●馬海清

(鞍山市消防支隊(duì)，遼寧鞍山 114001)

0 引言

隨著我國(guó)油品消耗量的逐年增多及石油進(jìn)口量逐漸加大，國(guó)家石油儲(chǔ)備基地不斷投入建設(shè)，現(xiàn)已建成鎮(zhèn)海石油儲(chǔ)備基地、黃島石油儲(chǔ)備基地、大連石油儲(chǔ)備基地和舟山石油儲(chǔ)備基地，到2015年，我國(guó)成品油庫(kù)容量預(yù)計(jì)可達(dá)8000萬(wàn)m3。國(guó)內(nèi)外大型油品儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故時(shí)有發(fā)生，后果極其嚴(yán)重。如2010年7月16日大連中石油國(guó)際儲(chǔ)運(yùn)有限公司保稅區(qū)油庫(kù)輸油管線爆炸起火，是一起罕見(jiàn)的特大火災(zāi)，火場(chǎng)面積大，爆炸爆裂連續(xù)發(fā)生，火勢(shì)形成大面積立體燃燒［1］。

多米諾事故是由多米諾效應(yīng)誘發(fā)的，是一種事故的連鎖和擴(kuò)大效應(yīng)。在對(duì)事故多米諾效應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，首先定義多米諾效應(yīng)［2－7］。最為廣泛認(rèn)可的定義是 Delvosalle的定義，Cozzani等在此基礎(chǔ)上認(rèn)為只有當(dāng)結(jié)果的總體嚴(yán)重性高于或至少相當(dāng)于初始事故后果的場(chǎng)景事故是多米諾事件［5，7］。國(guó)外學(xué)者對(duì)20世紀(jì)以后40年的207起重大事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)39%的事故中產(chǎn)生多米諾效應(yīng)。事故的多米諾效應(yīng)常造成災(zāi)難性的后果，類(lèi)似的案例在國(guó)內(nèi)外均有發(fā)生［8－9］。

通過(guò)對(duì)重大危險(xiǎn)源事故數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的100起多米諾事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得出，由爆炸引發(fā)的多米諾效應(yīng)占48%，其中依次為蒸氣云爆炸(VCE)18%，物理爆炸(PE)17%，沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸(BLEVE)13%，VCE和PE主要通過(guò)超壓引起多米諾效應(yīng)。本文研究大型儲(chǔ)罐區(qū)蒸氣云爆炸多米諾效應(yīng)，這將對(duì)大型儲(chǔ)罐區(qū)的消防安全評(píng)價(jià)及火災(zāi)撲救具有指導(dǎo)意義。

1 大型儲(chǔ)罐區(qū)概況

鞍山某罐區(qū)有 8 個(gè)儲(chǔ)罐(1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和 8#)，罐容共計(jì)12×104m3，其中1×104m3柴油罐2座，2×104m3柴油罐2座，1×104m3汽油罐2座，2×104m3汽油罐2座，如圖1所示。儲(chǔ)罐都是常壓柱形儲(chǔ)罐，儲(chǔ)存物料為汽油或柴油，液態(tài)，溫度為20℃，工作壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。各儲(chǔ)罐基本情況如表1所示。

圖1 某罐區(qū)示意圖

根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》指定各種物質(zhì)的臨界量［10］，分別對(duì)各儲(chǔ)罐進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)，選取危險(xiǎn)性較大的汽油儲(chǔ)罐進(jìn)行分析。汽油閃點(diǎn)為－50～10℃，根據(jù)《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［11］的規(guī)定，汽油火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類(lèi)，因此，泄漏出的汽油蒸氣與空氣形成的混合物遇明火極易發(fā)生火災(zāi)事故。由于汽油易揮發(fā)，當(dāng)盛裝汽油的儲(chǔ)罐為固定頂時(shí)，揮發(fā)的汽油蒸氣很可能處于爆炸極限范圍內(nèi)，當(dāng)被點(diǎn)燃后可能發(fā)生VCE事故。因此，本文主要考慮汽油儲(chǔ)罐VCE這種事故情景，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的定量風(fēng)險(xiǎn)分析。

