LPG罐区事故后果模拟与风险控制研究*

薛源庆民

(沈阳航空航天大学安全工程学院 沈阳 110136)



LPG罐区事故后果模拟与风险控制研究*

(沈阳航空航天大学安全工程学院 沈阳 110136)

LPG在储存过程中，可能由于泄漏或灾难性破裂等原因引发火灾、爆炸、中毒等重大事故。首先根据两类危险源理论，辨识与分析了LPG罐区的危险源及其危险性。然后，利用事件树方法，建立了瞬时泄漏和连续泄漏后果模型。通过研究典型的事故后果计算与模拟分析方法、风险确定与表示方法，借助PHAST和LEAK系统模拟分析与计算了某LPG罐区发生泄漏后的事故后果及其影响，并绘制了个人风险等值线和社会风险F-N曲线。最后，根据分析结果提出了多项针对性的风险控制措施。

LPG储罐 事故后果模拟 个人风险 社会风险 风险控制

0 引言

随着社会对LPG需求量的增大，大中城市均设有不同规模的LPG储罐区。然而，LPG具有易燃、易爆、闪点低、高燃烧值等特点，储罐或管线一旦泄漏，遇到明火极易引发火灾、爆炸、中毒事故，造成重大人员伤亡和财产损失。因此，LPG储罐区的安全问题一直倍受重视。对大型LPG储罐区进行事故后果计算与风险分析，并依据分析结果提出经济、合理、有效的风险控制措施，对提高LPG储罐区风险预测与防范能力，提高其整体安全性水平具有重大意义。1 LPG储罐区危险性分析

1.1 LPG储罐区危险源辨识与分析

1.1.1 第一类危险源

(1)物质的危险性

甲A类(主要成份为丙烷)，闪点-104 ℃，最小引燃能量0.31 mJ，引燃温度为426～537 ℃，气态相对密度为1.686，泄漏后极易在地势低洼地带集聚，或沿地面向外扩散，遇到点火源将被引燃；爆炸范围大；燃烧值高，会产生大量的热量，火焰温度可达2 000 ℃，爆炸速度为2 000～3 000 m/s；燃烧产生的高热辐射、爆炸产生的超压冲击波向四周扩散传播，会对周围人员、财产造成巨大伤害、破坏[1]。

(2)超压爆炸危险性

LPG储罐采用常温加压储存，储存压力可达1.7 MPa。在密闭容器内，温度升高1 ℃，丙烷压力上升2. 21 MPa，丁烷压力上升1.53 MPa。若温度升高，且LPG具有较高的膨胀系数，就可能引起超压爆炸。

(3)中毒、窒息危险性

吸入大量高浓度气态LPG会引起人员中毒，出现呕吐、昏迷、恶心、头痛、头晕等症状，使人进入麻醉状态并丧失意识。若在相对密闭空间内，LPG泄漏会使空气中的氧分压大幅降低，人体长时间氧气供应不足会出现窒息死亡[2]。

(4)二次爆炸

LPG储罐、管道等若发生火灾爆炸事故，爆炸产生的热辐射、超压冲击波会对人员造成伤害、对财产造成损失，且可能引发二次爆炸事故。

1.1.2 第二类危险源

(1)人失误

操作失误、违章作业、盲目指挥、管理缺失等是人失误的主要因素。例如：①上岗前无安全教育或未按期对操作人员进行培训、考核，造成误操作；②厂内违章动火，尤其对储罐进行隔绝、排空、清洗、置换等操作时；③没有按照安全标准进行操作；④操作人员没有及时对储罐的液面计位装置、安全阀门、压力表、储罐法兰等装置出现故障、失效后及时修理，造成储罐压力、温度不准，致使人员出现判断失误，超压未能及时泄压；⑤安全教育缺失、隐患排查不足、没有制定应急救援预案、没有开展应急救援演练、责任制度不健全等。

(2)物的不安全状态

主要指储罐失效、阀门故障、法兰故障、管道失效、安全阀门开启泄压等因素导致LPG 泄漏，引发事故。①储罐失效主要有破裂、腐蚀、超压、冲击作用，储罐设计缺陷或故障都会造成储罐失效；②储罐区的管道、阀门、法兰、压力泵等在进出液过程中，充满高压液体，若出现腐蚀、磨损而密封不好，易造成泄漏；③为了提高安全性，会增加很多检测装置、提示装置、报警装置、安全装置，操作人员依据这些装置反馈的信息发出指令，若反馈的信息有误或控制系统出现故障，不能控制储罐，就会引发事故。

