基于Sketch Up的油化船事故風(fēng)險(xiǎn)可視化

■ 李 顯 陳曉曉 胡錦波

（上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

油類和化學(xué)品具有易燃、易爆和毒性等物化性能，致使油類和化學(xué)品類的運(yùn)輸危險(xiǎn)程度高，若發(fā)生事故造成的損失巨大?，F(xiàn)有的事故風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)可以定量描述油類和化學(xué)品發(fā)生泄漏、擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸事故的影響范圍和傷害程度，比如火災(zāi)模擬軟件FDS、泄漏擴(kuò)散模擬軟件FLACS等。但這些計(jì)算模型或模擬軟件給出的結(jié)果往往偏重于專業(yè)性，風(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)果缺乏直觀性，企業(yè)消防人員、安全管理人員和普通員工并不能很好地使用。

Sketch Up是一套直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過程的設(shè)計(jì)工具，可以在電腦上進(jìn)行十分直觀的場景設(shè)計(jì)，是三維建筑設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。Sketch Up可構(gòu)建油化船直觀的物理場景，若能將事故風(fēng)險(xiǎn)評估軟件的數(shù)據(jù)結(jié)果在Sketch Up物理場景中直觀表達(dá)，則可解決專業(yè)事故風(fēng)險(xiǎn)評估軟件評估結(jié)果的抽象性，便于可視化應(yīng)用。

本文選取典型油化船，通過高斯擴(kuò)散模型、FDS軟件和TNT當(dāng)量法對典型油化船泄漏、火災(zāi)和爆炸事故場景特性進(jìn)行定量事故風(fēng)險(xiǎn)評估，并結(jié)合船舶Auto CAD圖紙進(jìn)行Sketch Up建模，將高斯擴(kuò)散模型、FDS軟件和TNT當(dāng)量法的定量計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化到Sketch Up的3 D模型中，實(shí)現(xiàn)事故場景的可視化表達(dá)，直觀展現(xiàn)事故的影響范圍，為事故應(yīng)急救援和培訓(xùn)提供技術(shù)支持。

1 研究對象選取

以某內(nèi)河典型成品油船作為研究對象，進(jìn)行事故場景設(shè)計(jì)和事故定量評估。成品油船是II型化學(xué)品船，是指能載運(yùn)IMO II類化學(xué)品的船舶，裝載的貨品有一定的危險(xiǎn)性。船體總長112.68 m，寬17 m，型深8.9 m，設(shè)計(jì)吃水6.6 m。每側(cè)江岸寬500 m、長800 m，航道寬度100 m，船舶位于航道中心。甲板下共有12個(gè)貨油艙，左右舷各5個(gè)，污油艙1個(gè)。全船12個(gè)艙均可裝貨，貨油艙為雙底、雙舷，而且甲板骨架設(shè)置在上甲板上，縱橫艙壁均采用槽形艙壁，使艙內(nèi)形成無骨架結(jié)構(gòu)。

2 油化船典型事故定量計(jì)算

2.1 典型泄漏擴(kuò)散事故的計(jì)算方法

有毒氣體擴(kuò)散數(shù)學(xué)主要通過數(shù)學(xué)模型的建立和計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，高斯模型是最早開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，是模擬泄漏到大氣中的污染物沿下風(fēng)向擴(kuò)散濃度分布最廣泛的模型之一。適用于點(diǎn)源的擴(kuò)散，它被分為高斯煙羽模型和高斯煙團(tuán)模型，可模擬連續(xù)泄漏和瞬間泄漏兩種泄漏方式。對于化工泄漏事故中的瞬時(shí)或短時(shí)間泄漏擴(kuò)散事故，一般普遍采用煙團(tuán)模式進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2 典型火災(zāi)事故計(jì)算

火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模型FDS是火災(zāi)科學(xué)研究中常用的一種場模擬軟件，能夠再現(xiàn)各類火災(zāi)場景。在進(jìn)行FDS火災(zāi)模擬之前，需設(shè)定一個(gè)計(jì)算區(qū)域，F(xiàn)DS的模擬將會(huì)在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。本文主要研究對象為液貨艙池火，甲板的層高為8.9 m，依據(jù)圖紙，建立了FDS計(jì)算幾何模型（見圖1）。在距離各層地面2 m和8 m高度處分別設(shè)置火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測面，用于監(jiān)測火災(zāi)煙溫度值。從圖2煙氣蔓延場景中可以看出，泄漏后發(fā)生油池火災(zāi)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣逐漸充填甲板區(qū)。

從火災(zāi)場景的溫度場（見圖3）可以看出，本層安全出口附近距離地面0.3 m和8 m高度的煙氣層溫度在60 s內(nèi)最高溫度能達(dá)到1000 ℃。泄漏火災(zāi)8 s時(shí)，1000 ℃的高溫遍布甲板的右側(cè)區(qū)域。24 s后溫度呈現(xiàn)下降區(qū)域。

2.3 典型爆炸事故計(jì)算

表1 1000 kg TNT當(dāng)量的爆炸沖擊波超壓

蒸氣云爆炸（VCE）是由于氣體或易揮發(fā)液體燃料的大量快速泄漏，與周圍空氣混合形成“預(yù)混云”，在某一有限空間遇點(diǎn)火而導(dǎo)致的爆炸。用TNT當(dāng)量來描述蒸氣云爆炸的能量，即將參與爆炸的可燃?xì)怏w釋放的能量折合為釋放相同能量的TNT炸藥的量，然后用有關(guān)TNT爆炸效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測蒸氣云爆炸效應(yīng)。按照超壓沖量準(zhǔn)則確定人員傷亡半徑及財(cái)產(chǎn)損失半徑，按照相同能量的TNT爆炸所產(chǎn)生的超壓來確定。

