王海清，孫浩，張之秀

（1中國石油大學(華東)機電工程學院安全科學與工程系，山東青島266580；2中國石化海南煉油化工有限公司商儲海南分公司HSE部，海南洋浦578101）

化工廠含有大量可燃物質(zhì)，設備排列緊密、管道復雜導致阻塞率增加，一旦發(fā)生爆炸事故，極易造成嚴重的人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。為減小事故后果，有效地分析控制室的抗爆強度格外重要。

NORSOK Z-013[1]給出了爆炸定量風險分析的框架，但并未給出具體分析方法和案例。常見的爆炸評估方法和軟件，如荷蘭TNO實驗室提出的多能法、TNT法、Baker-Strehlow法和PHAST軟件等[2-3]，其中運用較多的是多能法，它綜合考慮了湍流加速和氣體活性等因素。然而它們屬于二維模型，很難考慮到化工廠區(qū)復雜的設備和管路系統(tǒng)對爆炸超壓的影響。近年來計算流體力學（CFD）軟件迅速發(fā)展，如AutoREAGas、Fluent和Flacs等，由于CFD模型能很好地表示出真實的物理環(huán)境，其越來越成為爆炸風險分析的主流[4-5]。Hansen等[6]利用Flacs軟件評估設備、管道、抗爆墻和關(guān)鍵建筑物的爆炸超壓，并將其轉(zhuǎn)換為實際受力，為設備的設計強度提供指導。Paik等[7]利用Flacs評估海上設施碳氫化合物發(fā)生泄漏后所造成的火災和爆炸風險，為安全屏障的設計提供指導。然而研究多是從事故后果出發(fā)，選擇最差工況或幾種場景研究設備或建筑物受事故的影響，未充分考慮到事故發(fā)生概率對建筑物風險的影響。

爆炸超壓受氣云體積、氣云位置、點火位置等因素的影響，而氣云體積和位置又受氣象條件、泄漏位置、泄漏速率的影響，這些因素排列組合導致爆炸事故場景數(shù)量巨大。CFD模型雖然能很好地表示真實的物理環(huán)境，但由于計算機資源和時間的限制，使得研究工作局限于最差工況的模擬或選取部分場景進行分析。以最差工況的分析結(jié)果，即設計事故載荷（design accident load）作為強度設計的參考值，不僅增加了場景選擇的不確定性，也可能造成過度設計。NORSOK Z-013中提出維度事故載荷（dimensioning accident load，DAL）的概念，即為了滿足定義的風險接受標準，功能或系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)能夠承受最嚴重的意外載荷。工廠或企業(yè)可以根據(jù)自身制訂的可接受風險標準確定DAL值。針對過度設計問題提出了一種基于維度事故載荷的確定控制室抗爆強度的方法，克服了設計事故載荷的缺點，解決了場景選取的不確定性和抗爆強度過度設計的問題，從事故發(fā)生概率和后果兩個角度綜合量化控制室抗爆載荷，為關(guān)鍵區(qū)域的強度設計和安全屏障的設立奠定基礎(chǔ)。

1 方法

為了選取有代表性的場景，從事故發(fā)生概率和后果兩個角度考慮控制室抗爆設計，結(jié)合NORSOK Z-013標準的相關(guān)技術(shù)概念，本文提出了一種基于DAL的確定控制室抗爆強度的方法。該方法主要包括4個部分，即場景構(gòu)建、場景篩選、計算控制室DAL和計算控制室爆炸載荷。第一步的任務是構(gòu)建事故場景集，并計算各場景的發(fā)生概率；第二步的任務是根據(jù)NORSOK Z-013和ALARP準則進行判斷，選取可信場景；第三步是對可信場景進行模擬計算，根據(jù)場景的爆炸超壓值和發(fā)生頻率繪制超壓-頻率超越曲線，結(jié)合ALARP準則確定控制室的DAL；第四步是以DAL為輸入，計算控制室的爆炸載荷。具體分析如圖1所示。

