罐區(qū)防火堤內(nèi)非常規(guī)設(shè)計(jì)對(duì)火災(zāi)后果的影響及對(duì)策*

馬端祝 石一丁 張足峰 王學(xué)岐

（1.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；2.英國(guó)勞氏船級(jí)社）

在石油化工行業(yè)，由于罐區(qū)設(shè)計(jì)、建造的時(shí)間不同，以及考慮后期因運(yùn)行和維護(hù)而需進(jìn)行改造，罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)一些非常規(guī)設(shè)計(jì)。進(jìn)行非常規(guī)設(shè)計(jì)的變更影響分析是規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要工作。火災(zāi)是罐區(qū)主要危害之一，對(duì)于原油罐區(qū)，由于原油的物料性質(zhì)特點(diǎn)，池火是其最主要的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在進(jìn)行變更影響分析或者處理這些非常規(guī)設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的安全隱患時(shí)，需要重點(diǎn)考慮火災(zāi)危害的變化，特別是池火的危害變化特點(diǎn)。關(guān)于罐區(qū)的池火風(fēng)險(xiǎn)及后果研究，一直是石油化工行業(yè)安全領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)?？蒲腥藛T一直在圍繞池火風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相關(guān)的探索，如關(guān)于池火風(fēng)險(xiǎn)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[1]、后果模擬[2]、安全距離研究[3]、風(fēng)險(xiǎn)防控[4]及應(yīng)急救援[5]等。

1 模型及火災(zāi)場(chǎng)景描述

國(guó)內(nèi)某原油罐區(qū)設(shè)有4座50 000 m3原油儲(chǔ)罐，單罐直徑為60 m，高19.35 m，在每座儲(chǔ)罐的進(jìn)口及出口管道下方增設(shè)了便于檢維修的管溝。管溝從儲(chǔ)罐向防火堤延伸，面積約50 m2。根據(jù)罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)平面布局創(chuàng)建罐區(qū)模型，根據(jù)管溝情況，做適當(dāng)簡(jiǎn)化，一并建立在模型中。模擬所用模型見(jiàn)圖1。圖中圓圈為管溝，管溝深約1 m。另外，還建立了不含管溝的罐區(qū)模型。

由于影響火災(zāi)后果的因素較多，包括壓力、泄漏孔徑、風(fēng)向、風(fēng)速、障礙物等，因此，火災(zāi)場(chǎng)景會(huì)由于各因素的組合而出現(xiàn)數(shù)量眾多的可能性。在本文中，將主要考慮管溝存在對(duì)池火后果的影響，以對(duì)比管溝是否存在時(shí)的火災(zāi)后果差異。在進(jìn)行池火模擬時(shí)，需要定義泄漏孔徑作為輸入條件。在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)中，小型泄漏和中型泄漏所導(dǎo)致的池火發(fā)生概率最高，但中型泄漏導(dǎo)致的池火影響范圍相對(duì)較大，更具有代表性。因此，根據(jù)GB/T 37243—2019《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》中的泄漏孔徑的推薦值[6]，選擇中型泄漏的代表孔徑25 mm作為計(jì)算輸入。

圖1 罐區(qū)三維幾何模型

泄漏是導(dǎo)致池火發(fā)生的初始事件，在石化領(lǐng)域，閥門(mén)、法蘭、泵等是導(dǎo)致泄漏的主要泄漏源。在泄漏量較大情況下，液體在重力作用下會(huì)沿地面流淌，特別是罐區(qū)防火堤內(nèi)通常設(shè)有坡度，泄漏出的可燃油品會(huì)向防火堤方向流淌。而對(duì)于增設(shè)管溝的情況，管溝位于這些泄漏源下方，泄漏發(fā)生后，泄漏出的原油更可能會(huì)集聚在管溝內(nèi)，且管溝具有一定深度，液池?zé)o法向四周蔓延，在管溝內(nèi)形成液池或池火的可能性較高。

如果沒(méi)有管溝，則對(duì)于持續(xù)性的早期池火，池火面積會(huì)逐漸變大，直到單位時(shí)間內(nèi)所消耗的燃料與泄漏速率達(dá)到平衡，因此，池火面積可由下式[7]求得：

式中：D為液池面積，m2；Q為泄漏速率，kg/s；b為燃燒速率，kg/m2s。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，采用0.05 kg/m2的單位面積原油燃燒速率[7]。

無(wú)管溝情況下計(jì)算得到的液池面積見(jiàn)表1，模擬中將采用1個(gè)風(fēng)向及3個(gè)風(fēng)速。

表1 池火模擬場(chǎng)景

有管溝情況下，如果泄漏速率較大，則管溝面積為液池面積，因此液池面積為50 m2。

三月二十一日，救援伊犁時(shí)所調(diào)之十蘇木500名厄魯特、察哈爾蒙古步隊(duì)到城。[注]《欽定平定陜甘新疆回匪方略》卷110，同治四年七月丁卯條。該官兵到城后，向參贊大臣武隆額建議，將他們派到城南平慶廟，請(qǐng)求那里主持寺廟的喇嘛棍噶扎勒參率領(lǐng)僧徒和十蘇木蒙古兵防守塔爾巴哈臺(tái)城和蒙古游牧地。

