港口煙花爆竹集裝箱堆場規(guī)劃與設(shè)計(jì)相關(guān)問題探討*

曾亞梅，高 原，鄒 林，曾春雷

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088)

我國煙花爆竹的產(chǎn)量約為世界總產(chǎn)量的75%[1]。近年來，煙花爆竹安全事故偶有發(fā)生，安全儲存與運(yùn)輸是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。港口行業(yè)越來越重視危險貨物集裝箱堆場的安全，尤其關(guān)注煙花爆炸集裝箱堆場[3]。行業(yè)內(nèi)最為關(guān)心的安全問題有：

1)煙花爆竹集裝箱堆場規(guī)劃選址問題。天津港“8·12”事故后的一段時間內(nèi)，港口行業(yè)一度參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18265—2000《危險化學(xué)品經(jīng)營企業(yè)開業(yè)條件和技術(shù)要求》。然而，根據(jù)GB 18265—2019《危險化學(xué)品經(jīng)營企業(yè)安全技術(shù)基本要求》，僅明確爆炸物庫房與防護(hù)目標(biāo)至少保持1 000 m距離。集裝箱堆場不屬于庫房，不屬于該條文的適用范圍，煙花爆竹集裝箱堆場選址中無可參考的法律法規(guī)和理論研究成果，港區(qū)規(guī)劃困難。

2)煙花爆竹集裝箱堆場限時限量堆存問題。港口堆場中的煙花爆竹通常為1.3項(xiàng)、1.4項(xiàng)危險品。根據(jù)JT 397—2007《危險貨物集裝箱港口作業(yè)安全規(guī)程》第5.3.1條“除1.1項(xiàng)、1.2項(xiàng)以外的爆炸品危險貨物集裝箱堆場存放，可采取限時限量存放”要求，煙花爆竹集裝箱在堆場中須限時限量存放。然而，限定時間、限定存量具有相互制約性。限定存量越大，則限定堆放時間就應(yīng)越小。另外，堆場的限定存量和堆存時間，與堆場所處周邊環(huán)境、自然條件有關(guān)。在滿足安全要求的前提下，如何合理確定堆場限定存量和限定時間，是擺在設(shè)計(jì)者面前的一大難題，目前尚無成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

為解決上述難題，本文通過國內(nèi)外煙花爆竹危險特性、安全防護(hù)距離確定方法、事故后果與風(fēng)險評估應(yīng)用這3個方面的調(diào)研，給出上述問題的求解思路和方法，為港口規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供有益參考和借鑒。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 煙花爆竹危險特性

煙花爆竹屬易燃易爆品。研究者主要關(guān)注煙花爆竹的事故后果[4-9]和生產(chǎn)與儲存環(huán)節(jié)風(fēng)險程度管控[10-11]。主要研究方法為試驗(yàn)與理論研究。

試驗(yàn)研究通常只針對特定場景(給定煙花爆竹種類、數(shù)量、給定周邊人員分布和氣象環(huán)境)開展試驗(yàn)，其成本高、周期長、結(jié)論難以推廣(僅限試驗(yàn)場景)。理論研究模型的計(jì)算精度，會受建模方法、模型參數(shù)取值合理性的影響。模擬結(jié)果的正確性難以被驗(yàn)證、可靠性難以被評估。

本文提出將試驗(yàn)研究與理論研究結(jié)合，運(yùn)用有限場景下的試驗(yàn)研究結(jié)果修正理論計(jì)算模型。將修正的理論計(jì)算模型進(jìn)行應(yīng)用情景推廣，獲得高可靠性計(jì)算模型。此方法即克服了試驗(yàn)研究成本高、周期長、結(jié)果難以推廣的不足，又發(fā)揮試驗(yàn)研究結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時克服理論研究結(jié)果難以被驗(yàn)證的不足，發(fā)揮理論研究適用場景易推廣的優(yōu)點(diǎn)。為堆場規(guī)劃與設(shè)計(jì)中須進(jìn)行大量場景計(jì)算和獲得高可靠性結(jié)果，提供了解決途徑。

1.2 外部安全防護(hù)距離確定方法

近年來，探討外部安全防護(hù)距離的研究越來越多[12-14]。目前有兩種研究方法：1)查閱國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，獲取明文規(guī)定的安全距離限值；2)針對各種事故場景，開展事故后果與風(fēng)險評估計(jì)算，通過分析給出外部安全防護(hù)距離。

經(jīng)調(diào)研，港區(qū)露天堆場的外部安全距離，國內(nèi)外暫無明文規(guī)定。因此，采用第2種研究方法確定堆場外部安全防護(hù)距離是可行的。

1.3 事故后果與風(fēng)險評估應(yīng)用研究

事故后果是指事故(如泄漏、火災(zāi)、爆炸)發(fā)生后形成的蒸汽云、熱輻射、超壓沖擊波對周邊人員、建構(gòu)筑物的破壞程度。事故后果建模指通過建立數(shù)學(xué)模型，尋找求解算法，獲得各事故情景下蒸汽濃度、熱輻射強(qiáng)度和超壓沖擊波的空間分布。將獲得的結(jié)果與人員、建(構(gòu))筑物的傷害和破壞準(zhǔn)則對比，判斷人員、建(構(gòu))筑物的傷害、毀傷半徑和程度。