圖1 控制室抗爆強度分析流程

1.1 場景構(gòu)建與篩選

1.1.1 泄漏場景構(gòu)建

（1）風場集構(gòu)建 風場主要受風速和風向的影響。風速影響氣云的擴散速度和濃度；風向決定氣云擴散的方向，風向的變化會導致氣云的位置發(fā)生改變?？赏ㄟ^風向與風速的聯(lián)合分布概率構(gòu)建可燃氣體泄漏的風場集[8]。

（2）泄漏源集構(gòu)建 危險物質(zhì)泄漏是石化裝置發(fā)生火災、爆炸和中毒事故的根源，事故的發(fā)生概率取決于工藝設備的泄漏概率，即泄漏源的泄漏概率。目前國內(nèi)外常用的泄漏孔徑分類如表1所示。

表1 泄漏源孔徑分類

基礎(chǔ)泄漏數(shù)據(jù)主要來源于對各種工藝設備的統(tǒng)計，通常采用荷蘭COVO[9-10]和挪威船級社（DNV）[11]公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由多年的研究和現(xiàn)場經(jīng)驗得來，在國內(nèi)外得到了廣泛的應用。根據(jù)所公布的不同孔徑泄漏概率數(shù)據(jù)，區(qū)間內(nèi)任意孔徑的泄漏概率以插值公式求出，如式(1)所示。

式中，a為所選區(qū)間內(nèi)任意孔徑，mm；b為區(qū)間內(nèi)最大孔徑，mm；s為區(qū)間內(nèi)最小孔徑，mm；Fa為任意孔徑a的泄漏概率；Fb為孔徑b的泄漏概率；Fs為孔徑s的泄漏概。Fb和Fs從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中獲取。

（3）泄漏位置與方向 為了得到一個具有代表性的分布，每個區(qū)域應該至少有3個泄漏點，每個泄漏點具有4～6個泄漏方向。為了兼顧場景代表性和數(shù)量的關(guān)系，可以使用基于物理、幾何、通風方向和對稱性的思想簡化泄漏位置與方向的分布。泄漏方向應至少具有與風向相同、與風向相反兩種情況[1]。具體泄漏位置和方向的選取需根據(jù)廠區(qū)內(nèi)各區(qū)域的具體布置進行確定。

（4）泄漏場景篩選 綜合風速風向聯(lián)合概率分布與泄漏源泄漏概率，可以得出每個泄漏場景的發(fā)生概率。由于泄漏場景的排列組合數(shù)量巨大，工程中為兼顧計算經(jīng)濟性需要對泄漏場景進行篩選。安全行業(yè)標準AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風險評價導則》指出，當泄漏源泄漏概率小于10-8/a或事故場景造成的死亡概率小于1%時，在定量風險評價中可不考慮這種場景；NORSOK Z-013規(guī)定每年累積概率為10-4的超壓值為不可接受的界限。若泄漏和爆炸場景的發(fā)生頻率很小，這些場景的發(fā)生頻率對總場景的累積頻率的影響很小。綜合NORSOK Z-013和文獻[12]，最終取10-6作為場景篩選的臨界值，具體流程如圖1所示。

1.1.2 爆炸場景構(gòu)建

（1）延遲點火概率 危險物質(zhì)泄漏后遇點火源會發(fā)生火災和爆炸等事故，點火概率的研究是定量風險評價的關(guān)鍵要素之一。本文主要研究作用在控制室的爆炸載荷，故分析延遲點火概率?！妒b置定量風險評估指南》給出了延遲點火概率與泄漏速率之間的關(guān)系，如式(2)所示。

式中，Pi為延遲點火概率；e為自然常數(shù)，取2.718；m為質(zhì)量流量，kg/s，如式(3)所示[13]；C為泄漏系數(shù)；A為泄漏孔面積，m2；ρ為物質(zhì)密度，kg/m3；p為設備內(nèi)工作壓力，Pa；pa為大氣壓，Pa。

