煉油化工行業(yè)建筑物風(fēng)險管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

馬偉平，管維均，蔡　婷，汪　洋

1.中國石油管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）

2.中石油管道有限責(zé)任公司生產(chǎn)經(jīng)營部 （北京 100007）

3.中國石油西部管道公司 （新疆 烏魯木齊 830011）

4.中國石油管道局工程有限公司第四分公司 （河北 廊坊 065000）

石油煉化行業(yè)事故類型主要是火災(zāi)、爆炸和油氣泄漏。由于工藝裝置多儲存易燃易爆介質(zhì)，易發(fā)生泄漏易導(dǎo)致蒸氣云爆炸（VCE），對周圍建筑物造成破壞性影響，特別是人員集中的建筑物，可能造成重大人員傷亡事故。隨著“以人為本”的設(shè)計理念不斷深入，石油煉化行業(yè)的建筑物安全和人員安全成為關(guān)注的焦點[1]。

以美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API RP752—2009《化工行業(yè)永久性建筑物場所的風(fēng)險管理》為例，介紹了美國石油煉化行業(yè)基于火災(zāi)、爆炸和毒性物質(zhì)泄漏的建筑物風(fēng)險評價方法[2]，結(jié)合我國石油行業(yè)工程實踐和消防標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，研究了該標(biāo)準(zhǔn)的適用性和先進(jìn)性，對于保障我國石油煉化行業(yè)的建筑物安全和人員安全具有借鑒意義。

1　石油煉化行業(yè)建筑物風(fēng)險評價研究現(xiàn)狀

我國石油煉化行業(yè)消防標(biāo)準(zhǔn)比較完善，但防爆標(biāo)準(zhǔn)較為欠缺，特別是臨近儲存危險介質(zhì)工藝設(shè)施裝置的建筑物風(fēng)險評價技術(shù)還屬空白。主要原因是爆炸事故的復(fù)雜性、突發(fā)性和不可預(yù)見性，以及危害后果的不確定性。例如SH/T 3006—2012《石油化工控制室設(shè)計規(guī)范》規(guī)定應(yīng)對存在爆炸危險的控制室建筑物進(jìn)行抗爆設(shè)計，包括控制室、機(jī)柜間、變配電間等，但未規(guī)定控制室建筑物與工藝裝置的安全距離，以及建筑物應(yīng)能承受的爆炸沖擊力的數(shù)值[3]。

近年來國內(nèi)外已開展蒸氣云爆炸機(jī)理、蒸氣云爆炸沖擊力模型以及超壓沖擊波對建筑物破壞程度等方面研究[4]。新發(fā)展了火災(zāi)風(fēng)險評價技術(shù)、完整性管理技術(shù)應(yīng)用于油氣站場工藝設(shè)施安全評價，例如應(yīng)用DOW火災(zāi)指數(shù)評價法定量計算油氣站場工藝設(shè)施裝置的火災(zāi)危險性和事故損失[5]。借鑒美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API Publ 353—2006《轉(zhuǎn)運油庫設(shè)施完整性管理系統(tǒng)》，建立了儲罐和工藝管道完整性管理方法，定量計算儲罐和工藝管道風(fēng)險[6]。

2　美國石油煉化行業(yè)建筑物風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)

美國石油學(xué)會（API）是世界各國公認(rèn)的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的權(quán)威性、指導(dǎo)性和通用性。API RP752—2009《化工行業(yè)永久性建筑物場所的風(fēng)險管理》標(biāo)準(zhǔn)，適用于煉油化工廠、液化天然氣站等場所，規(guī)定了新建和已建的建筑物發(fā)生爆炸、火災(zāi)和毒性物質(zhì)泄漏情形下的風(fēng)險管理導(dǎo)則。

2.1　建筑物選址評價程序

應(yīng)進(jìn)行選址評價建筑物類型包括會議室、控制室、應(yīng)急指揮中心、現(xiàn)場操作人員室（輸油泵、壓縮機(jī)等）、試驗室和設(shè)備維護(hù)車間。建筑物選址評價程序見圖1。

