重大危險(xiǎn)源多米諾效應(yīng)研究

重大危險(xiǎn)源多米諾效應(yīng)研究

1多米諾效應(yīng)引起的重大事故和重大危險(xiǎn)源犯罪由于潛在的巨大能量，大型危險(xiǎn)因素往往會(huì)造成巨大的破壞。然而，在工廠和工業(yè)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)因素通常包括幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素。當(dāng)一個(gè)危險(xiǎn)因素發(fā)生事故時(shí)，其他危險(xiǎn)因素也會(huì)相繼發(fā)生事故，可能會(huì)造成更大的災(zāi)難。在這種情況下，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為多米諾效應(yīng)或連鎖反應(yīng)效應(yīng)。我國(guó)由于歷史原因,城市安全規(guī)劃不盡合理,各種危險(xiǎn)源之間的安全距離不足,因此對(duì)重大危險(xiǎn)源的多米諾效應(yīng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以往的事故資料表明不少重特大危險(xiǎn)化學(xué)品事故是由于多米諾效應(yīng)引發(fā)的。例如,1979年9月溫州電化廠液氯鋼瓶爆炸事故,一氯氣瓶爆炸飛出碎片引發(fā)其他氯氣瓶的破裂,最終造成死亡59人,中毒779人,經(jīng)濟(jì)損失63萬(wàn)元的重大事故。1997年6月27日,北京東方化工廠儲(chǔ)罐區(qū)由于人員操作失誤,造成石腦油罐冒頂泄漏后遇明火發(fā)生第一次燃爆,繼而引發(fā)罐區(qū)內(nèi)乙烯罐等其他罐的爆炸和燃燒事故,最終死亡9人、傷39人、直接經(jīng)濟(jì)損失1.17億元。1998年3月5日的西安煤氣公司的一液化石油氣儲(chǔ)罐泄漏后發(fā)生爆炸,引發(fā)其他儲(chǔ)罐燃燒、爆炸的事故造成死亡11人,重傷33人。2005年11月13日,吉林石化分公司雙苯廠硝基苯精餾塔也是發(fā)生多次連鎖爆炸,造成8人死亡,60人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失6908萬(wàn)元,并引發(fā)松花江水污染事件。國(guó)外的1984年墨西哥LPG事故造成500多人死亡也是一個(gè)非常典型的多米諾事故的例子。Ⅱ由于多米諾效應(yīng)的嚴(yán)重性,歐盟的塞維索法令對(duì)于重大危險(xiǎn)源的多米諾效應(yīng)作出專(zhuān)門(mén)規(guī)定,要求重大危險(xiǎn)源企業(yè)提交的安全報(bào)告中要有多米諾效應(yīng)分析的內(nèi)容,可能產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的企業(yè)之間要共享危險(xiǎn)源信息等。而我國(guó)目前對(duì)于重大危險(xiǎn)源的多米諾效應(yīng)方面研究很少,特別是在安全評(píng)價(jià)或土地使用規(guī)劃中很少考慮重大危險(xiǎn)源的多米諾效應(yīng)。本文對(duì)火災(zāi)、爆炸和碎片飛出等情況引發(fā)多米諾效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了分析,給出了不同情況下引發(fā)多米諾效應(yīng)的閾值,并使用該方法確定液化石油氣儲(chǔ)罐泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸后可能引發(fā)多米諾效應(yīng)的范圍。2事故后果的多米諾分析傳統(tǒng)的事故后果分析主要關(guān)注對(duì)于人員造成危害,而在多米諾效應(yīng)研究中主要關(guān)注的是在初始事故的各種場(chǎng)景下,有哪些目標(biāo)設(shè)備會(huì)受到影響,從而造成更大的危害。目標(biāo)設(shè)備破壞后產(chǎn)生的事故后果影響范圍則可采用傳統(tǒng)的后果分析方法。