基于Sketch Up的油化船事故风险可视化

■ 李 显 陈晓晓 胡锦波

（上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306）

0 引言

油类和化学品具有易燃、易爆和毒性等物化性能，致使油类和化学品类的运输危险程度高，若发生事故造成的损失巨大。现有的事故风险评估技术可以定量描述油类和化学品发生泄漏、扩散、火灾和爆炸事故的影响范围和伤害程度，比如火灾模拟软件FDS、泄漏扩散模拟软件FLACS等。但这些计算模型或模拟软件给出的结果往往偏重于专业性，风险评估的结果缺乏直观性，企业消防人员、安全管理人员和普通员工并不能很好地使用。

Sketch Up是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，可以在电脑上进行十分直观的场景设计，是三维建筑设计方案创作的优秀工具。Sketch Up可构建油化船直观的物理场景，若能将事故风险评估软件的数据结果在Sketch Up物理场景中直观表达，则可解决专业事故风险评估软件评估结果的抽象性，便于可视化应用。

本文选取典型油化船，通过高斯扩散模型、FDS软件和TNT当量法对典型油化船泄漏、火灾和爆炸事故场景特性进行定量事故风险评估，并结合船舶Auto CAD图纸进行Sketch Up建模，将高斯扩散模型、FDS软件和TNT当量法的定量计算结果转化到Sketch Up的3 D模型中，实现事故场景的可视化表达，直观展现事故的影响范围，为事故应急救援和培训提供技术支持。

1 研究对象选取

以某内河典型成品油船作为研究对象，进行事故场景设计和事故定量评估。成品油船是II型化学品船，是指能载运IMO II类化学品的船舶，装载的货品有一定的危险性。船体总长112.68 m，宽17 m，型深8.9 m，设计吃水6.6 m。每侧江岸宽500 m、长800 m，航道宽度100 m，船舶位于航道中心。甲板下共有12个货油舱，左右舷各5个，污油舱1个。全船12个舱均可装货，货油舱为双底、双舷，而且甲板骨架设置在上甲板上，纵横舱壁均采用槽形舱壁，使舱内形成无骨架结构。

2 油化船典型事故定量计算

2.1 典型泄漏扩散事故的计算方法

有毒气体扩散数学主要通过数学模型的建立和计算来实现，高斯模型是最早开发的数学模型，是模拟泄漏到大气中的污染物沿下风向扩散浓度分布最广泛的模型之一。适用于点源的扩散，它被分为高斯烟羽模型和高斯烟团模型，可模拟连续泄漏和瞬间泄漏两种泄漏方式。对于化工泄漏事故中的瞬时或短时间泄漏扩散事故，一般普遍采用烟团模式进行计算分析。

2.2 典型火灾事故计算

火灾动力学模型FDS是火灾科学研究中常用的一种场模拟软件，能够再现各类火灾场景。在进行FDS火灾模拟之前，需设定一个计算区域，FDS的模拟将会在此区域内进行计算。本文主要研究对象为液货舱池火，甲板的层高为8.9 m，依据图纸，建立了FDS计算几何模型（见图1）。在距离各层地面2 m和8 m高度处分别设置火灾参数监测面，用于监测火灾烟温度值。从图2烟气蔓延场景中可以看出，泄漏后发生油池火灾，火灾产生的烟气逐渐充填甲板区。

从火灾场景的温度场（见图3）可以看出，本层安全出口附近距离地面0.3 m和8 m高度的烟气层温度在60 s内最高温度能达到1000 ℃。泄漏火灾8 s时，1000 ℃的高温遍布甲板的右侧区域。24 s后温度呈现下降区域。

2.3 典型爆炸事故计算

表1 1000 kg TNT当量的爆炸冲击波超压

蒸气云爆炸（VCE）是由于气体或易挥发液体燃料的大量快速泄漏，与周围空气混合形成“预混云”，在某一有限空间遇点火而导致的爆炸。用TNT当量来描述蒸气云爆炸的能量，即将参与爆炸的可燃气体释放的能量折合为释放相同能量的TNT炸药的量，然后用有关TNT爆炸效应的实验数据预测蒸气云爆炸效应。按照超压冲量准则确定人员伤亡半径及财产损失半径，按照相同能量的TNT爆炸所产生的超压来确定。