圖1　建筑物選址評價程序

2.1.1評價方法

基于爆炸、火災(zāi)和毒性物質(zhì)泄漏的建筑物選址評價方法有3種。

1）后果參照法。考慮各種類型建筑物和各種風(fēng)險因素可導(dǎo)致的最大預(yù)期事件（MCE）的影響。

2）風(fēng)險評價法。該方法是定量方法，分別計算爆炸、火災(zāi)和毒性物質(zhì)泄漏的后果和概率的數(shù)值。

3）安全距離表法。參考相關(guān)行業(yè)協(xié)會制定的經(jīng)驗統(tǒng)計的數(shù)據(jù)表，確定設(shè)備和居住建筑物的最小安全距離，例如美國化學(xué)工程師協(xié)會的《設(shè)施選址和布置指南》，道化學(xué)公司的火災(zāi)與爆炸指數(shù)法等。

2.1.2評價準(zhǔn)則

1）后果參照法評價準(zhǔn)則。根據(jù)后果參照法的建筑物選址評價準(zhǔn)則，可用建筑物暴露程度和后果程度表示[7]。建筑物暴露程度表征值有沖擊波載荷，熱通量和接觸時間，易燃?xì)怏w的深度，毒性物質(zhì)的濃度和接觸時間。后果程度的表征值有建筑物人員的脆弱性；建筑物可能受到的損壞（易損性）；建筑物內(nèi)部環(huán)境惡化（即無法保障人員生命安全）。僅給出沖擊波載荷對鋼或混凝土框架磚瓦填充建筑物破壞情形的評價準(zhǔn)則：①沖擊波載荷大于10.34 kPa，墻體向內(nèi)傾斜，玻璃窗破壞；②沖擊波載荷大于13.79 kPa，屋頂部分塌落；③沖擊波載荷大于17.24 kPa，框架完全倒塌；④沖擊波載荷大于34.47 kPa，徹底毀壞。

2）風(fēng)險評價法評價準(zhǔn)則。根據(jù)風(fēng)險評價法的建筑物選址評價準(zhǔn)則，應(yīng)考慮建筑物內(nèi)所有人員的累積風(fēng)險以及每個人的風(fēng)險，可建立單一的風(fēng)險值表示個體風(fēng)險和累計風(fēng)險，也可以用個體風(fēng)險和累計風(fēng)險的數(shù)值或者超出值表示，風(fēng)險評價準(zhǔn)則可用后果和概率的圖形或數(shù)值矩陣表示。按照英國建筑物破壞等級標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)計算爆炸沖擊波對建筑物的波及半徑，包括死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑，其中死亡半徑指該區(qū)域內(nèi)無防護(hù)人員因爆炸沖擊波作用導(dǎo)致內(nèi)臟損傷或死亡的概率為0.5；重傷半徑指該區(qū)域內(nèi)人員因沖擊波作用聽覺器官損傷或骨折或耳膜破裂(重傷)的概率為0.5；輕傷半徑指該區(qū)域內(nèi)人員耳膜因沖擊波作用破壞或輕微損傷的概率為0.01。

3）安全距離表法評價準(zhǔn)則。根據(jù)安全距離表法的建筑物選址評價準(zhǔn)則，如建筑物距離大于安全距離表法的數(shù)值時，即認(rèn)為滿足安全要求[8]。例如可參考美國頒布的技術(shù)法規(guī)文件《煉油化工廠布局和間距》、《化工行業(yè)危險區(qū)域分區(qū)間距要求》等。

2.1.3建筑物改造措施

應(yīng)將不滿足選址評價標(biāo)準(zhǔn)的建筑物列入改造計劃，消除建筑物存在的危險因素。表1給出了用于減少風(fēng)險后果和概率的改造措施，改造措施按照優(yōu)先級由高到底分為被動型、主動型和程序化3種類型。

2.2　基于爆炸影響的建筑物選址評價

基于爆炸影響的建筑物選址評價程序見圖2，煉油化工行業(yè)爆炸類型主要是蒸氣云爆炸。

2.2.1測定VCE對建筑物沖擊波載荷

基于爆炸影響的建筑物選址評價應(yīng)計算建筑物受到的沖擊波載荷，其中TNT當(dāng)量法不適用于計算沖擊波載荷，原因是TNT法不能表征燃油反應(yīng)差異以及堵塞、約束對火焰速度的影響，此外TNT模型的量級和持續(xù)時間與VCE存在很大差異。

1）沖擊波曲線技術(shù)。沖擊波曲線法是建筑物選址評價的常用方法，使用現(xiàn)場參數(shù)輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)燃油反應(yīng)性計算沖擊波載荷，以及堵塞、約束對沖擊波載荷的影響，例如TNO多能量法、貝克-施特雷洛-唐法（BST）和堵塞評價法（CAM）。

