加油储罐火灾爆炸事故分析

加油储罐火灾爆炸事故分析

0安全事故中复建港油站事故后果石油产品具有低燃料储存和蒸汽形成的低能耗，蒸汽密度高于空气密度。它可以延伸到底部，并与空气混合形成爆炸气体。由于火灾、雷声、静电监测和电气装置（装置）引起的火焰、摩擦和火焰事故等。加油站作为储存和注入危险石油产品的场所，是危险爆炸环境。近年来，由于区位优势、设计错误、施工质量差、安全管理不足等原因，火灾发生的安全事件频发。例如，2001年，河南郑州石化工公司的加油站因油罐接头破裂，导致中国大陆上埋有储水池的爆炸事故。4人死亡，12人受伤。本文针对加油站典型危险源油品存储罐区,选择实际建设案例,通过对罐体结构及装卸油工作区的系统安全分析,确定其可能发生危险的途径及可能导致事故的形式,在此基础上,采用数值模拟等方式对加油站油品存储罐区的事故后果进行了定量计算和分析评价.评价的结论对于加油站整体布置与设计、消防设施选型与配备具有一定的参考价值.1油罐及管线的安装目前,加油站油品罐区的储罐一般选择地埋方式,地下油罐的埋地方式有两种,一种是直埋式,一种是罐池式.加油站埋地油罐一般采用卧式罐,油罐上开设油品进出口、放空口、量油口、人孔和液位传送口等管口.安装在罐池中的储罐,可同地上储罐一样直接在罐体上开设各种管口.直接埋入土中的储罐,其接管方式常采用在罐体上开设两个管口,其中一个作为入孔,内设爬梯,供检修用;另一个类似于入孔,其孔盖上开设各种管口.油罐入孔处设有操作井,操作井包括量油孔、油罐进出油管线、通气管管线等.量油孔孔口处设有量油帽,量油帽直接与量油结合管相连伸入储罐,距罐底0.2m,量油计采用机械方式量油.出油管线一端与加油机相连,另一端伸入罐体距罐底0.15m,端口设置双门底阀.由于加油站采用了卸油油气回收系统和加油油气回收系统,油罐通气管线安装了工作压力在2000～3000Pa范围内的机械呼吸阀,并在顶端设有阻火透气阀,阻火透气阀与地面距离4m.卸油井内的进油管线末端设有手动阀门和过滤器,均设置在进油井内.另外,油罐内还设有具有对液位上下限报警功能的液位计.直埋式油罐及管线的具体安装示意图见如图1.油罐作为油品储存的主要形式,由于原油产品本身的理化特性,使其具备了火灾爆炸的危险性.可燃气体浓度达到爆炸极限的原因有两种,一是因油罐及其附件破损导致油品泄露,泄露未及时发现或得到有效控制而形成燃烧爆炸环境;例如,油罐在加油作业时,由于操作人员疏忽发生冒顶,就会有大量油品在操作井内蔓延,油品在操作井内的剩余空间内挥发与空气形成可燃性混合气体;进出油管道可能会由于管线腐蚀、机械碰撞等原因破裂,泄露的油品在卸油井内挥发形成爆炸性混合气体.二是油罐检修维护时,清罐不合格,罐内油气浓度依然较高,随着维修工作的进行,油气与空气混合就可能会达到爆炸极限浓度范围内,从而形成燃烧爆炸环境.点火源主要包括明火、撞击火花、电火花、雷电火花和静电火花.加油站内违章吸烟、罐区拨打手机、违章动火、使用不防爆工具等都会直接或间接地提供点火源.另外,避雷装置失效、油品流动产生静电等都会导致静电积聚,达到油品的点火能.埋地油罐火灾爆炸事故主要有以下四种情况:(1)油罐内无油液.当油品不能持续供应或油罐由于泄露、设备故障等都会导致油罐空罐.在对油罐进行维修、年检时要清洗,若油罐未清洗或清洗不彻底而产生达到爆炸极限的混合气体,这时遇到焊火、雷击火花、开启罐盖或孔口时产生撞击火花,或者油罐水洗后,水自一定体积的油品中沉降,产生静电火花等,都会发生爆炸.(2)油罐内有油液.当油罐内装有油液,其罐内非液体部分的混合气体达到爆炸极限时,遇到火源就会发生爆炸.由于油罐内装有油液,发生爆炸后,罐体破裂,同时与油罐相连的操作井会在爆炸冲击波巨大的压力作用下被掀开,油罐中剩余的油直接与空气接触,在爆炸后的高温环境下被引燃,引起的火灾形成池火或形成二次爆炸,这是储罐区可能发生的最严重的火灾爆炸事故.导致油罐发生蒸气云爆炸的点火源主要包括明火、雷击火花和撞击火化等.例如,罐区避雷针设施失效,罐体在雷雨天气时就会积累静电,产生足以引燃可燃油气的能量;对储罐进行日常监测和维护工作中,入空罐盖、机械计量装置等都会产生摩擦电火花形成点火源.(3)油罐附件发生泄露.操作井中的进出油管及呼吸管(阀)、量油管的管线由于化学腐蚀和机械碰撞等原因发生油品泄露,泄露油品在操作境内蒸发,形成易燃易爆性混合气体.