模擬將采用三維CFD軟件KFX，KFX是用于模擬氣體擴(kuò)散和火災(zāi)的三維瞬態(tài)模擬軟件，由挪威科技大學(xué)、SINTEF和ComputIT公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)[8]。利用KFX可以進(jìn)行封閉或開(kāi)放空間的重質(zhì)和輕質(zhì)氣體的擴(kuò)散及烴類(lèi)物質(zhì)的池火、噴射火和噴霧火的模擬，還可以計(jì)算水噴淋對(duì)火災(zāi)后果的影響。該軟件已經(jīng)通過(guò)大量不同類(lèi)型和尺度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證[9]以及工業(yè)領(lǐng)域的廣泛實(shí)踐。國(guó)內(nèi)也有研究人員對(duì)KFX的模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，證明其結(jié)果的可靠性[10]。目前，KFX已經(jīng)得到世界范圍內(nèi)眾多石油天然氣公司、工程公司、咨詢(xún)公司和科研機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，廣泛用于陸上及海上石油化工裝置及工程設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及設(shè)計(jì)工作。

2 破壞準(zhǔn)則

相關(guān)文獻(xiàn)[7]中鋼板、鋼梁、工藝管道、容器在火災(zāi)中失效的時(shí)間見(jiàn)表2。在分析池火影響時(shí)，除了要考慮輻射熱外，還需考慮對(duì)流傳熱的貢獻(xiàn)。對(duì)流傳熱的熱通量與液池面積相關(guān)，液池直徑大于5 m時(shí)，通常假設(shè)對(duì)流熱通量為20 kW/m2[11]。火災(zāi)中人員傷害及主要安全功能單元破壞準(zhǔn)則如表3[12]所示。

表2 工藝設(shè)備和結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中失效的時(shí)間

表3 人員暴露和主要安全功能單元失效準(zhǔn)則

3 結(jié)果與討論

3.1 池火模擬結(jié)果

有管溝情況下，池火熱輻射通量在地面以上1 m處水平面的分布見(jiàn)圖2，在地面以上5 m處水平面的分布見(jiàn)圖3，池火三維效果見(jiàn)圖4。模擬結(jié)果表明，池火熱輻射影響范圍主要受液池面積和位置的影響，同時(shí)受風(fēng)速的影響，且不同熱輻射通量的影響范圍受風(fēng)速影響的變化趨勢(shì)有所區(qū)別。由于儲(chǔ)罐直徑較大，在遠(yuǎn)離液池所在位置及背向池火一面，儲(chǔ)罐不受火災(zāi)熱輻射影響。

圖2 有管溝情況下地面上方1 m處池火熱輻射分布

圖3 有管溝情況下地面上方5 m處池火熱輻射分布

圖4 有管溝情況下池火三維效果照

無(wú)管溝情況下，池火熱輻射通量在地面以上1 m處水平面的分布見(jiàn)圖5，在地面以上5 m處水平面的分布見(jiàn)圖6，池火三維效果見(jiàn)圖7。模擬結(jié)果表明，池火熱輻射影響范圍受風(fēng)速的影響較大，且不同熱輻射通量的影響范圍受風(fēng)速影響的變化趨勢(shì)有所區(qū)別。低熱輻射通量（＜6 k W/m2）影響范圍會(huì)隨著風(fēng)速的增大而減小。

圖5 無(wú)管溝情況下地面上方1 m處池火熱輻射分布

圖6 無(wú)管溝情況下地面上方5 m處池火熱輻射分布

圖7 無(wú)管溝情況下池火三維效果照

各池火場(chǎng)景熱輻射通量的最大影響距離見(jiàn)表4。

表4 熱輻射影響距離

3.2 管溝對(duì)池火影響分析

導(dǎo)致兩種池火情景的熱輻射影響范圍差異的主要原因是液池面積的不同。液池面積大，則熱輻射影響面積也相應(yīng)增大。但由于管溝的存在，一方面縮小了液池的面積，另一方面使液池的位置發(fā)生變化，進(jìn)而改變了池火影響區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況是管道與閥門(mén)均位于管溝內(nèi)，因此這些設(shè)備更容易受到高輻射熱的影響，所受到的熱輻射通量可以達(dá)到200 kW/m2以上，原油儲(chǔ)罐罐壁所受到的熱輻射通量可以達(dá)到50～100 kW/m2。在這樣的情況下，如果現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有諸如水噴淋等主動(dòng)消防設(shè)施啟用，則以上設(shè)備會(huì)在短時(shí)間內(nèi)失效或受損，進(jìn)而導(dǎo)致事故升級(jí)。而如果沒(méi)有管溝，原油在重力作用下可能流淌至防火堤邊緣，雖然熱輻射影響范圍增大，但其發(fā)生位置發(fā)生了變化，對(duì)某些設(shè)備如罐根閥及罐壁的影響可能降低。在該研究中，無(wú)管溝情況下，儲(chǔ)罐罐壁所受到的熱輻射通量小于37.5 k W/m2，導(dǎo)致設(shè)備失效的時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而事故升級(jí)的可能性降低，可以為應(yīng)急響應(yīng)爭(zhēng)取時(shí)間。