表1　改造措施等級

圖2　基于爆炸影響的建筑物選址評價程序

以應(yīng)用最廣泛的TNO（荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究院）多能法（MEM）進(jìn)行說明，該方法是典型的比例縮放爆炸預(yù)測模型，基于大量試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值研究建立的蒸氣云爆炸效應(yīng)預(yù)測模型，適用于確定障礙空間（亦稱約束空間）蒸氣云爆炸。TNO多能法關(guān)鍵技術(shù)包括蒸氣云中可燃物質(zhì)的量和蒸氣云分布區(qū)域的預(yù)測計算，障礙區(qū)域、非障礙區(qū)域體積和能量的確定，及依據(jù)爆炸波參數(shù)特征曲線計算蒸氣云爆炸波破壞影響特征參數(shù)的方法。通過模擬計算障礙區(qū)域蒸氣云爆炸參數(shù)，根據(jù)爆炸波參數(shù)特征曲線中的比例距離確定比例峰值側(cè)向超壓或比例正相持續(xù)時間，從而計算出爆炸波超壓和持續(xù)時間。MEM最終給出的蒸氣云爆炸危害后果表示為：爆炸波峰值側(cè)向超壓、峰值動態(tài)壓力和正相持續(xù)時間。MEM評定蒸氣云爆炸的人員傷害超壓準(zhǔn)則是：①超壓值介于0.196×105～0.294×105Pa，傷害程度為輕微挫傷；②超壓值介于0.294×105～0.490×105Pa，傷害程度為中等損傷（聽覺器官損傷，內(nèi)臟輕度出血、骨折等）；③超壓值介于0.490×105～0.980×105Pa，傷害程度為嚴(yán)重?fù)p傷（內(nèi)臟嚴(yán)重挫傷，可引起死亡）；④超壓值大于0.980×105Pa，傷害程度為極嚴(yán)重，可能大部分死亡。

2）高級沖擊波模擬技術(shù)。利用計算流體力學(xué)（CFD）模型表征油品泄漏、蒸氣云擴(kuò)散和設(shè)備的相互關(guān)系，進(jìn)而計算沖擊波載荷，計算過程復(fù)雜，需要輸入很多數(shù)據(jù)，對用戶要求較高。

2.2.2建筑物損壞程度評價

沖擊波載荷對建筑物的影響，包括建筑物損壞和對建筑物內(nèi)人員的影響。基于沖擊波載荷的建筑物設(shè)計方法，允許建筑物一定程度的永久變形，建筑行業(yè)已根據(jù)典型建筑物的評價結(jié)果，繪制了建筑物損壞程度壓力漸近線。此外還可以針對梁、柱、板、框架等特殊構(gòu)件進(jìn)行沖擊波載荷動態(tài)應(yīng)力分析。建筑物內(nèi)人員的主要危險是建筑物倒塌和墜落的碎片、建筑材料等。研究表明，某些類型的建筑物受到的損壞與建筑物內(nèi)人員的脆弱性存在一定的相互關(guān)系，可用建筑物的損壞情況，代替建筑物內(nèi)人員的脆弱性。

2.3　基于火災(zāi)影響的建筑物選址評價

基于火災(zāi)影響的建筑物選址評價程序見圖3。如建筑物安全距離滿足安全距離表法規(guī)定的數(shù)值，則不需進(jìn)行基于火災(zāi)影響的建筑物選址評價程序。

圖3　基于火災(zāi)影響的建筑物選址評價程序

2.3.1火災(zāi)類型

煉油化工行業(yè)火災(zāi)類型主要是防火堤池火、儲罐噴射火災(zāi)、油品閃燃和球狀火災(zāi)。火災(zāi)類型取決于泄漏油品的性質(zhì)、數(shù)量以及工況條件（溫度、壓力和場所幾何形狀約束）。

2.3.2測定火災(zāi)對建筑物的影響

火災(zāi)對建筑物的影響見表2。

表2　火災(zāi)對建筑物的影響

2.3.3基于火災(zāi)的建筑物保護(hù)原則

基于火災(zāi)的建筑物保護(hù)原則主要是提供避難所和人員疏散。設(shè)計避難所應(yīng)考慮人員在建筑物內(nèi)的停留時間和易燃物質(zhì)的燃燒時間。人員疏散方法應(yīng)設(shè)計緊急出口和疏散路線，定期進(jìn)行應(yīng)急程序演練和培訓(xùn)。

