炼油化工行业建筑物风险管理技术标准研究

马伟平，管维均，蔡　婷，汪　洋

1.中国石油管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）

2.中石油管道有限责任公司生产经营部 （北京 100007）

3.中国石油西部管道公司 （新疆 乌鲁木齐 830011）

4.中国石油管道局工程有限公司第四分公司 （河北 廊坊 065000）

石油炼化行业事故类型主要是火灾、爆炸和油气泄漏。由于工艺装置多储存易燃易爆介质，易发生泄漏易导致蒸气云爆炸（VCE），对周围建筑物造成破坏性影响，特别是人员集中的建筑物，可能造成重大人员伤亡事故。随着“以人为本”的设计理念不断深入，石油炼化行业的建筑物安全和人员安全成为关注的焦点[1]。

以美国石油学会标准API RP752—2009《化工行业永久性建筑物场所的风险管理》为例，介绍了美国石油炼化行业基于火灾、爆炸和毒性物质泄漏的建筑物风险评价方法[2]，结合我国石油行业工程实践和消防标准现状，研究了该标准的适用性和先进性，对于保障我国石油炼化行业的建筑物安全和人员安全具有借鉴意义。

1　石油炼化行业建筑物风险评价研究现状

我国石油炼化行业消防标准比较完善，但防爆标准较为欠缺，特别是临近储存危险介质工艺设施装置的建筑物风险评价技术还属空白。主要原因是爆炸事故的复杂性、突发性和不可预见性，以及危害后果的不确定性。例如SH/T 3006—2012《石油化工控制室设计规范》规定应对存在爆炸危险的控制室建筑物进行抗爆设计，包括控制室、机柜间、变配电间等，但未规定控制室建筑物与工艺装置的安全距离，以及建筑物应能承受的爆炸冲击力的数值[3]。

近年来国内外已开展蒸气云爆炸机理、蒸气云爆炸冲击力模型以及超压冲击波对建筑物破坏程度等方面研究[4]。新发展了火灾风险评价技术、完整性管理技术应用于油气站场工艺设施安全评价，例如应用DOW火灾指数评价法定量计算油气站场工艺设施装置的火灾危险性和事故损失[5]。借鉴美国石油学会标准API Publ 353—2006《转运油库设施完整性管理系统》，建立了储罐和工艺管道完整性管理方法，定量计算储罐和工艺管道风险[6]。

2　美国石油炼化行业建筑物风险评价标准

美国石油学会（API）是世界各国公认的先进标准，具有很强的权威性、指导性和通用性。API RP752—2009《化工行业永久性建筑物场所的风险管理》标准，适用于炼油化工厂、液化天然气站等场所，规定了新建和已建的建筑物发生爆炸、火灾和毒性物质泄漏情形下的风险管理导则。

2.1　建筑物选址评价程序

应进行选址评价建筑物类型包括会议室、控制室、应急指挥中心、现场操作人员室（输油泵、压缩机等）、试验室和设备维护车间。建筑物选址评价程序见图1。

图1　建筑物选址评价程序

2.1.1评价方法

基于爆炸、火灾和毒性物质泄漏的建筑物选址评价方法有3种。

1）后果参照法。考虑各种类型建筑物和各种风险因素可导致的最大预期事件（MCE）的影响。

2）风险评价法。该方法是定量方法，分别计算爆炸、火灾和毒性物质泄漏的后果和概率的数值。

3）安全距离表法。参考相关行业协会制定的经验统计的数据表，确定设备和居住建筑物的最小安全距离，例如美国化学工程师协会的《设施选址和布置指南》，道化学公司的火灾与爆炸指数法等。

2.1.2评价准则

1）后果参照法评价准则。根据后果参照法的建筑物选址评价准则，可用建筑物暴露程度和后果程度表示[7]。建筑物暴露程度表征值有冲击波载荷，热通量和接触时间，易燃气体的深度，毒性物质的浓度和接触时间。后果程度的表征值有建筑物人员的脆弱性；建筑物可能受到的损坏（易损性）；建筑物内部环境恶化（即无法保障人员生命安全）。仅给出冲击波载荷对钢或混凝土框架砖瓦填充建筑物破坏情形的评价准则：①冲击波载荷大于10.34 kPa，墙体向内倾斜，玻璃窗破坏；②冲击波载荷大于13.79 kPa，屋顶部分塌落；③冲击波载荷大于17.24 kPa，框架完全倒塌；④冲击波载荷大于34.47 kPa，彻底毁坏。

