夏蘭生

(中石化寧波工程有限公司,浙江 寧波 315103)

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中心控制室抗爆模型選擇與計(jì)算

夏蘭生

(中石化寧波工程有限公司,浙江 寧波 315103)

摘要：針對(duì)中心控制室的功能不斷強(qiáng)大，中心控制室抵御爆炸的要求更加嚴(yán)格的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)爆炸的特點(diǎn)、模型及其計(jì)算方法等進(jìn)行研究和比較，同時(shí)結(jié)合爆炸力計(jì)算方面的相關(guān)實(shí)例，研討適合工程設(shè)計(jì)使用的爆炸計(jì)算模型以及計(jì)算方法，為石油化工廠中心控制室抗爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

關(guān)鍵詞：中心控制室抗爆模型

1概述

石油化工廠中心控制室是全廠的心臟，是控制、操作、事故處理中心，是人員集中場(chǎng)所，是工藝過(guò)程的總指揮和安全生產(chǎn)的中樞，尤其聯(lián)合裝置或幾個(gè)裝置的聯(lián)合控制室更是如此。

在新建或擴(kuò)建石油化工裝置時(shí)，如不進(jìn)行裝置安全風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)需要進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)的控制室不采取抗爆措施，一旦裝置發(fā)生爆炸，將造成重大人員財(cái)產(chǎn)損失，后果不堪設(shè)想；同時(shí)控制系統(tǒng)的失靈，還可能引發(fā)更大的次生災(zāi)害，因而國(guó)內(nèi)外不少石油化工裝置對(duì)控制室都進(jìn)行了抗爆設(shè)計(jì)。

所謂抗爆設(shè)計(jì)，就是要使控制室的外墻和屋面設(shè)計(jì)能抵抗爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波的破壞，保證其正常功能的發(fā)揮。爆炸產(chǎn)生的沖擊波大小和作用時(shí)間的長(zhǎng)短是控制室抗爆設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因而有必要對(duì)爆炸計(jì)算模型以及計(jì)算方法進(jìn)行研討，為石油化工廠中心控制室抗爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

2爆炸及其破壞效應(yīng)

2.1爆炸的基本概念

爆炸即導(dǎo)致壓力快速增加的現(xiàn)象，是一種極其迅速的物理或化學(xué)能量的釋放過(guò)程。在此過(guò)程中，物質(zhì)的體積在極短時(shí)間內(nèi)急劇膨脹而對(duì)外界做功，致使周?chē)鷼鈮杭眲≡龃蟛?huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

爆炸過(guò)程呈現(xiàn)兩個(gè)階段： 在第一個(gè)階段，物質(zhì)的潛在能量以一定方式轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈的壓縮能；在第二個(gè)階段，壓縮能急劇向外膨脹，在膨脹過(guò)程中對(duì)外界做功，導(dǎo)致被作用物體產(chǎn)生較大的變形、移動(dòng)，乃至破壞。

2.2爆炸分類(lèi)

根據(jù)爆炸的性質(zhì)和特點(diǎn)，爆炸可以分為不同的種類(lèi)，如圖1所示。

2.3爆炸的破壞形式

爆炸與爆炸物的數(shù)量和性質(zhì)、爆炸時(shí)的條件以及爆炸位置等因素有關(guān)。爆炸主要的破壞形式有震蕩作用、沖擊波、碎片沖擊、造成火災(zāi)。爆炸源于能量的迅速釋放，能量使氣體迅速膨脹，壓迫周?chē)鷼怏w退后，并促使壓力波由爆炸源迅速向外移動(dòng)，壓力波含有能量，會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生破壞。對(duì)于石油化工廠，來(lái)自爆炸的很多破壞都?xì)w因于該壓力波。

圖1　爆炸的分類(lèi)

2.4影響爆炸的重要參數(shù)

可燃?xì)怏w爆炸是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，涉及因素眾多，其中主要的影響因素有可燃物的特性、周?chē)h(huán)境、天氣情況以及點(diǎn)火源特性等。爆炸模型主要分為兩類(lèi)： 以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；基于流體力學(xué)方法的模型?；诮?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的模型有： TNT當(dāng)量法、 TNO Multi-Energy(ME)方法及 Baker Strhlow Tang(BST)方法；基于流體力學(xué)方法的模型有： Autoreagas， FLACS及 EXSIM法。

基于流體力學(xué)方法的模型在計(jì)算爆炸的精度上比經(jīng)驗(yàn)方法更有優(yōu)勢(shì)，但由于經(jīng)驗(yàn)法需要的數(shù)據(jù)較少，且計(jì)算比較簡(jiǎn)單快速，因而目前應(yīng)用比較多的主要是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，筆者就這三種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行重點(diǎn)介紹。

