含危化品集装箱运输的普货码头外部安全防护距离分级研究

朱春靖工程师 樊文龙工程师 程宗华工程师

(1.青岛中油华东院安全环保有限公司，山东 青岛 266000；2.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206)

0 引言

随着港口运输业的发展，其周边地区已逐渐形成商业、住宅等人口密集区域，而港口运输涉及的危化品一旦发生泄漏，将会对周边人口密集区域造成严重伤害。尤其是天津港8.12事故的发生，更是引起对港口安全问题的重视。天津港8.12事故除管理原因外，外部安全防护距离不足也是导致事故后果严重的重大原因。因此对于周边存在人口密集区域的港口，其外部安全防护距离的确定变得愈发重要。目前针对港口的规范、研究成果多应用于危化品码头，且研究基本基于码头整体或对危险货物运输、装卸过程进行的评价[1-3]。根据《海港总体设计规范》(JTS 165-2013)第5.6.1.6条：危险品数量较少时，其装卸作业可与港区其他码头泊位混合使用，但应采取必要的安全措施。即普货码头也可运输少量危化品。不同于危化品码头，普货码头的外部安全防护距离暂无相关标准要求，且目前相关研究较少。鉴于普货码头在采取必要的安全措施后可运输少量危化品的特性，本文旨在研究含危化品集装箱运输的普货码头外部安全防护距离的确定方法，在相关规范空白的基础上，为此类码头提供外部安全防护距离的确定依据，并提出对于周边防护目标的分级管理模式。

1 研究方法

本文结合多米诺效应分析危化品集装箱泄漏物料总量，基于挪威船级社(Det Norske Verotas， DNV)公司的量化风险评估软件(Software for Assessment of Flammable, Explosive and Toxic Impacts，SAFETI)的泄漏模型，进行事故后果模拟、建筑物超压损坏模拟，根据后果严重程度、建筑物超压计算结果对外部防护目标提出分级管理的方法，使防范措施层级化、具体化、重点化，为含危化品集装箱运输的普货码头外部安全管理提供依据。

2 普货码头外部安全防护距离相关规范对标

外部安全防护距离指为了预防和减缓危险化学品生产装置和储存设施潜在事故对外部防护目标的影响，在装置和设施与防护目标之间设置距离或风险控制线[4]。通过对标现有相关规范，目前尚无适用的针对普货码头的外部安全距离要求的规范，见表1。

表1 外部安全距离相关规范要求对标Tab.1 Comparison and analysis on regulations relative to the external protection distance

3 定量风险评估模型

3.1 建筑物超压损坏

码头周边人口作为受影响群体，如人口基数大，在发生事故时，建筑物的坍塌、冲击波的过高强度可能造成群死群伤后果。建筑物受损坏的主要源头为爆炸造成的冲击波，因此，通过对周边建筑物爆炸超压风险的模拟，以构造建筑物不受损坏的“安全距离”。

(1)泄漏场景。参考历史失效数据，固定的带压容器失效场景为小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏、完全破裂。

(2)泄漏时间。泄漏时间跟许多因素有关，如泄漏的位置、泄漏破孔尺寸、环境因素(如风向)、管理因素(如巡检安排)、人员反应时间、安全系统的响应时间和可靠性等，这些因素都会影响到物料总的泄漏时间和泄漏总量。

(3)泄漏频率PX。通过查询工业失效数据库，查找典型泄漏场景下的泄漏频率值。

(4)点火概率Pi。点火源产生途径很多，有很多不确定因素，主要包含明火、电火花、静电放电、雷击及杂散电流、机械火花、人口等。延迟点火概率Pi计算如下：

Pi=Pe[1-exp(-ωt′)]

(1)

式中：

Pi—0-t时间内发生的点火概率；

Pe—点火源存在的概率；

ω—点火效率，s-1；

t′—时间，s。

(5)确定阻塞率。阻塞率对于爆炸超压的计算结果影响很大。货轮上的集装箱区域，密集度较高，应假定为一定程度的受限空间。

(6)爆炸场景发生频率P。

P=PXPiPMPφ

(2)

式中：

P—爆炸场景发生频率；

PM—天气等级出现概率；

Pφ—风向出现概率。

(7)根据阻塞率、爆炸源强度、气云半径、云团能量等参数，依托SAFETI软件进行超压风险模拟计算。由于居民区人口数量庞大，选择10-5/a作为风险可接受标准，确定2.07kPa的超压等值线范围，即为建筑物不受损坏的“安全距离”。