2）风险评价法评价准则。根据风险评价法的建筑物选址评价准则，应考虑建筑物内所有人员的累积风险以及每个人的风险，可建立单一的风险值表示个体风险和累计风险，也可以用个体风险和累计风险的数值或者超出值表示，风险评价准则可用后果和概率的图形或数值矩阵表示。按照英国建筑物破坏等级标准，应计算爆炸冲击波对建筑物的波及半径，包括死亡半径、重伤半径和轻伤半径，其中死亡半径指该区域内无防护人员因爆炸冲击波作用导致内脏损伤或死亡的概率为0.5；重伤半径指该区域内人员因冲击波作用听觉器官损伤或骨折或耳膜破裂(重伤)的概率为0.5；轻伤半径指该区域内人员耳膜因冲击波作用破坏或轻微损伤的概率为0.01。

3）安全距离表法评价准则。根据安全距离表法的建筑物选址评价准则，如建筑物距离大于安全距离表法的数值时，即认为满足安全要求[8]。例如可参考美国颁布的技术法规文件《炼油化工厂布局和间距》、《化工行业危险区域分区间距要求》等。

2.1.3建筑物改造措施

应将不满足选址评价标准的建筑物列入改造计划，消除建筑物存在的危险因素。表1给出了用于减少风险后果和概率的改造措施，改造措施按照优先级由高到底分为被动型、主动型和程序化3种类型。

2.2　基于爆炸影响的建筑物选址评价

基于爆炸影响的建筑物选址评价程序见图2，炼油化工行业爆炸类型主要是蒸气云爆炸。

2.2.1测定VCE对建筑物冲击波载荷

基于爆炸影响的建筑物选址评价应计算建筑物受到的冲击波载荷，其中TNT当量法不适用于计算冲击波载荷，原因是TNT法不能表征燃油反应差异以及堵塞、约束对火焰速度的影响，此外TNT模型的量级和持续时间与VCE存在很大差异。

1）冲击波曲线技术。冲击波曲线法是建筑物选址评价的常用方法，使用现场参数输入数据，根据燃油反应性计算冲击波载荷，以及堵塞、约束对冲击波载荷的影响，例如TNO多能量法、贝克-施特雷洛-唐法（BST）和堵塞评价法（CAM）。

表1　改造措施等级

图2　基于爆炸影响的建筑物选址评价程序

以应用最广泛的TNO（荷兰国家应用科学研究院）多能法（MEM）进行说明，该方法是典型的比例缩放爆炸预测模型，基于大量试验数据和数值研究建立的蒸气云爆炸效应预测模型，适用于确定障碍空间（亦称约束空间）蒸气云爆炸。TNO多能法关键技术包括蒸气云中可燃物质的量和蒸气云分布区域的预测计算，障碍区域、非障碍区域体积和能量的确定，及依据爆炸波参数特征曲线计算蒸气云爆炸波破坏影响特征参数的方法。通过模拟计算障碍区域蒸气云爆炸参数，根据爆炸波参数特征曲线中的比例距离确定比例峰值侧向超压或比例正相持续时间，从而计算出爆炸波超压和持续时间。MEM最终给出的蒸气云爆炸危害后果表示为：爆炸波峰值侧向超压、峰值动态压力和正相持续时间。MEM评定蒸气云爆炸的人员伤害超压准则是：①超压值介于0.196×105～0.294×105Pa，伤害程度为轻微挫伤；②超压值介于0.294×105～0.490×105Pa，伤害程度为中等损伤（听觉器官损伤，内脏轻度出血、骨折等）；③超压值介于0.490×105～0.980×105Pa，伤害程度为严重损伤（内脏严重挫伤，可引起死亡）；④超压值大于0.980×105Pa，伤害程度为极严重，可能大部分死亡。

2）高级冲击波模拟技术。利用计算流体力学（CFD）模型表征油品泄漏、蒸气云扩散和设备的相互关系，进而计算冲击波载荷，计算过程复杂，需要输入很多数据，对用户要求较高。

2.2.2建筑物损坏程度评价

冲击波载荷对建筑物的影响，包括建筑物损坏和对建筑物内人员的影响。基于冲击波载荷的建筑物设计方法，允许建筑物一定程度的永久变形，建筑行业已根据典型建筑物的评价结果，绘制了建筑物损坏程度压力渐近线。此外还可以针对梁、柱、板、框架等特殊构件进行冲击波载荷动态应力分析。建筑物内人员的主要危险是建筑物倒塌和坠落的碎片、建筑材料等。研究表明，某些类型的建筑物受到的损坏与建筑物内人员的脆弱性存在一定的相互关系，可用建筑物的损坏情况，代替建筑物内人员的脆弱性。

