2024, Vol. 46
2. 交通运输部救助打捞局，北京 100736;
3. 北京伯尔明建筑工程设计有限公司，北京 101399;
4. 中国船舶集团有限公司第七〇四研究所，上海 200031;
5. 大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116021
2. China Rescue and Salvage of Ministry of Transport of the Peoples's Republic of China, Beijing 100736, China;
3. Beijing Boerming Construction Engineering Design Co., Ltd., Beijing 101399, China;
4. The 704 Research Institute of CSSC, Shanghai 200031, China;
5. Dalian Shipbulding Institute Co., Ltd., Dalian 116021, China
苯是我国重要的化工原料，我国的苯高度依赖海上运输进口。随着经济发展，我国苯的进口量逐年增长，其中2022年，我国苯进口量为332.17万吨，同比增长12.19%[1]。然而在苯挥发性较强，毒性为IACR第一类致癌物，在储运过程中极易发生泄漏爆炸的安全事故，对海上运输设施造成很大威胁，因此开展苯运输船泄漏事故的风险评估具有重要意义。
储罐是苯海上运输的常用存储设备，在海运过程中由于受环境及人为等因素的影响，可能造成船体上的单个储罐内部压力瞬时异常，导致该储罐发生破裂，造成泄漏，进而形成液池，泄漏的苯遇到点火源会形成池火甚至发生爆炸。近年来，国内外学者针对苯的运输泄露后果开展了研究。李向欣[2]分析了不同环境条件下苯泄漏事故可能发生的中毒、闪火、蒸气云爆炸、BELEVE火球和池火灾5种事故后果的基础上，结合危害区域划分和伤害阈值确定，利用ALOHA软件得出了事故的危害范围，并讨论了单一事故及耦合事故类型下的危害后果；刘堃等[3]针对化工企业中苯储罐的火灾爆炸事故，根据蒸气云、池火灾、BLEVE火球、喷射火等事故模型，参照相关的伤害准则，对火灾爆炸事故的伤害半径进行模拟计算。陈堃[4]依据苯储罐区危险特性及超压引起火灾爆炸模式的特点，对苯储罐区的危险特性及事故后果进行了分析；高建村等[5]设计透明可视化苯爆炸试验装置，开展不同浓度苯蒸气的爆炸/燃烧试验，利用高速摄像仪拍摄管道内不同浓度苯蒸气爆炸火焰传播规律；孙浩等[6]采用事故后果模拟软件ALOHA分析了苯槽罐车泄漏扩散范围和毒性区域，得到了苯泄漏被点燃后火灾热辐射及冲击波超压的影响范围。
以上研究主要集中在供液槽车泄漏与企业工厂苯储罐泄漏范围方面，而针对海上苯运输船储罐泄漏导致的池火与爆炸严重程度研究方面鲜有报道。鉴于此，笔者拟采用PHAST数值模拟软件模拟海上苯运输船储罐泄漏扩散过程，探究不同泄漏孔径和不同风速对苯泄露扩散距离、爆炸影响的范围及特征，以期为预防海上船运泄漏安全事故和应急救援提供理论依据。
1 泄漏模型及参数设置 1.1 泄漏模型及参数选取造船三大单元包含船体、舾装、涂装，造船的每一个工艺阶段都伴有涂装过程，而涂装过程涉及火灾、爆炸、高处坠落等安全风险，控制不好将会导致较大及以上生产安全事故，因此涂装技术是造船安全技术的一个重要方面。
PHAST数值模拟软件使用的是统一扩散模型( Unified Dispersion Model，UDM)，用于模拟规定时间内的泄漏情况。通过计算一定时间的介质泄漏扩散浓度，描述气云扩散范围和下风距离，并画出浓度线，从而得到安全及危险范围[7-8]。PHAST软件中使用的喷射火模型为AP1521中的固体火焰模型，该模型使用TNO多能法的简化计算过程如下[9]：
1）估算泄漏气云范围，可由式（1）求得；
2）估算与苯相同的烃类与空气或其他气体混合物的典型燃烧值E；
3）选择爆炸源强度参数（介于1～10之间的整数）；
4）根据式（2）计算出无量纲比拟距离R'。
| $ {V}_{c}=\frac{{Q}_{ex}}{\rho \times {c}_{s}}，$ | (1) |
| $ {R}^{{'}}=\frac{Z}{{\left(E/{p}_{0}\right)}^{1/3}}。$ | (2) |
