航空煤油罐區煤油泄漏事故后果模擬分析

姚國平，耿曉茹

(中國航空油料有限責任公司青島分公司，山東青島 266108)

油庫儲罐區通常儲存了大量的油品，因油料的流動性較好，揮發性較大，若碰撞或者遇到點火源，容易引發火災、爆炸等安全事故，造成嚴重的人員傷亡和巨大的財產損失[1]。油罐內油品泄漏導致的火災、爆炸事故時有發生。近幾年國內外部分油庫油罐事故情況統計見表1。

由表1可見：油罐發生泄漏會造成嚴重的災害事故。在實際情況下，如果處置不當，油罐發生爆炸或者燃燒會引燃周圍的罐體，產生更大的傷害，甚至發生多米諾效應[2-3]。液體油罐發生泄漏之后常見的事故類型是池火災和蒸氣云爆炸。以某油庫罐區的航空煤油儲罐為研究對象，通過PHAST軟件對泄漏擴散后發生的燃燒爆炸等事故進行分析，計算得到池火災熱輻射影響范圍以及蒸氣云爆炸沖擊波影響范圍，以期為油罐區設計、事故發生后的緊急救援提供一定的參考。

表1 近幾年國內外部分油庫罐區火災、爆炸事故

1 PHAST軟件介紹

PHAST軟件全稱為工藝危險源分析軟件工具(Process Hazard Analysis Software Tools)，由挪威船級社(DNV)公司開發，是專門針對石油化工等危險化學品領域的危害范圍計算和分析的軟件[4-5]。該軟件可以快速的模擬泄漏擴散、毒氣、燃燒和爆炸等4種事故類型[6-8]，經試驗驗證，該軟件模擬計算的結果與試驗數據較為吻合。

根據燃燒發生前可燃物質與空氣是否進行預混合，燃燒類型可以分為擴散燃燒和預混燃燒[9-10]。火焰燃燒類型及特征如圖1所示。

圖1 燃燒類型

2 事故后果仿真參數設定

2.1 油罐區布局

目標油庫占地面積約57 000 m2，庫區分為油罐區、卸油區和輔助功能區，其中油罐區位于庫區西北側，共設10 000 m3儲罐3座，南北向布置成一列，油罐之間間距12 m。罐區四周設置防火堤，油罐按單罐單堤的要求隔開，防火堤高度1.2 m，隔堤高度0.8 m。其中，左側為1#油罐，中間為2#油罐，右側為3#油罐。

圖2 油罐區布局示意

2.2 事故描述

目標油庫所在地青島地區雷雨天氣較多，且雷擊是油庫火災的主要點火源之一。雷擊可破壞浮頂，引燃引爆浮艙內的易燃油氣，引發爆炸或火災，造成儲罐坍塌失效。航空煤油通常儲存在常溫常壓下，煤油泄漏通常是由于罐壁的腐蝕穿孔、裂紋、相關管道工程失效等原因造成。在實際生產過程中，儲罐相連接的管道在法蘭連接處存在一些滲漏、滴漏，故選擇該事故場景進行模擬。

2.3 煤油物性

航空煤油具有易燃易爆的特性，密度比水小，輕組分的揮發出的油氣與空氣混合能形成爆炸性物質，油品的安全特性見表2。

表2 航空煤油油品物性指標

2.4 天氣數據

根據青島地區的天氣統計數據，發現該地區屬溫帶季風氣候，受風速以及濕度影響較大，且主導風向為北風，根據青島氣象站的氣象資料，得到常年平均氣溫為13 ℃，平均風速4.5 m/s，最大風速37.8 m/s，平均大氣濕度75%。

2.5 事故參數

對于易燃液體而言，事故的后果模式分為以下4種：噴射火，池火，爆炸，閃火，其中火災以池火為主要事故類型，爆炸以蒸氣云爆炸為主要類型。假設該罐區事故參數如表3所示。

表3 事故參數

3 事故仿真后果模型建立及危害分析

3.1 池火災事故模擬

池火事故造成的主要危害是泄漏油品燃燒產生輻射熱值[11-12]。火災燃燒時有2個主要特征，一是火焰場溫度不斷上升，二是附近物體的熱輻射強度持續增加。當火焰熱輻射強度超過一定的傷害閾值，周圍的可燃物體發生燃燒、設備設施損壞變形、人員生命安全受到威脅，甚至引發災害事件的連鎖，即多米諾效應。油池燃燒造成的熱輻射通量的傷害閾值如表4所示[13-14]。

