重大事故多米諾效應發(fā)生規(guī)律研究

重大事故多米諾效應發(fā)生規(guī)律研究

0第一次爆破—引言隨著我國經濟的快速發(fā)展，各級工商企業(yè)的積極性不斷增強。特別是化學工業(yè)園區(qū)近年來在中國經濟發(fā)達地區(qū)發(fā)展迅速，導致公司生產區(qū)和倉庫區(qū)油氣、有害有害及腐蝕材料數(shù)量顯著增加，主要風險因素急劇增加。由于許多城市缺乏合理的規(guī)劃和布局，許多地區(qū)的主要風險來源非常集中。同時，隨著城市的發(fā)展和建設，一些偏遠地區(qū)的工業(yè)公司周圍逐漸形成了住宅區(qū)和公共機構，這給許多因素帶來了。使得我國化學工業(yè)的安全生產面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。一旦重大危險源失控,不僅會發(fā)生火災、爆炸和中毒等重大事故,還可能誘發(fā)連鎖事故,即事故的多米諾效應,造成災難性的后果——多人傷亡和巨額財產損失乃至環(huán)境惡化。國內外都有諸多這樣的案例。例如:1984年11月9日,墨西哥國家石油公司在墨西哥城圣胡安的一個液化石油氣轉運油庫發(fā)生了一連串的火災和爆炸,造成大約500人死亡,油庫摧毀,35萬人被迫疏散。這個油庫由6個球形儲罐和48個臥式儲罐構成,儲量高達16000m3。11月8日早晨,該油庫從400km以外的一個煉油廠接受通過管道輸送過來的液化石油氣。上午5:30從控制室和40km外的一個管道泵站發(fā)現(xiàn)壓力明顯下降,顯然是發(fā)生了泄漏。泄漏一直持續(xù)了5～10min。當時天空有約0.4m/s的微風,在風力和地勢的共同作用下,泄漏的氣體向西南方向擴散。附近有人曾聽到氣體泄漏的聲音并聞到汽油的味道。據目擊者稱,當蒸氣云達到大約250m×150m的面積,2m高的時候,它燃燒起來,形成了很高的火焰,并引起大地強烈的震動。5min后,發(fā)生第一次BLEVE(沸騰液體蒸氣爆炸),大約1min后發(fā)生了另一次爆炸。不久又有一兩個小型的球罐發(fā)生BLEVE,引起直徑達300m火球。緊接著其他儲罐也發(fā)生了一系列的爆炸。這期間的一個半小時內發(fā)生了大約15次爆炸。4個較小的球罐和很多圓柱形儲罐內的BLEVE導致儲罐破裂,產生了大量的爆破碎片,其中很多非常重(有的重達10～14t)的碎片竟然飛出了1km遠,48個圓形儲罐中的15個發(fā)生爆炸,爆破碎片(總重達20多噸)飛出了約100m遠。1993年8月5日,我國深圳市安貿危險物品儲運公司(以下簡稱安貿公司)清水河化學危險品倉庫發(fā)生特大爆炸事故,造成15人死亡,200多人受傷,其中重傷25人。先是4號倉庫堆放的過硫酸氨冒煙起火引發(fā)倉內的可燃物發(fā)生了第一次爆炸,爆炸徹底摧毀了2號、3號、4號連體倉,強大的沖擊波破壞了附近貨倉,使多種化學危險品暴露于火焰之前。由于危險品處于持續(xù)被加熱狀態(tài),約1h后,5號、6號、7號連體倉發(fā)生了第二次爆炸。爆炸沖擊波造成更大范圍的破壞,爆炸后的帶火飛散物(如黃磷、燃燒的三合板和其他可燃物)使火災迅速蔓延擴大,引燃了距離爆炸中心250m處木材堆場的3000m3木質地板塊、300m處的6個4層樓的干貨倉,400～500m處3個山頭上的樹木。直接經濟損失超過2.5億元。1997年6月27日,北京東方化工廠儲罐區(qū)發(fā)生特大爆炸和火災事故,死亡9人、傷39人,直接經濟損失1.17億元。在由鐵路罐車經油泵往儲罐卸輕柴油時,由于操作工開錯閥門,使輕柴油進入了滿載的石腦油儲罐,導致石腦油從罐頂排氣口大量溢出(約637m3),溢出的石腦油及其油氣在擴散過程中遇到明火,產生第一次爆炸和燃燒,繼而引起罐區(qū)內乙烯儲罐和其他儲罐的燃燒爆炸。2005年11月13日我國吉林石化雙苯廠苯胺裝置發(fā)生了特大爆炸火災事故。