爆炸超压计算和风险分析

贾微（中石化上海工程有限公司，上海 200120）



爆炸超压计算和风险分析

贾微
（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

摘 要结合某海外项目所提爆炸超压分析的要求，以软件模拟为基础，根据国外相关规范的分析步骤，针对项目中装置区和罐区，进行爆炸超压计算和风险分析，得出定量化的分析数据，为总平面布置和重要建筑物的抗爆设计提供依据。

关键词可燃气体；扩散；爆炸超压；重要建筑物；风险分析

生产易燃、易爆、有毒、有害介质，或在工序中包含上述介质的化工和炼油装置存在各类风险，随着安全保护理念和科学技术的日益提升，各种应对风险的有效手段也随之有了极大的发展。例如：对于有毒气体泄漏、可燃气体泄漏爆炸等风险，通过各类分析工具进行量化，模拟其危险工况的后果，在工程设计和生产管理阶段采取相应的应对措施，降低石油化工装置在事故状态下对于人员、财产、环境的危害，使其风险程度达到社会可以接受的等级。在目前应对风险的方法中，可燃气体扩散和爆炸超压分析是主要手段之一。

1 背景介绍

在某海外大型联合装置项目中，包含丙烷脱氢（PDH）、聚丙烯（PP）、罐区、装车及公用工程和辅助设施。在项目实施过程中，因安全设计的需要，国外业主提出对装置重要建筑及有人区域进行爆炸超压分析的要求，作为总平面布置和重要建筑物抗爆的设计依据。通过系统化的学习与反复论证研究，同时兼顾海外项目技术保密的原则，本文针对论述分析方法和步骤、后果分析、模型建立和后果等几方面进行描述。在此过程中以软件模拟为基础，结合国外相关规范，提出分析和总结。

2 爆炸超压及风险分析步骤

爆炸超压分析研究的对象为全厂范围内的各类建筑物，目前国际上通用的参照标准为《API RP752：Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings》[1]，该标准主要内容为：爆炸超压领域的术语、鉴定需要评估的建筑物、建筑物评估流程、爆炸评估、火灾评估、建筑物中有毒物质影响评估。参照该标准中有关爆炸超压的内容，为本文提供了指导性的分析步骤及方法。

2.1 分析目标

对工程项目中涉及的所有建筑物开展系统性的、完整的爆炸超压分析，并形成分析报告，为重要建筑物的布置，例如：控制室、变电所等重要建筑物的抗爆设计提供依据。

2.2 资料准备

爆炸超压分析前期需要准备的资料如下：

（1）总物料流程；

（2）工艺流程介绍；

（3）气候条件；

（4）地形条件；

（5）总图布置；

（6）物料组成和介质特性；

（7）设计资料（例如：关键设备尺寸和操作条件等）；

（8）建筑物一览表（包括各建筑物的功能与定员情况说明）。

2.3 分析步骤

爆炸超压分析适用于新建、改建和扩建的建设项目和在役装置或设施，主要包括如下内容：

（1）初步危险源辨析；

（2）泄漏扩散和潜在的爆炸场所分析；

（3）重要（有人）建筑物辨析；

（4）建模及爆炸超压计算；

（5）建筑物影响分析；

（6）结论和建议。

在分析过程中，需要成立专门分析小组，其主要由项目中安全、工艺、总图、配管、建筑、结构等专业组成。

3 爆炸超压及风险分析方法

依据API RP 752，爆炸超压及风险分析方法，可以分为三个阶段，即：第一阶段建筑物和危险源辨识，第二阶段建筑物评估和第三阶段风险管理。由于本次讨论针对爆炸超压风险分析的过程和方法，再者出于篇幅的考虑，本文只包含第一阶段的过程和方法和第二阶段的部分分析过程和方法。

3.1 第一步——建筑物和危险辨识方法

建筑物和危险辨识主要目的是：根据物性参数、建筑物一览表、建筑物人员配置情况等信息，识别装置中的危险介质和重要（有人）建筑物。详细内容和方法如下：

3.1.1 危险工艺介质辨识

在特定化工装置包含的所有种类的化学物质中，可能有数种具有可燃爆炸的风险，因此需要通过危险辨识对其进行甄别。通过危险辨识的方法，可对项目中工艺介质及危险化学品进行有效和有根据的辨识，辨识过程所参照的关键物性大致有化学物质的沸点、可燃上限（UFL）、可燃下限（LFL）等。表1为某项目辨识的危险工艺介质清单。