式中：
将闪火模型设定为圆锥体模型，该模型属于多点源模型，其热辐射强度等于所有来自各点的热辐射强度之和，可由式（3）求得。
| $ {I}=\sum _{n}\frac{\mathrm{\tau }{\chi }_{R}\dot{Q}}{4{\text π}{R}_{0}^{2}}\cos\theta。$ | (3) |
不同强度的热辐射对人体和设备、以及建筑物造成的伤害程度不同，热通量准则是以热通量作为衡量目标，判断人和物是否被伤害的参数，其具体的伤害程度见表1。
|
表 1 热通量伤害准则 Tab.1 Heat flux damage criteria |
为了研究在不同风速和不同泄漏孔径的影响，根据《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》（GB/T 37243-2019）中6.4.4节的泄漏孔径划分标准，选择泄漏孔径的大小分别为25 mm、50 mm、75 mm，即中孔泄漏的标准值（25 mm）、中孔泄漏的限定值（50 mm）、大孔泄漏（75 mm），在模拟过程中分别与不同风速的情况相结合得出最终的使用数据。
1.2 大气参数本文计算出海洋大气稳定度的平均数据，并以此作为环境基础。考虑到主要分析物为油状物质-苯，泄漏的大致结果参考刘飞燕等[10]对燃料及甲醇的分析结果。计算大气稳定度需要风速和气温的垂直分布的资料，其中，离海面10 m高处尤其有用。表征大气边界层的稳定状态通常是采用理查逊数
| $ {R}_{i}=\frac{g}{\theta }\dfrac{\dfrac{\partial \theta }{\partial Z}}{{\left(\dfrac{\partial U}{\partial Z}\right)}^{2}}，$ | (4) |
| $ \mathrm{\epsilon }=\frac{Z}{L}=\dfrac{kg}{UT}Z\dfrac{\dfrac{\partial \theta }{\partial Z}}{\dfrac{\partial U}{\partial Z}}。$ | (5) |
式中：
| $ \mathrm{\theta }={T}_{k}+ \varGamma Z，$ | (6) |
| $ {T}_{K}=273.6+{T}_{a} 。$ | (7) |
式中：
|
|
表 2 事故模拟参数 Tab.2 Accident simulation parameters |
基于上述所提出的实验方案设定，运用液体经由小孔径泄漏的源模式方法对进行事故的泄漏扩散进行仿真模拟[11-12]，其中液体的泄漏量计算方法如下式：
| $ \int \frac{{\mathrm{d}}P}{\rho }+\Delta \left(\frac{{\stackrel-{u}}^{2}}{2\alpha }\right)+g\Delta z+F=-\frac{{W}_{s}}{m} 。$ | (8) |
式中：P为压强，Pa；
运输船的模型如图1所示，在船上设置特定储罐发生泄漏进行模拟。图中船体中部的区域均为货舱储罐区，灰色部分为运输船指挥室。模拟的目标船体长151 m，宽32 m，高35 m，满载排水量约6000 t，储罐的运输介质为单一介质。各储罐并不直接相连，图示中的连接部分为储罐温度控制装置。运输船的参考标准为郭一丁提出的燃料运输船的设计概念等技术论文[13-14]。
|
图 1 运输船模型 Fig. 1 Transport Ship Model |
本文所采用的苯储罐采用不锈钢式带氮封的内浮顶储罐，通常采用双层壳体设计在液体泄漏时，外层壳体可以起到防止液体外溢的作用，从而保护环境和人员安全。储罐及加注的主要参数如表3所示。
|
|
表 3 储罐及加注的主要参数 Tab.3 Main parameters of storage tanks and filling |
图2～图4分别为25 mm、50 mm、75 mm泄漏孔径，风速3 m/s、5 m/s、7 m/s和10 m/s的扩散范围。可以看出在相同天气及浓度条件下，随着泄漏孔径增大，泄漏扩散范围，随着孔径越大，云团扩散极限距离不断增大，泄漏极限范围也增大。浓度100 ×106以及风速3 m/s下，泄漏孔径由25 mm增加到时75 mm，顺风扩散最大距离扩大了近4倍，云团最大单侧宽度增加了3倍。因此，运输船上要定期进行储罐的安全巡查和泄露检测，降低储罐开裂风险。
