基于Sketch Up的油化船事故風險可視化

■ 李 顯 陳曉曉 胡錦波

（上海海事大學海洋科學與工程學院，上海 201306）

0 引言

油類和化學品具有易燃、易爆和毒性等物化性能，致使油類和化學品類的運輸危險程度高，若發生事故造成的損失巨大。現有的事故風險評估技術可以定量描述油類和化學品發生泄漏、擴散、火災和爆炸事故的影響范圍和傷害程度，比如火災模擬軟件FDS、泄漏擴散模擬軟件FLACS等。但這些計算模型或模擬軟件給出的結果往往偏重于專業性，風險評估的結果缺乏直觀性，企業消防人員、安全管理人員和普通員工并不能很好地使用。

Sketch Up是一套直接面向設計方案創作過程的設計工具，可以在電腦上進行十分直觀的場景設計，是三維建筑設計方案創作的優秀工具。Sketch Up可構建油化船直觀的物理場景，若能將事故風險評估軟件的數據結果在Sketch Up物理場景中直觀表達，則可解決專業事故風險評估軟件評估結果的抽象性，便于可視化應用。

本文選取典型油化船，通過高斯擴散模型、FDS軟件和TNT當量法對典型油化船泄漏、火災和爆炸事故場景特性進行定量事故風險評估，并結合船舶Auto CAD圖紙進行Sketch Up建模，將高斯擴散模型、FDS軟件和TNT當量法的定量計算結果轉化到Sketch Up的3 D模型中，實現事故場景的可視化表達，直觀展現事故的影響范圍，為事故應急救援和培訓提供技術支持。

1 研究對象選取

以某內河典型成品油船作為研究對象，進行事故場景設計和事故定量評估。成品油船是II型化學品船，是指能載運IMO II類化學品的船舶，裝載的貨品有一定的危險性。船體總長112.68 m，寬17 m，型深8.9 m，設計吃水6.6 m。每側江岸寬500 m、長800 m，航道寬度100 m，船舶位于航道中心。甲板下共有12個貨油艙，左右舷各5個，污油艙1個。全船12個艙均可裝貨，貨油艙為雙底、雙舷，而且甲板骨架設置在上甲板上，縱橫艙壁均采用槽形艙壁，使艙內形成無骨架結構。

2 油化船典型事故定量計算

2.1 典型泄漏擴散事故的計算方法

有毒氣體擴散數學主要通過數學模型的建立和計算來實現，高斯模型是最早開發的數學模型，是模擬泄漏到大氣中的污染物沿下風向擴散濃度分布最廣泛的模型之一。適用于點源的擴散，它被分為高斯煙羽模型和高斯煙團模型，可模擬連續泄漏和瞬間泄漏兩種泄漏方式。對于化工泄漏事故中的瞬時或短時間泄漏擴散事故，一般普遍采用煙團模式進行計算分析。

2.2 典型火災事故計算

火災動力學模型FDS是火災科學研究中常用的一種場模擬軟件，能夠再現各類火災場景。在進行FDS火災模擬之前，需設定一個計算區域，FDS的模擬將會在此區域內進行計算。本文主要研究對象為液貨艙池火，甲板的層高為8.9 m，依據圖紙，建立了FDS計算幾何模型（見圖1）。在距離各層地面2 m和8 m高度處分別設置火災參數監測面，用于監測火災煙溫度值。從圖2煙氣蔓延場景中可以看出，泄漏后發生油池火災，火災產生的煙氣逐漸充填甲板區。

從火災場景的溫度場（見圖3）可以看出，本層安全出口附近距離地面0.3 m和8 m高度的煙氣層溫度在60 s內最高溫度能達到1000 ℃。泄漏火災8 s時，1000 ℃的高溫遍布甲板的右側區域。24 s后溫度呈現下降區域。

2.3 典型爆炸事故計算

表1 1000 kg TNT當量的爆炸沖擊波超壓

蒸氣云爆炸（VCE）是由于氣體或易揮發液體燃料的大量快速泄漏，與周圍空氣混合形成“預混云”，在某一有限空間遇點火而導致的爆炸。用TNT當量來描述蒸氣云爆炸的能量，即將參與爆炸的可燃氣體釋放的能量折合為釋放相同能量的TNT炸藥的量，然后用有關TNT爆炸效應的實驗數據預測蒸氣云爆炸效應。按照超壓沖量準則確定人員傷亡半徑及財產損失半徑，按照相同能量的TNT爆炸所產生的超壓來確定。

