蓋程程，翁文國，袁宏永

(清華大學工程物理系公共安全研究院，北京100084)

0 引言

隨著全球氣候環(huán)境的變化，對石化企業(yè)而言，越來越多的外部事件導致火、爆、毒事故的發(fā)生。其中最為常見，也是后果最嚴重的就是，自然災害誘發(fā)的石化裝置事故。國外文獻中將這一類由自然災害誘發(fā)的事故災難事件定義為Natech事件，由英文Natural and Technological Disasters簡寫而來。其中比較典型的初始事件有地震、雷電和颶風，它們可能導致化工廠容器爆炸，有毒氣體的意外釋放，化學液體泄漏，水源污染等［1］。

本文研究的對象就是雷電災害對儲罐區(qū)的影響。在國內(nèi)，最為典型的案例就是1989年8月12日發(fā)生在青島黃島油庫的特大火災，其事故原因就是雷電發(fā)生時，非金屬油罐在遭受對地雷擊時，產(chǎn)生感應火花而引爆油氣。事故造成直接經(jīng)濟損失3 400多萬元，死傷140人。2005年7月10日，克拉瑪依卡6井一號站100 m3儲油罐在正常進油的情況下，遇雷擊出油氣口著火，后經(jīng)烏蘇消防局搶救滅火才避免了更大的損失［2］。1994年，埃及南部某鎮(zhèn)，雷電導致一個軍用燃料倉庫8個儲罐被引燃爆炸，萬余噸油燃燒著流進村莊，造成400多人死亡［3］。

雷電除了可以引發(fā)火災和爆炸以外，還可以干擾控制系統(tǒng)和電氣線路，破壞敏感的電器元件，影響范圍可以超過3 km。國內(nèi)外的研究［4］中主要以IEC62305標準為評估藍本，評估人員生命、公眾服務、文化遺產(chǎn)和經(jīng)濟價值4個方面的損失。Renni［5］對雷擊的604個儲存易燃物品的常壓儲罐研究結果表明，163個儲罐遭受到結構破壞而發(fā)生泄露，228個被雷電擊中后立刻起火燃燒，還有213個發(fā)生電氣設備失效。陳軍［6］對燃料油罐區(qū)多個油罐組進行整體風險評估，并比較了整體法相對于單體法的優(yōu)點。目前鮮有詳細的方法評估雷電誘發(fā)事故的風險。

本文試圖從自然災害誘發(fā)事故災難這一類災害的評估框架中，對雷電災害誘發(fā)儲罐區(qū)火爆毒事故進行定量風險評估。

1 評估流程

這一評估框架是基于QRA定量風險評估建立的，如圖1所示。在第1步和第4步對于不同的自然災害輸入不同的參數(shù)。利用設備對某一災害的易損性模型計算損失概率和后果等。對于雷電災害，恰恰缺少的就是這一子模型。但是對于設備在雷電中的損失類型可以通過常識有一個初步的判斷，并且災害的后果也是可以推理的。

第1步:評估雷電的頻率和強度。通過歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可以計算出頻率，如以年為單位。常用的單位是地閃密度(Ng)，即地閃定位網(wǎng)絡系統(tǒng)監(jiān)測到的每年每平方米雷擊大地次數(shù)。難點在于對于某一強度的雷擊發(fā)生頻率的預測。因為雷電強度在記載中通常是定性表示或者根本沒有記錄，通常只記錄了雷電落地次數(shù)。根據(jù)概率分析的風險評估方法，表達式如下:

式中:Ii表示強度;i=1，…，NI表示了區(qū)域內(nèi)所有可能的雷電強度的離散化。歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明［7］，上述表達式服從對數(shù)正態(tài)分布:

對于評估區(qū)域進行統(tǒng)計，可以得到平均雷電流幅值，較為常見的形式是雷電流幅值累積頻率分布圖［8］。

圖1 自然災害誘發(fā)事故災難風險評估流程圖

第2步:對雷電災害中可能遭受破壞的設備進行辨識。通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，顯示關鍵的受損設備是管道、法蘭、反應裝置、儲罐等。本文以儲罐為主要研究對象。

