航空煤油罐区煤油泄漏事故后果模拟分析

姚国平，耿晓茹

(中国航空油料有限责任公司青岛分公司，山东青岛 266108)

油库储罐区通常储存了大量的油品，因油料的流动性较好，挥发性较大，若碰撞或者遇到点火源，容易引发火灾、爆炸等安全事故，造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失[1]。油罐内油品泄漏导致的火灾、爆炸事故时有发生。近几年国内外部分油库油罐事故情况统计见表1。

由表1可见：油罐发生泄漏会造成严重的灾害事故。在实际情况下，如果处置不当，油罐发生爆炸或者燃烧会引燃周围的罐体，产生更大的伤害，甚至发生多米诺效应[2-3]。液体油罐发生泄漏之后常见的事故类型是池火灾和蒸气云爆炸。以某油库罐区的航空煤油储罐为研究对象，通过PHAST软件对泄漏扩散后发生的燃烧爆炸等事故进行分析，计算得到池火灾热辐射影响范围以及蒸气云爆炸冲击波影响范围，以期为油罐区设计、事故发生后的紧急救援提供一定的参考。

表1 近几年国内外部分油库罐区火灾、爆炸事故

1 PHAST软件介绍

PHAST软件全称为工艺危险源分析软件工具(Process Hazard Analysis Software Tools)，由挪威船级社(DNV)公司开发，是专门针对石油化工等危险化学品领域的危害范围计算和分析的软件[4-5]。该软件可以快速的模拟泄漏扩散、毒气、燃烧和爆炸等4种事故类型[6-8]，经试验验证，该软件模拟计算的结果与试验数据较为吻合。

根据燃烧发生前可燃物质与空气是否进行预混合，燃烧类型可以分为扩散燃烧和预混燃烧[9-10]。火焰燃烧类型及特征如图1所示。

图1 燃烧类型

2 事故后果仿真参数设定

2.1 油罐区布局

目标油库占地面积约57 000 m2，库区分为油罐区、卸油区和辅助功能区，其中油罐区位于库区西北侧，共设10 000 m3储罐3座，南北向布置成一列，油罐之间间距12 m。罐区四周设置防火堤，油罐按单罐单堤的要求隔开，防火堤高度1.2 m，隔堤高度0.8 m。其中，左侧为1#油罐，中间为2#油罐，右侧为3#油罐。

图2 油罐区布局示意

2.2 事故描述

目标油库所在地青岛地区雷雨天气较多，且雷击是油库火灾的主要点火源之一。雷击可破坏浮顶，引燃引爆浮舱内的易燃油气，引发爆炸或火灾，造成储罐坍塌失效。航空煤油通常储存在常温常压下，煤油泄漏通常是由于罐壁的腐蚀穿孔、裂纹、相关管道工程失效等原因造成。在实际生产过程中，储罐相连接的管道在法兰连接处存在一些渗漏、滴漏，故选择该事故场景进行模拟。

2.3 煤油物性

航空煤油具有易燃易爆的特性，密度比水小，轻组分的挥发出的油气与空气混合能形成爆炸性物质，油品的安全特性见表2。

表2 航空煤油油品物性指标

2.4 天气数据

根据青岛地区的天气统计数据，发现该地区属温带季风气候，受风速以及湿度影响较大，且主导风向为北风，根据青岛气象站的气象资料，得到常年平均气温为13 ℃，平均风速4.5 m/s，最大风速37.8 m/s，平均大气湿度75%。

2.5 事故参数

对于易燃液体而言，事故的后果模式分为以下4种：喷射火，池火，爆炸，闪火，其中火灾以池火为主要事故类型，爆炸以蒸气云爆炸为主要类型。假设该罐区事故参数如表3所示。

表3 事故参数

3 事故仿真后果模型建立及危害分析

3.1 池火灾事故模拟

池火事故造成的主要危害是泄漏油品燃烧产生辐射热值[11-12]。火灾燃烧时有2个主要特征，一是火焰场温度不断上升，二是附近物体的热辐射强度持续增加。当火焰热辐射强度超过一定的伤害阈值，周围的可燃物体发生燃烧、设备设施损坏变形、人员生命安全受到威胁，甚至引发灾害事件的连锁，即多米诺效应。油池燃烧造成的热辐射通量的伤害阈值如表4所示[13-14]。