假設成品油船內一個裝有500 m3成品油貨艙發生泄漏，泄漏液體總體積為5 m3，揮發的乙烷蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，若遇明火、火花或高溫將發生爆炸事故，計算乙烷蒸氣的TNT當量q和爆炸的模擬比：

式（1）中：

WTNT為乙烷蒸氣云的TNT當量；

表2 爆炸波超壓對人體的傷害程度

A為乙烷蒸氣云的TNT當量系數，取4%；

Wf為乙烷蒸氣云的總質量；

Qf為乙烷的高燃燒熱值，為22593 kJ/kg；

QTNT為TNT的爆熱，取4500 kJ/kg。

1000 kg TNT當量的爆炸沖擊波超壓數據如表1所示。對人體的傷害程度見表2。

3 基于SketchUp的事故定量計算結果的可視化

3.1 SketchUp及其建模

首先，對船舶的CAD格式測繪圖進行整理，刪除原圖中的文字和標注，尋找斷點，連接虛線 （見圖4），確保導入SketchUp操作平臺中的是一張簡潔、完整、閉合的線條圖，這是完成后繼設計工作的基礎。完成圖紙整理工作后，打開SketchUp軟件，進入操作界面，將CAD圖紙導入，在全選后依次點選“Plugins—編輯—添加面”命令。至此，完成了由CAD平面測繪圖到SketchUp設計空間的轉換，也為之后的編輯流程做好了準備，見圖4。

為展示內部結構或者空間效果，往往會用剖面來表示。在Sketch Up中有一個切面工具可以很方便的完成剖面的制作。從“視圖—工具欄—截面”，工具欄中，首先點“顯示剖面切割”按鈕，這樣就可看到剖切效果。然后，點截面工具里的第一個按鈕“繪制剖切面”。選取一個面把剖切面放置上去。迫切面畫好后，就可以把剖切面用移動工具，沿剖切方向進行移動，這樣就能看到剖面效果了。此時，可以點擊中間的按鈕 “顯示某切面”來切換剖切面是否顯示。同時可以添加若干個不同方向的某切面，以呈現不同的效果，但是同時只能激活一個剖切面。激活的迫切面是黃色的，雙擊剖切面即可激活。最后把剖切線和被迫切的物體打包成組，方便組合使用，剖面圖如圖5所示。

3.2 泄漏事故定量計算結果的可視化

結合危險化學品相關數據，在化工事故中對化工危險品擴散的傷害范圍進行估算，根據估算結果在Sketch Up中通過制作一個煙氣模型來展現，效果如圖6所示。

3.3 火災事故定量計算結果的可視化

為了使FDS生成的火災數據展現在Sketch Up的模型中，首先將FDS模擬計算數據輸入Origin的工作表worksheet中，按其默認設置打開一個工作表窗口，將數據輸入工作表中，點擊 “Plot”菜單的“Scatter”功能項，將彈出繪圖坐標軸選項，設置出現繪圖Graph窗口下的數據點狀分布圖。導出至Sketch Up模型得到圖形之后，通過Photoshop軟件將溫度云圖放到Sketch Up的剖面圖中，效果如圖7所示。

3.4 爆炸事故定量計算結果的可視化

根據公式（1）計算，當5 m的丁烷或丙烷在爆炸極限范圍時，其爆炸相當于4.5 t TNT當量，爆炸火球溫度2100 ℃。其傷害范圍：死亡半徑2.55 m，重傷半徑4.95 m，輕傷半徑7.25 m。導入Sketch Up模型后，通過上色3個同心圓，標示出油化船泄漏的爆炸半徑，如圖8所示。

4 結論

本文利用高斯擴散模型、FDS軟件和TNT當量法計算的結果，結合Sketch Up進行泄漏、火災模擬和蒸氣云爆炸的可視化表達，可以較為真實反映出事故對周圍區域的影響。通過Sketch Up建立的直接而清晰的事故模型，可以更加直觀地表達船舶事故的風險，為安全管理人員和企業員工提供了一個可視化的事故后果準確定量結果，直觀展現事故的影響范圍，為事故應急救援和培訓提供技術支持。