第3步:對災害情景進行假設。雷擊導致儲罐燃燒，爆炸的案例中，原因非常復雜。對于金屬儲罐和非金屬儲罐，其誘發(fā)因素差距很大。本文對金屬常壓儲罐進行情景假設，雷擊導致儲罐破裂，油品外溢。

第4步:根據(jù)第一步選定災害的特性，確定其他的影響因子。

第5步:對假設的情景進行定量化風險評估，以個人風險、社會風險的形式表達。

第6～9步是對更為復雜的災害情景組合進行的分析。此處略去。

2 方法介紹

本文所研究的對象為接地不良的金屬儲罐，在雷電發(fā)生時因聯(lián)結點熔毀所導致的?；沸孤妒鹿?。

雷電流在流經(jīng)導體時，由于導體電阻而發(fā)熱，這種熱效應通常作用于電弧的根部，如某些部位的聯(lián)結點，國外的相關文獻中曾有報道［9］。雷電導致飛機機身固體的孔洞如圖2所示。

圖2 雷電導致飛機機身固件的孔洞［10］

由于雷電流通道所造成的導體溫度升高可以按照下面方法進行計算［11］。

電流在導體內(nèi)以熱能形式消散的表達式:

雷電通道的歐姆阻抗的能量也可以用下式表示:

在雷電放電過程中，高能的特殊性，使得其產(chǎn)生的熱量在極短時間內(nèi)耗散完畢。這一過程可以近似認為是絕熱過程。

導體的溫度可以用下式表示:

式中:θ－θ0為導體升高的溫度(K);α為電阻的溫度系數(shù)(1/K);W/R為電流脈沖能量(J/Ω);ρ0為在常溫下導體的歐姆阻抗(Ωm);q為導體的橫截面積(m2);γ為材料密度(kg/m3);cw為熱容(J/kgK);θs為熔化溫度(℃)。

雷電的典型特征是持續(xù)時間很短，峰值電流很高。在這種條件下，必須考慮趨膚效應(skin effect)。但在實際應用中，由于物質(zhì)的屬性(如導磁性)和幾何特征(導體的橫斷面積)減小了趨膚效應，使得由此導致的溫度升高可以忽略不計。

在雷電發(fā)生過程中，熱效應的來源主要是第一次回擊。在聯(lián)結點會發(fā)生材料融化和腐蝕。在弧根區(qū)，由于雷電弧本身產(chǎn)生的大量熱量及通電造成的電阻熱效應。大量熱能在金屬的表面產(chǎn)生。在弧根區(qū)產(chǎn)生的熱量，超過了金屬傳導可吸收的及金屬融化和蒸發(fā)過程損失的。這一過程的嚴重程度與電流幅度和持續(xù)時間相關。

在雷電通道的金屬表面聯(lián)結點計算熱效應，為了簡化，選用陽極－陰極電壓降模型。這個模型適用于薄的金屬皮，結果偏于保守。模型假設，雷擊注入聯(lián)結點的能量，都用來熔化或蒸發(fā)導體材料，而忽略在金屬中的熱耗散。也有文獻中的模型介紹了雷電的聯(lián)結點的損傷對電流脈沖持續(xù)時間上的依賴。

關于陽極－陰極電壓降模型:

雷電弧的能量W等于陽極－陰極電壓降乘以雷電電荷量Q。

式中:ua，c為陽極－陰極電壓降，幾十伏，相對恒定值;Q為雷電電流在雷電弧根部的能量轉換。

假設所有能量轉化用于融化金屬，這一假設有可能過高估計融化體積。

式中:V為融化的金屬體積(m3);ua，c為陽極－陰極電壓降，幾十伏，相對恒定值;Q為雷電電流在雷電弧根部的能量轉換;γ為物質(zhì)密度(kg/m3);cw為熱容(J/kgK);θs為融化溫度(℃);θu為環(huán)境溫度(℃);cs為融化潛熱(J/kg)。