根據(jù)相關(guān)研究資料和以往工業(yè)事故案例表明,重大危險(xiǎn)源的多米諾效應(yīng)主要是由于火災(zāi)、爆炸沖擊波以及爆炸產(chǎn)生碎片撞擊引發(fā)的,盡管有的文獻(xiàn)認(rèn)為毒氣泄漏也會(huì)引發(fā)多米諾效應(yīng),但這種多米諾事故主要是通過(guò)對(duì)人員中毒而影響應(yīng)急或操作失誤而間接造成的,本文對(duì)此情況不予考慮。另外應(yīng)注意的是對(duì)于一個(gè)初級(jí)事故可能同時(shí)產(chǎn)生爆炸沖擊波、熱輻射及碎片而引發(fā)多米諾事故,如BLEVE事故。2.1火災(zāi)引發(fā)的多米諾事故火災(zāi)是化工廠中常見(jiàn)的事故。它是可燃物質(zhì)在空氣中劇烈氧化產(chǎn)生大量熱的現(xiàn)象。火災(zāi)引發(fā)多米諾事故主要通過(guò)兩種方式,一種是火焰直接包圍或接觸目標(biāo)設(shè)備而引發(fā)事故,另一種是火災(zāi)的熱輻射造成目標(biāo)設(shè)備失效而引發(fā)多米諾事故。以下對(duì)工廠中最常見(jiàn)的火災(zāi)事故場(chǎng)景池火災(zāi)、閃火、火球、噴射火等分別進(jìn)行分析論述。目標(biāo)設(shè)備與火焰的接觸池火災(zāi)是易燃液體形成液池后遇到火源而被點(diǎn)燃的火災(zāi)。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)池火災(zāi)引發(fā)的多米諾事故次數(shù)僅次于爆炸事故,占到44%。池火災(zāi)引發(fā)多米諾事故有兩種情況。一種是目標(biāo)設(shè)備完全或部分被包圍在火焰內(nèi),大多數(shù)池火災(zāi)引發(fā)的多米諾事故是這種情況造成的。另一種情況是火焰不直接接觸目標(biāo)容器通過(guò)熱輻射對(duì)目標(biāo)設(shè)備造成影響。根據(jù)相關(guān)研究,當(dāng)被目標(biāo)設(shè)備與火焰直接接觸的情況,則大都會(huì)引發(fā)多米諾事故。熱輻射造成設(shè)備破壞則需要一定輻射強(qiáng)度和時(shí)間。根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究,對(duì)于無(wú)防護(hù)常壓容器,當(dāng)輻射熱小于10kW/m2時(shí)容器失效時(shí)間大于30分鐘;無(wú)防護(hù)壓力容器,當(dāng)輻射熱低于40kW/m2時(shí)失效時(shí)間大于30分鐘。噴射火引發(fā)多米諾事故包含易燃?xì)怏w或閃蒸液體的壓力容器或管道發(fā)生泄漏后,點(diǎn)燃后可能導(dǎo)致噴射火。噴射火是湍流火,由于很高的噴射動(dòng)能,在泄漏方向上會(huì)產(chǎn)生有很長(zhǎng)距離。由于事故發(fā)生頻率較高和較大的危害半徑,因此噴射火也很容易導(dǎo)致多米諾事故。與池火災(zāi)類(lèi)似,噴射火可以通過(guò)火焰直接烘烤或熱輻射引發(fā)事故升級(jí)。噴射火引發(fā)多米諾事故主要是火焰直接接觸目標(biāo)容器的情況下發(fā)生,有關(guān)文獻(xiàn)表明目標(biāo)設(shè)備甚至在水噴淋和隔熱層情況下,噴射火接觸容器壁,可能形成熱點(diǎn),也能導(dǎo)致BLEVE或容器物理爆炸。由于壓力容器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、壁厚等因素,熱輻射情況下引發(fā)多米諾效應(yīng)壓力容器比常壓容器失效需要更高的熱輻射量。閃火屬于擴(kuò)散云團(tuán)閃火是可燃性氣體或蒸氣泄漏到空氣中并與之混合后被點(diǎn)燃而發(fā)生的一種非爆炸性的燃燒。閃火的主要危害來(lái)自直接接觸火焰以及熱輻射。可燃物云團(tuán)的大小決定了可能造成直接火焰接觸危害的面積。而云團(tuán)的大小則與泄漏和擴(kuò)散的條件相關(guān)。