煙囪防腐施工可燃氣體擴散模擬及本質安全改進研究

張泰輝 田震 戴卓

摘 ?????要： 煙囪防腐工程需要使用含有如二甲苯等具有揮發性且易燃易爆物質的防腐涂料，作業過程中經常出現導致嚴重后果的火災事故。以一起真實發生在煙囪防腐過程中的火災事故為例，對事故工況風速及改變通風條件狀態下事故煙囪內部的可燃氣體揮發擴散特性進行了分析，總結了可燃氣體濃度的時域變化特性。根據仿真結果，采用本質安全方法進行了安全改進，提出了加入“送風控制-可燃氣體濃度檢測報警聯動系統”的改進方案，并提出了施工過程的管理改進措施，為預防此類事故提供指導。

關 ?鍵 ?詞：煙囪防腐工程;可燃氣體;數值模擬;本質安全

中圖分類號：TU 761 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）04-0839-06

Abstract： Because the anti-corrosion coating used in the chimney anti-corrosion project contains a large amount of flammable volatile substances such as xylene， there is a large risk of fire and explosion accidents during the construction process. In this paper， taking the fire and explosion accident of an actual anticorrosion project as the research object， diffusion characteristics of flammable gas in chimney with different inlet air velocities were analyzed by numerical simulation. The change law of the combustible gas concentration with time was summarized. According to the simulation results， the intrinsic safety design of the ventilation equipment linkage flammable gas concentration determination alarm device was produced to improve the safety. The management improvement measures of the construction process were summarized to provide guidance for the prevention of such accidents.

Key words： Chimney anti-corrosion; Combustible gas; Numerical simulation; Intrinsic safety

煙囪內壁防腐施工環境密閉，且施工過程涉及高處、動火、臨時用電等多種特殊作業，作業時高空吊籃和防腐涂層中的二甲苯等易揮發物質不斷揮發，作業現場可燃氣體濃度不斷增大，易引發生火災爆炸事故。圖1為國內某造紙廠120 m煙囪防腐工程火災事故現場，這次事故共造成了6名工人死亡與1 400萬元的直接經濟損失。由于煙囪內壁防腐施工環境相對密閉，作業中揮發出的可燃氣體在吊籃內形成局部積聚并最終發生閃燃，隨之引燃了已經涂抹完成但尚未完全干燥的防腐涂層，吊籃鋼索因無法耐受高溫而折斷，致使作業平臺從幾十米高空墜落地面，多名作業人員當場死亡。

防腐施工過程可燃氣體濃度動態變化，不同作業面，不同位置的可燃氣體濃度存在差異，作業環境復雜，整體風險性高。因此，研究煙囪內部可燃氣體分布規律，探索風速對煙囪內部可燃氣體揮發擴散的影響規律，探討煙囪防腐施工安全對策措施，可為預防類似事故發生提供指導，具有重要意義。近年來一些學者從事故案例分析、車間生產作業等情況出發，利用計算流體動力學（CFD）軟件對各類有毒、可燃氣體的擴散規律進行了仿真模擬研究[1-3]。結合某實際煙囪防腐火災事故案例，采用CFD軟件對施工過程中可燃氣體的揮發和擴散特性進行了模擬分析。并在模擬基礎上采用本質安全方法提出改進方案及措施，可為事故調查分析、防腐工程工藝改進、安全應急處置等提供依據。

1 ?建立模型及模擬過程

1.1 ?研究對象

事發煙囪整體高度約為120 m，頂端與底端內徑分別為3.62、8.26 m，距離其底端4 m位置處設有進料口。煙囪內不同高度設有兩吊籃，兩吊籃內部均放有兩個規格相同的敞口天那水桶。為了方便模擬，作業吊籃、天那水桶及作業工人均以簡化的幾何模型表示，吊籃中部設有配電箱，工作平臺模型見圖2、圖3。

1.2 ?模擬基本設置及邊界條件

本研究建模選用修正k-ε模型和混合組分輸運模型，模擬過程作如下基本假設：

（1） 初始狀態時煙囪內不含二甲苯，模擬研究的可燃氣體均源自作業過程揮發;二甲苯氣體為連續揮發，且其質量流量為恒定。

（2） 模擬中的氣體均不可壓縮，流動狀態為湍流;物性參數均為常數;模擬過程中的各種氣體都認為是理想氣體，遵循理想氣體狀態方程且之間不發生化學反應。

（3） 施工過程中煙囪壁面的涂料面積保持不變，即僅針對固定的揮發面積進行模擬。

根據事故調查數據，通常情況下該煙囪內的自然風速值為2～8 m/s，事故工況風速為5 m/s，因此分別取2、5、8 m/s三種風速進行模擬分析，該模擬的其他基礎設置見表1。

