重大危险源多米诺效应研究

重大危险源多米诺效应研究

1多米诺效应引起的重大事故和重大危险源犯罪由于潜在的巨大能量，大型危险因素往往会造成巨大的破坏。然而，在工厂和工业区，风险因素通常包括几个风险因素。当一个危险因素发生事故时，其他危险因素也会相继发生事故，可能会造成更大的灾难。在这种情况下，这种现象被称为多米诺效应或连锁反应效应。我国由于历史原因,城市安全规划不尽合理,各种危险源之间的安全距离不足,因此对重大危险源的多米诺效应的研究具有重要的现实意义。以往的事故资料表明不少重特大危险化学品事故是由于多米诺效应引发的。例如,1979年9月温州电化厂液氯钢瓶爆炸事故,一氯气瓶爆炸飞出碎片引发其他氯气瓶的破裂,最终造成死亡59人,中毒779人,经济损失63万元的重大事故。1997年6月27日,北京东方化工厂储罐区由于人员操作失误,造成石脑油罐冒顶泄漏后遇明火发生第一次燃爆,继而引发罐区内乙烯罐等其他罐的爆炸和燃烧事故,最终死亡9人、伤39人、直接经济损失1.17亿元。1998年3月5日的西安煤气公司的一液化石油气储罐泄漏后发生爆炸,引发其他储罐燃烧、爆炸的事故造成死亡11人,重伤33人。2005年11月13日,吉林石化分公司双苯厂硝基苯精馏塔也是发生多次连锁爆炸,造成8人死亡,60人受伤,直接经济损失6908万元,并引发松花江水污染事件。国外的1984年墨西哥LPG事故造成500多人死亡也是一个非常典型的多米诺事故的例子。Ⅱ由于多米诺效应的严重性,欧盟的塞维索法令对于重大危险源的多米诺效应作出专门规定,要求重大危险源企业提交的安全报告中要有多米诺效应分析的内容,可能产生多米诺效应的企业之间要共享危险源信息等。而我国目前对于重大危险源的多米诺效应方面研究很少,特别是在安全评价或土地使用规划中很少考虑重大危险源的多米诺效应。本文对火灾、爆炸和碎片飞出等情况引发多米诺效应的机理进行了分析,给出了不同情况下引发多米诺效应的阈值,并使用该方法确定液化石油气储罐泄漏发生蒸气云爆炸后可能引发多米诺效应的范围。2事故后果的多米诺分析传统的事故后果分析主要关注对于人员造成危害,而在多米诺效应研究中主要关注的是在初始事故的各种场景下,有哪些目标设备会受到影响,从而造成更大的危害。目标设备破坏后产生的事故后果影响范围则可采用传统的后果分析方法。根据相关研究资料和以往工业事故案例表明,重大危险源的多米诺效应主要是由于火灾、爆炸冲击波以及爆炸产生碎片撞击引发的,尽管有的文献认为毒气泄漏也会引发多米诺效应,但这种多米诺事故主要是通过对人员中毒而影响应急或操作失误而间接造成的,本文对此情况不予考虑。另外应注意的是对于一个初级事故可能同时产生爆炸冲击波、热辐射及碎片而引发多米诺事故,如BLEVE事故。2.1火灾引发的多米诺事故火灾是化工厂中常见的事故。它是可燃物质在空气中剧烈氧化产生大量热的现象。火灾引发多米诺事故主要通过两种方式,一种是火焰直接包围或接触目标设备而引发事故,另一种是火灾的热辐射造成目标设备失效而引发多米诺事故。以下对工厂中最常见的火灾事故场景池火灾、闪火、火球、喷射火等分别进行分析论述。目标设备与火焰的接触池火灾是易燃液体形成液池后遇到火源而被点燃的火灾。根据有关文献的统计池火灾引发的多米诺事故次数仅次于爆炸事故,占到44%。池火灾引发多米诺事故有两种情况。一种是目标设备完全或部分被包围在火焰内,大多数池火灾引发的多米诺事故是这种情况造成的。另一种情况是火焰不直接接触目标容器通过热辐射对目标设备造成影响。根据相关研究,当被目标设备与火焰直接接触的情况,则大都会引发多米诺事故。热辐射造成设备破坏则需要一定辐射强度和时间。根据有关学者的研究,对于无防护常压容器,当辐射热小于10kW/m2时容器失效时间大于30分钟;无防护压力容器,当辐射热低于40kW/m2时失效时间大于30分钟。喷射火引发多米诺事故包含易燃气体或闪蒸液体的压力容器或管道发生泄漏后,点燃后可能导致喷射火。喷射火是湍流火,由于很高的喷射动能,在泄漏方向上会产生有很长距离。由于事故发生频率较高和较大的危害半径,因此喷射火也很容易导致多米诺事故。