煙囪防腐施工可燃?xì)怏w擴(kuò)散模擬及本質(zhì)安全改進(jìn)研究

張?zhí)┹x 田震 戴卓

摘 ?????要： 煙囪防腐工程需要使用含有如二甲苯等具有揮發(fā)性且易燃易爆物質(zhì)的防腐涂料，作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)致嚴(yán)重后果的火災(zāi)事故。以一起真實(shí)發(fā)生在煙囪防腐過程中的火災(zāi)事故為例，對(duì)事故工況風(fēng)速及改變通風(fēng)條件狀態(tài)下事故煙囪內(nèi)部的可燃?xì)怏w揮發(fā)擴(kuò)散特性進(jìn)行了分析，總結(jié)了可燃?xì)怏w濃度的時(shí)域變化特性。根據(jù)仿真結(jié)果，采用本質(zhì)安全方法進(jìn)行了安全改進(jìn)，提出了加入“送風(fēng)控制-可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)”的改進(jìn)方案，并提出了施工過程的管理改進(jìn)措施，為預(yù)防此類事故提供指導(dǎo)。

關(guān) ?鍵 ?詞：煙囪防腐工程;可燃?xì)怏w;數(shù)值模擬;本質(zhì)安全

中圖分類號(hào)：TU 761 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）04-0839-06

Abstract： Because the anti-corrosion coating used in the chimney anti-corrosion project contains a large amount of flammable volatile substances such as xylene， there is a large risk of fire and explosion accidents during the construction process. In this paper， taking the fire and explosion accident of an actual anticorrosion project as the research object， diffusion characteristics of flammable gas in chimney with different inlet air velocities were analyzed by numerical simulation. The change law of the combustible gas concentration with time was summarized. According to the simulation results， the intrinsic safety design of the ventilation equipment linkage flammable gas concentration determination alarm device was produced to improve the safety. The management improvement measures of the construction process were summarized to provide guidance for the prevention of such accidents.

Key words： Chimney anti-corrosion; Combustible gas; Numerical simulation; Intrinsic safety

煙囪內(nèi)壁防腐施工環(huán)境密閉，且施工過程涉及高處、動(dòng)火、臨時(shí)用電等多種特殊作業(yè)，作業(yè)時(shí)高空吊籃和防腐涂層中的二甲苯等易揮發(fā)物質(zhì)不斷揮發(fā)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w濃度不斷增大，易引發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。圖1為國(guó)內(nèi)某造紙廠120 m煙囪防腐工程火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)，這次事故共造成了6名工人死亡與1 400萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失。由于煙囪內(nèi)壁防腐施工環(huán)境相對(duì)密閉，作業(yè)中揮發(fā)出的可燃?xì)怏w在吊籃內(nèi)形成局部積聚并最終發(fā)生閃燃，隨之引燃了已經(jīng)涂抹完成但尚未完全干燥的防腐涂層，吊籃鋼索因無法耐受高溫而折斷，致使作業(yè)平臺(tái)從幾十米高空墜落地面，多名作業(yè)人員當(dāng)場(chǎng)死亡。

防腐施工過程可燃?xì)怏w濃度動(dòng)態(tài)變化，不同作業(yè)面，不同位置的可燃?xì)怏w濃度存在差異，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，整體風(fēng)險(xiǎn)性高。因此，研究煙囪內(nèi)部可燃?xì)怏w分布規(guī)律，探索風(fēng)速對(duì)煙囪內(nèi)部可燃?xì)怏w揮發(fā)擴(kuò)散的影響規(guī)律，探討煙囪防腐施工安全對(duì)策措施，可為預(yù)防類似事故發(fā)生提供指導(dǎo)，具有重要意義。近年來一些學(xué)者從事故案例分析、車間生產(chǎn)作業(yè)等情況出發(fā)，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件對(duì)各類有毒、可燃?xì)怏w的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了仿真模擬研究[1-3]。結(jié)合某實(shí)際煙囪防腐火災(zāi)事故案例，采用CFD軟件對(duì)施工過程中可燃?xì)怏w的揮發(fā)和擴(kuò)散特性進(jìn)行了模擬分析。并在模擬基礎(chǔ)上采用本質(zhì)安全方法提出改進(jìn)方案及措施，可為事故調(diào)查分析、防腐工程工藝改進(jìn)、安全應(yīng)急處置等提供依據(jù)。