（2）氣云的位置和體積分布 爆炸超壓值受可燃氣云位置和體積的影響。不同體積的氣云所產(chǎn)生的爆炸超壓大小不同；氣云位置的變化會引起空間壓力分布發(fā)生較大改變。根據(jù)所構(gòu)建的泄漏場景集，經(jīng)篩選后的場景利用CFD軟件進行模擬，得到每一個場景的可燃氣云位置和體積的分布。

（3）爆炸場景篩選 根據(jù)泄漏場景的發(fā)生概率和延遲點火概率計算每一個爆炸場景的發(fā)生概率，取10-6/a作為爆炸場景篩選的臨界值，進行總事故場景的第二次篩選，經(jīng)篩選后的場景即為可信事故場景。具體流程如圖1所示。

1.2 計算控制室DAL

對可信場景利用FLACS軟件進行模擬計算，選取控制室為分析對象，計算控制室在每一個場景中所受的超壓值。根據(jù)場景發(fā)生頻率和后果，繪制控制室超壓頻率超越曲線。根據(jù)可接受風險標準，確定控制室的DAL，具體如圖2所示。

圖2 DAL分析流程

1.3 控制室爆炸載荷

選取《石油化工控制室抗爆設計規(guī)范》的計算方法，以控制室DAL為峰值入射超壓，把控制室等效為矩形，作用在控制室前墻、側(cè)墻及屋面和后墻的爆炸載荷計算如式(4)～式(15)所示。

（1）前墻爆炸載荷

①峰值反射壓力

式中，pr為峰值反射壓力，kPa；pso為峰值入射超壓，kPa，應根據(jù)爆炸安全性評估確定，本文以控制室的DAL為峰值入射超壓。

②停滯壓力

式中，ps為停滯壓力，kPa；Cd為阻力系數(shù)，取決于障礙物表面的形狀及朝向，對于控制室，前墻取1.0，側(cè)墻、屋面和后墻取-0.4；qo為峰值動壓，kPa，由式(6)計算得到。

式中，pa為大氣壓力，取101.325kPa。

③前墻正壓等效作用時間

式中，td為爆炸安全性評估確定的爆炸沖擊波正壓作用時間，s；tc為反射壓持續(xù)時間，s，通常情況下tc＜td，當計算的tc＞td時，取tc=td；S為停滯壓力點到建筑物邊緣的距離，m，取建筑物高度H或硬包面框度的一半；U為波速，m/s，由式(10)計算得到；te為前墻正壓有效作用時間，s；lw為正壓沖量。

（2）側(cè)墻及屋面爆炸載荷

作用在側(cè)墻及屋面的爆炸載荷和作用時間如式(11)、式(12)所示。

式中，pa為作用在側(cè)墻和屋面上的有效沖擊波超壓，kPa；Ce為等效峰值壓力系數(shù)；tr為側(cè)墻及屋面有效沖擊波超壓升壓時間，s；L1為沖擊波結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長度，m。計算側(cè)墻時L1取1；計算屋面時，當沖擊波方向與屋面板跨度平行時取屋面板跨度，垂直時取1；計算后墻時，取建筑物高度。

（3）后墻爆炸載荷

式中，pb表示作用在后墻上的有效超壓，kPa；ta表示沖擊波到達后墻的時間，s；D表示平行于沖擊波方向的建筑物尺寸，m；trb表示后墻上有效沖擊波超壓升壓時間，s。

