大型油罐区蒸气云爆炸事故多米诺效应研究

●马海清

(鞍山市消防支队，辽宁鞍山 114001)

0 引言

随着我国油品消耗量的逐年增多及石油进口量逐渐加大，国家石油储备基地不断投入建设，现已建成镇海石油储备基地、黄岛石油储备基地、大连石油储备基地和舟山石油储备基地，到2015年，我国成品油库容量预计可达8000万m3。国内外大型油品储罐区火灾爆炸事故时有发生，后果极其严重。如2010年7月16日大连中石油国际储运有限公司保税区油库输油管线爆炸起火，是一起罕见的特大火灾，火场面积大，爆炸爆裂连续发生，火势形成大面积立体燃烧［1］。

多米诺事故是由多米诺效应诱发的，是一种事故的连锁和扩大效应。在对事故多米诺效应进行研究时，首先定义多米诺效应［2－7］。最为广泛认可的定义是 Delvosalle的定义，Cozzani等在此基础上认为只有当结果的总体严重性高于或至少相当于初始事故后果的场景事故是多米诺事件［5，7］。国外学者对20世纪以后40年的207起重大事故进行了统计分析，结果发现39%的事故中产生多米诺效应。事故的多米诺效应常造成灾难性的后果，类似的案例在国内外均有发生［8－9］。

通过对重大危险源事故数据库记录的100起多米诺事故进行统计分析可以得出，由爆炸引发的多米诺效应占48%，其中依次为蒸气云爆炸(VCE)18%，物理爆炸(PE)17%，沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)13%，VCE和PE主要通过超压引起多米诺效应。本文研究大型储罐区蒸气云爆炸多米诺效应，这将对大型储罐区的消防安全评价及火灾扑救具有指导意义。

1 大型储罐区概况

鞍山某罐区有 8 个储罐(1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和 8#)，罐容共计12×104m3，其中1×104m3柴油罐2座，2×104m3柴油罐2座，1×104m3汽油罐2座，2×104m3汽油罐2座，如图1所示。储罐都是常压柱形储罐，储存物料为汽油或柴油，液态，温度为20℃，工作压力为1个标准大气压。各储罐基本情况如表1所示。

图1 某罐区示意图

根据《危险化学品重大危险源辨识》指定各种物质的临界量［10］，分别对各储罐进行危险源辨识，选取危险性较大的汽油储罐进行分析。汽油闪点为－50～10℃，根据《石油天然气工程设计防火规范》［11］的规定，汽油火灾危险性为甲类，因此，泄漏出的汽油蒸气与空气形成的混合物遇明火极易发生火灾事故。由于汽油易挥发，当盛装汽油的储罐为固定顶时，挥发的汽油蒸气很可能处于爆炸极限范围内，当被点燃后可能发生VCE事故。因此，本文主要考虑汽油储罐VCE这种事故情景，并对其进行详细的定量风险分析。

表1 储罐基本情况

2 蒸气云爆炸引起的多米诺效应分析

设油品储罐区内有n+1个设备，假定其中1个设备发生的事故为初始事故，该事故可以通过超压形式传递给周围设备进而引发二级事故。对周围n个可能的目标，以它们最可能发生的事故作为二级事故，鉴于工程应用的实际，在此仅考虑1个设备只发生1种事故类型。在选定初始事故后，对可能的事故场景数目进行计算，有q(q≤n)个设备发生事故所对应的场景数为Cqn:

初始事故引发周围n个设备可能产生的所有事故场景数S总为:

2.1 多米诺概率计算

为了简化计算，不考虑初始事故触发三级事故以及二级事故进一步触发三级事故，即将初始事故的多方向扩展看做独立事件。初始事故引发q个设备发生第m种事故场景对应的概率 f(q，m)为:

式中，fpe是初始事故的发生概率，可通过对历史资料数据进行统计或事故树计算获得;P(q，m)是初始事故触发周围q个设备发生第m种事故场景的概率，其计算公式为:

式中，Pi是初始事故导致设备i发生事故的概率。

式中，Y是设备损坏的扩展概率单位;k1和k2是系数，k1=－23.8，k2=2.92。表2给出了超压引发不同类型设备的扩展概率单位计算模型，其中△P0是目标容器接受到的静态超压值(Pa)。

2.2 多米诺效应后果研究

火灾爆炸事故可导致人员伤亡、财产损失和环境破坏，本文仅从人员伤亡来研究和量化事故后果，采用人体脆弱性模型。脆弱性模型是一种被广泛使用的方法，由标准正态概率分布函数的累积表达推导而来。

表2 超压引发不同类型设备的扩展概率单位计算模型

式中，V是人体脆弱性或死亡概率;Y是扩展概率单位，其计算方法见表2;u的定义为:u=(D－μ)/σ，D是独立剂量，取值见表3;μ和σ分别是正态分布的均值和标准差。

表3 人体脆弱性模型

多米诺效应后果分析就是对初始事故和二级事故可能造成的人体死亡概率进行定量分析。采用脆弱性模型对事故后果进行计算，得出每个事故造成的人体伤亡概率，并将由初始事故和二级事故产生的脆弱性进行组合。总后果为所有事故情景引起的人体死亡概率的综合，上限为1。