与池火灾类似,喷射火可以通过火焰直接烘烤或热辐射引发事故升级。喷射火引发多米诺事故主要是火焰直接接触目标容器的情况下发生,有关文献表明目标设备甚至在水喷淋和隔热层情况下,喷射火接触容器壁,可能形成热点,也能导致BLEVE或容器物理爆炸。由于压力容器的设计结构、壁厚等因素,热辐射情况下引发多米诺效应压力容器比常压容器失效需要更高的热辐射量。闪火属于扩散云团闪火是可燃性气体或蒸气泄漏到空气中并与之混合后被点燃而发生的一种非爆炸性的燃烧。闪火的主要危害来自直接接触火焰以及热辐射。可燃物云团的大小决定了可能造成直接火焰接触危害的面积。而云团的大小则与泄漏和扩散的条件相关。闪火事故发生条件与蒸气云爆炸类似,是处于爆炸极限范围内的可燃物质发生泄漏经过一定延迟时间后被点燃。唯一的区别是闪火发生后,火焰传播过程中没有自我加速的条件,即泄漏源不产生紊流,空间也不存在局部约束条件。闪火一般表现为低速燃烧,其持续时间一般从几微秒到几秒,比目标设备受热辐射失效时间可以低几个数量级。因此闪火一般不会引起多米诺事故。但是可能发生闪火火焰直接接触易燃物质并将其点燃的多米诺事故。火焰引发多米诺事故火球一般是易燃液化气体瞬时泄漏后,立即点燃的结果。火球的特征为几乎为球状的燃料气,蒸气浓度在火球内部要高于可燃极限上限,基本上是湍流式从外向内燃烧。蒸气的燃烧导致球体浮动上升,火球的体积在逐渐增大。易燃液体压力容器发生沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)后往往会产生火球。火球燃烧过程不会产生冲击波,但是燃烧过程中高强度的热辐射带来极大的危险。但火球事故的持续时间一般不长,以LPG为例通常小于60s(见表1)。火球引发多米诺事故,不同文献对此有不同的看法。有学者分析认为由于火球持续时间较短,远小于目标设备失效所需时间,因此火球的热辐射情况不会引发多米诺事故。压力容器即使在被火球包围情况下其失效时间也远大于火球持续时间,因此一般不认为会引发多米诺事故。火球包围下常压容器的失效时间一般也大于火球持续时间,但属于一个数量级,出于保守考虑,如果常压容器位于火球半径范围内,则认为可能引发多米诺事故。2.2远传播的波浪在化工厂中爆炸比其他事故更容易引发多米诺效应。有学者统计100起多米诺事故中与爆炸相关的数量最多,占到47%。爆炸是能量剧烈快速释放的过程,同时伴随着由近及远传播的冲击波。在绝大多数爆炸事故中这种在空气中传播的强冲击波是造成附近建筑物、设备等破坏以及人员伤亡的重要原因。因此一旦发生爆炸事故,可能由于其产生的冲击波对附近的危险源造成破坏从而引发多米诺事故发生。爆炸冲击波事故引发多米诺效应比较复杂,不仅与爆炸事故产生的超压大小有关,而且受冲击波反射、阻力效应、与目标设备的相对位置以及目标设备的机械特性等因素所影响。对于冲击波引发多米诺效应在工业中最常见的初级事故场景包括凝聚相爆炸、蒸气云爆炸、物理爆炸、沸腾液体扩展蒸汽爆炸等。2.3抛射距离对事故发生的影响当设备发生物理爆炸或BLEVE时,除了产生冲击波外,设备会破裂,产生碎片飞出。这种碎片的飞行速度、飞行距离以及穿透能力非常大,可能会造成较远距离的建筑物、设备等破坏,从而导致多米诺事故的发生。碎片数目、形状和重量主要与设备的特性相关,抛射距离主要与初始碎片速度、最初抛射方向、角度以及碎片的阻力系数相关。最初抛射速度主要由碎片质量和爆炸能量转化为动量的比例要决定,阻力系数与碎片几何以及质量相关。3热通量准则和热辐射进行多米诺效应后果评价首先要确定在什么情况下目标设备会破坏。为简化分析,一般取表征破坏效应的相关物理参数的阈值作为是否会引发多米诺事故的判定准则。以下分别对火灾、爆炸冲击波和碎片引发多米诺效应的破坏阈值分别进行讨论。热辐射对目标设备的破坏效应的指标有热通量准则、热剂量准则以及热通量-热剂量准则。热剂量准则一般适用于作用于目标的热通量持续时间非常短的情况,而由于时间很短时,引发目标设备失效的可能性很小,不适合使用热剂量准则,另外热通量-热剂量准则的相关数据比较缺乏,因此对于多米诺后果分析中主要考虑热通量准则。