由于當班操作工停車時,疏忽大意,未將應關閉的閥門及時關閉,誤操作導致進料系統(tǒng)(預熱器及附屬管線)溫度超高,長時間后引起爆裂,隨之空氣被抽入負壓操作的T101塔,引起T101塔、T102塔發(fā)生爆炸,隨后致使與T101,T102塔相連的兩臺硝基苯儲罐及附屬設備相繼爆炸,隨著爆炸現(xiàn)場火勢增強,引發(fā)裝置區(qū)內的兩臺硝酸儲罐爆炸,并導致與該車間相鄰的罐區(qū)內一臺硝基苯儲罐、兩臺苯儲罐發(fā)生燃燒。事故造成8人死亡,60人受傷,直接經濟損失6908萬元。并致使松花江水嚴重污染,哈爾濱市被迫全市停水4天,且波及鄰國俄羅斯,造成惡劣的國際影響。2006年7月浙江杭州精細化工園區(qū)某化工制品公司發(fā)生重大火災爆炸事故,大量增白劑成品的火災引發(fā)了其近旁桶裝甲醛的爆炸,雖無人員傷亡,但估計事故損失達幾億元人民幣。2007年5月11日,中國化工集團滄州大化TDI有限公司TDI車間硝化裝置發(fā)生爆炸,造成5人死亡,80人受傷,其中14人重傷,附近村莊幾千名群眾被迫疏散轉移。硝化裝置中的一臺靜態(tài)分離器的故障,引發(fā)了一硝基甲苯儲槽和廢酸罐的爆炸,繼而導致甲苯儲罐的起火爆炸?；谥卮笫鹿识嗝字Z效應的嚴重后果,筆者嘗試對重大事故多米諾效應發(fā)生規(guī)律進行開發(fā)研究,以便為化工企業(yè)的安全設計和重大事故的應急救援提供科學的參考依據,也為化工園區(qū)和工業(yè)化城市重大危險源的有效控制提供理論指導。1重大危險源失控后發(fā)生不同類型重大事故的一般原則一個工廠某個單元發(fā)生的事故直接引起了其他單元或鄰近工廠發(fā)生了次級事故,依次引發(fā)三級或更高級別的事故,這就是事故的多米諾效應。一般地,最初發(fā)生事故的單元為初始單元或一級單元,受初始事故直接作用發(fā)生次級事故的單元稱為次級單元或二級單元,依次為三級單元、四級單元等。重大事故一般情況下都是由于重大危險源失控后泄漏擴散而引起的火災、爆炸和中毒事故。重大危險源失控后發(fā)生何種類型重大事故,主要受物質特性、操作條件和環(huán)境情況的影響。為此,重大事故的多米諾效應分析應該從重大危險源的辨識及其事故場景預想入手。1.1重大危險源辨識方法在我國化學工業(yè)的生產過程中,重大危險源的辨識當前主要依據國家標準GB18218—2000《重大危險源辨識》來進行。該標準中,按照物質特性將重大危險源分為爆炸性物質、易燃物質、活性物質和毒性物質4類;按照其存在場所分為生產場所重大危險源和貯存區(qū)重大危險源。即重大危險源的辨識須要依據其物質特性和存在場所的數(shù)量大小共同確定。當4類物質的單一品種或多個品種存在于兩類場所中的數(shù)量超過或等于標準中規(guī)定的臨界量時,就構成了重大危險源。進行多米諾效應分析主要應辨識具有潛在火災、爆炸危險的易燃易爆物質重大危險源。1.2事件樹分析技術由于火災和爆炸事故分別具有不同的類型和誘發(fā)機理,只有在事故場景中確定其具體的火災或爆炸事故類型,才能有針對性地建立其事故后果分析和多米諾效應概率分析的數(shù)學模型。一般地,化學工業(yè)所涉及的火災主要為池火、閃火、火球和噴射火4類;涉及的爆炸一般分為受限空間蒸氣云爆炸(CVCE)、沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(BLEVE)、蒸氣云爆炸(UVCE)和粉塵爆炸(DE)。通常情況下,池火與火球的破壞能量遠遠大于噴射火;閃火的發(fā)生條件與蒸氣云爆炸發(fā)生條件幾乎相同,但蒸氣云爆炸能量遠大于閃火;而火球和BLEVE的發(fā)生條件也幾乎相同,故筆者僅考慮易燃易爆氣體和液體的池火、火球和UVCE事故。事故場景預想即分析設定事故的具體情形,是重大事故多米諾效應分析的基礎。由事故場景可以明確事件間的相互作用關系,事件發(fā)生順序,事故的類型即火災和爆炸的類型。具體生成事故場景主要是依據所處理化學品的危險特性、生產和操作條件、容器和管道的幾何形狀以及安全裝置和系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)等;同時還要考慮所處場所和環(huán)境等外部因素(地形、樹木、池塘、附近的河流、鄰近工廠和居民區(qū)以及氣象條件等)的影響。