2.3　基于火灾影响的建筑物选址评价

基于火灾影响的建筑物选址评价程序见图3。如建筑物安全距离满足安全距离表法规定的数值，则不需进行基于火灾影响的建筑物选址评价程序。

图3　基于火灾影响的建筑物选址评价程序

2.3.1火灾类型

炼油化工行业火灾类型主要是防火堤池火、储罐喷射火灾、油品闪燃和球状火灾。火灾类型取决于泄漏油品的性质、数量以及工况条件（温度、压力和场所几何形状约束）。

2.3.2测定火灾对建筑物的影响

火灾对建筑物的影响见表2。

表2　火灾对建筑物的影响

2.3.3基于火灾的建筑物保护原则

基于火灾的建筑物保护原则主要是提供避难所和人员疏散。设计避难所应考虑人员在建筑物内的停留时间和易燃物质的燃烧时间。人员疏散方法应设计紧急出口和疏散路线，定期进行应急程序演练和培训。

2.4　基于毒性物质泄漏的建筑物选址评价

基于毒性物质泄漏的建筑物选址评价程序见图4。

图4　针对毒性物质泄漏的建筑物选址评价

2.4.1测定毒性物质泄漏对建筑物的影响

应建立建筑物毒性物质泄漏扩散模型，规定了建筑物外部和内部毒性物质极限浓度、剂量和持续时间。

2.4.2基于毒性物质泄漏的建筑物保护原则

建筑物内人员对毒性物质泄漏的脆弱性主要是建筑物内毒性物质的浓度和持续时间。基于毒性物质泄漏的建筑物保护原则主要是提供避难所和人员疏散。如采用人员疏散方法应设计紧急出口和疏散路线，定期进行应急程序演练和培训。如采用避难所，应考虑人员在建筑物内的停留时间和毒性物质在建筑物扩散时间，建筑物应配备如下装置：①HVAC，可改变空气循环模式；②应急通讯设备（对讲仪）；③PPE;④门窗密封装置。

3　结论和建议

1）我国石油炼化行业消防标准比较完善，但防爆标准较为欠缺，特别是临近储存危险介质工艺设施装置的建筑物风险评价技术是未来的研究方向。

2）美国石油协会标准APIRP752—2009建立了石油炼化行业的建筑物发生爆炸、火灾和毒性物质泄漏情形下的风险管理导则，技术先进表现在以下几个方面：①基于后果参照法、风险评价法和安全距离表法的建筑物选址评价方法和评价准则；②建筑物被动型、主动型和程序化3种优先级由高到低的改造措施；③基于爆炸影响的建筑物选址评价，应用TNO多能量法等定量计算蒸气云爆炸对建筑物冲击波载荷；④基于火灾影响的建筑物选址评价，定量计算火灾热辐射（热通量和持续时间）对建筑物的影响；⑤基于毒性物质泄漏的建筑物选址评价，定量计算毒性物质极限浓度、剂量和持续时间对建筑物的影响。

3）APIRP752—2009理念新颖，技术内容先进，具有较强的适用性和可操作性，适用于炼油行业，针对输油气站场也具有参考价值，建议进行采标，作为石油行业推荐性标准。

参考文献：

[1]孙成龙.建立中国炼化行业的本质安全设计管理框架[J].石油化工安全环保技术,2010,26(3):10-11,48.

[2]R.G.Payne,R.W.Haupt,C.J.Melo.API RP752-2009.Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings[S].Washington D.C.:American Petroleum Association,2009.

[3]中国石化宁波工程有限公司.石油化工控制室设计规范:SH/T 3006—2012[S].北京:中国石化出版社,2013.

[4]翟卫斌.建筑物的动态爆炸分析[J].石油化工设计,2006,23(1):59-61.

[5]郑贤斌,李自力.DOW火灾爆炸指数评价法在油库中的应用[J].油气储运,2003,22(5)：49-52.

[6]陈健峰,税碧垣,沈煜欣.储罐与工艺管道的完整性管理[J].油气储运,2011,30(4)：259-262.

[7]Baker,W.E.Guidance for the Location and Design of Occupied Buildings on Chemical Manufacturing Sites[M].New York：Chemical Industries Association(CIA),2010.

[8]Spouge,J.,Guidelines for Developing Quantitative Safety Risk Tolerance Criteria[M].Washington:Center for Chemical Process Safety(CCPS),2009.