表4 熱通量傷害準則

罐區中的航空煤油泄漏之后會發生流散，此時遇到點火源將會產生池火事故。假設 1#儲罐的進口原油管道的法蘭連接處存在泄漏孔發生泄漏，泄漏后的航空煤油存儲在防火堤內并形成 44 m×44 m×0.5 m的油池，在特定的溫度下，煤油持續蒸發在煤油表面上方形成油蒸氣，在油池上面存在點火源。

3.1.1 平均風速

在平均風速4.5 m/s的條件下，油罐管線發生泄漏之后輻射影響的強度范圍見圖3。

圖3 池火災熱輻射影響范圍

由圖3并結合表4可見：圖中最里層藍色橢圓處于37.5 kW/m2的輻射范圍內，在下風向73 m，側風向52 m，此范圍內的操作設備全部損壞，發生此泄漏造成的池火對罐區內的2#儲罐造成強烈的熱輻射作用，有可能造成2#儲罐坍塌失效；3#儲罐沒有損壞的危險，但是需要對附近的儲罐采取降溫措施。中間紅色橢圓處于12.5 kW/m2的輻射熱通量范圍內，在下風向112 m，側風向90 m，此范圍內不要存放木材或者塑料，否則會造成木材燃燒，塑料熔化。最外層黑色橢圓范圍處于4 kW/m2的輻射熱通量范圍內，即在事故點下風向171 m，側風向153 m范圍內人員應盡快撤離現場。由于池火的熱輻射作用會對相鄰儲罐造成損傷，設置監測點監測罐體不同高度處熱輻射值大小，其中2#儲罐及3#儲罐罐體不同高度處的熱輻射值如圖4所示。

圖4 熱輻射值隨罐體高度的變化曲線

由圖4可見：2#儲罐及3#儲罐罐體的熱輻射值從罐底到罐頂逐漸增加，且增加趨勢逐漸變緩。2#儲罐受到火焰強烈的熱輻射作用，儲罐壁面處接受到的輻射最大值為54 kW/m2，該值很容易造成2#儲罐坍塌失效；由于2#儲罐的阻擋，且隨著下風向距離的增加，3#儲罐接受到的輻射值較少，最大值為12.5 kW/m2，該輻射值不會對油罐罐壁產生影響。

3.1.2 最大風速

受青島地區天氣的影響，常年有風且主導風向為北風，因此，需考慮最大風速情況下發生池火事故造成的熱輻射影響范圍，設定風速為37.8 m/s，對比平均風速的情況，池火災熱輻射強度為4 kW/m2的范圍如圖5所示，其中該俯視圖為高度為1.6 m時(人員的平均高度)的影響范圍。

圖5 池火災熱輻射強度為4 kW/m2的影響范圍

由圖5可見：池火災熱輻射強度為4 kW/m2的影響范圍呈橢圓形，即在事故點下風向155 m，側風向144 m范圍內人員應盡快撤離現場。

在最大風速的情況下，危險區域范圍隨著池火災燃燒規模擴大而不斷擴大，同時，熱輻射強度不斷增加。從上述分析可見，熱輻射強度值是隨著高度的增加而逐漸變大。對于儲罐來說，根據表4，選擇 37.5 kW/m2的輻射閾值作為危害區域的判斷標準。高度為0.5 m時(液池高度)熱輻射值的影響范圍見圖6。

圖6 池火災輻射強度隨下風向距離的變化

由圖6可見：泄漏的航空煤油燃燒初期僅在點火源及其周圍是危險區域，隨著時間的延長，火焰熱輻射影響范圍變大。根據3個儲罐的位置不同，最大風速下，事故源可對1#和2#儲罐造成強烈的熱輻射作用，其中1#儲罐附近熱輻射最大值可達到71 kW/m2，該值遠大于輻射閾值37.5 kW/m2，此情況下會對儲罐罐壁造成破壞；2#儲罐附近熱輻射最大值達到33 kW/m2，該值接近輻射閾值37.5 kW/m2，因此2#儲罐也相當危險；3#儲罐附近熱輻射最大值為7.7 kW/m2，該值遠小于閾值37.5 kW/m2，因此3#罐是安全的，且罐壁也不會受到損傷。