事件樹和故障樹分析技術,都是有效的事故場景生成方法。圖1就是采用事件樹分析技術生成的丙酮儲罐(一級單元)發(fā)生火災或爆炸的事故場景。類似地,可以預想二級單元、三級單元發(fā)生事故的場景。2發(fā)生重大事件的多米諾效應2.1不同危險單元的作用模式重大事故的統(tǒng)計分析表明,并非所有的重大事故都會觸發(fā)多米諾效應,只有當火災和爆炸產生的能量足夠大,其危害波及范圍內存在其他危險單元時,才可能發(fā)生重大事故的多米諾效應。其中火災主要靠強烈的熱輻射作用對人和設備產生危害,常用熱負荷表征;爆炸則主要是靠沖擊波、拋射破片及熱負荷的作用。當初始單元由于某種原因(引發(fā)事故的邊界條件)發(fā)生火災時,它就會以熱輻射的方式向周圍發(fā)射熱負荷,如果在其熱負荷傷害/破壞范圍內,存在著其他危險單元(二級單元),則在該熱輻射能的作用下二級單元中的易燃易爆或有毒物質就會從單元中泄放出來發(fā)生二次事故,產生火災或爆炸或致毒物泄漏擴散;類似地,若初始單元發(fā)生爆炸,就會以沖擊波、拋射破片及熱負荷3種形式作用于二級單元觸發(fā)二次事故;初始單元或二級單元也會依次地觸發(fā)三級單元發(fā)生3次事故,形成重大事故的多米諾效應。圖2直觀地顯示出重大事故多米諾效應的這種作用模式。顯然,重大事故多米諾效應往往都是由于火災、爆炸事故或二者的綜合作用誘發(fā)的,它的形成加劇了事故的嚴重后果。2.2定量風險分析方法確定重大危險源導致火災、爆炸等重大事故的定量危害后果常采用重大事故后果分析方法,它是一種預測估計火災、爆炸和中毒事故后果嚴重程度的定量風險評價方法。這里應用重大事故后果分析方法來估計重大危險源發(fā)生重大事故時的波及范圍,即火災和爆炸的危害破壞范圍,為判斷多米諾效應的產生與否提供判據。2.2.1確定火災損害范圍依據事件樹和故障樹技術生成重大危險源可能發(fā)生的火災場景,采用相應的泄漏、擴散、火災(池火、火球)模型,結合火災傷害準則,就可確定火災的損害范圍。對于穩(wěn)態(tài)火災,選定12.5kW·m-2為臨界熱輻射通量,對于瞬間火災選定375kJ/m2為臨界熱劑量。再應用相應的火災事故后果分析模型中的關系式計算其損害半徑。2.2.2循環(huán)擴散模型類似地,依據所生成的重大危險源可能發(fā)生的爆炸情景,采用相應的泄漏、擴散、爆炸(UVCE)模型,結合爆炸傷害準則,就可確定爆炸事故的沖擊波超壓大小。選取0.005MPa為臨界沖擊波壓力,由此值利用相應爆炸事故后果分析模型計算出損害半徑。2.3多米諾效應的概率分析根據火災和爆炸事故的破壞形式,主要從熱負荷、沖擊波載荷、爆炸破片載荷3個方面來建立多米諾效應概率模型,進行多米諾效應概率分析。2.3.1設備壓力和器壁所受應力當二級單元吸收源于一級單元事故釋放出的熱輻射能量后,會引起單元內的設備溫度升高、壓力增大和設備材質的許用應力等物理特性的變化。一旦設備壓力超過它的許用壓力或者器壁所受應力超過其許用應力就有發(fā)生爆炸或破裂的可能性。實際上,這兩種破壞同時存在,則各自概率的并集為熱載荷引發(fā)二級事故的概率:Probheat=Probheat1∪Probheat2(1)Probheat=min[1,{1-(1-Probheat1)(1-Probheat2)}](2)式中,Probheat——熱載荷引發(fā)二級單元的損害概率。2.3.2損害概率通式爆炸沖擊波所造成的危害采用波前超壓來衡量。沖擊波對下一單元的破壞效應與下一單元容器類別有關。式(3)為沖擊波破壞的損害幾率通式。y=k1+k2ln(Δp0)(3)其中,k1,k2的取值由容器受壓情況而定。具體地,對于常壓容器,k1=-18.96,k2=2.44;對于加壓容器,k1=-42.44,k2=4.33。通過高斯概率分布函數(shù),把損害幾率換算為損害概率,就有:則,沖擊波引發(fā)二級事故的概率為:Probblast=F(y)(5)2.3.3爆破片的產生和發(fā)展由于從爆炸中獲得巨大的初始動能,爆炸產生的破片能夠在空中飛行很遠的距離,并能對飛行中接觸的目標造成破壞。爆炸破片分為初始破片和次生破片兩大類。