1 ?建立模型及模擬過程

1.1 ?研究對(duì)象

事發(fā)煙囪整體高度約為120 m，頂端與底端內(nèi)徑分別為3.62、8.26 m，距離其底端4 m位置處設(shè)有進(jìn)料口。煙囪內(nèi)不同高度設(shè)有兩吊籃，兩吊籃內(nèi)部均放有兩個(gè)規(guī)格相同的敞口天那水桶。為了方便模擬，作業(yè)吊籃、天那水桶及作業(yè)工人均以簡(jiǎn)化的幾何模型表示，吊籃中部設(shè)有配電箱，工作平臺(tái)模型見圖2、圖3。

1.2 ?模擬基本設(shè)置及邊界條件

本研究建模選用修正k-ε模型和混合組分輸運(yùn)模型，模擬過程作如下基本假設(shè)：

（1） 初始狀態(tài)時(shí)煙囪內(nèi)不含二甲苯，模擬研究的可燃?xì)怏w均源自作業(yè)過程揮發(fā);二甲苯氣體為連續(xù)揮發(fā)，且其質(zhì)量流量為恒定。

（2） 模擬中的氣體均不可壓縮，流動(dòng)狀態(tài)為湍流;物性參數(shù)均為常數(shù);模擬過程中的各種氣體都認(rèn)為是理想氣體，遵循理想氣體狀態(tài)方程且之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

（3） 施工過程中煙囪壁面的涂料面積保持不變，即僅針對(duì)固定的揮發(fā)面積進(jìn)行模擬。

根據(jù)事故調(diào)查數(shù)據(jù)，通常情況下該煙囪內(nèi)的自然風(fēng)速值為2～8 m/s，事故工況風(fēng)速為5 m/s，因此分別取2、5、8 m/s三種風(fēng)速進(jìn)行模擬分析，該模擬的其他基礎(chǔ)設(shè)置見表1。

模型中高處1號(hào)吊籃所處在z=36 m及x=-2.7 m的平面、低處2號(hào)吊籃所處z=31 m及x=2.8 m的平面。另外，分別在2號(hào)吊籃中線上y=-1.5 m、y=0 m、y=1.5 m處選取3個(gè)點(diǎn)作為濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C，1號(hào)吊籃中線上y=-1.5 m、y=0 m、y=1.5 m處選取3個(gè)點(diǎn)作為濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)D、E、F。

2 ?數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 ?模擬結(jié)果的空間分析

設(shè)置事故工況風(fēng)速5 m/s模擬作業(yè)進(jìn)行六十分鐘后的情況，從兩吊籃的x和z截面分析的氣體濃度分布特性，可得到二甲苯氣體在各截面的濃度分布情況如圖4所示。

分析上面四個(gè)截面的氣體濃度分布特性圖，低處的2號(hào)籃中大部分區(qū)域處于爆炸極限范圍（1%～7% VOL.），高處1號(hào)籃內(nèi)的濃度則是已經(jīng)部分超過爆炸上限，作業(yè)過程具有很大的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

取入口風(fēng)速2、8 m/s進(jìn)行模擬，進(jìn)一步分析風(fēng)速對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散的影響。為使對(duì)比更加直觀并具有代表性，取火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)較大的低處2號(hào)吊籃的x=2.8 m截面進(jìn)行分析，兩種風(fēng)速情況下的可燃?xì)怏w濃度分布特性如圖5所示。

對(duì)幾種風(fēng)速情況下的濃度分布情況進(jìn)行分析，可見進(jìn)料口風(fēng)速增加，兩吊籃內(nèi)的可燃?xì)怏w高濃度分布區(qū)域隨之減小，表明風(fēng)速的增加可以加速煙囪內(nèi)的氣流，并減少二甲苯氣體的積聚。但是在上面幾種常見進(jìn)料口風(fēng)速情況下的煙囪內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度仍然保持在較高水平，僅依靠自然通風(fēng)無法保障該施工過程安全。

2.2 ?模擬結(jié)果的時(shí)域分析

設(shè)定不同的進(jìn)料口風(fēng)速，并記錄觀測(cè)點(diǎn)A-F這6點(diǎn)處二甲苯體積濃度在施工過程中的變化，6點(diǎn)處的二甲苯濃度時(shí)域變化特性是相似的，為了節(jié)約篇幅，選取最具有代表性的事故工況風(fēng)速情況，危險(xiǎn)性最高（吊籃內(nèi)部裝有配電箱的區(qū)域）的B、E兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行討論，二甲苯氣體濃度在事故工況下的時(shí)域變化特性見圖6。