相关文献中对于热辐射引发多米诺效应的阈值各不相同,F.I.Khan等给出针对所有目标设备都是37kW/m2;JohnGledhill等给出的是37.5kW/m2;法国给出的无防护设备的热辐射阈值为8kW/m2,有防护设备为12kW/m2;而西班牙给出的无防护设备的阈值为12kW/m2,有防护设备的是37kW/m2。ValerioCozzani等对热辐射引发多米诺效应进行了深入研究,在对相关文献进行比较分析以及对火灾引发多米诺事故进行数值计算的基础上,给出常压容器10分钟以上热辐射下的阈值是15kW/m2,压力容器10分钟以上热辐射下的阈值是50kW/m2。该阈值考虑了目标设备类型以及火灾持续时间对设备破坏的影响,因此更为接近实际情况、更为合理,故本文采用此阈值。3.2设备破坏的超压阈值对于爆炸冲击波破坏效应一般考虑超压准则、冲量准则和超压-冲量准则。由于相关有关冲量或超压-冲量造成设备破坏数据比较缺乏,因此在爆炸冲击波引发多米诺事故只考虑超压对设备的影响。各类文献给出的设备破坏的超压阈值各不相同,有的也没有考虑到目标设备类型的性质。F.I.Khan等给超压多米诺效应的阈值是70kPa;JohnGledhill等给出是固定顶罐的阈值7kPa,压力容器是38kPa。ValerioCozzani等学者对超压引发多米诺效应进行深入研究,在对相关文献数据汇总的基础上,给出常压容器、压力容器、长型设备和小型设备的破坏阈值分别为22kPa、16kPa、31kPa、37kPa。该阈值考虑了设备性质对超压阈值的影响,比较合理,因此本文采用此阈值标准。3.3u3000数学模型的确定碎片引发多米诺效应就是碎片击中目标设备的距离,因而如果目标容器位于最大碎片抛射距离为半径的园内,则应该考虑多米诺效应。碎片的飞行轨迹是标准的力学问题。碎片在容器爆炸后获得初速度后,碎片不会再由于爆炸或压力突然释放而加速,在飞行中碎片只受到两个作用力,即重力和流体动力学力。流体动力学力由碎片在空中的瞬时速度、空气密度和碎片在每个瞬间的形状和方位来确定。通常碎片的形状相当不规则,并可能发生旋转,所以要完全准确地确定碎片飞行的流体动力学力相当困难。为此对碎片飞行轨迹研究中,人们将流体动力学力进行某些简化,对于亚音速范围内,该力应当物体瞬时速度的平方成比例,因此可列出以下方程,对该方程进行求解就可以算出碎片的飞行距离。相关文献给出一般爆炸总能量的20%～50%转化为碎片的动能,因此可以取35%作为碎片获得的能量比例。有关文献给出发生BLEVE的碎片数目按如下公式求出。式中:V为容器容积,m3。碎片的抛射角度可以取45°,对于卧罐的封头碎片可以取10°。碎片阻力系数k,根据相关文献给出位于1×10-4和～1×10-2之间,按保守考虑可取1×10-4。这些参数都确定的情况下,根据上面方程,就可得出碎片多米诺效应的距离。本文参考ValerioCozzani等研究,汇总出各种事故场景下的多米诺效应的阈值表。4多米诺效应危害的计算依据前面给出的多米诺效应的阈值标准,应用事故后果相关计算模型,就可以得出重大危险源可能发生多米诺效应的危害范围。以下笔者针对液化石油气储罐泄漏后发生蒸气云爆炸这样的事故场景,来计算可能引发多米诺效应的范围。对于蒸气云爆炸事故,可根据采用TNT当量法来预测。质量能量的增加式中:1.8—地面爆炸系数;α—蒸气云当量系数,取0.04;QTNT—TNT爆热,可取为4.52×103kJ/kg;W—蒸气云对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量,kg;Qc—燃料的燃烧热,kJ/kg。水平距离m冲击波超压△Ps可按下式计算式中:Z=R(P0/E)1/3;R—目标到爆源的水平距离,m;E—爆源能量,J;P0—环境压力,Pa。一般取101300Pa。根据以上数学模型,按前面给出的蒸气云爆炸超压多米诺效应的阈值进行计算,由图1可见蒸气云爆炸引发常压容器、压力容器、长型设备和