港口煙花爆竹集裝箱堆場規劃與設計相關問題探討*

曾亞梅，高 原，鄒 林，曾春雷

(交通運輸部水運科學研究院，北京 100088)

我國煙花爆竹的產量約為世界總產量的75%[1]。近年來，煙花爆竹安全事故偶有發生，安全儲存與運輸是人們關注的焦點[2]。港口行業越來越重視危險貨物集裝箱堆場的安全，尤其關注煙花爆炸集裝箱堆場[3]。行業內最為關心的安全問題有：

1)煙花爆竹集裝箱堆場規劃選址問題。天津港“8·12”事故后的一段時間內，港口行業一度參考國家標準GB 18265—2000《危險化學品經營企業開業條件和技術要求》。然而，根據GB 18265—2019《危險化學品經營企業安全技術基本要求》，僅明確爆炸物庫房與防護目標至少保持1 000 m距離。集裝箱堆場不屬于庫房，不屬于該條文的適用范圍，煙花爆竹集裝箱堆場選址中無可參考的法律法規和理論研究成果，港區規劃困難。

2)煙花爆竹集裝箱堆場限時限量堆存問題。港口堆場中的煙花爆竹通常為1.3項、1.4項危險品。根據JT 397—2007《危險貨物集裝箱港口作業安全規程》第5.3.1條“除1.1項、1.2項以外的爆炸品危險貨物集裝箱堆場存放，可采取限時限量存放”要求，煙花爆竹集裝箱在堆場中須限時限量存放。然而，限定時間、限定存量具有相互制約性。限定存量越大，則限定堆放時間就應越小。另外，堆場的限定存量和堆存時間，與堆場所處周邊環境、自然條件有關。在滿足安全要求的前提下，如何合理確定堆場限定存量和限定時間，是擺在設計者面前的一大難題，目前尚無成功經驗可以借鑒。

為解決上述難題，本文通過國內外煙花爆竹危險特性、安全防護距離確定方法、事故后果與風險評估應用這3個方面的調研，給出上述問題的求解思路和方法，為港口規劃和設計提供有益參考和借鑒。

1 國內外研究現狀

1.1 煙花爆竹危險特性

煙花爆竹屬易燃易爆品。研究者主要關注煙花爆竹的事故后果[4-9]和生產與儲存環節風險程度管控[10-11]。主要研究方法為試驗與理論研究。

試驗研究通常只針對特定場景(給定煙花爆竹種類、數量、給定周邊人員分布和氣象環境)開展試驗，其成本高、周期長、結論難以推廣(僅限試驗場景)。理論研究模型的計算精度，會受建模方法、模型參數取值合理性的影響。模擬結果的正確性難以被驗證、可靠性難以被評估。

本文提出將試驗研究與理論研究結合，運用有限場景下的試驗研究結果修正理論計算模型。將修正的理論計算模型進行應用情景推廣，獲得高可靠性計算模型。此方法即克服了試驗研究成本高、周期長、結果難以推廣的不足，又發揮試驗研究結果可靠的優點，同時克服理論研究結果難以被驗證的不足，發揮理論研究適用場景易推廣的優點。為堆場規劃與設計中須進行大量場景計算和獲得高可靠性結果，提供了解決途徑。

1.2 外部安全防護距離確定方法

近年來，探討外部安全防護距離的研究越來越多[12-14]。目前有兩種研究方法：1)查閱國內外相關標準規范，獲取明文規定的安全距離限值；2)針對各種事故場景，開展事故后果與風險評估計算，通過分析給出外部安全防護距離。

經調研，港區露天堆場的外部安全距離，國內外暫無明文規定。因此，采用第2種研究方法確定堆場外部安全防護距離是可行的。

1.3 事故后果與風險評估應用研究

事故后果是指事故(如泄漏、火災、爆炸)發生后形成的蒸汽云、熱輻射、超壓沖擊波對周邊人員、建構筑物的破壞程度。事故后果建模指通過建立數學模型，尋找求解算法，獲得各事故情景下蒸汽濃度、熱輻射強度和超壓沖擊波的空間分布。將獲得的結果與人員、建(構)筑物的傷害和破壞準則對比，判斷人員、建(構)筑物的傷害、毀傷半徑和程度。

風險是事故后果與事故概率的乘積。當堆存危險品時，其可能發生事故(事故概率)，發生事故后會給周邊人員帶來傷害(事故后果)，故其會產生一定的風險。個人風險表征的是堆場中危險品事故造成區域內某一固定位置人員的個體死亡概率；社會風險表征的是事故產生群死群傷事故的概率。

事故后果與風險評估研究包括試驗與理論研究。計算出事故的熱輻射、超壓波，確定破壞與傷亡范圍，計算出風險值。研究的應用領域包括：危險品項目選址論證、廠房倉庫限定存量值計算、事故場景還原等。研究中所用方法包括公式計算法、軟件模擬法。目前，尚未有針對煙花爆竹集裝箱堆場的相關研究。

2 研究思路

根據前述，港口行業面臨的兩大問題：如何進行煙花爆竹集裝箱堆場選址規劃；設計中如何限定堆存量和堆存時間。堆場規劃選址受堆場規模、堆存時間所制約。規模越大，事故后果越嚴重，所需外部安全距離越大，規劃選址越困難；堆存時間越長，事故概率越大，風險越高，規劃選址難度也越大。因此，這兩大難題具有相互交織的依存關系，見圖1。