3.2 蒸氣云爆炸事故模擬分析

在特定條件下，航空煤油揮發出來的蒸氣與空氣混合可形成爆炸性的物質，遇到引燃源立即發生燃燒爆炸。混合可燃物質在引燃源的刺激下發生快速的化學反應，產生巨大化學能量，使附近的壓力和溫度快速上升，同時波狀沖擊氣壓向周圍擴散，這一階段就是“爆燃”[15-16]。而開敞空間中的蒸氣云爆炸大多數為爆燃現象，其中爆炸使周圍環境中的空氣受到沖擊波并發生擾動，這種擾動在空氣中傳播形成沖擊波。其中沖擊波破壞準則[17-18]的對應關系如表5所示。

表5 沖擊波破壞準則

發生爆炸后沖擊波超壓的影響范圍如圖7所示。

圖7 沖擊波超壓的影響范圍

由圖7可見：最里層藍色橢圓范圍內，即在下風向距離57 m，側風向距離56 m的范圍內的爆炸沖擊波超壓為20.685 kPa，1#和2#儲罐在此影響區域內，因此1#和2#儲罐罐體會受到不同程度的影響；中間紅色橢圓的超壓閾值為13.790 kPa，即下風向距離75 m，側風向距離73 m范圍內不要有人員停留，否則足以致死；最外層黑色橢圓的沖擊波超壓閾值為2.068 kPa，即在下風向距離284 m，側風向距離283 m范圍內，整個油罐區均包含在內，人員將受到些許傷害，附近的水泥墻會產生裂縫。

儲罐所在地區主導風向是北風，爆炸超壓隨下風向距離的變化見圖8。

圖8 爆炸超壓隨下風向距離的變化

由圖8可見：爆炸超壓隨下風向距離的增加逐漸減小。下風向距離22 m處為一個超壓過程，是由于初期可燃氣云遇到點火源立即發生爆燃，爆燃產出沖擊壓力波，促使周圍壓力及溫度快速上升，在爆炸超壓達到峰值點之后，隨著距離的增加，爆炸超壓逐漸降低，且降低較快，這是由于2#儲罐的阻擋作用，3#儲罐的位置爆炸超壓相對較低且緩慢減少。

4 結論

油品的燃燒與爆炸發展是一個特別復雜的過程，通過PHAST軟件模擬建立模型對航空煤油儲罐泄漏擴散后發生的爆炸、燃燒等事故進行分析，研究不同工況下池火災及蒸氣云爆炸的影響范圍，得到如下結論。

1)對于池火災，根據熱通量準則，一般風速條件下在下風向73 m，側風向52 m，此范圍內的操作設備全部損壞，發生此泄漏造成的池火對罐區內的2#儲罐造成強烈的熱輻射作用，有可能其坍塌失效，對3#儲罐沒有損壞的危險，但是需要對附近的儲罐需要采取降溫措施。在下風向112 m，側風向90 m，此范圍內不要存放木材或者塑料，否則會造成木材燃燒，塑料熔化。在事故點下風向171 m，側風向153 m范圍內人員應盡快撤離現場。

2)池火災對人員的影響。考慮大風天氣的影響，在事故點下風向155 m，側風向144 m范圍內人員應盡快撤離現場。

3)池火災對臨近油罐的影響。考慮大風的影響，危險區域范圍隨著池火災燃燒規模擴大而不斷擴大，同時，熱輻射強度不斷增加，對1#和2#儲罐造成強烈的熱輻射作用，1#儲罐會發生坍塌，2#儲罐也由于接近輻射閾值會造成罐壁損傷，3#儲罐附近熱輻射最大值為7.7 kW/m2，該值遠小于閾值37.5 kW/m2，因此3#罐是安全的，且罐壁也不會受到損傷。且隨著罐體高度的增加，熱輻射值逐漸增加，但增加幅度變緩。

4)爆炸沖擊波危害較大，在下風向距離57 m，側風向距離56 m的范圍內，1#和2#儲罐罐體會受到不同程度的影響；在下風向距離75 m，側風向距離73 m范圍內不要有人員停留，否則足以致死；在下風向距離284 m，側風向距離283 m范圍內，整個油罐區均包含在內，人員將受到少許傷害，附近的水泥墻會產生裂縫。

5)爆炸超壓隨下風向距離的增加逐漸減小。在下風向距離22 m處經歷了一個超壓階段，此后，爆炸超壓逐漸降低，且降低的較快。由于2#儲罐的阻擋作用，3#儲罐的位置爆炸超壓相對較低且緩慢減少。