假设成品油船内一个装有500 m3成品油货舱发生泄漏，泄漏液体总体积为5 m3，挥发的乙烷蒸气与空气形成爆炸性混合物，若遇明火、火花或高温将发生爆炸事故，计算乙烷蒸气的TNT当量q和爆炸的模拟比：

式（1）中：

WTNT为乙烷蒸气云的TNT当量；

表2 爆炸波超压对人体的伤害程度

A为乙烷蒸气云的TNT当量系数，取4%；

Wf为乙烷蒸气云的总质量；

Qf为乙烷的高燃烧热值，为22593 kJ/kg；

QTNT为TNT的爆热，取4500 kJ/kg。

1000 kg TNT当量的爆炸冲击波超压数据如表1所示。对人体的伤害程度见表2。

3 基于SketchUp的事故定量计算结果的可视化

3.1 SketchUp及其建模

首先，对船舶的CAD格式测绘图进行整理，删除原图中的文字和标注，寻找断点，连接虚线 （见图4），确保导入SketchUp操作平台中的是一张简洁、完整、闭合的线条图，这是完成后继设计工作的基础。完成图纸整理工作后，打开SketchUp软件，进入操作界面，将CAD图纸导入，在全选后依次点选“Plugins—编辑—添加面”命令。至此，完成了由CAD平面测绘图到SketchUp设计空间的转换，也为之后的编辑流程做好了准备，见图4。

为展示内部结构或者空间效果，往往会用剖面来表示。在Sketch Up中有一个切面工具可以很方便的完成剖面的制作。从“视图—工具栏—截面”，工具栏中，首先点“显示剖面切割”按钮，这样就可看到剖切效果。然后，点截面工具里的第一个按钮“绘制剖切面”。选取一个面把剖切面放置上去。迫切面画好后，就可以把剖切面用移动工具，沿剖切方向进行移动，这样就能看到剖面效果了。此时，可以点击中间的按钮 “显示某切面”来切换剖切面是否显示。同时可以添加若干个不同方向的某切面，以呈现不同的效果，但是同时只能激活一个剖切面。激活的迫切面是黄色的，双击剖切面即可激活。最后把剖切线和被迫切的物体打包成组，方便组合使用，剖面图如图5所示。

3.2 泄漏事故定量计算结果的可视化

结合危险化学品相关数据，在化工事故中对化工危险品扩散的伤害范围进行估算，根据估算结果在Sketch Up中通过制作一个烟气模型来展现，效果如图6所示。

3.3 火灾事故定量计算结果的可视化

为了使FDS生成的火灾数据展现在Sketch Up的模型中，首先将FDS模拟计算数据输入Origin的工作表worksheet中，按其默认设置打开一个工作表窗口，将数据输入工作表中，点击 “Plot”菜单的“Scatter”功能项，将弹出绘图坐标轴选项，设置出现绘图Graph窗口下的数据点状分布图。导出至Sketch Up模型得到图形之后，通过Photoshop软件将温度云图放到Sketch Up的剖面图中，效果如图7所示。

3.4 爆炸事故定量计算结果的可视化

根据公式（1）计算，当5 m的丁烷或丙烷在爆炸极限范围时，其爆炸相当于4.5 t TNT当量，爆炸火球温度2100 ℃。其伤害范围：死亡半径2.55 m，重伤半径4.95 m，轻伤半径7.25 m。导入Sketch Up模型后，通过上色3个同心圆，标示出油化船泄漏的爆炸半径，如图8所示。

4 结论

本文利用高斯扩散模型、FDS软件和TNT当量法计算的结果，结合Sketch Up进行泄漏、火灾模拟和蒸气云爆炸的可视化表达，可以较为真实反映出事故对周围区域的影响。通过Sketch Up建立的直接而清晰的事故模型，可以更加直观地表达船舶事故的风险，为安全管理人员和企业员工提供了一个可视化的事故后果准确定量结果，直观展现事故的影响范围，为事故应急救援和培训提供技术支持。