表4 热通量伤害准则

罐区中的航空煤油泄漏之后会发生流散，此时遇到点火源将会产生池火事故。假设 1#储罐的进口原油管道的法兰连接处存在泄漏孔发生泄漏，泄漏后的航空煤油存储在防火堤内并形成 44 m×44 m×0.5 m的油池，在特定的温度下，煤油持续蒸发在煤油表面上方形成油蒸气，在油池上面存在点火源。

3.1.1 平均风速

在平均风速4.5 m/s的条件下，油罐管线发生泄漏之后辐射影响的强度范围见图3。

图3 池火灾热辐射影响范围

由图3并结合表4可见：图中最里层蓝色椭圆处于37.5 kW/m2的辐射范围内，在下风向73 m，侧风向52 m，此范围内的操作设备全部损坏，发生此泄漏造成的池火对罐区内的2#储罐造成强烈的热辐射作用，有可能造成2#储罐坍塌失效；3#储罐没有损坏的危险，但是需要对附近的储罐采取降温措施。中间红色椭圆处于12.5 kW/m2的辐射热通量范围内，在下风向112 m，侧风向90 m，此范围内不要存放木材或者塑料，否则会造成木材燃烧，塑料熔化。最外层黑色椭圆范围处于4 kW/m2的辐射热通量范围内，即在事故点下风向171 m，侧风向153 m范围内人员应尽快撤离现场。由于池火的热辐射作用会对相邻储罐造成损伤，设置监测点监测罐体不同高度处热辐射值大小，其中2#储罐及3#储罐罐体不同高度处的热辐射值如图4所示。

图4 热辐射值随罐体高度的变化曲线

由图4可见：2#储罐及3#储罐罐体的热辐射值从罐底到罐顶逐渐增加，且增加趋势逐渐变缓。2#储罐受到火焰强烈的热辐射作用，储罐壁面处接受到的辐射最大值为54 kW/m2，该值很容易造成2#储罐坍塌失效；由于2#储罐的阻挡，且随着下风向距离的增加，3#储罐接受到的辐射值较少，最大值为12.5 kW/m2，该辐射值不会对油罐罐壁产生影响。

3.1.2 最大风速

受青岛地区天气的影响，常年有风且主导风向为北风，因此，需考虑最大风速情况下发生池火事故造成的热辐射影响范围，设定风速为37.8 m/s，对比平均风速的情况，池火灾热辐射强度为4 kW/m2的范围如图5所示，其中该俯视图为高度为1.6 m时(人员的平均高度)的影响范围。

图5 池火灾热辐射强度为4 kW/m2的影响范围

由图5可见：池火灾热辐射强度为4 kW/m2的影响范围呈椭圆形，即在事故点下风向155 m，侧风向144 m范围内人员应尽快撤离现场。

在最大风速的情况下，危险区域范围随着池火灾燃烧规模扩大而不断扩大，同时，热辐射强度不断增加。从上述分析可见，热辐射强度值是随着高度的增加而逐渐变大。对于储罐来说，根据表4，选择 37.5 kW/m2的辐射阈值作为危害区域的判断标准。高度为0.5 m时(液池高度)热辐射值的影响范围见图6。

图6 池火灾辐射强度随下风向距离的变化

由图6可见：泄漏的航空煤油燃烧初期仅在点火源及其周围是危险区域，随着时间的延长，火焰热辐射影响范围变大。根据3个储罐的位置不同，最大风速下，事故源可对1#和2#储罐造成强烈的热辐射作用，其中1#储罐附近热辐射最大值可达到71 kW/m2，该值远大于辐射阈值37.5 kW/m2，此情况下会对储罐罐壁造成破坏；2#储罐附近热辐射最大值达到33 kW/m2，该值接近辐射阈值37.5 kW/m2，因此2#储罐也相当危险；3#储罐附近热辐射最大值为7.7 kW/m2，该值远小于阈值37.5 kW/m2，因此3#罐是安全的，且罐壁也不会受到损伤。