風(fēng)險是事故后果與事故概率的乘積。當(dāng)堆存危險品時，其可能發(fā)生事故(事故概率)，發(fā)生事故后會給周邊人員帶來傷害(事故后果)，故其會產(chǎn)生一定的風(fēng)險。個人風(fēng)險表征的是堆場中危險品事故造成區(qū)域內(nèi)某一固定位置人員的個體死亡概率；社會風(fēng)險表征的是事故產(chǎn)生群死群傷事故的概率。

事故后果與風(fēng)險評估研究包括試驗(yàn)與理論研究。計(jì)算出事故的熱輻射、超壓波，確定破壞與傷亡范圍，計(jì)算出風(fēng)險值。研究的應(yīng)用領(lǐng)域包括：危險品項(xiàng)目選址論證、廠房倉庫限定存量值計(jì)算、事故場景還原等。研究中所用方法包括公式計(jì)算法、軟件模擬法。目前，尚未有針對煙花爆竹集裝箱堆場的相關(guān)研究。

2 研究思路

根據(jù)前述，港口行業(yè)面臨的兩大問題：如何進(jìn)行煙花爆竹集裝箱堆場選址規(guī)劃；設(shè)計(jì)中如何限定堆存量和堆存時間。堆場規(guī)劃選址受堆場規(guī)模、堆存時間所制約。規(guī)模越大，事故后果越嚴(yán)重，所需外部安全距離越大，規(guī)劃選址越困難；堆存時間越長，事故概率越大，風(fēng)險越高，規(guī)劃選址難度也越大。因此，這兩大難題具有相互交織的依存關(guān)系，見圖1。

圖1 研究問題間的相互關(guān)聯(lián)性

為此，本文提出如下求解路線：預(yù)定集裝箱堆場的選址，假定堆場的堆存規(guī)模和堆存時限。統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目所在地周邊環(huán)境(包括人員、建(構(gòu))筑物和設(shè)備設(shè)施的分布)和氣象參數(shù)(包括溫濕度、風(fēng)速等)。建立事故后果和風(fēng)險評估模型，計(jì)算此場景下堆場可能產(chǎn)生的事故后果和風(fēng)險。利用計(jì)算結(jié)果，按照GBT 37243—2019《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》的要求確定該預(yù)定堆場的外部安全防護(hù)距離。將計(jì)算所得防護(hù)距離與堆場周邊實(shí)際防護(hù)距離對比，判定該預(yù)定選址、假定堆存規(guī)模和時限是否滿足要求。若滿足，則進(jìn)一步判斷該堆存規(guī)模、堆存時限是否符合項(xiàng)目經(jīng)營需要；若不滿足，則重新假定堆存規(guī)模和時限，重新計(jì)算外部安全防護(hù)距離，直到計(jì)算所得防護(hù)距離小于堆場周邊實(shí)際防護(hù)距離。通過不斷迭代計(jì)算，選出符合項(xiàng)目經(jīng)營需要和安全要求的規(guī)劃選址、堆存規(guī)模和時限。具體技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線

該技術(shù)路線中，需要多次迭代調(diào)用事故后果和風(fēng)險評估模型。本文提出將試驗(yàn)與理論研究結(jié)合，使用軟件建模，運(yùn)用試驗(yàn)研究結(jié)果修正理論模型，提高計(jì)算精度和效率。

3 算例驗(yàn)證

以內(nèi)河某港煙花爆竹集裝箱堆場規(guī)劃建設(shè)為例，該港口發(fā)展成熟，現(xiàn)有生產(chǎn)性項(xiàng)目和周邊配套設(shè)施完善。受限于空余場地和周邊敏感場所，煙花爆竹集裝箱堆場選址和規(guī)模難以確定。

3.1 事故后果和風(fēng)險評估模型建立

事故后果和風(fēng)險評估建模分別選用荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究院1985年開發(fā)的TNO ETTECTS和1990年開發(fā)的TNO RISKCURVES軟件。這兩款軟件經(jīng)30年發(fā)展，模型成熟、軟件可視化優(yōu)秀，被廣泛應(yīng)用于安全評估的各個領(lǐng)域，是國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)常用的成熟商用軟件[15-17]。建模中選用的自然條件參數(shù)為：平均風(fēng)速2.2 ms，主導(dǎo)風(fēng)向SW，平均氣溫17.2 ℃，平均濕度80%，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3.1.1集裝箱TNT(三硝基甲苯)當(dāng)量計(jì)算

煙花爆竹沖擊波能量占總爆破能量的85%～97%。把爆炸產(chǎn)生的爆炸熱與TNT爆炸產(chǎn)生的熱量相比，得到TNT當(dāng)量。一般依據(jù)能量相似原理，按爆炸熱換算得到：