表1 儲(chǔ)罐基本情況

2 蒸氣云爆炸引起的多米諾效應(yīng)分析

設(shè)油品儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)有n+1個(gè)設(shè)備，假定其中1個(gè)設(shè)備發(fā)生的事故為初始事故，該事故可以通過(guò)超壓形式傳遞給周?chē)O(shè)備進(jìn)而引發(fā)二級(jí)事故。對(duì)周?chē)鷑個(gè)可能的目標(biāo)，以它們最可能發(fā)生的事故作為二級(jí)事故，鑒于工程應(yīng)用的實(shí)際，在此僅考慮1個(gè)設(shè)備只發(fā)生1種事故類(lèi)型。在選定初始事故后，對(duì)可能的事故場(chǎng)景數(shù)目進(jìn)行計(jì)算，有q(q≤n)個(gè)設(shè)備發(fā)生事故所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景數(shù)為Cqn:

初始事故引發(fā)周?chē)鷑個(gè)設(shè)備可能產(chǎn)生的所有事故場(chǎng)景數(shù)S總為:

2.1 多米諾概率計(jì)算

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮初始事故觸發(fā)三級(jí)事故以及二級(jí)事故進(jìn)一步觸發(fā)三級(jí)事故，即將初始事故的多方向擴(kuò)展看做獨(dú)立事件。初始事故引發(fā)q個(gè)設(shè)備發(fā)生第m種事故場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的概率 f(q，m)為:

式中，fpe是初始事故的發(fā)生概率，可通過(guò)對(duì)歷史資料數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)或事故樹(shù)計(jì)算獲得;P(q，m)是初始事故觸發(fā)周?chē)鷔個(gè)設(shè)備發(fā)生第m種事故場(chǎng)景的概率，其計(jì)算公式為:

式中，Pi是初始事故導(dǎo)致設(shè)備i發(fā)生事故的概率。

式中，Y是設(shè)備損壞的擴(kuò)展概率單位;k1和k2是系數(shù)，k1=－23.8，k2=2.92。表2給出了超壓引發(fā)不同類(lèi)型設(shè)備的擴(kuò)展概率單位計(jì)算模型，其中△P0是目標(biāo)容器接受到的靜態(tài)超壓值(Pa)。

2.2 多米諾效應(yīng)后果研究

火災(zāi)爆炸事故可導(dǎo)致人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞，本文僅從人員傷亡來(lái)研究和量化事故后果，采用人體脆弱性模型。脆弱性模型是一種被廣泛使用的方法，由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)概率分布函數(shù)的累積表達(dá)推導(dǎo)而來(lái)。

表2 超壓引發(fā)不同類(lèi)型設(shè)備的擴(kuò)展概率單位計(jì)算模型

式中，V是人體脆弱性或死亡概率;Y是擴(kuò)展概率單位，其計(jì)算方法見(jiàn)表2;u的定義為:u=(D－μ)/σ，D是獨(dú)立劑量，取值見(jiàn)表3;μ和σ分別是正態(tài)分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

表3 人體脆弱性模型

多米諾效應(yīng)后果分析就是對(duì)初始事故和二級(jí)事故可能造成的人體死亡概率進(jìn)行定量分析。采用脆弱性模型對(duì)事故后果進(jìn)行計(jì)算，得出每個(gè)事故造成的人體傷亡概率，并將由初始事故和二級(jí)事故產(chǎn)生的脆弱性進(jìn)行組合。總后果為所有事故情景引起的人體死亡概率的綜合，上限為1。

式中，V(q，m)是初始事故引發(fā)周?chē)鷔個(gè)設(shè)備發(fā)生第m種事故場(chǎng)景造成的人體死亡概率;Vpe是初始事故造成的人體死亡概率;當(dāng)設(shè)備i屬于Jqm組合時(shí)，δ(i，Jqm)取1，否則取0;Vi表示設(shè)備i發(fā)生事故引起的人體死亡概率。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

本文采用由北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室編寫(xiě)的多米諾事故定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件BIT－DOMINO為工具進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)輸入?yún)?shù)為:環(huán)境壓力P0=1.013×105Pa，當(dāng)量系數(shù)αe=0.04，汽油的燃燒熱 Hc=4.3738×107J·kg－1，20000 m3罐的有效燃料質(zhì)量 W=0.8 ×20000 ×0.076×1.29 ×4=6274.6 kg，10000 m3罐的有效燃料質(zhì)量 W=3137.3 kg。以2#汽油罐為例進(jìn)行計(jì)算，圖2是2#汽油罐單獨(dú)發(fā)生VCE事故對(duì)應(yīng)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線。