3.2 蒸气云爆炸、毒性扩散

根据事故统计，由蒸气云爆炸(Vapor Cloud Explosion，VCE)引发的爆炸破坏范围更广、破坏力更大，发生概率高。如危险货物发生泄漏，迅速蒸发为蒸气云，形成爆炸性气体混合物，遇静电火花、人为因素等点火源即可发生火灾、爆炸事故；部分危险货物具有毒性，有毒气云的飘散可能致人中毒，甚至死亡。SAFETI软件已包含经典的计算模型，其中，蒸气云爆炸及毒性扩散计算理论如下：

3.2.1 蒸气云爆炸

蒸气云爆炸计算可使用TNT(Trinitrotoluene)模型、TNO(The Netherlands Organization，TNO)模型。其中，TNT模型是将蒸气云爆炸的破坏作用转化成TNT爆炸，模拟爆炸近场时高估爆炸产生的超压；根据TNO模型理论，只有受约束的蒸气云才对爆炸强度有作用，不受约束的蒸气云对爆炸强度近乎没有贡献。集装箱摆放密集程度较高，考虑到阻塞程度的影响，本文选用TNO模型计算蒸气云爆炸超压。

爆炸源的燃烧能见下式：

E=Vb×3.5×106

(3)

式中：

E—爆炸源内燃料空气混合物的燃烧能，J；

Vb—爆炸源中燃料空气混合物体积，m3。

比拟距离见下式：

(4)

式中：

R′—爆炸源的Sachs比拟距离(无量纲)；

R—距爆炸源中心的距离，m；

P0—环境大气压，Pa。

爆炸超压见下式：

PTNO=ΔPSP0

(5)

式中：

PTNO—爆炸超压值，Pa；

ΔPS—Sachs比拟爆炸超压值(无量纲)。

3.2.2 毒性扩散

非重气云扩散模型采用高斯烟羽扩散模型，通过叠加不存在地面时的实源和地面反射形成的像源得到高架连续点源扩散的高斯烟羽模型为：

(6)

式中：

C(x，y，z，y)—某点(x,y,z)和t时刻的浓度，kg/m3；

Q—泄漏质量，kg；

u—风速，m/s；

t—时间，s；

H—有效源高度，m，为泄漏源高度和抬升高度之和；

σx、σy、σz—x，y，z方向上的扩散系数。

4 定量风险计算

4.1 确定泄漏的物料总量

某容器发生泄漏爆炸后，产生热辐射、超压，可能引发周边容器发生爆炸，在通过计算事故后果确定防护距离时，应考虑多米诺效应带来的影响，以确定泄漏的物料总量。

4.1.1 超压爆炸

当一个罐体发生破裂泄漏，爆炸后产生冲击波，冲击波会引起爆炸点周边空气的扰动，使其温度、密度和压力等发生突跃变化，在向周围传播过程中，将造成附近设备破裂。对冲击波超压引起的多米诺效应的定量分析中，多采用概率模拟方法[5-6]。其中，高压容器的概率单位值计算为：

FP=-42.44+4.33lnPm

(7)

式中：

FP—高压容器的概率单位计算值；

Pm—设备受到的静态超压的峰值，Pa。

当破坏概率为30%～70%时，设备发生灾难性破裂，冲击波作用1～10min，造成全部存量损失；当破坏概率为70%～100%时，设备发生灾难性破裂，冲击波作用小于1min，造成全部存量损失。

4.1.2 热辐射

火灾产生热辐射，邻近设备吸收一级事故单元释放的热量后，设备许用应力降低，设备内介质温度上升，压力上升，超过容器的爆炸压力时则造成设备损坏，目前多采用Cozzani等[5-6]提出的事故扩展概率模型。针对高压卧式容器，初始场景扩大效应导致设备损坏的概率单位值计算为：

Fh=12.54-1.847lnts

(8)

lnts=-0.947lnl-8.835V0.32

(9)

式中：

Fh—高压卧式容器热辐射初始场景扩大效应导致设备损坏的概率单位值；

ts—设备失效时间，s；

l—作用于目标设备的热辐射度，kW/m2；

V—设备的体积，m3。

4.2 模拟过程

根据4.1节确定危化品泄漏总量，基于SAFETI软件根据第3节计算建筑物“安全距离”，对最严重的事故场景(破裂泄漏)进行蒸气云爆炸、毒性扩散后果模拟。根据模拟得到不同后果严重程度的影响距离，结合当地气象条件、主要风向的影响，得到以危化品集装箱为中心的事故影响范围。