模型中高處1號吊籃所處在z=36 m及x=-2.7 m的平面、低處2號吊籃所處z=31 m及x=2.8 m的平面。另外，分別在2號吊籃中線上y=-1.5 m、y=0 m、y=1.5 m處選取3個點作為濃度監測點A、B、C，1號吊籃中線上y=-1.5 m、y=0 m、y=1.5 m處選取3個點作為濃度監測點D、E、F。

2 ?數值模擬及結果分析

2.1 ?模擬結果的空間分析

設置事故工況風速5 m/s模擬作業進行六十分鐘后的情況，從兩吊籃的x和z截面分析的氣體濃度分布特性，可得到二甲苯氣體在各截面的濃度分布情況如圖4所示。

分析上面四個截面的氣體濃度分布特性圖，低處的2號籃中大部分區域處于爆炸極限范圍（1%～7% VOL.），高處1號籃內的濃度則是已經部分超過爆炸上限，作業過程具有很大的火災和爆炸風險。

取入口風速2、8 m/s進行模擬，進一步分析風速對可燃氣體擴散的影響。為使對比更加直觀并具有代表性，取火災爆炸風險較大的低處2號吊籃的x=2.8 m截面進行分析，兩種風速情況下的可燃氣體濃度分布特性如圖5所示。

對幾種風速情況下的濃度分布情況進行分析，可見進料口風速增加，兩吊籃內的可燃氣體高濃度分布區域隨之減小，表明風速的增加可以加速煙囪內的氣流，并減少二甲苯氣體的積聚。但是在上面幾種常見進料口風速情況下的煙囪內的可燃氣體濃度仍然保持在較高水平，僅依靠自然通風無法保障該施工過程安全。

2.2 ?模擬結果的時域分析

設定不同的進料口風速，并記錄觀測點A-F這6點處二甲苯體積濃度在施工過程中的變化，6點處的二甲苯濃度時域變化特性是相似的，為了節約篇幅，選取最具有代表性的事故工況風速情況，危險性最高（吊籃內部裝有配電箱的區域）的B、E兩監測點進行討論，二甲苯氣體濃度在事故工況下的時域變化特性見圖6。

分析圖6可知，風速增加可使氣體流通速度加快，二甲苯氣體更加難以形成聚集，兩吊籃中二甲苯氣體飽和濃度值都出現了下降。隨著煙囪內空氣流速增加，低處工作面中的二甲苯氣體向上擴散速度加快，濃度上升速率不斷減小;高處工作面由于受到低處工作面向上擴散的二甲苯氣體影響，濃度的上升速率反而隨之增加。兩工作面中的二甲苯氣體的濃度均可在短時間內上升至爆炸極限，2號吊籃二甲苯氣體濃度上升速率在接近飽和值后不斷下降，1號吊籃因受低處工作面影響二甲苯濃度在達到飽和值前始終迅速上升，二甲苯濃度在上升至飽和值后均基本保持穩定。

3 ?煙囪防腐施工作業的安全改進

3.1 ?設備本質安全改進

根據本質安全技術的“緩和”和“最小化”原則[4]，采取控制措施使作業過程中的可燃氣體濃度始終低于爆炸下限，防止在施工期間形成爆炸性環境，從而提高施工過程整體的本質安全度。

煙囪內部氣體流動速度的增加可以降低工作環境中的二甲苯氣體飽和濃度，加強主動通風，在各吊籃上安裝適當型號的鼓風機，對施工過程中可燃氣體的濃度值進行控制[5]。內壁防腐作業環境相對密閉，根據相關國家標準中的要求，施工過程中可燃氣體濃度不應高于0.05% VOL.，代入公式（1）中可求得通風量為1 400 m3/h。

選定適當型號的風機后可將其安裝在吊籃內部的護欄上，朝煙囪壁面送風，為簡化模型，用尺寸為0.5 m×0.5 m的風道表示風機，通過公式（2）進一步求得風機入口風速約為1.6 m/s，風機安裝示意圖見圖7。

