石油化工裝置建筑物抗爆計算淺析

崔巍

中國化學賽鼎寧波工程有限公司 浙江 寧波 315000

1 概述

近年來，我國石油化工行業的安全形勢嚴峻，石油化工企業存在大量的危險化學品或高壓物料，極易發生爆炸，一旦發生爆炸，會對周邊設施及建筑物的造成損壞、重大財產損失和人員傷亡。因此，國家針對此類情況密集出臺了一系列的管控方法和策略。從《全國安全生產專項整治三年行動計劃》（國務院安委[2020]3號）下發以來，全國各地?；髽I對控制室，辦公樓等人員密集場所等開展了一輪抗爆改造、搬遷的行動。如何確定建筑物的抗爆能力？”對企業至關重要。建筑物的抗爆計算涉及的理論知識較為復雜、計算輸入條件較多，使用計算工具較為復雜，以某化工廠球罐泄漏爆炸對附近控制室的安全影響為實例，簡單介紹一下抗爆計算的方法[1]。

2 抗爆計算實例

2.1 泄漏量計算

以某化工廠球罐組2000m3環氧丙烷罐作為假定泄漏主體，對附近控制室進行抗爆分析。

球罐組設置有可燃氣報警，并在進出口設置了比較完善的安全聯鎖系統，一旦有泄漏發生，可以及時發現并在短時間內控制泄漏事故，因此泄漏時間可確定為＜0.5h。

球罐的泄漏點為物料進出口、排污口、液位計口的法蘭密封面破損泄漏，最大管口口徑DN100。根據《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》（GB/T37243-2019），我們選擇10mm的中孔泄漏模擬泄漏情況[2]。

根據《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》（GB/T37243-2019）附錄D.1.2液體經儲罐上的孔流出公式計算：

D.1.2 液體經儲罐上的孔流出瞬間質量流率可按照式（1）計算

式中：Qm—質量流率，單位為，kg/s；P—儲罐內液體壓力，為絕對壓力，Pa；P0—環境壓力，為絕對壓力，Pa；g—重力加速度，取9.8m/s2；A—泄漏孔面積，m2；ρ—液體密度，kg/m3；h1—泄漏孔上方液體高度，m。

參數：P=3.0*105Pa，P0=1.01*105Pa，C0按照計算結果最大化取1.0，ρ=859kg/m3

按照滿罐 取h1=14m，泄漏時間按照t=0.5h。

中孔泄漏1 0 m m，A=7.8 5×1 0-5m2Qm=1.834kg/s Q1=1.834×0.5×3600=3302kg/30min

2.2 軟件模擬

本次計算采用挪威船級社（DNV）的事故后果模擬仿真系統（PHAST）軟件對廠區環氧丙烷儲罐泄漏發生蒸汽云爆炸的事故進行模擬分析[3]。

參數：

設備名稱：環氧丙烷儲罐

危險物料：環氧丙烷

容積：2000m3

操作溫度：25℃

操作壓力：0.3MPa

相對蒸汽密度（空氣=1）：2.0

泄漏點距地面高度：3m

泄漏孔徑：10 mm

泄漏時間：約0.5h

環氧丙烷罐防火堤高度：1.2m

大氣條件：風速1.5m/s，大氣穩定度F（風速越大，相對范圍內可燃氣濃度越低，爆炸造成的影響越小，因此選擇較苛刻的情況，風速定為1.5m/s）

根據泄漏模型模擬云團如圖1、圖2所示：

圖1 10mm泄漏云團（側視）

圖2 10mm泄漏云團（俯視）

圖3 10mm中孔泄漏蒸汽云爆炸沖擊波超壓值與距離

從圖1云團側視圖可知，泄漏的環氧丙烷從罐底部泄漏點泄漏到地面上，因環氧丙烷氣體密度大于空氣，環氧丙烷蒸汽在液體表面上空逐漸形成較穩定的蒸汽云團，蒸汽云厚度約0.8～1.0m。根據圖1、圖2的圖形面積估算爆炸性氣團體積約1000m3。環氧丙烷液體落地位置與泄漏點水平距離在15m以內，并且環氧丙烷罐組防火堤內體積約為3693m3遠大于氣團體積1000m3可確定蒸汽云團基本處于防火堤范圍內[4]。

2.3 蒸汽云爆炸模擬

根據《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》（GB/T37243-2019），蒸汽云爆炸選用TNO模型進行計算，其原理如下：

TNO方法計算包括以下步驟：

a）進行擴散計算，確定可燃氣云的范圍。

b）進行區域檢査，確定擁擠的區域。

c）在被可燃氣云覆蓋的區域內，確定引起強烈沖擊波的爆炸源。

d）通過下列步驟，估算區域內（作為爆炸源）燃料-空氣混合物的燃燒能。

爆炸源的燃燒能按下式計算。

式中：E—爆炸源內燃料-空氣混合物的燃燒能，J；Vs—爆炸源中燃料-空氣混合物體積，m3；

e）估計爆炸源的強度R0，取值范圍為1～10；

f）比擬距離按R1下式計算；

式中：

R1—爆炸源的比擬距離（無量綱）；R—距爆炸源中心的距離，m；E—爆炸源的燃燒能，J；P0—環境大氣壓，Pa；

g）計算爆炸超壓

根據已定的比擬爆炸超壓ΔPS，爆炸超壓按下式計算；

式中：p—爆炸超壓，Pa；ΔPS—比擬爆炸超壓（無量綱）；p0環境大氣壓，Pa。

上述計算步驟中，步驟a、b、c在2.2已完成，步驟e 爆炸源的強度取值為3（罐區），其余步驟均由PHAST軟件完成計算[5]，結果如下：

（1）10mm中孔泄漏蒸汽云爆炸模擬

發生模擬設定的事故時，爆炸沖擊波在不同距離的超壓值如圖3所示。

2.4 環氧丙烷球罐泄漏爆炸沖擊波對控制室的影響

根據《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》（GB/T 37243-2019）表G.3。環氧丙烷罐10mm中孔泄漏爆炸后對附近控制室產生的沖擊波超壓值為2.4kPa小于2.76kPa有限的較小結構破壞，因此不會對控制室結構產生大的影響[6]。

表1 超壓值

3 結論

抗爆分析在如今的石油化工行業安全設計中越來越重要。而抗爆計算是一項復雜的工作。通過軟件的計算只是一個方面，更重要的是在計算爆炸沖擊波，計算是否超壓的時候，要充分考慮各種影響因素，例如地面凹凸不平以及一些阻礙物都會影響最終的計算結果。同時也要考慮事故發生的概率，對后果的風險進行恰當的認定評估，這也是決定建筑物是否需要抗爆的一大重要因素。