分析圖6可知，風(fēng)速增加可使氣體流通速度加快，二甲苯氣體更加難以形成聚集，兩吊籃中二甲苯氣體飽和濃度值都出現(xiàn)了下降。隨著煙囪內(nèi)空氣流速增加，低處工作面中的二甲苯氣體向上擴(kuò)散速度加快，濃度上升速率不斷減小;高處工作面由于受到低處工作面向上擴(kuò)散的二甲苯氣體影響，濃度的上升速率反而隨之增加。兩工作面中的二甲苯氣體的濃度均可在短時(shí)間內(nèi)上升至爆炸極限，2號(hào)吊籃二甲苯氣體濃度上升速率在接近飽和值后不斷下降，1號(hào)吊籃因受低處工作面影響二甲苯濃度在達(dá)到飽和值前始終迅速上升，二甲苯濃度在上升至飽和值后均基本保持穩(wěn)定。

3 ?煙囪防腐施工作業(yè)的安全改進(jìn)

3.1 ?設(shè)備本質(zhì)安全改進(jìn)

根據(jù)本質(zhì)安全技術(shù)的“緩和”和“最小化”原則[4]，采取控制措施使作業(yè)過程中的可燃?xì)怏w濃度始終低于爆炸下限，防止在施工期間形成爆炸性環(huán)境，從而提高施工過程整體的本質(zhì)安全度。

煙囪內(nèi)部氣體流動(dòng)速度的增加可以降低工作環(huán)境中的二甲苯氣體飽和濃度，加強(qiáng)主動(dòng)通風(fēng)，在各吊籃上安裝適當(dāng)型號(hào)的鼓風(fēng)機(jī)，對(duì)施工過程中可燃?xì)怏w的濃度值進(jìn)行控制[5]。內(nèi)壁防腐作業(yè)環(huán)境相對(duì)密閉，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的要求，施工過程中可燃?xì)怏w濃度不應(yīng)高于0.05% VOL.，代入公式（1）中可求得通風(fēng)量為1 400 m3/h。

選定適當(dāng)型號(hào)的風(fēng)機(jī)后可將其安裝在吊籃內(nèi)部的護(hù)欄上，朝煙囪壁面送風(fēng)，為簡(jiǎn)化模型，用尺寸為0.5 m×0.5 m的風(fēng)道表示風(fēng)機(jī)，通過公式（2）進(jìn)一步求得風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速約為1.6 m/s，風(fēng)機(jī)安裝示意圖見圖7。

由前文可知事故工況風(fēng)速下的2號(hào)吊籃發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)較大，模擬加強(qiáng)通風(fēng)條件后的氣體濃度分布，取改進(jìn)通風(fēng)條件后2號(hào)吊籃x=2.8 m截面氣體濃度分布和監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的二甲苯濃度時(shí)域變化特性進(jìn)行分析，具體情況如圖8、圖9所示。

將圖8、圖9與圖4 （d）、圖6 （a）對(duì)比可見，加強(qiáng)通風(fēng)條件顯著改變了煙囪內(nèi)二甲苯氣體濃度場(chǎng)分布和濃度變化規(guī)律。圖8的豎直方向上，二甲苯氣體的上方擴(kuò)散得到了顯著增強(qiáng)，排出速度大大增加;水平方向上，二甲苯氣體的擴(kuò)散方向遠(yuǎn)離了吊籃中部安裝有配電箱的危險(xiǎn)區(qū)域。分析圖9中模擬改進(jìn)后的濃度時(shí)域變化特性，二甲苯氣體的體積分?jǐn)?shù)飽和值由之前的約為9% VOL.下降至約為0.03%VOL.，滿足了0.05% VOL.以下的要求，遠(yuǎn)低于爆炸極限。