2 案例

以某廠區(qū)丙烯單元為例，該單元占地面積約為9000m2，主要分為丙烯工藝區(qū)、儲存區(qū)和控制室3個區(qū)域?？刂剖遗c工藝區(qū)之間距離為27m。該工藝單元丙烯密度為516kg/m3，操作壓力為0.6MPa，溫度為20℃。根據(jù)廠區(qū)具體布置，利用FLACS前處理工具CASD進行三維模型的構(gòu)建，整個計算區(qū)域大小為170m×130m×40m，泄漏場景中總網(wǎng)格數(shù)量為884986個，所采用的網(wǎng)格為FLACS通用網(wǎng)格大?。?m×1m×1m），并在泄漏孔附近進行了網(wǎng)格加密。由于爆炸仿真需要準確地捕捉超壓值的分布情況，所以爆炸場景中所采用的大小為0.7m×0.7m×0.7m，網(wǎng)格數(shù)量為1726562，具體如圖3所示。

圖3 廠區(qū)模型圖

2.1 可信事故場景篩選

NORSOK Z-013中建議應至少考慮8種風向、兩種風速。為綜合考慮風速、風向?qū)怏w擴散的影響，選取了8種風向和7種風速組成的風場。根據(jù)該地區(qū)的氣象觀測數(shù)據(jù)可得出風速風向聯(lián)合分布概率，如表2所示，表中數(shù)值表示相應風速風向的出現(xiàn)概率。

表2 風速、風向聯(lián)合分布概率

泄漏孔徑理論上有無限種可能，根據(jù)NORSOK Z-013中的建議，由于小孔泄漏對廠區(qū)的影響較小，根據(jù)表1中泄漏孔徑的分類，選取3種泄漏孔徑（50mm、100mm和200mm）進行泄漏場景的模擬，根據(jù)式(1)計算各孔徑的泄漏概率，如表3所示。

表3 泄漏孔徑及泄漏概率

由于罐體底部管道系統(tǒng)復雜、縱橫交錯，導致阻塞率增加，一旦發(fā)生泄漏會造成嚴重的后果。選取罐體底部管道為泄漏源，根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)對泄漏場景集進行篩選，以發(fā)生頻率10-6/a作為泄漏場景篩選的臨界值，總場景數(shù)為168個，經(jīng)篩選后泄漏事故可信場景數(shù)量為77個。以發(fā)生頻率10-6/a為爆炸場景的選取標準，對總事故場景進行第二次篩選，經(jīng)篩選后可信爆炸場景個數(shù)為37個，對這些可信場景進行模擬計算。

2.2 泄漏模擬

泄漏模擬的流程如圖4所示，物理模型是CFD計算的基礎(chǔ)，準確地表示出廠區(qū)內(nèi)各設備和管道的布置可以使計算結(jié)果接近真實值。隔離段的特性和泄漏孔徑?jīng)Q定了泄漏的質(zhì)量流量和持續(xù)時間；廠區(qū)內(nèi)的氣象條件（如風速、風向）會影響氣云的位置和體積。在正確表示真實物理參數(shù)的基礎(chǔ)上進行泄漏模擬，根據(jù)計算結(jié)果（如氣云圖、FUEL文件）確定每一個場景的氣云位置和體積。利用FLACS軟件對37個可信場景進行仿真計算。

圖4 泄漏場景分析流程

FLACS中Q9被用于表示等效化學計量云體積，將非均質(zhì)氣體云縮放為較小的化學計量氣云從而產(chǎn)生與原始氣云相近的爆炸載荷。圖5為各泄漏孔徑下37個泄漏場景所產(chǎn)生可燃氣云體積的平均值和最大值。氣云平均體積分別為538m3、4250m3和11785m3，可以看出，隨著泄漏孔徑的增加，泄漏形成的可燃氣云體積在增加。在泄漏量相同的情況下，泄漏孔徑為100mm時所產(chǎn)生的可燃氣云平均體積是50mm泄漏孔徑的7.9倍；泄漏孔徑為200mm時所產(chǎn)生的可燃氣云平均體積是50mm泄漏孔徑的21.9倍，是泄漏孔徑為100mm時所產(chǎn)生的可燃氣云平均體積的2.8倍。可以看出，在泄漏量相同的情況下，泄漏孔徑越大形成的可燃氣云體積越大，這是因為當泄漏孔徑相對較大時，泄漏所產(chǎn)生的氣云被風場稀釋的速度較慢。