Eq=QQTNT

(1)

式中：Eq為某種炸藥的當(dāng)量比；QTNT為TNT的爆熱(kJkg)；Q為某炸藥爆熱(kJkg)。

以堆場堆存黑火藥占比約80%的爆竹藥劑為例。黑火藥TNT當(dāng)量為0.45。堆放不同箱數(shù)量的TNT當(dāng)量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 堆放不同箱數(shù)量時TNT當(dāng)量計(jì)算結(jié)果

3.1.2爆炸后果模型建立

為了提高計(jì)算精度，采用文獻(xiàn)[6]的1 t TNT爆炸后果測定值，反算出模型中的質(zhì)量等量系數(shù)為0.273。為驗(yàn)證該系數(shù)的取值，運(yùn)用軟件模擬1 t TNT爆炸的沖擊波超壓值，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比見表2。從對比結(jié)果看出，質(zhì)量等量系數(shù)取0.273時，模擬和試驗(yàn)結(jié)果差別不大，系數(shù)取值可行。

表2 1 t TNT炸藥當(dāng)量的爆炸沖擊波超壓模擬與試驗(yàn)值對比

3.2 事故后果和風(fēng)險評估計(jì)算

3.2.1事故后果計(jì)算

選用2 kPa(屋頂出現(xiàn)某些破壞，10%的窗戶玻璃被打碎)、5 kPa(房屋部分破壞、不能居住)、9 kPa(鋼結(jié)構(gòu)的建筑物輕微變形)作為高敏感目標(biāo)、重要防護(hù)目標(biāo)、一般防護(hù)目標(biāo)中的一類防護(hù)目標(biāo)；一般防護(hù)目標(biāo)中的二類防護(hù)目標(biāo)；三類防護(hù)目標(biāo)的空氣沖擊波超壓典型壓力。依據(jù)所建模型，模擬該預(yù)選堆場存放不同箱量時產(chǎn)生的沖擊波，見表3和圖3。圖3中的超壓曲線圓表示發(fā)生爆炸時產(chǎn)生相應(yīng)值沖擊波的覆蓋范圍；離爆炸點(diǎn)越遠(yuǎn)沖擊波超壓值越??；超壓曲線圓越大代表的超壓值越低。

圖3 爆炸事故后果

從模擬結(jié)果看，堆存量超過54個箱時，沖擊波超壓2 kPa的范圍內(nèi)包含了一般防護(hù)目標(biāo)中的一類防護(hù)目標(biāo)，故該堆場選址在此時，最大堆存量為54箱。

3.2.2風(fēng)險評估計(jì)算

堆場堆存時間越長，事故概率越大，風(fēng)險越高。堆存時間與事故概率呈正相關(guān)。煙花爆竹行業(yè)年事故頻率為5×10-6次a。據(jù)此，該堆場堆存0.5、1、1.5、2、2.5 d的事故發(fā)生概率約為7.14×10-9、1.43×10-8、2.14×10-8、2.85×10-8、3.57×10-8。在此基礎(chǔ)上，研究該堆場堆存54箱的最大允許時間。

利用軟件建模計(jì)算，所得個人風(fēng)險和社會風(fēng)險見圖4、5。圖4中的個人風(fēng)險曲線圓，表征發(fā)生事故時產(chǎn)生的個體死亡概率值。離危險品越遠(yuǎn)，個體死亡概率越小，個人風(fēng)險值也越小。圖5為社會風(fēng)險曲線圖，橫坐標(biāo)表示事故的死亡人數(shù)，縱坐標(biāo)表示發(fā)生群死群傷事故的概率。

圖4 個人風(fēng)險曲線圓

圖5 堆場社會風(fēng)險模擬結(jié)果

根據(jù)圖4、5，該堆場堆存時間超過2.5 d時，個人風(fēng)險曲線超出了港區(qū)范圍，個人風(fēng)險值超出GB 36894—2018《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險基準(zhǔn)》規(guī)定的限值。由于該堆場周邊人員密度小，社會風(fēng)險受堆存時間影響不大，均未進(jìn)入《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險基準(zhǔn)》規(guī)定的不可容許區(qū)。因此，該堆場堆存54個煙花爆竹集裝箱時的最大允許堆存時間為2 d，且能滿足經(jīng)營需要，故該堆場規(guī)劃選址可行，不需要另尋它址。

4 結(jié)論

1)通過對面臨問題的本質(zhì)分析，給出的技術(shù)路線合理可行。

2)將試驗(yàn)和理論研究相結(jié)合的建模方法，能切實(shí)提高建模效率(避免了大量的試驗(yàn))和計(jì)算可靠性。

3)技術(shù)路線和研究方法在實(shí)際算例中得到檢驗(yàn)，可以快速獲得煙花爆竹集裝箱堆場的規(guī)劃選址和設(shè)計(jì)堆存方案(包括可行堆存量和堆存時間)。