5 分级管理

在外部防护目标的管理上，要根据不同的后果严重程度考虑不同的对策措施，以达到利用有限资源进行重点防护的目的。对各事故后果严重程度进行划分，见表2。

表2 不同后果严重程度的划分依据Tab.2 The basis for determining consequence severity

外部安全防护的分级需根据基于实例计算的后果严重程度分区划定。当建筑物超压、蒸气云爆炸、毒性扩散影响范围产生重叠时，应提高分级等级。分级矩阵，见表3。

表3 外部安全防护距离分级矩阵Tab.3 The grading matrix of the external safety protection distance

根据外部安全防护距离分级结果，制定不同的安全对策措施予以防范，使其具有针对性、重点性，对重点区域进行重点防范，节约资源，见表4。

表4 外部安全防护距离分级管控Tab.4 The grading management and control for the external safety protection distance

6 实例分析

6.1 模拟背景

本文以某港区拟建10万吨级集装箱码头为例进行模拟计算。拟建码头东侧为大型居民区。全年每船平均载箱量为2 000箱，全船危险货物运输量占比5%，模拟危险货物为丙烯、液氨。

引起罐式集装箱泄漏的因素有很多，如集装箱箱体完整性、装箱过程、温度、湿度、颠簸等[7]。由于集装箱老化，罐壁减薄，基于电化学机理，如未及时发现，则会增加腐蚀速率，形成腐蚀孔，最终导致腐蚀泄漏[8]，造成中孔径泄漏；由于安全附件等零件脱落，或装卸过程中自动控制轨道吊失效等原因造成碰撞泄漏，造成大孔径泄漏。

6.2 模拟过程

6.2.1 确定泄漏物料质量

当某个罐式集装箱破裂泄漏并发生爆炸后，将产生多米诺效应，引发周围的罐式集装箱损坏，发生泄漏。通过对一个丙烯罐式集装箱(常温、0.2Mpa)发生破裂泄漏进行模拟，当破坏概率为70%时，根据式(7)，静态超压的峰值为21.2kPa，因此本文选取21.2kPa为多米诺效应临界值。为推测最大影响面积，选取下风向进行模拟，结果如图1、2。在泄漏罐附近约19m范围内，超压值达到2000kPa，随着距离增大，超压值逐渐下降，至78m处降至21.2kPa，即多米诺效应临界值影响半径约78m。根据集装箱堆码方式，影响半径范围内受到超压影响的集装箱约64个，泄漏物料总量约832t。确定泄漏物料总量后，对超压、扩散场景进行模拟，模拟条件，见表5。

图1 丙烯罐式集装箱破裂泄漏引发超压爆炸与距离关系图Fig.1 The relation between overpressure and distance when exploded by the propylene tank container leakage

图2 丙烯罐式集装箱破裂泄漏爆炸超压影响范围图Fig.2 The overpressure affection scope when exploded by the propylene tank container leakage

表5 模拟条件Tab.5 Simulation conditions

6.2.2 模拟结果

建筑物超压模拟计算结果、事故后果影响范围，见表6。

表6 模拟结果Tab.6 Simulation results

结合当地主导风向，根据表2-4，对影响区域进行分级划分，如图3。根据划分结果，图3中，等级为Ⅳ的区域需要进行搬迁；等级为Ⅰ、Ⅱ的区域应制定并演练应急预案，掌握急救措施，配备防毒面具等。

图3 码头分级管控划分图Fig.3 The division map for the grading management and control of a wharf

7 结论

(1)提出含危化品集装箱运输的普货码头外部安全防护距离计算、分级的方法，对确定周边安全防护区域范围、保障周边群众人身财产安全具有实际意义。

(2)结合多米诺效应确定泄漏物料总量，以毒性、爆炸后果影响范围与建筑物超压损坏的“安全距离”为标准，提出外部区域分级划分依据。

(3)针对不同等级的外部安全防护距离，提出具有针对性的对策措施，节省资源，有重点地进行管理。对于必须进行搬迁的居住人口，给出具体范围。

(4)本次模拟仅选取某一类危险货物进行模拟，其结果具有一定的局限性。当若干种货物同时进行运输及装卸时，如果某一类危险货物出现火灾、爆炸事故，并与禁忌物混储时，可能出现连带效应、化学反应，其后果将严重于现在模拟的后果。此类事故产生的影响范围尚待解决。

(5)建议完善相关规范，做到有据可依。