閃火事故發(fā)生條件與蒸氣云爆炸類(lèi)似,是處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃物質(zhì)發(fā)生泄漏經(jīng)過(guò)一定延遲時(shí)間后被點(diǎn)燃。唯一的區(qū)別是閃火發(fā)生后,火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中沒(méi)有自我加速的條件,即泄漏源不產(chǎn)生紊流,空間也不存在局部約束條件。閃火一般表現(xiàn)為低速燃燒,其持續(xù)時(shí)間一般從幾微秒到幾秒,比目標(biāo)設(shè)備受熱輻射失效時(shí)間可以低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此閃火一般不會(huì)引起多米諾事故。但是可能發(fā)生閃火火焰直接接觸易燃物質(zhì)并將其點(diǎn)燃的多米諾事故?；鹧嬉l(fā)多米諾事故火球一般是易燃液化氣體瞬時(shí)泄漏后,立即點(diǎn)燃的結(jié)果?；鹎虻奶卣鳛閹缀鯙榍驙畹娜剂蠚?蒸氣濃度在火球內(nèi)部要高于可燃極限上限,基本上是湍流式從外向內(nèi)燃燒。蒸氣的燃燒導(dǎo)致球體浮動(dòng)上升,火球的體積在逐漸增大。易燃液體壓力容器發(fā)生沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸(BLEVE)后往往會(huì)產(chǎn)生火球?；鹎蛉紵^(guò)程不會(huì)產(chǎn)生沖擊波,但是燃燒過(guò)程中高強(qiáng)度的熱輻射帶來(lái)極大的危險(xiǎn)。但火球事故的持續(xù)時(shí)間一般不長(zhǎng),以LPG為例通常小于60s(見(jiàn)表1)?；鹎蛞l(fā)多米諾事故,不同文獻(xiàn)對(duì)此有不同的看法。有學(xué)者分析認(rèn)為由于火球持續(xù)時(shí)間較短,遠(yuǎn)小于目標(biāo)設(shè)備失效所需時(shí)間,因此火球的熱輻射情況不會(huì)引發(fā)多米諾事故。壓力容器即使在被火球包圍情況下其失效時(shí)間也遠(yuǎn)大于火球持續(xù)時(shí)間,因此一般不認(rèn)為會(huì)引發(fā)多米諾事故。火球包圍下常壓容器的失效時(shí)間一般也大于火球持續(xù)時(shí)間,但屬于一個(gè)數(shù)量級(jí),出于保守考慮,如果常壓容器位于火球半徑范圍內(nèi),則認(rèn)為可能引發(fā)多米諾事故。2.2遠(yuǎn)傳播的波浪在化工廠中爆炸比其他事故更容易引發(fā)多米諾效應(yīng)。有學(xué)者統(tǒng)計(jì)100起多米諾事故中與爆炸相關(guān)的數(shù)量最多,占到47%。爆炸是能量劇烈快速釋放的過(guò)程,同時(shí)伴隨著由近及遠(yuǎn)傳播的沖擊波。在絕大多數(shù)爆炸事故中這種在空氣中傳播的強(qiáng)沖擊波是造成附近建筑物、設(shè)備等破壞以及人員傷亡的重要原因。因此一旦發(fā)生爆炸事故,可能由于其產(chǎn)生的沖擊波對(duì)附近的危險(xiǎn)源造成破壞從而引發(fā)多米諾事故發(fā)生。爆炸沖擊波事故引發(fā)多米諾效應(yīng)比較復(fù)雜,不僅與爆炸事故產(chǎn)生的超壓大小有關(guān),而且受沖擊波反射、阻力效應(yīng)、與目標(biāo)設(shè)備的相對(duì)位置以及目標(biāo)設(shè)備的機(jī)械特性等因素所影響。對(duì)于沖擊波引發(fā)多米諾效應(yīng)在工業(yè)中最常見(jiàn)的初級(jí)事故場(chǎng)景包括凝聚相爆炸、蒸氣云爆炸、物理爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸等。2.3拋射距離對(duì)事故發(fā)生的影響當(dāng)設(shè)備發(fā)生物理爆炸或BLEVE時(shí),除了產(chǎn)生沖擊波外,設(shè)備會(huì)破裂,產(chǎn)生碎片飛出。