|
图 2 泄漏半径25 mm时，各风速下的扩散范围俯视图 Fig. 2 Top view of the spread range at each wind speed with a leakage radius of 25 mm |
|
图 3 泄漏半径50 mm时，各风速下的扩散范围俯视图 Fig. 3 Top view of the spread range at each wind speed with a leakage radius of 50 mm |
|
图 4 泄漏半径75 mm时，各风速下的扩散范围俯视图 Fig. 4 Top view of the spread range at each wind speed with a leakage radius of 75 mm |
同时，可以看出在相同的泄漏孔径以及浓度下，风速大小影响泄漏扩散范围，风速越小，泄漏扩散范围越大。当风速3 m/s时形成的液池面积最大，风速10 m/s时形成的液池面积最小。在相同风速条件下，苯泄漏形成的液池大小与泄漏孔径有相关关系，孔径越大，泄漏所形成的液池面积越大。随着风速的增大，云团扩散极限距离不断减小，泄露影响半径也相应减小，泄露对周边的海域的影响程度不断降低，且风速对泄漏类型为大孔泄漏的云团扩散顺风距离的影响较为显著。
2.2 最大浓度及撤离安全距离由图5～图7可知，随着风速的增大，云团扩散极限距离不断减小，泄露最大浓度距离也相应减小，风速由3 m/s增大到10 m/s时最大浓度范围由0～245 m处减小至0～125 m处，且风速对下风初浓度扩散的影响较为显著。由此可以看出，在海上苯发生泄漏后，要注意不同风速下的最大浓度区域，设置好人员撤离的安全距离，并做好防护措施，避免火灾或中毒的事故发生。
|
图 5 泄漏孔径25 mm时苯泄漏当量浓度与下风方向距离关系 Fig. 5 Relationship between benzene leakage equivalent concentration and downwind direction when the leakage pore diameter is 25 mm |
|
图 7 泄漏孔径75 mm时苯泄漏当量浓度与下风方向距离关系 Fig. 7 Relationship between benzene leakage equivalent concentration and downwind direction when the leakage pore diameter is 75 mm |
在风速为3 m/s下，泄漏孔径25 mm的最大浓度范围为（4000～5000）×106；泄漏孔径75 mm的最大浓度范围为则增加了3倍多。因此，泄漏孔径大小显著影响着最大浓度和撤离安全距离。在运输过程中，既要执行严格的日常巡检防止泄露发生，还要提高防护用品使用的安全意识。
|
图 6 泄漏孔径50 mm时苯泄漏当量浓度与下风方向距离关系 Fig. 6 Relationship between benzene leakage equivalent concentration and downwind direction when the leakage pore diameter is 50 mm |
依据苯自身特性以及其理化性质，如具有易燃、蒸汽与空气形成爆炸混合物等特性，当苯储罐失效产生孔洞泄漏后，泄漏到地面的液体便会向四周流淌、扩展，若受到防火堤、隔堤的阻挡发生池火灾，在氧气充足的开放环境中池火灾对环境释放较多热辐射，考虑风速对池火强度半径的影响进行池火及闪火分析。图8～图10分别显示了泄漏孔径为25 mm、50 mm、75 mm时的池火强度半径，风速10 m/s时辐射值为4 kW/m2的池火强度半径最大，风速3 m/s时辐射值为4 kW/m2的池火强度半径最小。因此，风速变化会给事故控制带来不确定性因素。
|
图 8 不同风速下池火强度半径（泄漏孔径：25 mm） Fig. 8 Pool fire intensity radius at different wind speeds (Leakage aperture: 25 mm) |
|