表1 某项目危险工艺介质清单（表格为部分内容举例）Tab. 1 Hazardours material list （Examples）

3.1.2 驻人建筑物辨识

根据API 752中所规定，凡“有人员在内办公作业的驻人建筑”均需要进行评估，包含办公室、实验室、中控室、车间等建筑，而“无需评估的建构筑物”包含三种类型的建筑：设有顶蓬不设墙的构架、仅需在外操作的装置区域、绝大部分时间无人的建筑，包括分析小屋、废品收集站等。

经过研究和分析，决定建筑是否属于“有人建筑”的关键在于人员使用该建筑的频率，具体可由两方面体现：单位时间内建筑物内的总人工时、单位时间内建筑物内的总人次。前者突出在发生危险时出现伤亡的概率，后者突出一旦发生伤亡的人员损失程度。

根据上述理念，并参照国外已建成项目实际经验，规定如下判据：

（1）无人建筑物判定

一周内，建筑物内的总人工时小于300 h；或一天中，少于5人次在其中工作至少1 h。即判定为无人建筑。

（2）驻人建筑物判定：

一周内，建筑物内的总人工时大于300 h；并且一天中，大于5人次在其中工作至少1 h。即判定为有人建筑。

3.1.3 建筑物重要性辨识

除“驻人建筑”外，装置中还有若干有特定用途的建筑，其职能极为关键，对整个装置运行、对人员和高价值设施的安全起决定性作用，为了使整个爆炸超压分析更全面完善，分析小组认为也需要将此类建筑物进行评估。

根据国外工程经验以及分析小组研究，建筑物重要性辨识考虑如下因素：

（1）紧急状况下，人员能够在建筑物中得到庇护。例如：避难所。

（2）用于紧急响应设施的建筑物，如消防站，紧急支持控制中心或诊所，控制室等。

（3）对于工艺装置后续操作是必须的建筑物。（此类建筑物包括控制室或为多个工艺装置供能的变电所。）

（4）在事故影响下，影响工艺装置安全可控停车的建筑物。例如：中央控制室。

通过辨识，只要此建筑物满足驻人建筑物或者重要建筑物其中之一的要求，此建筑就需要进一步分析。

建筑物辨识分析表举例：

以PDH Substation为例，从Peak Occupancy和Duration of Stay的情况可以判断出此建筑满足无人建筑的判定，属于无人建筑。同时此建筑也并非紧急情况下人员的庇护所。但根据建筑物的功能描述，此建筑对工艺装置后续操作为必须的建筑物，属于重要建筑物。因此最终判断此建筑需要进一步的评估。如表2。

表2 某项目重要（驻人）建筑物分析表举例Tab. 2 Occupied buildings assessment list （Examples）

通过以上步骤，将辨识中需要进一步分析的建筑物筛选出来，进入第二步后果分析。

3.2 第二步——建筑物爆炸超压影响评估方法

经过第一步的工作后，整个分析过程已将危险工艺介质及需要评估的建筑辨识甄选，第二步的工作是评估建筑物受到危险工艺介质爆炸超压的影响。目前国际上已有数款国际认可的先进模拟软件可供分析使用，软件均建立在真实工况模拟实验基础上，模拟结果能够较真实地反映爆炸超压所产生的各方面作用。

分析过程通过软件对已知的各项条件进行建模（爆炸后果模型），其模拟后果将会作为爆炸超压报告的分析基础。

3.2.1 爆炸条件

根据爆炸理论和模拟软件设计者的概念进行总结：可燃性气体在某一受限空间内形成一定浓度的云团，因内在或外在的诱因下会产生爆炸。可燃蒸气云的形成是气体发生爆炸的必要条件，同时围绕着蒸气云产生的精确位置，软件将其定位后模拟其爆炸过程，从而可对各建筑物受到的超压进行分析。

蒸气云爆炸VCE（Vapor Cloud Explosion）条件如下：

（1）蒸气爆炸云团必须可燃；

（2）在扩散过程中，蒸气爆炸云团在大气中的浓度必须在可燃区间内，即可燃上/下极限（UFL/ LFL）内；

（3）须考虑空间拥塞程度对爆炸超压的影响。

在本次分析中，考虑各方面可能，提出蒸气云的形成过程：危险物质从某一位置泄漏，经历扩散后形成蒸气云。

3.2.2 爆炸超压的危害

爆炸超压危险分类详见表3。

爆炸超压峰值低于2.07 kPa时，对于人员和建筑物的影响可以忽略。

3.2.3 爆炸超压的预测方法选择

在爆炸超压预测计算方法中，主要为CAM2法、TNT当量法和TNO多能法三种方法，其中TNT已经被多个国家禁用于化工装置爆炸分析，例如：在美国，TNT法已经立法禁止用于化工装置爆炸定量风险分析。