這種碎片的飛行速度、飛行距離以及穿透能力非常大,可能會(huì)造成較遠(yuǎn)距離的建筑物、設(shè)備等破壞,從而導(dǎo)致多米諾事故的發(fā)生。碎片數(shù)目、形狀和重量主要與設(shè)備的特性相關(guān),拋射距離主要與初始碎片速度、最初拋射方向、角度以及碎片的阻力系數(shù)相關(guān)。最初拋射速度主要由碎片質(zhì)量和爆炸能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)量的比例要決定,阻力系數(shù)與碎片幾何以及質(zhì)量相關(guān)。3熱通量準(zhǔn)則和熱輻射進(jìn)行多米諾效應(yīng)后果評(píng)價(jià)首先要確定在什么情況下目標(biāo)設(shè)備會(huì)破壞。為簡(jiǎn)化分析,一般取表征破壞效應(yīng)的相關(guān)物理參數(shù)的閾值作為是否會(huì)引發(fā)多米諾事故的判定準(zhǔn)則。以下分別對(duì)火災(zāi)、爆炸沖擊波和碎片引發(fā)多米諾效應(yīng)的破壞閾值分別進(jìn)行討論。熱輻射對(duì)目標(biāo)設(shè)備的破壞效應(yīng)的指標(biāo)有熱通量準(zhǔn)則、熱劑量準(zhǔn)則以及熱通量-熱劑量準(zhǔn)則。熱劑量準(zhǔn)則一般適用于作用于目標(biāo)的熱通量持續(xù)時(shí)間非常短的情況,而由于時(shí)間很短時(shí),引發(fā)目標(biāo)設(shè)備失效的可能性很小,不適合使用熱劑量準(zhǔn)則,另外熱通量-熱劑量準(zhǔn)則的相關(guān)數(shù)據(jù)比較缺乏,因此對(duì)于多米諾后果分析中主要考慮熱通量準(zhǔn)則。相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)于熱輻射引發(fā)多米諾效應(yīng)的閾值各不相同,F.I.Khan等給出針對(duì)所有目標(biāo)設(shè)備都是37kW/m2;JohnGledhill等給出的是37.5kW/m2;法國(guó)給出的無(wú)防護(hù)設(shè)備的熱輻射閾值為8kW/m2,有防護(hù)設(shè)備為12kW/m2;而西班牙給出的無(wú)防護(hù)設(shè)備的閾值為12kW/m2,有防護(hù)設(shè)備的是37kW/m2。ValerioCozzani等對(duì)熱輻射引發(fā)多米諾效應(yīng)進(jìn)行了深入研究,在對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行比較分析以及對(duì)火災(zāi)引發(fā)多米諾事故進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上,給出常壓容器10分鐘以上熱輻射下的閾值是15kW/m2,壓力容器10分鐘以上熱輻射下的閾值是50kW/m2。該閾值考慮了目標(biāo)設(shè)備類(lèi)型以及火災(zāi)持續(xù)時(shí)間對(duì)設(shè)備破壞的影響,因此更為接近實(shí)際情況、更為合理,故本文采用此閾值。3.2設(shè)備破壞的超壓閾值對(duì)于爆炸沖擊波破壞效應(yīng)一般考慮超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則和超壓-沖量準(zhǔn)則。由于相關(guān)有關(guān)沖量或超壓-沖量造成設(shè)備破壞數(shù)據(jù)比較缺乏,因此在爆炸沖擊波引發(fā)多米諾事故只考慮超壓對(duì)設(shè)備的影響。各類(lèi)文獻(xiàn)給出的設(shè)備破壞的超壓閾值各不相同,有的也沒(méi)有考慮到目標(biāo)設(shè)備類(lèi)型的性質(zhì)。F.I.Khan等給超壓多米諾效應(yīng)的閾值是70kPa;JohnGledhill等給出是固定頂罐的閾值7kPa,壓力容器是38kPa。