在罐区检修维护时,所使用的工具可能会与罐体金属摩擦产生足以点燃油气的火花,操作境内发生蒸气云爆炸,破坏罐体和临近管线后引燃泄露油品.另外,油罐罐盖密封不严、进出油口阀门封闭不严、卸油油气回收系统出现故障等都会导致燃烧爆炸性环境的形成,在明火、雷击火花和撞击火化等作用下都会发生火灾爆炸事故.(4)油罐外部火灾爆炸事故.地埋式储罐部分附件,如阻火透气阀管道、出油管双门底阀量油孔所在管道井、进油管及阀门井与外界相连,这些设施在外接事故或者机械碰撞等作用下可能会发生破裂,导致油罐内挥发性油气发生泄露,遇到点火源使储罐发生爆炸,或者这些部件在外接事故作用下直接发生燃烧爆炸,进而会引起储罐发生火灾爆炸事故.2系统模型模拟上述油品罐区火灾爆炸危险性分析给出了四种火灾爆炸事故的形成模式,指出事故发生的主要原因是危险爆炸环境的形成.蒸气云爆炸数学模型依据爆炸事故产生的爆炸冲击波对周围设备和人员的伤害程度进行评估.池火灾数学模型通过火灾的热辐射强度对周围设备和人员的影响进行评估.因此,本文拟采用蒸气云爆炸数学模型模拟油罐区发生蒸气云爆炸的事故后果;采用池火灾数学模型模拟罐区由于爆炸引起的罐内池火灾的事故后果.2.1含量测定方法tnt采用TNT当量法描述爆炸事故的能量释放程度,把某次爆炸事故造成的破坏状况与XkgTNT爆炸造成的破坏状况相当,即把爆炸燃料的质量换算成TNT当量,具体见式(1).WTNT=αWfQfQTNT(1)WΤΝΤ=αWfQfQΤΝΤ(1)式中,WTNT为蒸气云爆炸事故的当量TNT质量(kg);α为蒸气云的TNT当量系数,通常取4%;Wf为泄漏到空气中的燃料质量(kg);Qf为参与蒸气云爆炸事故的燃料燃烧热(MJ/kg);QTNT为TNT的爆炸热,一般取值4.52MJ/kg.采用TNT当量法描述火灾事故的方法是计算处于燃烧范围内的燃料质量,然后利用式(2)计算蒸气云爆炸事故的当量TNT质量.WTNT=W′fQf/QTNT(2)式中,W′f为混合气中处于燃烧范围内的燃料质量(kg).埋地油罐因爆炸产生伤害的距离范围,采用莱克霍夫爆炸冲击波超压与距离关系的经验公式进行计算,见式(3).R=(0.8WTNTP)13(3)R=(0.8WΤΝΤΡ)13(3)式中,R为爆炸伤害距离(m);P为爆炸冲击波超压(MPa).爆炸冲击波造成的伤害,主要依据表1的冲击波超压“伤害-破坏准则”,分别表示对人体的伤害作用和对建筑物的破坏作用,并计算冲击波造成的死亡区、重伤区、轻伤区、财产损失分区等半径.2.2u3000加入热传导系数池火灾的危险性主要是热辐射,火焰通过辐射对液池周围的物体传热,火焰对物体的辐射通量取决于火焰温度、厚度、火焰内辐射粒子的浓度和火焰与被辐射物体之间的几何关系等因素.热辐射通量的计算见式(4).Q=(πr2+2πrh)dmdtηHC/[72(dmdt)0.61+1](4)Q=(πr2+2πrh)dmdtηΗC/[72(dmdt)0.61+1](4)式中,Q为总热辐射通量;η为效率因子,可取0.13～0.35.假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来,则在距液池中心某一距离(X)处的入射辐射强度为:I=Qtc4πX2(5)Ι=Qtc4πX2(5)式中,I为辐射强度(W/m2);Q为总热辐射强度(W);tc为热传导系数,在无相对理想数据时,可取1;X为目标点到液池中心的距离(m).表2为不同热辐射值对人体的伤害和周围设施的破坏情况.3案例应用3.1车站工程特点本文所选加油站位于天津市某高速公路服务区内,加油站油品罐区共6个埋地油罐,其中,50m3汽油罐2个、50m3柴油罐4个,总容积200m3(柴油折半计入),属于一级加油站.站内设加油岛6座,加油机共6台.埋地油罐西侧距加油站围墙17.31m,东侧距站房5m、距最近加油机12.83m,北侧距公厕59.4m.加油站储油罐为钢制卧式油罐,所用钢板厚度为6mm,采用直埋方式设置,顶部覆土厚度为1.2m,进油管距管底0.2m,油罐设有高液位报警功能的液位计.该加油站的油罐区设置四处防静电接地装置,接地电阻不大于10Ω.该加油站管线一共包括三部分:进油管线、出油管线和油罐通气管线.