相關金屬材料的物理屬性見表1。

表1 材料的物理屬性

圖3是三種材料在電荷作用下熔融的體積函數(shù)關系。

圖3 在ua，c=30 V，θu=20℃時，熔融的金屬體積與電荷量的關系圖

通過熔融的金屬體積可以估算破裂孔徑的數(shù)值，一般假定為圓形裂口。從而利用儲罐中的液體經(jīng)小孔泄露模型，為計算儲罐區(qū)內(nèi)外危險物的濃度提供了手段，從而為風險的量化提供了基礎。

3 案例研究

以某地的石油儲罐區(qū)為研究區(qū)域，常壓金屬儲罐為研究對象，儲存的物質(zhì)是石油。儲罐的直徑30 m，高14 m，儲罐平均厚度6.5 mm。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該地區(qū)的地閃密度是1.83次/(km2·a)。

根據(jù)上文所述的方法，計算得到雷電導致儲罐破裂，融化的半球形金屬體積是1.7×10－6m3。計算得到等效泄露孔徑是18.2 mm。

按照傳統(tǒng)的液體連續(xù)泄露模型計算，可能發(fā)生的事件類型按照事件樹進行分析，液體泄漏后將向低洼處流動并形成液池。對于粗糙的砂壤或砂地，擴展液池的最小厚度為25 mm［12］。按照池火模型計算熱輻射的數(shù)值［13］，進一步確定個人風險值。圖4中標注顏色的區(qū)域為個人風險大于1×10－6區(qū)域，這個區(qū)域內(nèi)風險不可接受。

圖4 個人風險大于10－6分布圖

4 結論

雷電災害誘發(fā)的儲罐區(qū)火災和爆炸事件越來越常見，但是由于國內(nèi)對數(shù)據(jù)的收集和整理有限，許多細節(jié)還不足以利用進行科學分析與歸納，還只是停留在定性階段。本文以雷電災害對儲罐破壞的一種影響方式為切入點，評估此類型的風險。也正是由于雷電災害發(fā)生的隨機性，建立一個完整的評估雷電災害對儲罐區(qū)影響的風險模型還有許多工作要做。

對于上文提到的這種災害，屬于Natech事件的范疇，也可以看做是災害鏈或者多災種耦合的一種表現(xiàn)形式。關于此類災害的研究框架已在文中表述，事實證明它是行之有效的。對于人們理解多災種耦合的災害情景，辨識關鍵保護目標，評估災害的后果具有重要的現(xiàn)實意義。

［1］蓋程程，翁文國，袁宏永，等．Natech事件風險評估研究進展［J］．災害學，2011，26(2):125－129．

［2］楊仲江．雷電災害風險評估與管理基礎［M］．北京:氣象出版社，2009．

［3］Ash J W．Mitigation of the catastrophic failure of the primary containment in the bulk storage industry［EB/OL］．［2011－08－21］．http://www.ljmu.ac.uk/BLT/BUE_Docs/ash.pdf．

［4］焦雪，馮民學，王堯鈞，等．雷電災害風險評估系統(tǒng)開發(fā)與應用［J］．災害學，2011，26(2):72－76．

［5］Renni E，Antonioni G，Krausmann E，et al．Reliability，risk，and safety theory and applications［M］．Taylor and Francis Group，2009．

［6］陳軍．雷擊風險整體評估方法及其在油庫中的應用［C］//第七屆中國國際防雷論壇．北京，2008:209－210．

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［8］李家啟，李良福．雷電災害風險評估與控制［M］．北京:氣象出版社，2010．

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［10］飛機結構修理－雷擊［EB/OL］．［2011－08－21］．http://wenku.baidu.com/view/716434333968011ca3009152.html．

［11］Protection against lightning British Standards［S］．BSI，2006．

［12］中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院．石化裝置定量風險評估指南［M］．北京:中國石化出版社，2007．

［13］沈立，吳起．危險化學品建設項目設立安全評價［M］．南京:東南大學出版社，2010.