3抗爆模型

3.1TNT 當(dāng)量法

3.1.1模型介紹

由于將爆炸的破壞作用根據(jù)能量轉(zhuǎn)化成TNT當(dāng)量比較簡(jiǎn)單，TNT當(dāng)量法常被用來(lái)進(jìn)行爆炸的預(yù)測(cè)與評(píng)估。TNT當(dāng)量法預(yù)測(cè)蒸汽云爆炸的基本原理如下：

(1)

式中：W——TNT 當(dāng)量,kg;η——爆炸效率，量綱一的量；m——可燃物的總質(zhì)量，kg；Ec——可燃物的燃燒熱，kJ/kg；ETNT——TNT的爆炸能量，4190～4650kJ/kg。

已知TNT 當(dāng)量，就可以知道爆炸在不同距離產(chǎn)生的沖擊波超壓以及帶來(lái)的破壞程度。爆炸在不同距離產(chǎn)生的超壓比擬值可以從經(jīng)驗(yàn)圖中查出。

對(duì)于典型的爆炸，在一個(gè)固定位置處爆炸產(chǎn)生的超壓隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。其重要參數(shù)為沖擊波產(chǎn)生的超壓p0，沖擊波的到達(dá)時(shí)間ta，沖擊波的持續(xù)時(shí)間td，爆炸導(dǎo)致的正壓所產(chǎn)生的沖量ip。沖量可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

圖2　固定位置處爆炸超壓隨時(shí)間的變化情況

TNT當(dāng)量法已經(jīng)被很好地用來(lái)進(jìn)行爆炸后果的研究，上述參數(shù)和比擬距離Z的關(guān)系參考文獻(xiàn)中“TNT當(dāng)量法參數(shù)計(jì)算圖”。該圖中的數(shù)據(jù)僅適用于敞開(kāi)環(huán)境中的遠(yuǎn)高于地面的爆炸，對(duì)于發(fā)生在地面上的爆炸，由于地面的反射作用，應(yīng)在圖中得到的超壓值乘以2。發(fā)生在化工廠中的大多數(shù)爆炸都被認(rèn)為是發(fā)生在地面上的。

Z由以下公式定義：

(3)

式中：R——距離爆炸源的距離,m。

3.1.2爆炸效率的選擇

爆炸效率是TNT當(dāng)量法考慮的主要問(wèn)題之一。爆炸效率是經(jīng)驗(yàn)值，在很多文獻(xiàn)中，對(duì)于可燃蒸汽云，爆炸效率在1%～10%，也有一些研究表明對(duì)于丙烷、二乙醚和乙炔的蒸汽云，其爆炸效率分別為5%，10%，15%。

3.1.3使用步驟

TNT當(dāng)量法的步驟： 確定參與爆炸的可燃物質(zhì)的量；確定爆炸效率，計(jì)算爆炸當(dāng)量。通過(guò)比擬距離，在文獻(xiàn)中的“當(dāng)量法參數(shù)計(jì)算圖”中查找爆炸產(chǎn)生的超壓值、沖擊波的到達(dá)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。

3.2ME方法

3.2.1模型介紹

作為T(mén)NT當(dāng)量法的發(fā)展，1982年Wiekeam提出了新的模型。針對(duì)TNT當(dāng)量法忽視爆源性質(zhì)的缺點(diǎn)，Wiekeam提出的模型考慮了可燃?xì)怏w活性對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響，按活性把氣體分為高、中、低三類(lèi)加以區(qū)別。

1985年，VandenBerg提出了ME模型，它在Wiekeam提出的模型基礎(chǔ)上，又綜合考慮了湍流加速、部分受限等因素對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響。其基本概念是： 在氣體爆炸中，只有處于相當(dāng)程度封閉或局部受限的那部分氣體才產(chǎn)生顯著的爆炸效果，其余部分只會(huì)緩慢燃燒而對(duì)爆炸后果沒(méi)有貢獻(xiàn)。從理論上解釋為可燃?xì)怏w爆炸過(guò)程中，湍流強(qiáng)度和燃燒、超壓之間相互影響作用很大，在火焰?zhèn)鞑ブ惺艿较拗圃酱螅牧髋c燃燒及超壓產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，形成的沖擊波強(qiáng)度越高，氣體爆炸的破壞力也就越大。

