油罐区耦合事故危害范围的预测*

刘 超 李向欣 胡绪鑫 李祥岳

中国人民警察大学

随着我国经济的发展以及国家战略的调整，全国范围内储罐区数量迅猛增加，随之而来油罐区发生火灾爆炸事故的风险也越来越高。油罐区一旦发生事故，极易处于失控状态，危害后果十分严重。例如：2015年4月，漳州腾龙芳烃有限公司发生重大火灾爆炸事故，造成6人受伤、近1亿元的经济损失。油罐区事故具有复杂性，多种事故类型往往相互作用，过去只对单一事故进行研究的模式已不能适应灭火作战的需要[1-2]。深入研究油罐区事故的发展规律，科学预测耦合事故的危害范围，为消防部队制定处置预案提供理论支撑已成为当务之急。

1 油罐区耦合事故的特性

1.1 油罐区单一事故的类型

根据事故发生的位置及规模可分为罐体或管道泄漏、密封圈火灾、浮顶泄漏局部火灾、蒸气云爆炸、全液面火灾、油罐爆炸、防火堤内火灾等10余种，但按种类划分主要为泄漏、池火灾、油罐爆炸、蒸气云爆炸。

由于外界因素使得油罐或管道破裂，大量油品外流。油品外流后，在重力以及地形的作用下四处漫延，直至达到一定的饱和范围，形成近似圆形的液池面，大约4%的油品会产生挥发。由于油品毒性较低，泄漏后通常不考虑中毒事故。同时油品具有易燃易爆且易受外部环境条件干扰的特性，遇火源则转化为蒸气云爆炸或池火灾。池火灾会产生强烈的热辐射，临近设施可能因为强烈的热辐射发生新的事故。重质油品的全液面池火灾在扑救不及时的情况下有可能发生沸溢喷溅。对于拱顶罐和内浮顶罐，还有可能发生油罐爆炸。蒸气云爆炸与油罐爆炸的成灾机理以及危害形式相同，但蒸气云爆炸的能量完全以冲击波的形式作用于周围环境，但油罐爆炸所处的区域封闭性更强，冲击波的部分能量被罐体吸收，对周围环境的危害相对较小。

1.2 油罐区耦合事故的机理

在参考了各学科对于耦合的定义，同时结合油罐区火灾爆炸事故特征，将耦合事故定义为：事故发展过程中，由于各因素间相互作用，使得不同的事故类型相互影响，事故的危害后果发生变化。油罐区耦合事故主要表现为池火灾、泄漏、蒸气云爆炸、油罐爆炸等事故间的相互耦合。LASTFIRE统计的71例油罐火灾事故中，耦合事故占50起，占火灾总数的70%[3]。

油罐耦合事故有零耦合、强耦合两种类型[4]。零耦合指的是单一事故间相互作用未改变事故的危害后果，表现形式为“1+1=2”。强耦合指的是各单一事故之间相互影响，使得事故的危害后果呈上升趋势，表现形式为“1+1＞2”，强耦合是油罐区事故的主要耦合类型。例如，由于管道发生破裂，造成大量的原油外流，遇火源形成大面积的流淌火，强烈的热辐射导致相邻储罐发生爆炸，两单一事故耦合作用后危害范围扩大。

2 耦合事故危害范围的预测

2.1 单一事故危害范围的数学模型

2.1.1 池火灾

油罐火灾主要类型为池火灾。池火灾数学模型是根据火焰特征以及燃烧特性建立的。常用的数学模型有点火源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型等[5-7]。由于油罐事故现场环境复杂，救援时间紧迫，本文采用计算相对简便的点火源模型。

式中，

Q—总辐射热通量，kW；

I—热辐射强度，kW/m2；

tc—热传导系数，通常取值为1；

X—目标点到池火中心的距离，m。

2.1.2 蒸气云爆炸

当发生蒸气云爆炸时，冲击波对周围设施及人员的危害采用TNT当量模型进行预测[8]。蒸发的油品并非完全参与到爆炸中去，为了保守估计，则认为蒸发量等于爆炸量。计算公式如下所示：

式中，

W—泄漏油品的质量，kg；

α—参与爆炸的燃料占泄漏燃料的比例，取平均值0.04；

qTNT—单位质量TNT爆炸所释放出的能量，4.52 MJ/kg。

2.1.3 油罐爆炸

荷兰应用科学研究院通过研究得到了油罐爆炸的冲击波危害半径计算公式[9]：

式中，

r—损害半径，m；

V1—参与反应的可燃气体体积，m3；

η—效率因子，其值与燃烧浓度持续展开所造成损耗的比例和燃烧所得机械能的数量有关，一般取10%；

CS—危害等级系数，其取值，见表1。

2.2 危害程度的划分

不同区域的人员所受的危害程度存在差异，根据危害程度的不同以事故点为中心划分重度区、中度区、轻度区。其中，重度区距离事故储罐最近，该区域极易造成大规模人员伤亡以及建构筑设施完全损坏。中度区距离事故储罐中等距离，该区域的人员若缺少防护且未及时撤离，其中半数人会出现中等程度的伤害，极少数人员可能死亡，建构筑设施严重损坏。轻度区距离事故储罐较远，该区域的人员一般受到轻微伤害，建构筑设施发生轻微的变形。本文在参考超压准则、冲量准则、超压—冲量准则后确定了冲击波的伤害阈值，依据热辐射通量准则和热辐射强度准则确定了热辐射的伤害阈值，见表1。