式中，V(q，m)是初始事故引发周围q个设备发生第m种事故场景造成的人体死亡概率;Vpe是初始事故造成的人体死亡概率;当设备i属于Jqm组合时，δ(i，Jqm)取1，否则取0;Vi表示设备i发生事故引起的人体死亡概率。

3 计算结果与讨论

本文采用由北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室编写的多米诺事故定量风险评价软件BIT－DOMINO为工具进行计算，相关输入参数为:环境压力P0=1.013×105Pa，当量系数αe=0.04，汽油的燃烧热 Hc=4.3738×107J·kg－1，20000 m3罐的有效燃料质量 W=0.8 ×20000 ×0.076×1.29 ×4=6274.6 kg，10000 m3罐的有效燃料质量 W=3137.3 kg。以2#汽油罐为例进行计算，图2是2#汽油罐单独发生VCE事故对应的个人风险和社会风险曲线。

图2 2#汽油罐单独发生VCE事故对应的风险

图3 2#汽油罐发生VCE引发周围罐发生火灾事故造成的风险

从图中看出，距储罐边缘37 m范围内具有较高风险，对应的值为1×10－5a－1，同理，距储罐边缘为39 m时对应的风险值为1×10－6a－1，距储罐边缘为42 m时对应的风险值为1×10－7a－1，且事故可能造成2人死亡。图3是2#汽油罐发生VCE爆炸事故引发周围储油罐区发生火灾事故对应的个人风险和社会风险曲线。图4是5#汽油罐单独发生VCE事故对应的个人风险和社会风险曲线。从图中看出，储罐边缘28 m范围内具有很高的风险，对应的值为1×10－5a－1，距储罐边缘为32 m时对应的风险值为1×10－6a－1，距储罐边缘为33 m时对应的风险值为1×10－7a－1，且事故可能造成1人死亡。图5为5#汽油罐发生VCE事故引发周围储油罐区发生火灾事故对应的个人风险和社会风险曲线。

图4 5#汽油罐单独发生VCE事故对应的风险

由以上分析得出，鉴于多米诺效应罐区风险值大于单罐储存的风险值，因此，当多个储罐存放在一起时，由于爆炸或其他原因造成固定冷却系统损坏或失效时，移动冷却设备将成为控制火场范围的关键因素，所以将多米诺效应应用于灭火救援预案的制定，保护消防救援人员的生命安全具有一定的现实意义。同时，石油企业应该增强安全监测和日常消防安全管理，经常检修维护保养消防设备，制定周密的重大消防事故应急救援预案，并定期有计划的进行演练。

4 结论

本文以大型储罐区蒸气云爆炸引发的多米诺效应为研究对象，综合分析多米诺效应对大型储罐区消防安全评价及应急救援的影响，归纳总结可得出以下结论:(1)基于我国大型储罐区油品性质和储罐结构的不同，以固定顶油罐发生蒸气云爆炸为例开展多米诺事故后果定量分析，从分析结果得出多米诺效应对个人风险和社会风险都会造成显著的变化，因此对大型储罐区进行多米诺效应风险分析，可使大型油罐区消防安全评价更加切合实际，为油罐区重大事故的控制和预防提供依据。(2)除固定顶油罐外，可尝试将多米诺定量后果分析用于内浮顶罐和外浮顶罐储罐区，丰富大型储罐区消防安全评价研究，为建立系统的消防安全评价方法及灭火救援预案制定提供基础理论数据。

图5 5#汽油罐发生VCE引发周围罐发生火灾事故造成的风险

［1］苗国典，李红旗.大连“7·16”油库爆炸火灾扑救难点及经验启示［J］.武警学院学报，2010，26(10):23 －26.

［2］OJEC.Council directive 96/82/EC of 9 December 1996 on the control of major accident hazards involving dangerous substances［S］.Brussels:Official Journal of the European Communities，1997:97 －1071.

［3］GLEDHILL J，LINES I.Development of methods to assess the significance of domino effects from major hazard sites［R］.London:Health and Safety Executive，1998:2 －8.

［4］AICHECCPS.Guidelines for chemical process quantitative risk analysis［M］.2nd ed.New York:American Institute of Chemical Engineers，2000:7 －191.

［5］COZZANI V，GUBINELLI G，ANTONIONI G，et al.The assessment of risk caused by domino effect in quantitative area risk analysis［J］.Journal of Hazardous Materials，2005，127(1/2/3):14 －301.

［6］COZZANI V，ANTONIONI G，SPADOM G.Quantitative assessment of domino scenarios by a GIS－based software tool［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2006，19(5):463 －477.

［7］DELVOSALLE C.Domino effects phenomena:definition，overview and classification［C］//Safety Administration，Direction Chemical Risks，Federal Ministry of Employment，Belgium.Proceedings of the First Eur.Symp.Seminar on Domino Effects.Brussels:Leuven University Press，1996:5 －151.

［8］PIETERSEN C M.Analysis of the LPG Disaster in Mexico City［J］.Journal of Hazardous Materials，1988，20:85 －107.

［9］国家安全监督管理总局.中石油吉林石化分公司双苯厂“11·13”爆炸事故及松花江水污染事件调查报告［R］.2006.

［10］GB 18218－2009，危险化学品重大危险源辨识［S］.

［11］GB 50183－2004，石油天然气工程设计防火规范［S］.