圖5 爆炸極限范圍內(nèi)的最大和平均可燃氣云體積

相同孔徑下可燃氣云最小體積、平均體積與氣云最大體積差距較大，當泄漏孔徑為50mm時，泄漏所形成的最大氣云體積是平均體積的1.7倍，是最小氣云體積的3.1倍；當泄漏孔徑為100mm時，泄漏所形成的最大氣云體積是平均體積的2.9倍，是最小氣云體積的15.4倍；當泄漏孔徑為200mm時，泄漏所形成的最大氣云體積是平均體積的1.5倍，是最小氣云體積的3.5倍。

綜上所述，在相同泄漏量的條件下，泄漏孔徑的增加會導致泄漏產(chǎn)生的可燃氣云體積的大幅度增加；在相同的泄漏工況下由于風場的改變導致形成的可燃氣云體積有很大的差距，如果只考慮最差工況或幾種場景研究控制室的抗爆強度，雖然能很好地將風險降低到最小，但卻過度設計了控制室的抗爆強度，不符合安全-經(jīng)濟的理念。

為了分析37種泄漏場景的模擬結(jié)果，計算了氣體監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各場景所產(chǎn)生的氣云體積累積曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著氣云體積的增加，對應的累積概率不斷減小。體積小于1000m3的氣云占65%；體積大于12000m3的氣云占10%，說明廠區(qū)發(fā)生泄漏事故時產(chǎn)生大體積氣云的概率很小，若不考慮場景發(fā)生概率，只以一種或幾種工況的模擬結(jié)果作為控制室抗爆設計的參考值，不但會增加場景選擇的不確定性，也會造成計算結(jié)果不具代表性，無法準確量化控制室的風險。

圖6 氣云體積累積分布

為了表明不同場景的事故后果不同，分析其他工況相同時不同風速對氣云體積的影響，如圖7所示。圖7(a)和圖7(b)表示泄漏孔徑為100mm、風向為南時，不同風速條件下的可燃氣云分布情況。從圖7中可以看出，其他條件相同的情況下，風速為3m/s時氣云的分布范圍廣，擴散到了控制室周圍，此時形成的可燃氣云體積為4766m3，若發(fā)生爆炸事故則會對控制室造成較大的影響；當風速為7m/s時，泄漏出的氣云受風速的影響快速擴散，可燃氣云濃度迅速減小，該場景下產(chǎn)生的最大可燃氣云體積為826m3，控制室在該場景下受爆炸事故影響的程度較小?？梢钥闯?，不同場景下所產(chǎn)生的事故后果不同，為了準確評估控制室受事故的影響程度，應從事故發(fā)生的概率和后果兩個維度出發(fā)，綜合考慮各個場景的發(fā)生概率和后果，而不應只考慮最差工況下的后果，以免造成過度設計。

圖7 不同風速下的氣云分布圖

2.3 爆炸模擬和結(jié)果分析

泄漏模擬的輸出數(shù)據(jù)是爆炸模擬的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)氣云位置、體積和點火位置對每一個爆炸場景進行計算，根據(jù)計算得出的超壓數(shù)據(jù)分析氣云體積和超壓的關(guān)系以及超壓-頻率超越曲線，以ALARP和NORSOK Z-013為標準進行判斷，計算控制室DAL。具體流程如圖8所示。

圖8 控制室DAL評估流程

氣云位置、體積和點火位置是影響爆炸超壓的重要因素。氣云位置和體積由泄漏模擬結(jié)果得出。由于邊緣點火的火焰?zhèn)鞑サ穆窂奖戎行狞c火長，相同條件下邊緣點火所產(chǎn)生的爆炸超壓比中心點火要大，保守選取邊緣點火進行超壓計算。圖9為氣云體積與爆炸超壓之間的關(guān)系，可以看出，不同場景所產(chǎn)生的爆炸超壓值差距較大，37組場景產(chǎn)生的爆炸超壓值的最大值、平均值和最小值分別為10.1kPa、1.16kPa和0.01kPa，可以得出結(jié)論，在控制室強度設計時，若只考慮后果而不考慮場景發(fā)生的概率則會造成過度設計。