基于以上分析，有管溝時(shí)其有利的影響包含以下兩個(gè)方面：會(huì)控制液池的面積，使得池火影響范圍受到限制，對(duì)周?chē)藛T的影響范圍縮??；由于液體被收集，便于現(xiàn)場(chǎng)滅火及應(yīng)急處置。有管溝時(shí)其不利的影響有以下兩個(gè)方面：如果管溝內(nèi)存在管道及閥組等設(shè)備，則易受到高熱輻射影響，若未能及時(shí)處置，設(shè)備損壞及事故升級(jí)的可能性增大；如果管溝與儲(chǔ)罐之間距離較小，則儲(chǔ)罐易受池火的持續(xù)性影響，導(dǎo)致儲(chǔ)罐受損或事故升級(jí)。

需要注意，以上分析是建立在中型泄漏基礎(chǔ)上的。如果泄漏速率過(guò)小，則池火面積很小，那么無(wú)論管溝是否存在，都不會(huì)導(dǎo)致后果的明顯差異；如果泄漏速率過(guò)大，即便存在管溝，則泄漏出的原油會(huì)溢出管溝，使得池火面積增大。最嚴(yán)重的情況下，如果原油充滿整個(gè)防火堤，則無(wú)論是否有管溝，火災(zāi)后果都是相同的。但從風(fēng)險(xiǎn)的角度分析，中型泄漏發(fā)生可能性要遠(yuǎn)大于大型泄漏，在池火風(fēng)險(xiǎn)中更具有代表性。因此，中型池火后果的差異更能說(shuō)明管溝存在時(shí)對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響。

4 結(jié)論

針對(duì)罐區(qū)防火堤內(nèi)設(shè)置管溝這一特殊變更情況，采用三維CFD火災(zāi)模擬軟件KFX對(duì)原油罐區(qū)池火事故進(jìn)行模擬。根據(jù)人員及設(shè)備火災(zāi)傷害準(zhǔn)則，結(jié)合火災(zāi)模擬結(jié)果，分析了是否有管溝的兩種情況下池火對(duì)周?chē)藛T和設(shè)備設(shè)施的影響距離及影響范圍。結(jié)果表明，管溝的存在對(duì)池火后果同時(shí)具有不利和有利兩方面的影響。

根據(jù)管溝存在時(shí)的池火影響特點(diǎn)，對(duì)這一變更提出以下關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)管理和應(yīng)急處置的對(duì)策建議，以便更好地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處置，防止事故升級(jí)。

1）在管溝周?chē)O(shè)置火焰及可燃?xì)怏w探測(cè)器，能夠在泄漏或火災(zāi)發(fā)生的初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)，合理處置。

2）對(duì)管溝內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備如閥組、管道等進(jìn)行被動(dòng)防火保護(hù)，延長(zhǎng)設(shè)備在火災(zāi)情況下的耐受時(shí)間。

3）在管溝周?chē)O(shè)置固定式滅火設(shè)施，能夠在發(fā)現(xiàn)泄漏或火災(zāi)事故后，立即進(jìn)行響應(yīng)，避免事故升級(jí)。

4）由于管溝內(nèi)泄漏源較多，因此在儲(chǔ)罐朝向管溝一側(cè)，可以在設(shè)計(jì)時(shí)增強(qiáng)水噴淋能力，以便在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能夠?qū)?chǔ)罐面向火災(zāi)一側(cè)高風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行有效的冷卻降溫。

5）一旦火災(zāi)發(fā)生，可以根據(jù)火災(zāi)模擬結(jié)果，確定滅火安全距離，保證人員安全。

6）管溝位置最好能夠遠(yuǎn)離關(guān)鍵設(shè)備及儲(chǔ)罐，降低火災(zāi)對(duì)鄰近設(shè)備的影響。

7）管溝內(nèi)可以設(shè)計(jì)一定的坡度，以便溝內(nèi)液體可以向遠(yuǎn)離儲(chǔ)罐的方向流淌，降低火災(zāi)對(duì)儲(chǔ)罐的影響。

8）考慮對(duì)管溝內(nèi)液體的處置方法，以便能夠?qū)蟽?nèi)積存的原油或其他液體及時(shí)排出。

研究結(jié)果表明，對(duì)于變更中的一些關(guān)鍵因素，需要采用合適的方法和工具有針對(duì)性地分析變更所帶來(lái)的影響。三維CFD模擬軟件能夠考慮復(fù)雜環(huán)境的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，體現(xiàn)池火后果的差異，為解決非常規(guī)問(wèn)題提供幫助，而這些能力是二維經(jīng)驗(yàn)方法所不具備的。因此，在實(shí)際的變更影響分析中可以根據(jù)問(wèn)題特點(diǎn)充分發(fā)揮三維模擬工具的作用。