图 9 不同风速下池火强度半径（泄漏孔径：50 mm） Fig. 9 Pool fire intensity radius at different wind speeds (Leakage aperture: 50 mm) |
|
图 10 不同风速下池火强度半径（泄漏孔径：75 mm） Fig. 10 Pool fire intensity radius at different wind speeds (Leakage aperture:75 mm) |
泄漏孔径为75 mm时，产生的闪火区域如图11所示，爆炸喷射火强度的模拟结果如表4所示，风速对池火强度半径有影响，风速增大，会明显增大池火的蔓延程度。因此在救援时，要充分考虑大风条件下的安全救援距离，防止爆炸冲击和灼伤。同时，泄露孔的尺寸同样与爆炸和火灾的强度成正比，可考虑研发无人或智能泄露封堵装置，降低泄露量扩大带来的爆炸火灾倍数效应。
|
图 11 不同风速下闪火区域半径 Fig. 11 Pool fire intensity radius at different wind speeds |
|
|
表 4 喷射火数据 Tab.4 Jet fire data |
根据表4及图12的喷射火数据可以看出，不同风速及不同泄漏孔径的泄漏场景下喷射火从泄漏点的强度到最高值的范围内，对船上的人员和仪器等设备造成不同程度的影响，可分为安全区及死亡区。
|
图 12 不同风速、不同泄漏孔径下的泄漏点热辐射强度 Fig. 12 Heat radiation intensity of leakage point under different wind speed and different leakage aperture |
泄漏还可能造成超压爆炸，根据《重大危险源分级法》，超压爆炸产生的冲击波造成对人的伤害后果划分，如表5所示。
|
|
表 5 冲击波超压对人体及建筑设备的破坏 Tab.5 The harmful effect of shock wave overpressure on human body |
一旦苯储罐发生泄漏产生超压爆炸事故，风速对其后果的影响明显。在不同风速、不同泄漏孔径的泄漏情景下，爆炸超压范围的影响如图13所示，3种泄漏孔径的在不同风速下的模拟结论基本一致。泄漏孔径相同时，随着爆炸影响范围的扩大，超压阈值逐渐衰减，且随着风速的增大，相同的超压阈值对应的超压半径不断减小。风速越大，超压爆炸影响范围越小，这是因为风速越大对苯的扩散云团稀释作用就越大，可以用来燃烧爆炸的苯蒸气就越少，因此超压爆炸的影响范围也就越小。其中，风速为3 m/s时300 m3苯储罐75 mm孔径发生泄漏后，超压爆炸情景事故的影响范围最大，以苯储罐的泄漏孔为原点，其周边57.3 m范围内的人员100%死亡，会造成船体结构破坏；57.3～102.5 m范围内的人员有较大概率死亡；102.5～134.5 m范围内1%死亡，事故应急撤离半径为134.5 m。
|
图 13 不同风速下不同泄露孔径对超压爆炸的影响 Fig. 13 Influence of different wind speed and pore sizes on the explosion overpressure |
1）依据各泄漏孔径，各风速下的扩散范围俯视图信息可以看出，事故发生后，向船舶两侧撤离比船舶下风向撤离到达安全区域距离短很多。在发生事故后，首先根据风向位置选择向上风处进行疏散工作，减少苯泄漏后的高浓度蒸气对人员造成的伤害；由于苯等危化品具有易燃易爆易挥发且有毒的特性，现场人员作业时须穿戴能够吸能减震、过滤毒蒸气的防护服。
2）苯泄漏当量最大浓度与泄漏孔径大小和风速有关。风速越小，越不利于苯的扩散，使得安全距离较远。泄漏孔径越大，所造成的船舶泄漏量也就越多，造成事故孔径处的堆积，不利于扩散。可以适当地在储罐附近堆砌沙池，进而减小液池的积累量，从而缩小液池火的影响范围；也可在储罐的上方建立紧急消防喷水装置，在发生泄漏时启动可减小闪火及喷射火强度。
3）随着泄漏孔径的增大，爆炸影响区域半径也不断增大。随着风速的增大，超压半径却不断减小。通过模拟可知:苯的海运储罐发生泄漏时会波及到周边的水域及水域生物、相邻船只，故应建立事故状态下应急通知、紧急撤离、控制点火源、及时灭火等联动方案，提前演练合理的应急救援措施。
| [1] |
智研咨询. 2023-2029年中国纯苯行业市场现状调查及战略咨询研究报告[R]. 北京, 2023.
