大型油罐區(qū)蒸氣云爆炸事故多米諾效應研究

●馬海清

(鞍山市消防支隊，遼寧鞍山 114001)

0 引言

隨著我國油品消耗量的逐年增多及石油進口量逐漸加大，國家石油儲備基地不斷投入建設，現(xiàn)已建成鎮(zhèn)海石油儲備基地、黃島石油儲備基地、大連石油儲備基地和舟山石油儲備基地，到2015年，我國成品油庫容量預計可達8000萬m3。國內外大型油品儲罐區(qū)火災爆炸事故時有發(fā)生，后果極其嚴重。如2010年7月16日大連中石油國際儲運有限公司保稅區(qū)油庫輸油管線爆炸起火，是一起罕見的特大火災，火場面積大，爆炸爆裂連續(xù)發(fā)生，火勢形成大面積立體燃燒［1］。

多米諾事故是由多米諾效應誘發(fā)的，是一種事故的連鎖和擴大效應。在對事故多米諾效應進行研究時，首先定義多米諾效應［2－7］。最為廣泛認可的定義是 Delvosalle的定義，Cozzani等在此基礎上認為只有當結果的總體嚴重性高于或至少相當于初始事故后果的場景事故是多米諾事件［5，7］。國外學者對20世紀以后40年的207起重大事故進行了統(tǒng)計分析，結果發(fā)現(xiàn)39%的事故中產(chǎn)生多米諾效應。事故的多米諾效應常造成災難性的后果，類似的案例在國內外均有發(fā)生［8－9］。

通過對重大危險源事故數(shù)據(jù)庫記錄的100起多米諾事故進行統(tǒng)計分析可以得出，由爆炸引發(fā)的多米諾效應占48%，其中依次為蒸氣云爆炸(VCE)18%，物理爆炸(PE)17%，沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)13%，VCE和PE主要通過超壓引起多米諾效應。本文研究大型儲罐區(qū)蒸氣云爆炸多米諾效應，這將對大型儲罐區(qū)的消防安全評價及火災撲救具有指導意義。

1 大型儲罐區(qū)概況

鞍山某罐區(qū)有 8 個儲罐(1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和 8#)，罐容共計12×104m3，其中1×104m3柴油罐2座，2×104m3柴油罐2座，1×104m3汽油罐2座，2×104m3汽油罐2座，如圖1所示。儲罐都是常壓柱形儲罐，儲存物料為汽油或柴油，液態(tài)，溫度為20℃，工作壓力為1個標準大氣壓。各儲罐基本情況如表1所示。

圖1 某罐區(qū)示意圖

根據(jù)《危險化學品重大危險源辨識》指定各種物質的臨界量［10］，分別對各儲罐進行危險源辨識，選取危險性較大的汽油儲罐進行分析。汽油閃點為－50～10℃，根據(jù)《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》［11］的規(guī)定，汽油火災危險性為甲類，因此，泄漏出的汽油蒸氣與空氣形成的混合物遇明火極易發(fā)生火災事故。由于汽油易揮發(fā)，當盛裝汽油的儲罐為固定頂時，揮發(fā)的汽油蒸氣很可能處于爆炸極限范圍內，當被點燃后可能發(fā)生VCE事故。因此，本文主要考慮汽油儲罐VCE這種事故情景，并對其進行詳細的定量風險分析。

表1 儲罐基本情況

2 蒸氣云爆炸引起的多米諾效應分析

設油品儲罐區(qū)內有n+1個設備，假定其中1個設備發(fā)生的事故為初始事故，該事故可以通過超壓形式傳遞給周圍設備進而引發(fā)二級事故。對周圍n個可能的目標，以它們最可能發(fā)生的事故作為二級事故，鑒于工程應用的實際，在此僅考慮1個設備只發(fā)生1種事故類型。在選定初始事故后，對可能的事故場景數(shù)目進行計算，有q(q≤n)個設備發(fā)生事故所對應的場景數(shù)為Cqn:

初始事故引發(fā)周圍n個設備可能產(chǎn)生的所有事故場景數(shù)S總為:

2.1 多米諾概率計算

為了簡化計算，不考慮初始事故觸發(fā)三級事故以及二級事故進一步觸發(fā)三級事故，即將初始事故的多方向擴展看做獨立事件。初始事故引發(fā)q個設備發(fā)生第m種事故場景對應的概率 f(q，m)為:

式中，fpe是初始事故的發(fā)生概率，可通過對歷史資料數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計或事故樹計算獲得;P(q，m)是初始事故觸發(fā)周圍q個設備發(fā)生第m種事故場景的概率，其計算公式為:

式中，Pi是初始事故導致設備i發(fā)生事故的概率。

式中，Y是設備損壞的擴展概率單位;k1和k2是系數(shù)，k1=－23.8，k2=2.92。表2給出了超壓引發(fā)不同類型設備的擴展概率單位計算模型，其中△P0是目標容器接受到的靜態(tài)超壓值(Pa)。

2.2 多米諾效應后果研究

火災爆炸事故可導致人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞，本文僅從人員傷亡來研究和量化事故后果，采用人體脆弱性模型。脆弱性模型是一種被廣泛使用的方法，由標準正態(tài)概率分布函數(shù)的累積表達推導而來。

