基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸風(fēng)險控制技術(shù)應(yīng)用研究

員文權(quán)

（ 上海翊員科技有限公司，上海 201611）

1 事故描述-加油站爆炸事故

2000年2月11日15時40分左右，江西樟樹市某加油站發(fā)生爆炸，死亡6人，炸塌小樓一座。

加油站為磚混結(jié)構(gòu)三層樓房，地下一層，地上二層。地下一層建筑面積108 m2，有兩個10 m3柴油罐，一個6 m3汽油罐，3 m3空罐一個，及10余個油桶。地上一層建筑面積為57.26 m2，有一個5 m3柴油罐，兩臺加油機和臥室；地上二層為兩間住房，面積與地上一層相同。油罐設(shè)在密閉地下室內(nèi)，室內(nèi)燈管和卸油泵為非防爆型設(shè)備，且采用敞口噴濺式卸油，卸油時罐室內(nèi)油氣濃度較大，遇電器打火，引發(fā)爆炸。

本案例的啟示是如果環(huán)境中存在爆炸性風(fēng)險，需要防止點火源的出現(xiàn)，從而避免火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。

本文通過闡述出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的頻率(即危險區(qū)域劃分)與點火源的控制，討論基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略，從而使同時出現(xiàn)爆炸性環(huán)境與點火源的頻率滿足風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)。

2 火災(zāi)爆炸基本原理回顧

對于易燃?xì)怏w、易燃液體發(fā)生火災(zāi)爆炸必須具備三要素，如圖1所示。

圖1 火災(zāi)爆炸三要素

對于可燃粉塵發(fā)生粉塵爆炸必須具備五要素，如圖2所示。

圖2 粉塵爆炸五要素

易燃?xì)怏w/易燃液體著火爆炸三要素與可燃粉塵爆炸五要素的一個共同點是必須具備可燃物、氧化劑和點火源才會發(fā)生爆炸，只要移去這三者中的一個就不會發(fā)生爆炸。可燃物與氧化劑混合物的定義為爆炸性環(huán)境，可以用危險區(qū)域劃分進行表征，因此可以將三要素簡化為如下表達(dá)方式：危險區(qū)域+點火源=著火爆炸。

3 危險區(qū)域劃分有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及對照

危險區(qū)域劃分(Hazardous Area Classification,HAC) 是系統(tǒng)性地、定性地識別爆炸性環(huán)境可能出現(xiàn)頻率的一種工具，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)控制措施以防止泄漏的易燃物質(zhì)被點燃而導(dǎo)致著火爆炸。

危險區(qū)域劃分的目的是根據(jù)易燃物質(zhì)出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時間，將爆炸性區(qū)域環(huán)境按危險程度進行分類。

目前國際上關(guān)于危險區(qū)域劃分的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩類：一類是國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-10-1：2020《爆炸性環(huán)境 第10-1部分：危險區(qū)域劃分-爆炸性氣體環(huán)境》以及IEC 60079-10-2：2015《爆炸性環(huán)境 第10-2部分：危險區(qū)域劃分可燃性粉塵環(huán)境》[1-2]；另一類是NFPA70美國電氣法規(guī)NEC 500-503以及NEC 505-506提供了危險區(qū)域劃分要求[3]。

我國危險區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)主要采用的是GB 50058—2014《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》[4]。

危險區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)對照如表1所示：

表1 危險區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)對照

無論采用哪種標(biāo)準(zhǔn)對危險區(qū)域進行劃分，其原理和方法基本一致。本文以國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-10-1及IEC 60079-10-2為例回顧介紹危險區(qū)域劃分方法。

4 危險區(qū)域劃分方法

4.1 危險區(qū)域的定義及定性表征

根據(jù)IE C60079-10-1，爆炸性氣體環(huán)境的定義如下[1]：

1)0區(qū)：易燃?xì)怏w、蒸氣形成的爆炸性環(huán)境持續(xù)存在或者長時間存在的區(qū)域。

2)1區(qū)：易燃?xì)怏w、蒸氣形成的爆炸性環(huán)境在正常生產(chǎn)運行過程中偶爾出現(xiàn)或者定期出現(xiàn)的區(qū)域。

3)2區(qū)：易燃?xì)怏w、蒸氣形成的爆炸性環(huán)境在正常生產(chǎn)運行過程中不太可能出現(xiàn)，如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生或者短時間存在的區(qū)域。

根據(jù)IEC 60079-10-2，爆炸性粉塵環(huán)境的定義如下[2]：

1)20區(qū)：爆炸性粉塵環(huán)境以粉塵云的形式持續(xù)出現(xiàn)或者長時間出現(xiàn)或者頻繁出現(xiàn)的區(qū)域。

2)21區(qū)：爆炸性粉塵環(huán)境以粉塵云的形式在正常生產(chǎn)運行過程中偶爾出現(xiàn)的區(qū)域。

3)22區(qū)：爆炸性粉塵環(huán)境以粉塵云的形式在正常生產(chǎn)運行過程中不太可能出現(xiàn)，如果出現(xiàn)也是短時間出現(xiàn)的區(qū)域。