初始破片是裝藥殼體或儲存容器破裂產生的破片,次生破片則是爆炸近場物體在沖擊波的作用下產生的破片。壓力容器破片飛離殼體時,通常具有80～120m/s的速度,即使飛離較遠處也常有20～30m/s的速度。爆炸事故中產生的爆炸破片以其穿透強度、沖擊能、碰撞3種方式同時作用于二級單元,故三者的并集是爆炸破片觸發(fā)事故多米諾效應的概率。Probmissle=ProbA∪ProbB∪ProbC(6)Probmissle=min[1,{1-(1-ProbA)(1-ProbB)(1-ProbC)}](7)式中,Probmissle——爆炸破片載荷引發(fā)的二級單元損害概率。2.3.4單元發(fā)生爆炸事故而觸發(fā)多米諾效應于是,選定單元發(fā)生火災事故而觸發(fā)多米諾效應的發(fā)生概率就可用下式計算:Probfirdomino=Probheat=min[1,{1-(1-Probheat1)(1-Probheat2)}](8)同樣,選定單元發(fā)生爆炸事故而觸發(fā)多米諾效應的發(fā)生概率可用下式確定:Probexpdomino=Probheat∪Probblast∪Probmissle(9)3案例研究3.1多米諾效應分析方法的提出、放線國際單由于重大事故多米諾效應的分析計算較為復雜,涉及到眾多的影響因素和相關理論,為便于問題的解決,實際研究應在理論分析的基礎上加以合理簡化?；趪鴥韧饣馂谋ㄊ鹿实难芯糠治隼碚?筆者提出了事故多米諾效應的分析方法,選用合理的物質泄漏、擴散、火災、爆炸后果分析及多米諾概率計算等理論模型,經過適當?shù)男拚?利用VB6.0開發(fā)了多米諾效應分析軟件DOMISOFWARE。圖3示出主要程序流程,圖4～圖6為以火災事故為例的主要分析計算界面。3.2罐組內不同防火分區(qū)某大型石油化工產品倉儲庫區(qū)由4個罐組構成,各個罐組分別位于獨立的防火分區(qū)內,如圖7所示。其中常壓罐組1、罐組3和罐組4分別儲有甲苯、環(huán)己烷和丙酮,罐組2全部貯有液化石油氣。3.3加壓儲罐v-203發(fā)生火災和池火時多米諾效應概率分析應用所開發(fā)的DOMISOFWARE軟件,對儲罐進行重大危險源辨識的結果如表1所示。分別以各重大危險源為初始單元,結合設定的火災和爆炸事故場景和事故連鎖模式(見圖1、圖2),計算事故損害半徑范圍內涉及的各危險單元發(fā)生多米諾效應的概率。表2給出甲苯重大危險源V-102儲罐分別或同時發(fā)生火災爆炸事故時的損害半徑及其影響范圍內罐組1中其他儲罐發(fā)生二次事故的概率,只有當V-102儲罐發(fā)生火球或擴散形成蒸氣云爆炸時才可能出現(xiàn)多米諾效應?？傮w說來,兩者導致多米諾效應發(fā)生的概率大于76%。作為對比,表3以加壓液化石油氣儲罐V-202重大危險源為初始單元,給出其發(fā)生火球和蒸氣云爆炸損害半徑范圍內觸發(fā)罐組2中各加壓儲罐和以V-105為代表的罐組1發(fā)生多米諾效應的概率。結果表明,相近條件下加壓容器發(fā)生多米諾效應的概率較常壓容器低,這主要是由于加壓容器的器壁較常壓容器加厚、強度加強所致。當次級單元的能量足夠大,就會誘發(fā)其影響范圍內的儲罐發(fā)生三級多米諾效應。以此類推,后續(xù)發(fā)生多級多米諾效應,其分析計算和初始單元作用于次級單元的情況一樣,都可用軟件DOMISOFWARE完成。表4給出甲苯儲罐V-103發(fā)生蒸氣云爆炸時觸發(fā)次級單元發(fā)生池火,次級單元發(fā)生池火后引發(fā)三級單元(罐組1和罐組2中的部分儲罐)發(fā)生多米諾效應的概率。顯然次級單元發(fā)生池火時誘發(fā)三級單元發(fā)生火災和爆炸的概率很低,幾乎不可能,故不再繼續(xù)分析。在分析計算重大危險源引發(fā)重大事故多米諾效應概率的基礎上,進一步研究了主要工藝設計參數(shù)罐間距大小對多米諾效應概率的影響。圖8、圖9分別反映了發(fā)生火球火災和蒸氣云爆炸時觸發(fā)多米諾效應的概率與罐間距的關系。顯然,火災和爆炸觸發(fā)加壓危險品儲罐發(fā)生多米諾效應的概率隨著罐間距的