输油管道采用无缝钢管焊接连接形式,埋地设置,砂土回填,管顶距路面不小于350mm.加油站卸油口采用密闭卸油方式和油气回收系统.密闭卸油管道的接口设快速接头及闷盖,油气回收系统前设手动阀门.储油罐通气管线根据规范要求进行安装,采用直径50mm的钢管,在距离地面高度4m处的出口端设置阻火呼吸阀.3.2火灾事故面积的数学模型3.2.1油罐半罐火灾袭击场景依据上述加油站布局与油品罐区储罐火灾爆炸危险性分析,总结加油站事故案例,可以得到以下几种最常见的火灾爆炸场景模式.(1)油罐空罐爆炸场景.油罐只有汽油蒸汽,油气与空气混合达到爆炸极限下限,油罐遇到点火源发生爆炸.(2)油罐半罐火灾爆炸场景.假设一个汽油罐剩余油品50%,罐内部无汽油空间因油品挥发形成爆炸性混合气体并达到爆炸极限下限,遇点火源发生爆炸;爆炸使油罐上面炸开,部分油品汽化,与空气形成爆炸混合物,发生二次爆炸,假设爆炸压力与前次未叠加,二次爆炸后,汽油罐有余油会形成池火;假设整个事故过程不危及油品灌区其它油罐.(3)油罐外部因素导致的火灾场景.油罐进出油管线由于化学腐蚀和机械碰撞等原因发生油品泄露,泄露油品在操作井内挥发形成易燃易爆混合性气体,遇到点火源后发生爆炸.爆炸冲击波破坏罐盖,使罐内油品与高温空气直接接触,从而引发储罐发生二次爆炸或者直接引起罐内池火灾事故.3.2.2不同场景下火灾爆炸事故影响的数学模型如下以汽油储罐为例,不同场景下火灾爆炸事故伤害范围的数学模拟如下.(1)油罐爆炸场景的数学模拟计算结果油罐内油气含量为2.36%,W′f=5.34kg,WTNT=51.63kg.油罐爆炸的伤害距离(R1)及伤害程度见表3.(2)油罐半罐火灾爆场二次爆炸后连续时时油罐内外因素导致的灾害油罐半罐火灾爆炸场景参与二次爆炸的燃料应与一次爆炸的能量有关,假设第二次爆炸有1/10的能量用于汽油汽化,计算得出W′f=2.7kg,用于汽化的能量E=11799.0kJ.汽化汽油的质量约为35.2kg,汽油蒸气带出的和爆炸喷出的液滴汽化蒸气是能量汽化的6倍,估算蒸气云中的燃料质量为Wf=211.3kg,蒸气存在大量的液滴,参与蒸气云爆炸的燃料占总燃料的百分比低,α取1%,计算TNT当量WTNT=20.4kg.用TNT当量计算出对应的伤害半径(R2)及伤害程度,具体结果见表3.油罐半罐火灾爆炸场景二次爆炸后汽油罐有余油会形成池火,储罐规格为3000mm×7500mm,最大面积的半径R=2.7m,汽油的燃烧速度为0.0256kg/(m2·s),用池火火焰与辐射强度评价模型计算火焰高度为6.56m,当液池燃烧时放出的总热辐射通量为5847.5kW,根据不同的辐射强度(入射通量)计算出对应的距离,见表4.油罐外部因素导致的火灾场景的模式主要包括蒸气云爆炸事故和罐内池火灾事故.与油罐半罐火灾爆炸场景二次爆炸后形成池火的灾害模式类似,不再赘述.3.3设施影响的程度分析、对照城市加油站设计规范要求加油站距甲乙类物品生产厂房、库房和甲乙类液体储罐间距为25m;距重要公共建筑50m;距一类保护民用建筑25m;距明火或散发火花地点30m;距其他生产厂房18m;距城市道路10m.城市加油站设计规范要求站内设施之间间距、实例中加油站各设施之间间距、罐区火灾爆炸事故对相邻建(构)筑物及设备设施影响的程度分析、对照见表5.由3.2中的模拟计算及表5给出的分析、对照结果,可知:(1)规范要求城市道路距油罐10m,热辐射强度为4.0kW·m-2,伤害程度为“20s以上感觉疼痛,并未起泡”,属于可以接受的范畴;爆炸波超压为对人体的伤害程度为“人员严重伤害”,属于不可接受的范畴.实际设计距离为17.31m,热辐射及爆炸波超压造成伤害的程度均属于可以接受的范畴.(2)规范要求加油站距重要公共建筑50m、一类保护民用建筑25m,热辐射强度为小于1.6kW·m-2,伤害程度为“长期辐射无不舒服感觉”,属于可以接受的范畴;爆炸波超压为对人体的伤害程度为“人员轻微伤害”,属于可以接受的范畴.实际设计距离为距站房5m、距其它最近建筑59.4m,对站房的热辐射及爆炸波超压造成伤害的程度均属于可以接受的范畴,对其它最近建筑属于不可接受的范畴.(3)对密闭卸油点,由于实际的原因,设计距离不可能距油罐区太远,规范要求设计距离3m,本案例实际设计距离为3.2m