可以將易燃?xì)怏w和蒸氣與可燃粉塵出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的頻率和持續(xù)時間匯總于表2中。

表2 危險區(qū)域出現(xiàn)頻率及持續(xù)時間的定性表征

表2針對每個不同的危險區(qū)域劃分，提供了定性地持續(xù)時間用于參考，如爆炸性環(huán)境每年出現(xiàn)的時間為10～1 000小時，可以劃分為1區(qū)/21區(qū)。需要注意的是精細(xì)化工有很大差別,精細(xì)化工行業(yè)通常產(chǎn)品變化很大，在一年時間中可能某個產(chǎn)品只生產(chǎn)1個月(即最多720小時)，但是不可以將涉及易燃液體的反應(yīng)釜內(nèi)部劃分為1區(qū)，因此表格中給出的持續(xù)時間只是用于參考和定性評估。

4.2 危險區(qū)域劃分要求簡介

作為基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸風(fēng)險控制策略非常關(guān)鍵的一部分內(nèi)容，需要編制系統(tǒng)性的危險區(qū)域劃分研究報告，不同公司對于危險區(qū)域劃分研究報告的格式要求有所不同，但都應(yīng)至少包括以下內(nèi)容：

1)危險區(qū)域劃分時所用的資料以及工藝信息。

2)與危險區(qū)域劃分有關(guān)的工程控制措施，如：通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計文件。

3)生產(chǎn)工藝條件說明(如操作溫度，操作壓力等)。

4)釋放源等級說明。

5)危險區(qū)域劃分圖。

危險區(qū)域劃分需要綜合考慮釋放源類型、易燃液體的閃點、爆炸下限、粉塵區(qū)域清潔頻率、通風(fēng)條件、工藝操作條件以及操作模式等因素綜合評估。

5 基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略

5.1 控制策略的風(fēng)險表征

當(dāng)爆炸性環(huán)境與點火源同時出現(xiàn)時就會發(fā)生著火爆炸事故。爆炸性環(huán)境的出現(xiàn)頻率可以使用上述危險區(qū)域劃分進行表征。但是現(xiàn)實生產(chǎn)過程中企業(yè)不可能將危險區(qū)域出現(xiàn)的頻率和點火源出現(xiàn)的概率降低為零，也不可能將火災(zāi)爆炸的風(fēng)險真正降低為零，因此形成了基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略，可以使用以下公式進行表征。

f=f1×f2

其中：

f: 發(fā)生著火爆炸的頻率

f1: 出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率

f2: 出現(xiàn)點火源的頻率。

從風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)角度考慮，如果希望將火災(zāi)爆炸的發(fā)生頻率f控制于某一頻率以下，則需要平衡同時出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率f1與出現(xiàn)點火源的頻率f2，從而最終滿足風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)，可以用簡易圖示進行表征(圖3)。

圖3 基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸平衡控制策略

類似于表征危險區(qū)域，我們可以將點火源出現(xiàn)的頻率定性地用以下方法表述：

1)一直/經(jīng)常出現(xiàn)。

2)偶爾出現(xiàn)。

3)很少出現(xiàn)。

4)幾乎不出現(xiàn)。

5.2 基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸平衡控制策略

如果將出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率與出現(xiàn)點火源的頻率表征根據(jù)以上簡易圖匯總，可以得到以下基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略動態(tài)表(表3)。

表3 基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸平衡控制矩陣

根據(jù)上面的控制策略可以得出：

1)假設(shè)爆炸性環(huán)境一直出現(xiàn)(即0區(qū)或者20區(qū))，則需要將點火源出現(xiàn)的頻率控制到“幾乎不出現(xiàn)”。

2)假設(shè)爆炸性環(huán)境偶爾出現(xiàn)(即1區(qū)或者21區(qū))，則需要將點火源出現(xiàn)的頻率控制到“很少出現(xiàn)”。

3)假設(shè)爆炸性環(huán)境很少出現(xiàn)(即2區(qū)或者22區(qū))，則只需要將點火源出現(xiàn)的頻率控制到“偶爾出現(xiàn)”。

4)假設(shè)爆炸性環(huán)境幾乎不出現(xiàn)(即非危險區(qū)域)，則從風(fēng)險角度點火源可以一直或者經(jīng)常出現(xiàn)也可以滿足風(fēng)險控制要求。

在實際生產(chǎn)過程中有時候很難將點火源控制到“幾乎不出現(xiàn)”，如靜電中的火花放電，即使有靜電接地和跨接也很難做到。因此依據(jù)基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略動態(tài)表，這種情況下就需要降低爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率?，F(xiàn)將點火源出現(xiàn)的頻率及其允許的爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率匯總于表4中。

