natech事件的范疇，也可以看做是災(zāi)害鏈或者多災(zāi)種耦合的一種表現(xiàn)形式。關(guān)于此類災(zāi)害的研究框架已在文中表述，事實(shí)證明它是行之有效的。對于人們理解多災(zāi)種耦合的災(zāi)害情景，辨識關(guān)鍵保護(hù)目標(biāo)，評估災(zāi)害的后果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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