表2 超壓引發(fā)不同類型設備的擴展概率單位計算模型

式中，V是人體脆弱性或死亡概率;Y是擴展概率單位，其計算方法見表2;u的定義為:u=(D－μ)/σ，D是獨立劑量，取值見表3;μ和σ分別是正態(tài)分布的均值和標準差。

表3 人體脆弱性模型

多米諾效應后果分析就是對初始事故和二級事故可能造成的人體死亡概率進行定量分析。采用脆弱性模型對事故后果進行計算，得出每個事故造成的人體傷亡概率，并將由初始事故和二級事故產(chǎn)生的脆弱性進行組合。總后果為所有事故情景引起的人體死亡概率的綜合，上限為1。

式中，V(q，m)是初始事故引發(fā)周圍q個設備發(fā)生第m種事故場景造成的人體死亡概率;Vpe是初始事故造成的人體死亡概率;當設備i屬于Jqm組合時，δ(i，Jqm)取1，否則取0;Vi表示設備i發(fā)生事故引起的人體死亡概率。

3 計算結果與討論

本文采用由北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室編寫的多米諾事故定量風險評價軟件BIT－DOMINO為工具進行計算，相關輸入?yún)?shù)為:環(huán)境壓力P0=1.013×105Pa，當量系數(shù)αe=0.04，汽油的燃燒熱 Hc=4.3738×107J·kg－1，20000 m3罐的有效燃料質量 W=0.8 ×20000 ×0.076×1.29 ×4=6274.6 kg，10000 m3罐的有效燃料質量 W=3137.3 kg。以2#汽油罐為例進行計算，圖2是2#汽油罐單獨發(fā)生VCE事故對應的個人風險和社會風險曲線。

圖2 2#汽油罐單獨發(fā)生VCE事故對應的風險

圖3 2#汽油罐發(fā)生VCE引發(fā)周圍罐發(fā)生火災事故造成的風險

從圖中看出，距儲罐邊緣37 m范圍內具有較高風險，對應的值為1×10－5a－1，同理，距儲罐邊緣為39 m時對應的風險值為1×10－6a－1，距儲罐邊緣為42 m時對應的風險值為1×10－7a－1，且事故可能造成2人死亡。圖3是2#汽油罐發(fā)生VCE爆炸事故引發(fā)周圍儲油罐區(qū)發(fā)生火災事故對應的個人風險和社會風險曲線。圖4是5#汽油罐單獨發(fā)生VCE事故對應的個人風險和社會風險曲線。從圖中看出，儲罐邊緣28 m范圍內具有很高的風險，對應的值為1×10－5a－1，距儲罐邊緣為32 m時對應的風險值為1×10－6a－1，距儲罐邊緣為33 m時對應的風險值為1×10－7a－1，且事故可能造成1人死亡。圖5為5#汽油罐發(fā)生VCE事故引發(fā)周圍儲油罐區(qū)發(fā)生火災事故對應的個人風險和社會風險曲線。

圖4 5#汽油罐單獨發(fā)生VCE事故對應的風險

由以上分析得出，鑒于多米諾效應罐區(qū)風險值大于單罐儲存的風險值，因此，當多個儲罐存放在一起時，由于爆炸或其他原因造成固定冷卻系統(tǒng)損壞或失效時，移動冷卻設備將成為控制火場范圍的關鍵因素，所以將多米諾效應應用于滅火救援預案的制定，保護消防救援人員的生命安全具有一定的現(xiàn)實意義。同時，石油企業(yè)應該增強安全監(jiān)測和日常消防安全管理，經(jīng)常檢修維護保養(yǎng)消防設備，制定周密的重大消防事故應急救援預案，并定期有計劃的進行演練。

4 結論

本文以大型儲罐區(qū)蒸氣云爆炸引發(fā)的多米諾效應為研究對象，綜合分析多米諾效應對大型儲罐區(qū)消防安全評價及應急救援的影響，歸納總結可得出以下結論:(1)基于我國大型儲罐區(qū)油品性質和儲罐結構的不同，以固定頂油罐發(fā)生蒸氣云爆炸為例開展多米諾事故后果定量分析，從分析結果得出多米諾效應對個人風險和社會風險都會造成顯著的變化，因此對大型儲罐區(qū)進行多米諾效應風險分析，可使大型油罐區(qū)消防安全評價更加切合實際，為油罐區(qū)重大事故的控制和預防提供依據(jù)。(2)除固定頂油罐外，可嘗試將多米諾定量后果分析用于內浮頂罐和外浮頂罐儲罐區(qū)，豐富大型儲罐區(qū)消防安全評價研究，為建立系統(tǒng)的消防安全評價方法及滅火救援預案制定提供基礎理論數(shù)據(jù)。

圖5 5#汽油罐發(fā)生VCE引發(fā)周圍罐發(fā)生火災事故造成的風險

［1］苗國典，李紅旗.大連“7·16”油庫爆炸火災撲救難點及經(jīng)驗啟示［J］.武警學院學報，2010，26(10):23 －26.

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［10］GB 18218－2009，危險化學品重大危險源辨識［S］.

［11］GB 50183－2004，石油天然氣工程設計防火規(guī)范［S］.