表1 伤害阈值

2.3 耦合事故危害范围的确定方法

2.3.1 单一事故危险性指数

通过查阅相关文献及标准，结合单一事故的阈值以及事故危险性因子对人、环境的危害程度，对单一事故进行分级，H代表各类单一事故在不同危害程度下的危险性指数，见表2-4。

表2 火灾事故危险性指数

表3 油罐罐体爆炸危险性指数

表4 爆炸事故危险性指数

2.3.2 耦合事故危险性改变量

耦合事故发生时，各单一事故通过因素的相互作用使得事故危害后果增大，但耦合的规模以及耦合程度受各种外界因素影响，因此耦合事故的危害后果具有一定的不确定性。本文通过耦合事故危险性改变量ΔHi在一定程度上对危害范围进行调整，量化由于耦合事故所导致危害后果增加的部分，较为科学地预测危害范围。当耦合事故为双灾种耦合时，根据改变量ΔHi矩阵选取数值，若为三灾种耦合时，可视为2个双灾种耦合相加，如蒸气云爆炸-池火灾-油罐爆炸的耦合可视为蒸气云爆炸-池火灾与油罐爆炸-池火灾的耦合数值之和。耦合事故危险性改变量ΔHi矩阵，见表5。

表5 耦合事故危险性改变量ΔHi矩阵

2.3.3 耦合事故危害半径

在对初始事故场景进行分析后，判断可能参与耦合的事故类型，运用数学模型计算各单一事故在不同危害程度下的危害半径，采用最大值原则分别得到重、中、轻度区危害半径的最大值rmax，将rmax带入公式（4）中即可得到耦合事故危害范围的半径R耦。

3 应用举例

3.1 案例基本情况

某城市化工园区内建设有一储罐区，罐区内共有四个储罐，储罐的储存介质为柴油和汽油。汽油的密度为740kg/m3，燃烧热为46MJ/kg；柴油的密度为850kg/m3，燃烧热为42.5MJ/kg，具体参数，见表6。储罐区长宽均为129m，储罐分布，如下图。

表6 储罐具体参数

图 储罐区分布情况示意图

3.2 事故情景分析

由于操作人员的失误，1号汽油罐管道发生破裂，大量汽油泄漏，泄漏量为30m3，泄漏的汽油在防火堤内的一侧聚积形成液池，面积约为700m2且未立即引发火灾以及爆炸事故，当天无风。

对初始事故进行分析，初始事故为汽油泄漏事故，但由于泄漏量较大，且汽油易挥发，因此事故现场极易发生蒸气云爆炸和池火灾的耦合。倘若引发池火灾，则汽油罐可能在池火灾的猛烈烘烤下发生油罐爆炸，使得耦合事故更加复杂，因此危害范围的确定应基于蒸气云爆炸、池火灾以及油罐爆炸3者耦合的情况下。

3.3 单一事故危害半径

液池的面积约为700m2，近似视为半径15m的圆形液池。对于油罐爆炸，出于保守起见，爆炸体积考虑为油罐上部未充满部分，为1500m3。分别根据池火灾模型、蒸气云爆炸模型以及油罐爆炸模型求出单一事故在不同危害程度下的危害半径，见表7。

表7 单一事故的危害半径

3.4 耦合事故危害范围

通过计算以及查表5得此次事故中油罐爆炸、蒸气云爆炸、以及池火灾的危险性指数分别为2、3、3。将事故中蒸气云爆炸-池火灾-油罐爆炸多灾种耦合视为蒸气云爆炸-池火灾、油罐爆炸-池火灾耦合相加，危险性改变量为两者数值之和。因此耦合事故的危险性改变量为：0.3+0.3=0.6。通过比较各单一事故在不同危害程度下的危害半径，得到危害半径的最大值r重max、r中max、r低max，分别为57.1m、114.2m、285.5m。

将危险性改变量以及危害范围的最大值带入公式（4）中，可预测出耦合事故的危害范围，见表8。

表8 耦合事故安全距离的预测

3.5 结果分析与讨论

（1）由表7可知，油罐单一事故中油罐爆炸相比于池火灾以及蒸汽云爆炸，其后果相对严重，危害范围最大，因此在处置过程中应对储罐做好防护措施，避免储罐出现爆炸。

（2）油罐区事故现场复杂，往往多种事故相互耦合，通过分析各单一事故规模预测耦合事故发生后危害后果的变化，耦合事故的危害半径变为单一事故的1.6倍。

（3）耦合事故的作用使得危害范围大大增加，指挥员在耦合事故发生前就应考虑危害范围的变化，合理地确定安全区域，科学地进行力量部署，同时兼顾处置的效率以及处置人员的安全。

4 结论与不足

（1）通过对油罐单一事故进行分析，可得油罐事故类型相对较多，在处置过程中应尽可能地破坏事故的形成条件，切断单一事故发生的可能性，避免出现耦合事故。

（2）针对油罐区耦合事故发生频次高且危害大的特点，本文提出了油罐区耦合事故危害范围预测的方法，帮助指挥员在掌握现场灾情的基础上，对事故的未来发展趋势进行一定的预判，合理的划分危害范围。

（3）本文所提出的预测方法，其具有一定的理论基础，且在一定程度上能够消除指挥员对于短时间内事故迅速扩大而出现人员伤亡的担忧，但不足之处在于缺少在实际油罐区耦合事故中的检验。