|
| [2] |
李向欣. 基于ALOHA软件的苯泄漏事故后果模拟分析//[C]//2011中国消防协会科学技术年会论文集, 中国科学技术出版社, 2011. LI Xiangxin. Simulation analysis of benzene leakage accident consequences based on ALOHA software[C]// Proceedings of the 2011 China Fire Protection Association Science and Technology Annual Conference. China Science and Technology Press, 2011. |
| [3] |
刘堃, 郭德勇, 郑茂杰, 等. 苯储罐火灾爆炸事故后果分析与评价[J]. 广州化工, 2011, 39(7): 179-181. LIU Kun, GUO Deyong, ZHENG Maojie, et al. Analysis and evaluation of the consequences of benzene storage tank fire and explosion accidents[J]. Guangzhou Chemical Industry, 2022, 39(7): 179-181. |
| [4] |
陈堃. 苯储罐区消防安全设计评价研究[J]. 安全与环境学报, 2014, 14(3): 102-107. CHEN Kun. Fire safety design evaluation study of benzene storage tank farm[J]. Journal of Safety and Environment, 2014, 14(3): 102-107. |
| [5] |
高建村, 周尚勇, 胡守涛, 等. 苯蒸气爆炸/燃烧火焰传播特性研究[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(3): 51-56. GAO Jiancun, ZHOU Shangyong, HU Shoutao, et al. Study on the propagation characteristics of benzene vapor explosion/combustion flame[J]. China Safety Science Journal, 2019, 29(3): 51-56. |
| [6] |
孙浩, 王小金, 苏艳贞, 等. 苯槽罐车泄漏场景模拟及风险分析[J]. 黄河水利职业技术学院学报, 2021, 33(2): 34-38. SUN Hao, WANG Xiaojin, SU Yanzhen, et al. Simulation of leakage scenario and risk analysis of benzene tank truck[J]. Journal of Yellow River Conservancy Vocational and Technical College, 2021, 33(2): 34-38. |
| [7] |
游波, 罗骁. LNG储罐泄漏扩散模拟分析[J]. 中国安全科学学报, 2023, 33-2: 125-131. YOU Bo, LUO Xiao. Simulation analysis of leakage diffusion in LNG storage tanks[J]. China Safety Science Journal, 2023, 33-2: 125-131. |
| [8] |
陈磊, 张哲. 基于PHAST的储气库注采管道泄漏爆炸模拟分析[J]. 西南石油大学学报, 2023(6): 131-142. CHEN Lei, ZHANG Ze. Simulation analysis of leakage explosion of gas storage injection pipeline based on PHAST[J]. Journal of Southwest Petroleum University, 2023(6): 131-142. |
| [9] |
张倩玉. 基于PHAST软件的液氨储罐泄漏模拟[J]. 化工管理, 2019(22): 60-61. ZHANG Qianyu. Leakage simulation of liquid ammonia storage tank based on PHAST software[J]. Chemical Industry Management, 2019(22): 60-61. |
| [10] |
刘飞燕. 基于PHAST软件的甲醇储罐泄漏影响范围分析[J]. 化工管理, 2020(9): 88-89. LIU Feiyan. Analysis of the influence range of methanol storage tank leakage based on PHAST software[J]. Chemical Industry Management, 2020(9): 88-89. |
| [11] |
汪炳祥, 王丽娜. 关于海面上大气稳定度的计算问题[J]. 青岛海洋大学学报, 1992(2): 13−25. WANG Bingxiang, WANG Lina. on calculation of stability of the atmosphere over the sea surface[J].Journal of Qingdao Ocean University, 1992(2): 13−25. |
| [12] |
王超. 液体泄漏形成液池扩展面积的计算方法综述[J]. 安全与环境工程, 2012, 19(6): 125-128. WANG Chao. Review of calculation methods for the expansion area of liquid pool formed by liquid leakage[J]. Safety and Environmental Engineering, 2012, 19(6): 125-128. |
| [13] |
郭一丁, 郭健, 谭美. 乏燃料运输船概念设计研究[J]. 舰船科学技术, 2019, 41(19): 70-74. GUO Yiding, GUO Jian, TAN Mei. Study on conceptual design of spent fuel transport ship[J]. Ship Science and Technology, 2019, 41(19): 70-74. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2019.10.013 |
| [14] |
叶乾蒙. 沿海LNG接收站储罐泄漏扩散数值模拟及对策研究[D]. 成都: 西南石油大学, 2018.
|