3.2.2使用步驟

1) 確定可燃?xì)怏w云團(tuán)的位置和受限的體積，首先要使用擴(kuò)散模型確定可燃?xì)怏w的擴(kuò)散范圍。

2) 分析可燃?xì)怏w覆蓋范圍內(nèi)的障礙物的分布情況，確定氣體的受限區(qū)域。

3) 在被可燃?xì)庠聘采w的范圍內(nèi)，確定引起強(qiáng)烈沖擊波的潛在源。強(qiáng)烈沖擊波的潛在源包括： 擁擠的空間和建筑物(如： 煉油廠和化工廠中的設(shè)備、平臺(tái)和框架等)；延伸的平行平面之間的距離(如： 多層平臺(tái)之間的空間)；管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間(如： 管道，走廊等)；由于高壓泄放導(dǎo)致的噴射中的可燃物—空氣混合物的劇烈動(dòng)蕩。

4) 估算可燃物—空氣混合物所釋放的能量。

5) 一旦估算出單個(gè)的當(dāng)量可燃物—空氣混合物所導(dǎo)致的能量E和初始爆炸強(qiáng)度，那么在計(jì)算出Z后，距離爆炸源R處的比擬爆炸側(cè)向超壓和正壓持續(xù)時(shí)間，可從文獻(xiàn)所示的“比擬超壓和比擬持續(xù)時(shí)間圖”中查到。

ME方法的比擬距離可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

ME方法的最大側(cè)向超壓可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

ME方法的正相超壓持續(xù)時(shí)間可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(6)

3.2.3初始爆炸強(qiáng)度的選擇

爆炸強(qiáng)度的選擇是影響使用ME方法的主要因素，下面列出了一些可以使用到的爆炸強(qiáng)度的選擇方法。

TNO公司建議將可燃物覆蓋區(qū)域劃分為受限區(qū)域和非受限區(qū)域。對(duì)于每個(gè)受限區(qū)域選擇10作為初始爆炸強(qiáng)度；對(duì)于非受限區(qū)域，選擇低的初始爆炸強(qiáng)度進(jìn)行模擬，爆炸強(qiáng)度為1。但是由于可燃物運(yùn)動(dòng)引起的擾動(dòng)，可能增加爆炸的強(qiáng)度，建議選擇3作為初始爆炸強(qiáng)度。

3.3BST方法

3.3.1模型介紹

3.3.2使用步驟

BST模型的使用步驟和ME模型基本相同，具體步驟如下：

1) 確定可燃?xì)怏w云團(tuán)的位置和受限的體積。

2) 分析可燃?xì)怏w的受限程度。

3) 分析可燃?xì)怏w覆蓋范圍內(nèi)的障礙物的分布情況。

4) 根據(jù)可燃物的反應(yīng)活性、受限情況和障礙物的阻塞比率從相關(guān)文獻(xiàn)中查出爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

5) 計(jì)算可燃物—空氣混合物所產(chǎn)生的能量E。

通過(guò)計(jì)算比擬距離后，距離爆炸源R處的比擬爆炸側(cè)向超壓和沖量，可從文獻(xiàn)所示的“比擬超壓曲線和比擬沖量曲線”中查到。

BST方法的比擬距離和最大側(cè)向超壓計(jì)算可通過(guò)式(4)，(5)進(jìn)行。

BST方法的正相超壓持續(xù)時(shí)間可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(7)

BST方法的正相超壓持續(xù)時(shí)間可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(8)

3.3.3沖擊波及沖量計(jì)算

在確定火焰?zhèn)鞑ニ俣群?，可以通過(guò)文獻(xiàn)查出爆炸的比擬超壓大小和比擬沖量，從而根據(jù)3.3.2 節(jié)中的公式計(jì)算沖擊波超壓大小和持續(xù)時(shí)間。需要注意的是： 文獻(xiàn)中的比擬超壓和比擬沖量曲線是根據(jù)自由空間爆炸的數(shù)據(jù)制作。因此，在計(jì)算近地面的爆炸時(shí)，需要對(duì)爆炸能量乘以系數(shù)2后再計(jì)算比擬距離。

4模型的比較與選擇

4.1模型所需數(shù)據(jù)

通過(guò)前面的模型介紹可以看出，這幾種爆炸模型都可以計(jì)算出爆炸沖擊波的大小。但是，不同的模型在計(jì)算沖擊波大小時(shí)需要的數(shù)據(jù)不同，復(fù)雜的程度也不同。從所需要的數(shù)據(jù)來(lái)看，TNT當(dāng)量法所需要的數(shù)據(jù)最少，ME方法和BST方法所需要的數(shù)據(jù)相對(duì)較多，數(shù)據(jù)的獲取相對(duì)困難，更多地依靠人員的判斷，為計(jì)算結(jié)果增加了更多的不確定性。