三种方法简单描述如表4。

3.2.4 潜在爆炸地点（PES）

通过危险辨识及工况分析，可以确认各类爆炸工况所引发的潜在爆炸地点（PES），如表5。最终整理形成PES列表如表6作为输入条件1；同时通过软件模拟计算或者爆炸源受限空间计算得到每个PES 的VCE的体积，形成列表如表7作为输入条件2。

下面以该海外项目中PDH Reactor举例，如表8。

表8为PDH反应器工艺介质在受限空间内（反应器框架内）泄漏，并以扩散充满可占据空间的70 %为最苛刻工况，形成蒸气云（VCE），通过计算所得VCE体积及相关气象平稳度的完整条件。

4 爆炸超压定量风险分析实例

4.1 建模介绍及分析实例选择

表3 爆炸超压危害分类Tab. 3 Blast overpressure sort table

表4 爆炸超压计算方法计算Tab. 4 Blast overpressure calculation methods

表5 潜在爆炸地点筛选（表格为部分内容举例）Tab. 5 PES filter table （Examples）

在软件建模过程中，各工况模型在真实比例的总布置图上的相应位置铺设。模型的通用输入条件包

含物料组成、流量温度压力属性、气象条件等内容；特殊输入条件例如超压模型中的泄漏管口尺寸、高度、泄漏方位等，爆炸模型中的爆炸气体云体积等，均对分析结果起到非常关键的作用。建模过程中将各种危险工况所涉及的重要设备分别设置成分析对象，评估其在危险工况下所受到的伤害。

表6 潜在爆炸地点列表（表格为部分内容举例）Tab. 6 PES list （Examples）

表7 蒸气云爆炸列表（表格为部分内容举例）Tab. 7 VCE list （Examples）

表8 丙烷脱氢反应器输入条件举例Tab. 8 PDH reactor data input

本实例将选取PDH反应器作为爆炸危险分析对象。

4.2 PDH反应器爆炸危险分析

PDH反应器（PDH Reactor）位于装置区中心方块标识处，红圈即为爆炸模型，详见图1，反应器为生产装置典型关键设备，此处以PDH反应器（PDH Reactor）作为评估对象进行爆炸分析。

图1 丙烷脱氢反应器爆炸模型Fig. 1 The explosion modeling of PDH reactor

软件在模拟PDH反应器爆炸危险的过程中，通过对大气条件、可燃易爆介质工艺属性、蒸气爆炸云体积、反应器所在建筑框架的拥塞度等关键条件进行处理，还原出危险工况发生时接近真实的场景，并且计算出量化的相关数据，可以用数字或曲线的形式呈现。

如图2，曲线所呈现的是超压随距离变化所产生的增减趋势，可见随着距PDH反应器可燃蒸气云爆炸点距离的增加，爆炸后产生的超压逐渐降低。

图2 爆炸超压和距离变化趋势（以上为参考数值，非正式）Fig. 2 The picture of relationship between distance and overpressure

显示在布置图上的效果详见图3，爆炸点（Explosion）发生爆炸时所产生超压分布状况及其区域。其中红色超压曲线代表400 mBar（1 mBar = 100 Pa），绿色超压曲线代表300 mBar，褐色超压曲线代表100 mBar，蓝色超压曲线代表20 mBar，可见超压在爆炸中心为峰值，随着距离的增加而衰减。

图3 丙烷脱氢反应器爆炸超压分布状况和区域Fig. 3 The drawing of PDH reactor explsion state

软件中可定义超压承受对象，在PDH反应器（PDH Reactor）北面坐落有PDH Operator Shelter，如图4中标识所示，受到PDH反应器（PDH Reactor）爆炸的影响。

图4 丙烷脱氢操作人员避难所爆炸超压影响Fig. 4 The impact of PDH operator shelter during explosion

观察软件输出计算结果如图5，可见该对象所承受的超压及其风险。

图5 丙烷脱氢操作人员避难所计算结果Fig. 5 The result of PDH operator shelter

根据对潜在爆炸点的模拟，得出重要建筑物所受到的超压影响，从而完成爆炸超压定量风险分析。从图5可知，PDH Operator Shelter的超压约为32.5 kPa，属于表3中“木制的支撑柱折断”的后果，需要建筑和结构专业在工程设计中进行后续抗爆设计，或者总图专业将其移到2 kPa超压区域内，以提高其安全性。