(3)环境因素

主要从自然环境、物理环境、企业和社会的软环境等方面进行分析。①若储罐区及建筑物的防雷设施没有或失效，致使在雷雨天气雷击造成停电，造成关键部位失效而引发事故；若同时消防设施也失效，就会大大增大扑救的难度，并增加事故造成的损失；②储罐长期处于高温的环境或长时间受高热辐射烘烤，极易引起储罐内部压力升高而发生爆炸事故；③LPG的最小引燃能量很小，且爆炸下限低，很少的泄漏都有可能在爆炸范围内，而手机等通讯工具所发出的射频电的微弱能量足以引发气体爆炸。

1.2 LPG储罐泄漏后果模型分析

LPG泄漏后产生的危害种类、后果以及影响区

域取决于泄漏模式、扩散条件和点燃方式等。借助事件树分析方法分析了LPG瞬时泄漏和连续泄漏的事故后果演变模型[3]，如图1和图2所示。

图1 LPG连续泄漏事件树

图2 LPG瞬时泄漏事件树

相关文献对闪火、喷射火、火球、蒸汽云爆炸(VCE)、沸腾液体扩展蒸汽爆炸(BLEVE)均有所研究，并形成了一系列经典计算模型，在此不再赘述。

本文根据所选LPG罐区及其周边居民与环境情况，所利用的PHAST软件系统所使用的事故后果计算模型主要有喷射火模型、池火模型、火球模型和蒸汽云爆炸模型[4]。

2 某LPG罐区事故后果模拟分析与计算

2.1 罐区概述

该储罐公司配有8个1 000 m3LPG球罐，储存压力为1.7 MPa，温度为35 ℃。罐区北侧紧临一废品收购站、东北方向紧邻一看守所；向北450 m、东南方向830 m、西南方向630 m均是居民区；东南方向330 m有一个公交站；西侧和西北方向600 m范围内均为农田；向南360 m、向北200 m均为某品牌汽车仓库，占地面积分别为110 520 m2、124 800 m2；向北420 m、东南方向440 m为城区主干道，北侧630 m有一个加气站。

2.2 典型事故后果模拟计算与分析

2.2.1 典型事故模型的参数输入

根据LPG的性质、储罐周边环境、天气状况输入模拟参数[5-7]，详见表1。

表1 事故模型参数输入

2.2.2 喷射火事故后果模拟计算与分析

喷射火的主要危害是热辐射，当热辐射通量超过一定的范围就会对人体造成伤害，该LPG储罐喷射火危害影响范围见表2。

表2 喷射火危害影响范围 m

喷射火模型中，孔径泄漏的危险程度低于固定时间泄漏。固定时间泄漏的时间越少，在同一点上的热辐射值越高，越危险。LPG储罐区最危险、失效概率最大的部位是输入/输出管线，阀门、法兰、管道、安全阀门均属于薄弱环节，易发生失效，出现LPG泄漏。应加强各管线的强度设计，正常工作状态时加强对各个管线、接口处的检查，及时发现因腐蚀、撞击、磨损等原因出现管线泄漏的事故。

2.2.3 蒸汽云爆炸事故后果模拟计算与分析

蒸汽云爆炸的危害主要是爆炸冲击波，当爆炸超压超过一定范围就会对人体造成伤害，具体危害后果详见表3。

表3 蒸汽云爆炸的超压影响范围 m

蒸汽云爆炸中所有模型的爆炸直径都基本不变，但爆炸中心到泄漏点的水平距离在增大，则爆炸影响区域在增大，危险度增加。固定爆炸模型中，时间越少，影响区域越大。

2.2.4 火球事故后果模拟计算与分析

火球的主要危害也是热辐射。与前面模型不同，当LPG大量瞬时间泄漏时，泄漏物质不能及时扩散，大量集聚，形成高浓度云团，将产生火球。利用PHAST进行后果分析，给出了两种泄漏量灾难性破裂时火球的结果，见表4。若天气稳定，泄漏物质未及时扩散，大量高浓度的云团延缓漂移，延迟点火也可能产生火球。

表4 火球危害的影响范围 m

火球模型的危害程度最大，致死距离比其它模型远。若出现火球，对厂区周边看守所、废品收购站的人员、财产直接构成威胁，都在人员死亡距离之内。废品收购站有大量易燃物质，因此应将看守所和废品收购站进行搬迁。

2.2.5 池火事故后果模拟计算与分析

LPG重于空气，发生泄漏后，会在地势低洼处集聚形成液池，一旦被点燃，往往造成池火危害。具体危害结果见表5。

表5 池火危害的影响范围 m

池火灾的形成与释放量有关系，根据模拟分析可知：在无防火堤的情况下1 000 m3储罐泄漏不会形成液池，而8 000 m3储罐泄漏会产生。因此，需合理设计防火堤(如表5)，提高安全性水平。