TNT當(dāng)量方法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單、使用方便，但是可信度太低。例如，Gobert和Lannoy(1982)，Lannoy(1982，1984)曾經(jīng)對(duì)23起事故中的120個(gè)破壞點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TNT當(dāng)量效率η分布在0.02%～15.9%；當(dāng)量效率低于10%的情況占97%，當(dāng)量效率近似于4%的情況占60%。顯然，η值過(guò)于分散，實(shí)際應(yīng)用中，偏差太大，不適合用于預(yù)測(cè)氣體爆炸強(qiáng)度。

4.2計(jì)算結(jié)果比較

為了比較這幾種模型的區(qū)別，本文通過(guò)一個(gè)爆炸場(chǎng)景來(lái)說(shuō)明：

假設(shè)在一個(gè)半受限的空間中有500kg的丙烷,丙烷和空氣完全混合。通過(guò)計(jì)算可以得到爆炸在不同距離所產(chǎn)生的壓力，如圖3所示。圖中的曲線分別是使用TNT當(dāng)量法、ME和BST方法計(jì)算的。計(jì)算參數(shù)的選擇如下：

對(duì)于TNT 用爆炸效率10%進(jìn)行計(jì)算； ME方法選用初始爆炸強(qiáng)度為5進(jìn)行計(jì)算； BST方法使用Mw=0.25進(jìn)行計(jì)算。

圖3　不同爆炸模型產(chǎn)生的壓力對(duì)比

通過(guò)圖3可以看出，TNT當(dāng)量法所計(jì)算的爆炸壓力隨著距離的變化衰減得很快，且在近距離時(shí)計(jì)算出的壓力非常高，這是因?yàn)榭扇細(xì)怏w爆炸與TNT爆炸有本質(zhì)的區(qū)別： TNT爆炸的爆炸源體積可忽略，而可燃?xì)庠频捏w積較大，不能忽略，且隨著爆炸的進(jìn)行爆炸源體積在增大；TNT爆炸時(shí)能量是瞬間釋放的，而氣云爆燃過(guò)程中能量的釋放速率有限；TNT爆炸過(guò)程形成的沖擊波強(qiáng)度大，但衰減速度快，而氣云爆燃?jí)毫Σ◤?qiáng)度較小，升壓速度和衰減速度均較小，所以TNT當(dāng)量法往往高估了氣體爆炸近場(chǎng)的超壓，而低估了遠(yuǎn)場(chǎng)的超壓。氣體爆炸過(guò)程，在不受限的條件下，超壓較低，在受限空間爆炸時(shí)超壓升高，TNT當(dāng)量法沒(méi)有考慮這些影響。因此，TNT當(dāng)量法只適用于很強(qiáng)的氣體爆炸，且用以描述遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)偏差小，用于近場(chǎng)時(shí)偏差較大。

所以，采用TNT當(dāng)量法預(yù)測(cè)可燃?xì)怏w爆炸強(qiáng)度，很可能高估了沖擊波峰值超壓，這將導(dǎo)致對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)響應(yīng)的錯(cuò)誤預(yù)測(cè)，限制了該方法的應(yīng)用前景。因此，在API RP 752“Managementofhazardsassociatedwithlocationofprocessplanpermanentbuildingsthirdedition”中不推薦使用TNT當(dāng)量法進(jìn)行建筑物爆炸載荷的計(jì)算。

而ME方法和BST方法都考慮到了TNT當(dāng)量法所忽略的問(wèn)題，相對(duì)于TNT當(dāng)量法更加適合于氣體爆炸的計(jì)算。這兩種方法在所需數(shù)據(jù)以及該模型的概念方面基本上是相似的，但又存在細(xì)微的差別，表1列出了兩種方法的相似與不同之處。

通過(guò)對(duì)這兩種方法的選擇與使用，推薦使用ME方法。代表性的有BP和EXXON。此外，SHELL 使用的CAM2模型也和ME模型有著許多相似的地方。

由于使用BST模型時(shí)，可以借鑒的參數(shù)和使用導(dǎo)則、案例等相對(duì)于ME模型少，在使用過(guò)程中相對(duì)存在更多的不確定性，因而建議使用ME模型。