5 总结

5.1 工作总结

结合以上描述和石油化工工程项目应用情况，其主要有如下两点作用：

（1）从设计的角度而言，为总平面布置和重要建筑物的抗爆设计提供依据。

（2） 从项目管理的角度而言，为项目管理层提供本项目量化的安全风险参数和模型，为未来风险应对计划制定和更加进一步风险分析创造条件。

整个爆炸超压计算和风险分析的过程主要目的为：降低石油化工装置在事故状态下对于人员、财产、环境的危害，使其风险程度达到规范允许的等级。

5.2 定量工作应用于定性工作的意义

1988年，英国北海阿尔法原油钻井平台爆炸火灾事故造成167人死亡，事后报告建议用定量分析的方式提高定性分析的准确性。2005年，英国邦斯菲尔德油库发生爆炸火灾事故，受伤人员达43人，直接经济损失2.5亿英镑，事发后，多家机构进行定量化的后果模拟分析，其所得出的理论和结论，沿用至今，有效地促进了定量风险分析技术发展。现在国外石油化工项目将爆炸超压计算和风险分析作为工程设计的“必修课”[3-6]，发达国家和地区甚至写入国家法律法规。

国内工程设计中的爆炸超压计算和风险分析，由于考虑到数据资料和后果建模工作量的问题，往往不针对某个工况或者某个建筑直接进行定量计算及分析，而是进行有针对性的定性分析，根据相关防火技术规范或者建筑物抗爆规范，选取上限保守的结果数值进行建筑物结构设计[7-10]。这种做法容易导致过度设计、缺乏输入依据、工程费用上升等问题。降低了准确性，不适用于中外合资或国外项目。

综上所述，进行爆炸超压计算和风险分析对于工程设计项目而言是十分必要和有意义的。但就当今国内安全设计领域应用情况来说，爆炸超压计算和风险分析仍是一种正在被逐步认识的方法，目前其应用还不十分广泛，为进一步提高爆炸超压计算和风险分析的水平应该深入研究不同计算模型和不同类型石油化工装置的应用经验。总之爆炸超压计算和风险分析方法的广泛应用和完善必将促进石油化工安全设计能力的提高。

参考文献

[1]API-752 Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings，2009.

[2]AQ/T 3056—2013化工企业定量风险评价导则[S].

[3]OSHA.OSHA 29 CFR 1910.119.Process Safety Management.美国职业安全健康管理局，1992.

[4]葛春涛， 化工过程本质安全原理及应用的研究进展[J].化工技术与开发，2014，43（10）.

[5]武亮. 化工工艺设备本质安全程度评价模式研究[J].河南科技机械与自动化.

[6]李一铷. 火灾、爆炸危险评价方法选择及介绍[J]．劳动保护科学技术，2000.

[7]杨林娟，沈士明. 工业风险分析与评价方法综述[J]．压力管道，2005.

[8]王建波. 谈安全评价及其方法[J]．林业劳动安全，2004.

[9]何华刚，费先明. 化工安全评价探讨[J]．安全与环境工程，2003.

[10]樊晓华，吴宗之，宋占兵. 化工过程的本质安全化设计策略初探[J]. 应用基础与工程科学学报，2008.

封一介绍

南京久诺科技有限公司

南京久诺科技有限公司成立于2001年，主要从事医药和电子厂房的自动化系统设计和工程实施。

自成立之日起，一直致力于解决医药行业风量压差稳定性差的难题。2010年，经过多年的理论研究和经验总结，正式首创风量平衡系统概念。此概念中的多个产品获得国家实用新型专利证书。

同年，风量平衡系统应用在连云港恒瑞医药无菌粉针车间（环磷酰胺，API与制剂分装），该车间经过多年准备，于2014年通过欧盟与FDA认证。

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Calculation of Over-pressure Due to Blast and Risk Analysis

Jia Wei
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Abstract:With the requirements in one overseas project for the analysis of over-pressure due to blast and based on the methods and procedures provided in relative foreign codes, the analysis of explosion and over-pressure for the areas for setting equipment and tank were carried out by using software stimulation. The quantitative data were obtained so that the basis for plot plan and anti-blast in the design of buildings was provided.

Keywords:flammable gas; dispersion; over-pressure due to blast; important building; risk assessment

作者简介：贾微（1983—），男，在读研究生，工程师，主要从事石油化工工程设计及石油化工安全设计。

收稿日期：2015-09-26

中图分类号：TQ 086.2

文献标识码：A

文章编号：2095-817X（2016）01-0005-000