圖9 氣云體積與爆炸超壓之間的關(guān)系

為了計算控制室DAL，結(jié)合場景的爆炸超壓和發(fā)生頻率繪制超壓-頻率超越曲線，根據(jù)ALARP準則確定控制室DAL，結(jié)果如圖10所示。選取10-5/a為個人可接受風險標準的上限，可以得出控制室DAL的取值為3.3kPa，以DAL為控制室爆炸載荷的峰值入射超壓。

圖10 控制室超壓-頻率超越曲線

2.4 控制室爆炸載荷

經(jīng)爆炸模擬計算結(jié)果，確定了控制室抗爆載荷的峰值入射超壓和正壓作用時間分別為3.3kPa和100ms。為了對比DAL和傳統(tǒng)的設計事故載荷方法的不同，分別以DAL和最差工況的超壓值為峰值入射超壓，根據(jù)式(4)～式(15)分別計算控制室爆炸載荷，結(jié)果如表4所示。

由于前墻受爆炸超壓的直接影響，取前墻的爆炸載荷為強度設計的參考值。由表4可以看出，基于DAL方法確定的中控室抗爆載荷值為3.34kPa，以傳統(tǒng)的最差工況確定的中控室抗爆載荷值為10.45kPa。根據(jù)《石油化工建筑物抗爆設計標準》，當爆炸載荷不大于6.9kPa時，應采用鋼筋混凝土框架-組合磚砌體結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)；當爆炸載荷大于6.9kPa小于21kPa時，應采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。基于DAL的方法計算出的爆炸載荷與最差工況下的爆炸載荷位于不同的區(qū)間，所以控制室所采用的抗爆結(jié)構(gòu)不同?？梢钥闯?，若以最差工況產(chǎn)生的超壓值為控制室抗爆載荷的參考值，雖然可以有效地降低控制室的風險，但是在選取最差工況時會造成場景選取的不確定性，造成過度設計。而基于DAL的方法從事故發(fā)生概率和事故后果兩個角度來量化控制室爆炸載荷，能夠合理地選取可信場景并能夠合理地對關(guān)鍵區(qū)域進行設計，在達到可接受風險標準的條件下能夠減小設計成本，符合個人可接受風險標準和安全經(jīng)濟的設計理念，為控制室的抗爆強度的設計提供了一定的理論基礎(chǔ)。

表4 控制室爆炸載荷計算值

3 結(jié)論

（1）基于DAL的確定控制室抗爆強度的方法既能有效地篩除發(fā)生概率很小的場景，也能減小場景選取的數(shù)量和不確定性，使得計算結(jié)果更具代表性。

（2）相同泄漏孔徑下，由于風速、風向的不同導致產(chǎn)生的可燃氣云體積有很大的差距，當泄漏孔徑為100mm時泄漏所形成的可燃氣云最大體積是最小體積的15.4倍，不同氣云體積會導致不同的爆炸超壓。如果以最差工況研究控制室抗爆強度而不考慮場景發(fā)生概率，不僅在最差工況的選取時有不確定性，也會造成過度設計。

（3）以維度事故載荷（DAL）代替設計事故載荷為控制室抗爆強度的峰值入射超壓，既考慮了事故的發(fā)生概率也考慮了事故后果，在達到可接受風險標準的條件下能夠減小設計成本，滿足風險的度量標準，使控制室抗爆強度的設計更加安全經(jīng)濟，為重要建筑物的抗爆強度設計和安全屏障的建立提供了一定的理論基礎(chǔ)。