圖1 研究問題間的相互關聯性

為此，本文提出如下求解路線：預定集裝箱堆場的選址，假定堆場的堆存規模和堆存時限。統計項目所在地周邊環境(包括人員、建(構)筑物和設備設施的分布)和氣象參數(包括溫濕度、風速等)。建立事故后果和風險評估模型，計算此場景下堆場可能產生的事故后果和風險。利用計算結果，按照GBT 37243—2019《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》的要求確定該預定堆場的外部安全防護距離。將計算所得防護距離與堆場周邊實際防護距離對比，判定該預定選址、假定堆存規模和時限是否滿足要求。若滿足，則進一步判斷該堆存規模、堆存時限是否符合項目經營需要；若不滿足，則重新假定堆存規模和時限，重新計算外部安全防護距離，直到計算所得防護距離小于堆場周邊實際防護距離。通過不斷迭代計算，選出符合項目經營需要和安全要求的規劃選址、堆存規模和時限。具體技術路線見圖2。

圖2 技術路線

該技術路線中，需要多次迭代調用事故后果和風險評估模型。本文提出將試驗與理論研究結合，使用軟件建模，運用試驗研究結果修正理論模型，提高計算精度和效率。

3 算例驗證

以內河某港煙花爆竹集裝箱堆場規劃建設為例，該港口發展成熟，現有生產性項目和周邊配套設施完善。受限于空余場地和周邊敏感場所，煙花爆竹集裝箱堆場選址和規模難以確定。

3.1 事故后果和風險評估模型建立

事故后果和風險評估建模分別選用荷蘭國家應用科學研究院1985年開發的TNO ETTECTS和1990年開發的TNO RISKCURVES軟件。這兩款軟件經30年發展，模型成熟、軟件可視化優秀，被廣泛應用于安全評估的各個領域，是國內外科研機構常用的成熟商用軟件[15-17]。建模中選用的自然條件參數為：平均風速2.2 ms，主導風向SW，平均氣溫17.2 ℃，平均濕度80%，氣壓為標準大氣壓。

3.1.1集裝箱TNT(三硝基甲苯)當量計算

煙花爆竹沖擊波能量占總爆破能量的85%～97%。把爆炸產生的爆炸熱與TNT爆炸產生的熱量相比，得到TNT當量。一般依據能量相似原理，按爆炸熱換算得到：

Eq=QQTNT

(1)

式中：Eq為某種炸藥的當量比；QTNT為TNT的爆熱(kJkg)；Q為某炸藥爆熱(kJkg)。

以堆場堆存黑火藥占比約80%的爆竹藥劑為例。黑火藥TNT當量為0.45。堆放不同箱數量的TNT當量計算結果見表1。

表1 堆放不同箱數量時TNT當量計算結果

3.1.2爆炸后果模型建立

為了提高計算精度，采用文獻[6]的1 t TNT爆炸后果測定值，反算出模型中的質量等量系數為0.273。為驗證該系數的取值，運用軟件模擬1 t TNT爆炸的沖擊波超壓值，計算與試驗結果對比見表2。從對比結果看出，質量等量系數取0.273時，模擬和試驗結果差別不大，系數取值可行。

表2 1 t TNT炸藥當量的爆炸沖擊波超壓模擬與試驗值對比

3.2 事故后果和風險評估計算

3.2.1事故后果計算

選用2 kPa(屋頂出現某些破壞，10%的窗戶玻璃被打碎)、5 kPa(房屋部分破壞、不能居住)、9 kPa(鋼結構的建筑物輕微變形)作為高敏感目標、重要防護目標、一般防護目標中的一類防護目標；一般防護目標中的二類防護目標；三類防護目標的空氣沖擊波超壓典型壓力。依據所建模型，模擬該預選堆場存放不同箱量時產生的沖擊波，見表3和圖3。圖3中的超壓曲線圓表示發生爆炸時產生相應值沖擊波的覆蓋范圍；離爆炸點越遠沖擊波超壓值越小；超壓曲線圓越大代表的超壓值越低。

圖3 爆炸事故后果

從模擬結果看，堆存量超過54個箱時，沖擊波超壓2 kPa的范圍內包含了一般防護目標中的一類防護目標，故該堆場選址在此時，最大堆存量為54箱。

3.2.2風險評估計算

堆場堆存時間越長，事故概率越大，風險越高。堆存時間與事故概率呈正相關。煙花爆竹行業年事故頻率為5×10-6次a。據此，該堆場堆存0.5、1、1.5、2、2.5 d的事故發生概率約為7.14×10-9、1.43×10-8、2.14×10-8、2.85×10-8、3.57×10-8。在此基礎上，研究該堆場堆存54箱的最大允許時間。

利用軟件建模計算，所得個人風險和社會風險見圖4、5。圖4中的個人風險曲線圓，表征發生事故時產生的個體死亡概率值。離危險品越遠，個體死亡概率越小，個人風險值也越小。圖5為社會風險曲線圖，橫坐標表示事故的死亡人數，縱坐標表示發生群死群傷事故的概率。

圖4 個人風險曲線圓

圖5 堆場社會風險模擬結果

根據圖4、5，該堆場堆存時間超過2.5 d時，個人風險曲線超出了港區范圍，個人風險值超出GB 36894—2018《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》規定的限值。由于該堆場周邊人員密度小，社會風險受堆存時間影響不大，均未進入《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》規定的不可容許區。因此，該堆場堆存54個煙花爆竹集裝箱時的最大允許堆存時間為2 d，且能滿足經營需要，故該堆場規劃選址可行，不需要另尋它址。

4 結論

1)通過對面臨問題的本質分析，給出的技術路線合理可行。

2)將試驗和理論研究相結合的建模方法，能切實提高建模效率(避免了大量的試驗)和計算可靠性。

3)技術路線和研究方法在實際算例中得到檢驗，可以快速獲得煙花爆竹集裝箱堆場的規劃選址和設計堆存方案(包括可行堆存量和堆存時間)。