ValerioCozzani等學(xué)者對(duì)超壓引發(fā)多米諾效應(yīng)進(jìn)行深入研究,在對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)匯總的基礎(chǔ)上,給出常壓容器、壓力容器、長(zhǎng)型設(shè)備和小型設(shè)備的破壞閾值分別為22kPa、16kPa、31kPa、37kPa。該閾值考慮了設(shè)備性質(zhì)對(duì)超壓閾值的影響,比較合理,因此本文采用此閾值標(biāo)準(zhǔn)。3.3u3000數(shù)學(xué)模型的確定碎片引發(fā)多米諾效應(yīng)就是碎片擊中目標(biāo)設(shè)備的距離,因而如果目標(biāo)容器位于最大碎片拋射距離為半徑的園內(nèi),則應(yīng)該考慮多米諾效應(yīng)。碎片的飛行軌跡是標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)問(wèn)題。碎片在容器爆炸后獲得初速度后,碎片不會(huì)再由于爆炸或壓力突然釋放而加速,在飛行中碎片只受到兩個(gè)作用力,即重力和流體動(dòng)力學(xué)力。流體動(dòng)力學(xué)力由碎片在空中的瞬時(shí)速度、空氣密度和碎片在每個(gè)瞬間的形狀和方位來(lái)確定。通常碎片的形狀相當(dāng)不規(guī)則,并可能發(fā)生旋轉(zhuǎn),所以要完全準(zhǔn)確地確定碎片飛行的流體動(dòng)力學(xué)力相當(dāng)困難。為此對(duì)碎片飛行軌跡研究中,人們將流體動(dòng)力學(xué)力進(jìn)行某些簡(jiǎn)化,對(duì)于亞音速范圍內(nèi),該力應(yīng)當(dāng)物體瞬時(shí)速度的平方成比例,因此可列出以下方程,對(duì)該方程進(jìn)行求解就可以算出碎片的飛行距離。相關(guān)文獻(xiàn)給出一般爆炸總能量的20%～50%轉(zhuǎn)化為碎片的動(dòng)能,因此可以取35%作為碎片獲得的能量比例。有關(guān)文獻(xiàn)給出發(fā)生BLEVE的碎片數(shù)目按如下公式求出。式中:V為容器容積,m3。碎片的拋射角度可以取45°,對(duì)于臥罐的封頭碎片可以取10°。碎片阻力系數(shù)k,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出位于1×10-4和～1×10-2之間,按保守考慮可取1×10-4。這些參數(shù)都確定的情況下,根據(jù)上面方程,就可得出碎片多米諾效應(yīng)的距離。本文參考ValerioCozzani等研究,匯總出各種事故場(chǎng)景下的多米諾效應(yīng)的閾值表。4多米諾效應(yīng)危害的計(jì)算依據(jù)前面給出的多米諾效應(yīng)的閾值標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用事故后果相關(guān)計(jì)算模型,就可以得出重大危險(xiǎn)源可能發(fā)生多米諾效應(yīng)的危害范圍。以下筆者針對(duì)液化石油氣儲(chǔ)罐泄漏后發(fā)生蒸氣云爆炸這樣的事故場(chǎng)景,來(lái)計(jì)算可能引發(fā)多米諾效應(yīng)的范圍。對(duì)于蒸氣云爆炸事故,可根據(jù)采用TNT當(dāng)量法來(lái)預(yù)測(cè)。質(zhì)量能量的增加式中:1.8—地面爆炸系數(shù);α—蒸氣云當(dāng)量系數(shù),取0.04;QTNT—TNT爆熱,可取為4.52×103kJ/kg;W—蒸氣云對(duì)爆炸沖擊波有實(shí)際貢獻(xiàn)的燃料質(zhì)量,kg;Qc—燃料的燃燒熱,kJ/kg。水平距離m沖擊波超壓△Ps可按下式計(jì)算式中:Z=R(P0/E)1/3;R—目標(biāo)到爆源的水平距離,m;E—爆源能量,J;P0—環(huán)境壓力,Pa。一般取101300Pa。根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型,按前面給出的蒸氣云爆炸超壓多米諾效應(yīng)的閾值進(jìn)行計(jì)算,由圖1可見(jiàn)蒸氣云爆炸引發(fā)常壓容器、壓力容器、長(zhǎng)型設(shè)備和