圖2 2#汽油罐單獨(dú)發(fā)生VCE事故對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)

圖3 2#汽油罐發(fā)生VCE引發(fā)周?chē)薨l(fā)生火災(zāi)事故造成的風(fēng)險(xiǎn)

從圖中看出，距儲(chǔ)罐邊緣37 m范圍內(nèi)具有較高風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)應(yīng)的值為1×10－5a－1，同理，距儲(chǔ)罐邊緣為39 m時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值為1×10－6a－1，距儲(chǔ)罐邊緣為42 m時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值為1×10－7a－1，且事故可能造成2人死亡。圖3是2#汽油罐發(fā)生VCE爆炸事故引發(fā)周?chē)鷥?chǔ)油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)事故對(duì)應(yīng)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線。圖4是5#汽油罐單獨(dú)發(fā)生VCE事故對(duì)應(yīng)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線。從圖中看出，儲(chǔ)罐邊緣28 m范圍內(nèi)具有很高的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)應(yīng)的值為1×10－5a－1，距儲(chǔ)罐邊緣為32 m時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值為1×10－6a－1，距儲(chǔ)罐邊緣為33 m時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值為1×10－7a－1，且事故可能造成1人死亡。圖5為5#汽油罐發(fā)生VCE事故引發(fā)周?chē)鷥?chǔ)油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)事故對(duì)應(yīng)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線。

圖4 5#汽油罐單獨(dú)發(fā)生VCE事故對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)

由以上分析得出，鑒于多米諾效應(yīng)罐區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值大于單罐儲(chǔ)存的風(fēng)險(xiǎn)值，因此，當(dāng)多個(gè)儲(chǔ)罐存放在一起時(shí)，由于爆炸或其他原因造成固定冷卻系統(tǒng)損壞或失效時(shí)，移動(dòng)冷卻設(shè)備將成為控制火場(chǎng)范圍的關(guān)鍵因素，所以將多米諾效應(yīng)應(yīng)用于滅火救援預(yù)案的制定，保護(hù)消防救援人員的生命安全具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，石油企業(yè)應(yīng)該增強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)和日常消防安全管理，經(jīng)常檢修維護(hù)保養(yǎng)消防設(shè)備，制定周密的重大消防事故應(yīng)急救援預(yù)案，并定期有計(jì)劃的進(jìn)行演練。

4 結(jié)論

本文以大型儲(chǔ)罐區(qū)蒸氣云爆炸引發(fā)的多米諾效應(yīng)為研究對(duì)象，綜合分析多米諾效應(yīng)對(duì)大型儲(chǔ)罐區(qū)消防安全評(píng)價(jià)及應(yīng)急救援的影響，歸納總結(jié)可得出以下結(jié)論:(1)基于我國(guó)大型儲(chǔ)罐區(qū)油品性質(zhì)和儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的不同，以固定頂油罐發(fā)生蒸氣云爆炸為例開(kāi)展多米諾事故后果定量分析，從分析結(jié)果得出多米諾效應(yīng)對(duì)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)造成顯著的變化，因此對(duì)大型儲(chǔ)罐區(qū)進(jìn)行多米諾效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)分析，可使大型油罐區(qū)消防安全評(píng)價(jià)更加切合實(shí)際，為油罐區(qū)重大事故的控制和預(yù)防提供依據(jù)。(2)除固定頂油罐外，可嘗試將多米諾定量后果分析用于內(nèi)浮頂罐和外浮頂罐儲(chǔ)罐區(qū)，豐富大型儲(chǔ)罐區(qū)消防安全評(píng)價(jià)研究，為建立系統(tǒng)的消防安全評(píng)價(jià)方法及滅火救援預(yù)案制定提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

圖5 5#汽油罐發(fā)生VCE引發(fā)周?chē)薨l(fā)生火災(zāi)事故造成的風(fēng)險(xiǎn)

［1］苗國(guó)典，李紅旗.大連“7·16”油庫(kù)爆炸火災(zāi)撲救難點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)啟示［J］.武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，26(10):23 －26.

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［10］GB 18218－2009，危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)［S］.

［11］GB 50183－2004，石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.