4.3ME模型的應(yīng)用

為了確定中心控制室抗爆所采用的設(shè)計(jì)依據(jù)，首先要進(jìn)行安全分析以確定潛在的泄漏源。對(duì)于化工裝置，可能的泄漏源一般包括高溫、高壓的反應(yīng)器、儲(chǔ)存容器及其相連的管線和機(jī)泵、壓縮機(jī)等。

表1　BST方法與ME方法的區(qū)別

分析的時(shí)候必須考慮裝置布置的擁擠程度，有時(shí)在比較溫和的工藝條件下也可能因?yàn)椴贾眠^(guò)密而產(chǎn)生較大的爆炸沖擊波。但無(wú)論什么時(shí)候都應(yīng)對(duì)反應(yīng)器、高壓容器等設(shè)備區(qū)域進(jìn)行特別的關(guān)注。

識(shí)別出潛在的泄漏源后，需要對(duì)泄漏源分別進(jìn)行泄漏和擴(kuò)散計(jì)算，以確定蒸汽云的體積和分布區(qū)域。一般情況下，計(jì)算爆炸沖擊波大小時(shí)，可假設(shè)泄漏部位的當(dāng)量直徑為25.4 mm(1 in)，不考慮災(zāi)難性的大尺寸管道斷裂和容器的災(zāi)難性破裂。

為了較為精確地計(jì)算爆炸沖擊波的大小，需要考慮風(fēng)速、風(fēng)向等因素的影響以便獲得合適的蒸汽云體積及蒸汽云的形狀。通常可通過(guò)專(zhuān)業(yè)的軟件來(lái)進(jìn)行擴(kuò)散計(jì)算，以獲取蒸汽云的覆蓋范圍和體積。進(jìn)行爆炸計(jì)算時(shí)，除了考慮在泄漏源附近發(fā)生爆炸外，還要考慮蒸汽云擴(kuò)散到其他受限區(qū)域發(fā)生的爆炸，比如正常情況下不會(huì)發(fā)生可燃物泄漏的區(qū)域。

根據(jù)對(duì)相關(guān)資料的研究、相關(guān)單位的經(jīng)驗(yàn)以及ME方法的特點(diǎn)，該方法在中心控制室抗爆設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用過(guò)程可按圖4進(jìn)行操作。

圖4　ME模型應(yīng)用流程示意

5結(jié)論

通過(guò)本文前幾個(gè)章節(jié)的說(shuō)明、對(duì)比，ME方法在計(jì)算爆炸沖擊波方面能更好地模擬氣體爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的大小；可以借鑒和使用導(dǎo)則、案例等相對(duì)較多，減少了參數(shù)選取過(guò)程中人為因素帶來(lái)的不確定性；便于在同類(lèi)型工程中借鑒相關(guān)單位的經(jīng)驗(yàn)。使用ME方法對(duì)中心控制室抗爆進(jìn)行計(jì)算，能使控制室抗爆設(shè)計(jì)依據(jù)更加充分，可以提高中心控制室抗爆設(shè)計(jì)的可靠性，保障中心控制室的人員和設(shè)備安全。

由于沖擊波作用的大小與裝置的性質(zhì)、控制室的位置及其與爆炸源的距離密切相關(guān)，不同的裝置、同一裝置不同的位置、爆炸源與控制室間不同的距離，爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)控制室的作用都不一樣。不區(qū)分裝置的性質(zhì)、不考慮控制室與主爆炸源的遠(yuǎn)近而取固定的沖擊波參數(shù)顯然不符合實(shí)際情況，這些都是設(shè)計(jì)人員在計(jì)算沖擊波時(shí)要格外注意的問(wèn)題。

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Anti-explosion Model Selection and Calculation of Center Control Room

Xia Lansheng

(SINOPEC Ningbo Engineering Company Ltd., Ningbo, 315103,China)

Abstract：With being stronger of central control room function, aiming at the problem of stricter requirement of blast resistant for central control room, explosion calculation models and methods suitable for engineering design are discussed through study and comparison of characteristics, models and calculation methods for explosion with combination of relative cases in the aspect of explosive force calculation. It provides calculation basis for blast resistant structure design of central control room in petroleum chemical plants.

Key words：central control room; blast resistant; model

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)02-0007-05

作者簡(jiǎn)介：夏蘭生(1966—)，男，甘肅蘭州人，1990年畢業(yè)于清華大學(xué)環(huán)境工程系，就職于中石化寧波工程有限公司，從事石油化工建設(shè)項(xiàng)目的HSE設(shè)計(jì)工作，任副總工程師、高級(jí)工程師，已發(fā)表論文多篇。

稿件收到日期： 2015-01-15。