2.4　基于毒性物質(zhì)泄漏的建筑物選址評價

基于毒性物質(zhì)泄漏的建筑物選址評價程序見圖4。

圖4　針對毒性物質(zhì)泄漏的建筑物選址評價

2.4.1測定毒性物質(zhì)泄漏對建筑物的影響

應(yīng)建立建筑物毒性物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型，規(guī)定了建筑物外部和內(nèi)部毒性物質(zhì)極限濃度、劑量和持續(xù)時間。

2.4.2基于毒性物質(zhì)泄漏的建筑物保護(hù)原則

建筑物內(nèi)人員對毒性物質(zhì)泄漏的脆弱性主要是建筑物內(nèi)毒性物質(zhì)的濃度和持續(xù)時間?；诙拘晕镔|(zhì)泄漏的建筑物保護(hù)原則主要是提供避難所和人員疏散。如采用人員疏散方法應(yīng)設(shè)計緊急出口和疏散路線，定期進(jìn)行應(yīng)急程序演練和培訓(xùn)。如采用避難所，應(yīng)考慮人員在建筑物內(nèi)的停留時間和毒性物質(zhì)在建筑物擴(kuò)散時間，建筑物應(yīng)配備如下裝置：①HVAC，可改變空氣循環(huán)模式；②應(yīng)急通訊設(shè)備（對講儀）；③PPE;④門窗密封裝置。

3　結(jié)論和建議

1）我國石油煉化行業(yè)消防標(biāo)準(zhǔn)比較完善，但防爆標(biāo)準(zhǔn)較為欠缺，特別是臨近儲存危險介質(zhì)工藝設(shè)施裝置的建筑物風(fēng)險評價技術(shù)是未來的研究方向。

2）美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)APIRP752—2009建立了石油煉化行業(yè)的建筑物發(fā)生爆炸、火災(zāi)和毒性物質(zhì)泄漏情形下的風(fēng)險管理導(dǎo)則，技術(shù)先進(jìn)表現(xiàn)在以下幾個方面：①基于后果參照法、風(fēng)險評價法和安全距離表法的建筑物選址評價方法和評價準(zhǔn)則；②建筑物被動型、主動型和程序化3種優(yōu)先級由高到低的改造措施；③基于爆炸影響的建筑物選址評價，應(yīng)用TNO多能量法等定量計算蒸氣云爆炸對建筑物沖擊波載荷；④基于火災(zāi)影響的建筑物選址評價，定量計算火災(zāi)熱輻射（熱通量和持續(xù)時間）對建筑物的影響；⑤基于毒性物質(zhì)泄漏的建筑物選址評價，定量計算毒性物質(zhì)極限濃度、劑量和持續(xù)時間對建筑物的影響。

3）APIRP752—2009理念新穎，技術(shù)內(nèi)容先進(jìn)，具有較強(qiáng)的適用性和可操作性，適用于煉油行業(yè)，針對輸油氣站場也具有參考價值，建議進(jìn)行采標(biāo)，作為石油行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫成龍.建立中國煉化行業(yè)的本質(zhì)安全設(shè)計管理框架[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù),2010,26(3):10-11,48.

[2]R.G.Payne,R.W.Haupt,C.J.Melo.API RP752-2009.Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings[S].Washington D.C.:American Petroleum Association,2009.

[3]中國石化寧波工程有限公司.石油化工控制室設(shè)計規(guī)范:SH/T 3006—2012[S].北京:中國石化出版社,2013.

[4]翟衛(wèi)斌.建筑物的動態(tài)爆炸分析[J].石油化工設(shè)計,2006,23(1):59-61.

[5]鄭賢斌,李自力.DOW火災(zāi)爆炸指數(shù)評價法在油庫中的應(yīng)用[J].油氣儲運,2003,22(5)：49-52.

[6]陳健峰,稅碧垣,沈煜欣.儲罐與工藝管道的完整性管理[J].油氣儲運,2011,30(4)：259-262.

[7]Baker,W.E.Guidance for the Location and Design of Occupied Buildings on Chemical Manufacturing Sites[M].New York：Chemical Industries Association(CIA),2010.

[8]Spouge,J.,Guidelines for Developing Quantitative Safety Risk Tolerance Criteria[M].Washington:Center for Chemical Process Safety(CCPS),2009.