由前文可知事故工況風速下的2號吊籃發生事故的風險較大，模擬加強通風條件后的氣體濃度分布，取改進通風條件后2號吊籃x=2.8 m截面氣體濃度分布和監測點B的二甲苯濃度時域變化特性進行分析，具體情況如圖8、圖9所示。

將圖8、圖9與圖4 （d）、圖6 （a）對比可見，加強通風條件顯著改變了煙囪內二甲苯氣體濃度場分布和濃度變化規律。圖8的豎直方向上，二甲苯氣體的上方擴散得到了顯著增強，排出速度大大增加;水平方向上，二甲苯氣體的擴散方向遠離了吊籃中部安裝有配電箱的危險區域。分析圖9中模擬改進后的濃度時域變化特性，二甲苯氣體的體積分數飽和值由之前的約為9% VOL.下降至約為0.03%VOL.，滿足了0.05% VOL.以下的要求，遠低于爆炸極限。

在事發公司廠區內進行場景還原并實驗驗證，實驗時現場風速約為5 m/s，控制煙囪內涂抹防腐涂層、設備設施等布置與事故時一致，監測點設置和模擬時一致，選用合適風機、可燃氣體濃度測量儀、熱敏風速儀進行實驗和測量，實驗持續時間60 min，以1min一次的頻率對各監測點進行數據采樣，得出實驗下的濃度時域變化特性見圖9。經比較實驗值與模擬值之間誤差基本處于可接受的范圍內，可見加強通風對控制煙囪防腐施工過程中作業環境內可燃氣體濃度有較好效果。

如圖10所示，在增加主動通風設備的基礎上引入“送風控制-可燃氣體濃度檢測報警聯動系統”，將0.05% VOL.設為可燃氣體檢測裝置的安全濃度閾值，濃度低于該閾值時，系統處于待機狀態，達到閾值時開始自動送風，待濃度下降至0.03% VOL.時，系統再次停止運行并進入待機狀態。系統報警裝置觸發閾值設為0.07% VOL.，當濃度到達閾值而風機沒有自啟時，裝置手動操作指示燈閃亮并發出聲音提醒工人采取應對措施。使用該改進方案可實現施工過程可燃氣體濃度的自動控制，確保濃度始終遠低于爆炸極限，從而達到消除施工過程火災和爆炸危險的效果，提高本質安全水平。

3.2 ?施工過程管理改進

煙囪防腐工程涉及到易燃易爆危險化學品使用，作業環境較為密閉，通風條件差，是涉及高處、動火等多種特殊作業交叉，不同高度作業平臺交叉的高風險作業。施工過程管理對保證此類特殊作業安全至關重要，從以下三個方面提出針對性管理改進措施。

（1） 加強作業過程安全監護：施工作業過程應確保全程有人監護并落實相應職責，建設單位和施工單位都應參與并落實作業人員的定崗定位，定人定責[6]。

（2） 強化火災爆炸事故防范：應加強施工過程中的主動通風，強化可燃氣體濃度的檢測與控制，作業現場應配備必要的通風設備、可燃氣體濃度檢測報警裝置與應急消防用品，必要時應使用防爆工器具。

（3） 確保交叉作業安全：煙囪內的防腐涂層涂抹作業不得與其他動火作業同時進行。在防腐施工過程中，應盡量避免不同作業面垂直交叉的情況出現，防止出現物料、工具等墜落導致物體打擊傷害;如果交叉作業無法避免，則必須在作業前進行對應的交叉作業風險辨識并采取安全措施避免意外發生;作業區域應隔離警戒，防止無關人員進入。

4 ?結 論

本文以一起真實發生在煙囪防腐過程中的火災事故為例，通過CFD軟件模擬分析并總結了在不同環境風速下，防腐涂料中可燃氣體的揮發擴散的濃度分布特性和時域變化特性，結合本質安全設計思想，提出了引入“送風控制-可燃氣體濃度檢測報警聯動系統”的設備安全改進措施，經實驗驗證該系統能有效控制施工過程中吊籃內二甲苯氣體濃度遠低于爆炸極限。

本文提出的“送風控制-可燃氣體濃度檢測報警聯動系統”及施工過程管理改進思路，可應用到同類煙囪防腐施工作業中，為安全管理改進、事故預防提供一定參考。

參考文獻：

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