在事發(fā)公司廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)景還原并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速約為5 m/s，控制煙囪內(nèi)涂抹防腐涂層、設(shè)備設(shè)施等布置與事故時(shí)一致，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置和模擬時(shí)一致，選用合適風(fēng)機(jī)、可燃?xì)怏w濃度測(cè)量?jī)x、熱敏風(fēng)速儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)量，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間60 min，以1min一次的頻率對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得出實(shí)驗(yàn)下的濃度時(shí)域變化特性見圖9。經(jīng)比較實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間誤差基本處于可接受的范圍內(nèi)，可見加強(qiáng)通風(fēng)對(duì)控制煙囪防腐施工過程中作業(yè)環(huán)境內(nèi)可燃?xì)怏w濃度有較好效果。

如圖10所示，在增加主動(dòng)通風(fēng)設(shè)備的基礎(chǔ)上引入“送風(fēng)控制-可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)”，將0.05% VOL.設(shè)為可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置的安全濃度閾值，濃度低于該閾值時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，達(dá)到閾值時(shí)開始自動(dòng)送風(fēng)，待濃度下降至0.03% VOL.時(shí)，系統(tǒng)再次停止運(yùn)行并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)報(bào)警裝置觸發(fā)閾值設(shè)為0.07% VOL.，當(dāng)濃度到達(dá)閾值而風(fēng)機(jī)沒有自啟時(shí)，裝置手動(dòng)操作指示燈閃亮并發(fā)出聲音提醒工人采取應(yīng)對(duì)措施。使用該改進(jìn)方案可實(shí)現(xiàn)施工過程可燃?xì)怏w濃度的自動(dòng)控制，確保濃度始終遠(yuǎn)低于爆炸極限，從而達(dá)到消除施工過程火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)的效果，提高本質(zhì)安全水平。

3.2 ?施工過程管理改進(jìn)

煙囪防腐工程涉及到易燃易爆危險(xiǎn)化學(xué)品使用，作業(yè)環(huán)境較為密閉，通風(fēng)條件差，是涉及高處、動(dòng)火等多種特殊作業(yè)交叉，不同高度作業(yè)平臺(tái)交叉的高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)。施工過程管理對(duì)保證此類特殊作業(yè)安全至關(guān)重要，從以下三個(gè)方面提出針對(duì)性管理改進(jìn)措施。

（1） 加強(qiáng)作業(yè)過程安全監(jiān)護(hù)：施工作業(yè)過程應(yīng)確保全程有人監(jiān)護(hù)并落實(shí)相應(yīng)職責(zé)，建設(shè)單位和施工單位都應(yīng)參與并落實(shí)作業(yè)人員的定崗定位，定人定責(zé)[6]。

（2） 強(qiáng)化火災(zāi)爆炸事故防范：應(yīng)加強(qiáng)施工過程中的主動(dòng)通風(fēng)，強(qiáng)化可燃?xì)怏w濃度的檢測(cè)與控制，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備必要的通風(fēng)設(shè)備、可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警裝置與應(yīng)急消防用品，必要時(shí)應(yīng)使用防爆工器具。

（3） 確保交叉作業(yè)安全：煙囪內(nèi)的防腐涂層涂抹作業(yè)不得與其他動(dòng)火作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。在防腐施工過程中，應(yīng)盡量避免不同作業(yè)面垂直交叉的情況出現(xiàn)，防止出現(xiàn)物料、工具等墜落導(dǎo)致物體打擊傷害;如果交叉作業(yè)無法避免，則必須在作業(yè)前進(jìn)行對(duì)應(yīng)的交叉作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)并采取安全措施避免意外發(fā)生;作業(yè)區(qū)域應(yīng)隔離警戒，防止無關(guān)人員進(jìn)入。

4 ?結(jié) 論

本文以一起真實(shí)發(fā)生在煙囪防腐過程中的火災(zāi)事故為例，通過CFD軟件模擬分析并總結(jié)了在不同環(huán)境風(fēng)速下，防腐涂料中可燃?xì)怏w的揮發(fā)擴(kuò)散的濃度分布特性和時(shí)域變化特性，結(jié)合本質(zhì)安全設(shè)計(jì)思想，提出了引入“送風(fēng)控制-可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)”的設(shè)備安全改進(jìn)措施，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)能有效控制施工過程中吊籃內(nèi)二甲苯氣體濃度遠(yuǎn)低于爆炸極限。

本文提出的“送風(fēng)控制-可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)”及施工過程管理改進(jìn)思路，可應(yīng)用到同類煙囪防腐施工作業(yè)中，為安全管理改進(jìn)、事故預(yù)防提供一定參考。

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