2.3 个人风险与社会风险计算

根据LPG储罐孔径泄漏模型数据，计算LPG储罐泄漏后储罐区的风险，绘制个人风险等值线图及社会风险F/N曲线，如图3、图4所示。

图3 储罐孔径泄漏个人风险等值线

图4 储罐孔径泄漏社会风险F/N曲线

厂区内个人风险最少达到10-5，这部分区域的个人风险水平需要采取有效措施提高。厂区外围的废品收购站、看守所等地区个人风险也较高[8-9]。由于厂区周围人员密集度不高，大部分为开阔地，社会风险都在“尽可能降低区”，但需要在可能的情况下，采取风险处理措施尽量减少风险。因此，厂区内应严格控制点火源，例如杜绝违章动火、动火作业必须经过审批、工作严禁携带火种、严禁吸烟、机动车辆必须戴好阻火器。

3 结论

(1)根据两类危险源理论，辨识与分析了LPG罐区的危险源及其危险性。LPG以及储罐、管线等载体共同构成了第一类危险源。导致第一类危险源的能量意外释放的人、物、环境因素构成了第二类危险源。

(2)借助PHAST和LEAK系统模拟分析与计算，确定了LPG泄漏后产生的危害种类、后果，影响区域取决于泄漏模式、扩散条件和点燃方式等。喷射火模型最为常见，任何一个关键设备的失效，产生缝

隙、漏洞，出现喷射火，泄漏孔径越大，危害越大；火球模型的危害最大，致死距离比其它模型远；池火灾的形成与释放量、围堰有关系。

(3)根据 LPG 储罐孔径泄漏模型数据，得出LPG储罐泄漏后储罐区个人风险明显偏高，但由于厂区周围人员密集度不高，社会风险都在“尽可能降低区”，需采取降风险措施。

对LPG罐区事故后果模拟与风险控制研究可以为LPG罐区实施区域定量风险评价提供模式参考，相关安全管理人员可根据计算数据、模拟结果，有针对性地加强罐区安全管理，降低其整体危险性。

[1]缪灿亮, 张赛, 王思.PHAST软件在LPG储罐泄漏分析中的应用[J].石油化工安全环保技术,2013,29(6)：10-13.

[2]丁信伟,王淑兰,徐国庆.可燃及毒性气体泄漏扩散研究[J].化学工程,2000, 28(1):33-36.

[3]国家安全生产监督管理总局.化工企业定量风险评价导则：AQ/T 3046—2013[S].北京：煤炭工业出版社，2013.

[4]梁韬,陈国华,张瑞华,等.SAFETI在LPG储罐事故后果评价中的应用[J].油气储运,2006,25(2):53-58.

[5]American petroleum institute. Risk-based inspection base resource document：API 581—2000[S]. API publication，2000.

[6]余齐杰.DNV软件在事故分析中的应用[J].石油化工安全环保技术,2001(3):37-39.

[7]CROCKER W P, NAPIER D H. Assessment of Mathematical Models for Fire and Explosion Hazards of Liquefied Petroleum Gas[J]. Journal of Hazardous Materials，1988,20(1/3):109，135.

[8]高建明，王喜奎，曾明荣.个人风险和社会风险可接受标准研究紧张及启示[J]. 中国安全生产科学技术，2007，3(3):29-34.

[9]马科伟. 基于多米诺效应的区域定量风险评估方法研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2010.

Research on Consequence Simulation and Risk Control of LPG Tank Accident

XUE Yuan SI Qingmin

(CollegeofSafetyEngineering,ShenyangAerospaceUniversityShenyang110136)

In the process of storage, LPG may cause fire, explosion, poisoning and other major accidents due to leakage or catastrophic rupture. According to the theory of two types of hazards, the risk of LPG storage tank is identified and analyzed. Then, by using event tree method, the model of instantaneous leakage and continuous leakage is established. Through the study of typical accident consequence calculation and simulation analysis method, risk determination and representation methods and with the aid of PHAST and LEAK system, the consequences and influences of a LPG storage tank after the accident are simulated, analyzed and calculated and the individual risk isoline is mapped, as well as the social riskF-Ncurve. Finally, according to the analysis results, a number of targeted risk control measures are proposed.

LPG storage tank accident consequence simulation personal risk social risk risk control

辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2015408)，辽宁省社会科学规划基金重点项目(L15AGL008)。

薛源，男，1992年生，主要研究方向为危险源辨识、控制与评价，事故应急救援理论及技术。

2015-10-16)

危险源辨识、控制与评价，风险管理，安全评价，事故应急救援理论及技术，适航性安全性评估。