3.2 蒸气云爆炸事故模拟分析

在特定条件下，航空煤油挥发出来的蒸气与空气混合可形成爆炸性的物质，遇到引燃源立即发生燃烧爆炸。混合可燃物质在引燃源的刺激下发生快速的化学反应，产生巨大化学能量，使附近的压力和温度快速上升，同时波状冲击气压向周围扩散，这一阶段就是“爆燃”[15-16]。而开敞空间中的蒸气云爆炸大多数为爆燃现象，其中爆炸使周围环境中的空气受到冲击波并发生扰动，这种扰动在空气中传播形成冲击波。其中冲击波破坏准则[17-18]的对应关系如表5所示。

表5 冲击波破坏准则

发生爆炸后冲击波超压的影响范围如图7所示。

图7 冲击波超压的影响范围

由图7可见：最里层蓝色椭圆范围内，即在下风向距离57 m，侧风向距离56 m的范围内的爆炸冲击波超压为20.685 kPa，1#和2#储罐在此影响区域内，因此1#和2#储罐罐体会受到不同程度的影响；中间红色椭圆的超压阈值为13.790 kPa，即下风向距离75 m，侧风向距离73 m范围内不要有人员停留，否则足以致死；最外层黑色椭圆的冲击波超压阈值为2.068 kPa，即在下风向距离284 m，侧风向距离283 m范围内，整个油罐区均包含在内，人员将受到些许伤害，附近的水泥墙会产生裂缝。

储罐所在地区主导风向是北风，爆炸超压随下风向距离的变化见图8。

图8 爆炸超压随下风向距离的变化

由图8可见：爆炸超压随下风向距离的增加逐渐减小。下风向距离22 m处为一个超压过程，是由于初期可燃气云遇到点火源立即发生爆燃，爆燃产出冲击压力波，促使周围压力及温度快速上升，在爆炸超压达到峰值点之后，随着距离的增加，爆炸超压逐渐降低，且降低较快，这是由于2#储罐的阻挡作用，3#储罐的位置爆炸超压相对较低且缓慢减少。

4 结论

油品的燃烧与爆炸发展是一个特别复杂的过程，通过PHAST软件模拟建立模型对航空煤油储罐泄漏扩散后发生的爆炸、燃烧等事故进行分析，研究不同工况下池火灾及蒸气云爆炸的影响范围，得到如下结论。

1)对于池火灾，根据热通量准则，一般风速条件下在下风向73 m，侧风向52 m，此范围内的操作设备全部损坏，发生此泄漏造成的池火对罐区内的2#储罐造成强烈的热辐射作用，有可能其坍塌失效，对3#储罐没有损坏的危险，但是需要对附近的储罐需要采取降温措施。在下风向112 m，侧风向90 m，此范围内不要存放木材或者塑料，否则会造成木材燃烧，塑料熔化。在事故点下风向171 m，侧风向153 m范围内人员应尽快撤离现场。

2)池火灾对人员的影响。考虑大风天气的影响，在事故点下风向155 m，侧风向144 m范围内人员应尽快撤离现场。

3)池火灾对临近油罐的影响。考虑大风的影响，危险区域范围随着池火灾燃烧规模扩大而不断扩大，同时，热辐射强度不断增加，对1#和2#储罐造成强烈的热辐射作用，1#储罐会发生坍塌，2#储罐也由于接近辐射阈值会造成罐壁损伤，3#储罐附近热辐射最大值为7.7 kW/m2，该值远小于阈值37.5 kW/m2，因此3#罐是安全的，且罐壁也不会受到损伤。且随着罐体高度的增加，热辐射值逐渐增加，但增加幅度变缓。

4)爆炸冲击波危害较大，在下风向距离57 m，侧风向距离56 m的范围内，1#和2#储罐罐体会受到不同程度的影响；在下风向距离75 m，侧风向距离73 m范围内不要有人员停留，否则足以致死；在下风向距离284 m，侧风向距离283 m范围内，整个油罐区均包含在内，人员将受到少许伤害，附近的水泥墙会产生裂缝。

5)爆炸超压随下风向距离的增加逐渐减小。在下风向距离22 m处经历了一个超压阶段，此后，爆炸超压逐渐降低，且降低的较快。由于2#储罐的阻挡作用，3#储罐的位置爆炸超压相对较低且缓慢减少。