表4 基于點火源出現(xiàn)概率的火災(zāi)爆炸平衡控制矩陣

5.3 基于風(fēng)險的平衡控制策略的應(yīng)用

下面通過具體的例子闡述基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略動態(tài)表。

假設(shè)室外儲罐區(qū)有一個10 m3的正已烷儲罐，其操作參數(shù)與當(dāng)?shù)貧庀髼l件如下：

儲罐的操作參數(shù)：

1)操作溫度：常溫。

2)儲罐呼吸閥的設(shè)定壓力：20 kPag。

當(dāng)?shù)貧庀髼l件：

1)全年平均氣溫：16 ℃。

2)極端最高氣溫：40.2 ℃。

3)極端最低氣溫：-12.1 ℃。

1月和2月上旬是全年最冷季節(jié)，平均溫度為5 ℃。

由于正已烷的閃點為-22 ℃，通過其飽和蒸氣壓計算可以得出，在全年平均氣溫下儲罐內(nèi)氣相中正已烷的濃度約為13%，在全年最冷季節(jié)平均溫度下儲罐內(nèi)氣相中正已烷的濃度約為8%，因此在室溫條件下儲罐內(nèi)氣相正已烷的濃度基本都高于其爆炸上限LEL(7.5%),即使儲罐內(nèi)有空氣也不處于其爆炸范圍，但是當(dāng)空罐首次從槽車往儲罐進正已烷時或者清罐維修后再次進正已烷時，儲罐內(nèi)氣相正已烷的濃度從零跨越其爆炸范圍(爆炸下限到爆炸上限)最終大于爆炸上限，意味著儲罐內(nèi)出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率為偶爾出現(xiàn)。此外當(dāng)從正已烷儲罐通過泵將物料輸送至下游用戶過程中空氣會通過呼吸閥進入儲罐導(dǎo)致形成爆炸性環(huán)境，但是考慮到正已烷的閃點、揮發(fā)性及轉(zhuǎn)料頻次，一些企業(yè)通常認(rèn)為此過程中爆炸性環(huán)境為偶爾出現(xiàn)。

此外，在當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁叵?16 ℃)的飽和蒸氣壓約為13.45 kPag，在25 ℃的飽和蒸氣壓約為20 kPag，即在儲存過程中且儲罐內(nèi)溫度低于25 ℃時，儲罐呼吸閥不會排氣。但是當(dāng)處于進料階段或者儲罐內(nèi)溫度大于25 ℃，呼吸閥會排氣至大氣環(huán)境，因此出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的概率為偶爾出現(xiàn)，儲罐內(nèi)部總體可以劃分為1區(qū)(圖4)。

圖4 正已烷儲罐危險區(qū)域劃分示意圖

根據(jù)基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略，正已烷儲罐內(nèi)部危險區(qū)域劃分為1區(qū)的情況下需要將可能出現(xiàn)的點火源控制到“很少出現(xiàn)”。以靜電為點火源為例，如果未考慮靜電控制措施(包括接地與跨接、流速控制等)的前提下，靜電出現(xiàn)的頻率為一直/經(jīng)常出現(xiàn)，在增加靜電控制措施后可以認(rèn)為其偶爾出現(xiàn)，仍然不能滿足“很少出現(xiàn)”的控制要求，因此企業(yè)可以通過增加氮氣保護并設(shè)氮氣低壓報警將爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率降低為“很少出現(xiàn)”從而滿足總體風(fēng)險控制要求。

6 結(jié)論與建議

綜上所述，大部分流程工廠都會涉及易燃物質(zhì)從而可能導(dǎo)致潛在的火災(zāi)爆炸事故。當(dāng)易燃物質(zhì)和空氣形成的爆炸性環(huán)境與點火源同時出現(xiàn)時就會發(fā)生著火爆炸事故。爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率可以通過危險區(qū)域進行表征，本文簡單介紹了危險區(qū)域劃分的常用標(biāo)準(zhǔn)對照、劃分方法及要求從而回顧了爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率表征。在此基礎(chǔ)上，提出了采用基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略。根據(jù)爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的頻率(危險區(qū)域劃分)，并結(jié)合點火源出現(xiàn)的概率闡述了控制策略的風(fēng)險表征、火災(zāi)爆炸平衡控制矩陣，即如果爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率越高，點火源出現(xiàn)的頻率需要控制的越低。在實際生產(chǎn)過程中如果不能將點火源出現(xiàn)的頻率降低至平衡控制矩陣所要求的水平時，企業(yè)需要采取措施降低爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的概率。此外，本文通過正已烷儲罐的危險區(qū)域劃分及靜電為點火源的案例介紹了采用基于風(fēng)險的火災(zāi)爆炸控制策略的應(yīng)用。