假設(shè)成品油船內(nèi)一個(gè)裝有500 m3成品油貨艙發(fā)生泄漏，泄漏液體總體積為5 m3，揮發(fā)的乙烷蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，若遇明火、火花或高溫將發(fā)生爆炸事故，計(jì)算乙烷蒸氣的TNT當(dāng)量q和爆炸的模擬比：

式（1）中：

WTNT為乙烷蒸氣云的TNT當(dāng)量；

表2 爆炸波超壓對人體的傷害程度

A為乙烷蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)，取4%；

Wf為乙烷蒸氣云的總質(zhì)量；

Qf為乙烷的高燃燒熱值，為22593 kJ/kg；

QTNT為TNT的爆熱，取4500 kJ/kg。

1000 kg TNT當(dāng)量的爆炸沖擊波超壓數(shù)據(jù)如表1所示。對人體的傷害程度見表2。

3 基于SketchUp的事故定量計(jì)算結(jié)果的可視化

3.1 SketchUp及其建模

首先，對船舶的CAD格式測繪圖進(jìn)行整理，刪除原圖中的文字和標(biāo)注，尋找斷點(diǎn)，連接虛線 （見圖4），確保導(dǎo)入SketchUp操作平臺(tái)中的是一張簡潔、完整、閉合的線條圖，這是完成后繼設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。完成圖紙整理工作后，打開SketchUp軟件，進(jìn)入操作界面，將CAD圖紙導(dǎo)入，在全選后依次點(diǎn)選“Plugins—編輯—添加面”命令。至此，完成了由CAD平面測繪圖到SketchUp設(shè)計(jì)空間的轉(zhuǎn)換，也為之后的編輯流程做好了準(zhǔn)備，見圖4。

為展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者空間效果，往往會(huì)用剖面來表示。在Sketch Up中有一個(gè)切面工具可以很方便的完成剖面的制作。從“視圖—工具欄—截面”，工具欄中，首先點(diǎn)“顯示剖面切割”按鈕，這樣就可看到剖切效果。然后，點(diǎn)截面工具里的第一個(gè)按鈕“繪制剖切面”。選取一個(gè)面把剖切面放置上去。迫切面畫好后，就可以把剖切面用移動(dòng)工具，沿剖切方向進(jìn)行移動(dòng)，這樣就能看到剖面效果了。此時(shí)，可以點(diǎn)擊中間的按鈕 “顯示某切面”來切換剖切面是否顯示。同時(shí)可以添加若干個(gè)不同方向的某切面，以呈現(xiàn)不同的效果，但是同時(shí)只能激活一個(gè)剖切面。激活的迫切面是黃色的，雙擊剖切面即可激活。最后把剖切線和被迫切的物體打包成組，方便組合使用，剖面圖如圖5所示。

3.2 泄漏事故定量計(jì)算結(jié)果的可視化

結(jié)合危險(xiǎn)化學(xué)品相關(guān)數(shù)據(jù)，在化工事故中對化工危險(xiǎn)品擴(kuò)散的傷害范圍進(jìn)行估算，根據(jù)估算結(jié)果在Sketch Up中通過制作一個(gè)煙氣模型來展現(xiàn)，效果如圖6所示。

3.3 火災(zāi)事故定量計(jì)算結(jié)果的可視化

為了使FDS生成的火災(zāi)數(shù)據(jù)展現(xiàn)在Sketch Up的模型中，首先將FDS模擬計(jì)算數(shù)據(jù)輸入Origin的工作表worksheet中，按其默認(rèn)設(shè)置打開一個(gè)工作表窗口，將數(shù)據(jù)輸入工作表中，點(diǎn)擊 “Plot”菜單的“Scatter”功能項(xiàng)，將彈出繪圖坐標(biāo)軸選項(xiàng)，設(shè)置出現(xiàn)繪圖Graph窗口下的數(shù)據(jù)點(diǎn)狀分布圖。導(dǎo)出至Sketch Up模型得到圖形之后，通過Photoshop軟件將溫度云圖放到Sketch Up的剖面圖中，效果如圖7所示。

3.4 爆炸事故定量計(jì)算結(jié)果的可視化

根據(jù)公式（1）計(jì)算，當(dāng)5 m的丁烷或丙烷在爆炸極限范圍時(shí)，其爆炸相當(dāng)于4.5 t TNT當(dāng)量，爆炸火球溫度2100 ℃。其傷害范圍：死亡半徑2.55 m，重傷半徑4.95 m，輕傷半徑7.25 m。導(dǎo)入Sketch Up模型后，通過上色3個(gè)同心圓，標(biāo)示出油化船泄漏的爆炸半徑，如圖8所示。

4 結(jié)論

本文利用高斯擴(kuò)散模型、FDS軟件和TNT當(dāng)量法計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合Sketch Up進(jìn)行泄漏、火災(zāi)模擬和蒸氣云爆炸的可視化表達(dá)，可以較為真實(shí)反映出事故對周圍區(qū)域的影響。通過Sketch Up建立的直接而清晰的事故模型，可以更加直觀地表達(dá)船舶事故的風(fēng)險(xiǎn)，為安全管理人員和企業(yè)員工提供了一個(gè)可視化的事故后果準(zhǔn)確定量結(jié)果，直觀展現(xiàn)事故的影響范圍，為事故應(yīng)急救援和培訓(xùn)提供技術(shù)支持。