烟囱防腐施工可燃气体扩散模拟及本质安全改进研究

张泰辉 田震 戴卓

摘      要： 烟囱防腐工程需要使用含有如二甲苯等具有挥发性且易燃易爆物质的防腐涂料，作业过程中经常出现导致严重后果的火灾事故。以一起真实发生在烟囱防腐过程中的火灾事故为例，对事故工况风速及改变通风条件状态下事故烟囱内部的可燃气体挥发扩散特性进行了分析，总结了可燃气体浓度的时域变化特性。根据仿真结果，采用本质安全方法进行了安全改进，提出了加入“送风控制-可燃气体浓度检测报警联动系统”的改进方案，并提出了施工过程的管理改进措施，为预防此类事故提供指导。

关  键  词：烟囱防腐工程;可燃气体;数值模拟;本质安全

中图分类号：TU 761       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）04-0839-06

Abstract： Because the anti-corrosion coating used in the chimney anti-corrosion project contains a large amount of flammable volatile substances such as xylene， there is a large risk of fire and explosion accidents during the construction process. In this paper， taking the fire and explosion accident of an actual anticorrosion project as the research object， diffusion characteristics of flammable gas in chimney with different inlet air velocities were analyzed by numerical simulation. The change law of the combustible gas concentration with time was summarized. According to the simulation results， the intrinsic safety design of the ventilation equipment linkage flammable gas concentration determination alarm device was produced to improve the safety. The management improvement measures of the construction process were summarized to provide guidance for the prevention of such accidents.

Key words： Chimney anti-corrosion; Combustible gas; Numerical simulation; Intrinsic safety

煙囱内壁防腐施工环境密闭，且施工过程涉及高处、动火、临时用电等多种特殊作业，作业时高空吊篮和防腐涂层中的二甲苯等易挥发物质不断挥发，作业现场可燃气体浓度不断增大，易引发生火灾爆炸事故。图1为国内某造纸厂120 m烟囱防腐工程火灾事故现场，这次事故共造成了6名工人死亡与1 400万元的直接经济损失。由于烟囱内壁防腐施工环境相对密闭，作业中挥发出的可燃气体在吊篮内形成局部积聚并最终发生闪燃，随之引燃了已经涂抹完成但尚未完全干燥的防腐涂层，吊篮钢索因无法耐受高温而折断，致使作业平台从几十米高空坠落地面，多名作业人员当场死亡。

防腐施工过程可燃气体浓度动态变化，不同作业面，不同位置的可燃气体浓度存在差异，作业环境复杂，整体风险性高。因此，研究烟囱内部可燃气体分布规律，探索风速对烟囱内部可燃气体挥发扩散的影响规律，探讨烟囱防腐施工安全对策措施，可为预防类似事故发生提供指导，具有重要意义。近年来一些学者从事故案例分析、车间生产作业等情况出发，利用计算流体动力学（CFD）软件对各类有毒、可燃气体的扩散规律进行了仿真模拟研究[1-3]。结合某实际烟囱防腐火灾事故案例，采用CFD软件对施工过程中可燃气体的挥发和扩散特性进行了模拟分析。并在模拟基础上采用本质安全方法提出改进方案及措施，可为事故调查分析、防腐工程工艺改进、安全应急处置等提供依据。

1  建立模型及模拟过程

1.1  研究对象

事发烟囱整体高度约为120 m，顶端与底端内径分别为3.62、8.26 m，距离其底端4 m位置处设有进料口。烟囱内不同高度设有两吊篮，两吊篮内部均放有两个规格相同的敞口天那水桶。为了方便模拟，作业吊篮、天那水桶及作业工人均以简化的几何模型表示，吊篮中部设有配电箱，工作平台模型见图2、图3。

1.2  模拟基本设置及边界条件

本研究建模选用修正k-ε模型和混合组分输运模型，模拟过程作如下基本假设：

（1） 初始状态时烟囱内不含二甲苯，模拟研究的可燃气体均源自作业过程挥发;二甲苯气体为连续挥发，且其质量流量为恒定。

（2） 模拟中的气体均不可压缩，流动状态为湍流;物性参数均为常数;模拟过程中的各种气体都认为是理想气体，遵循理想气体状态方程且之间不发生化学反应。

（3） 施工过程中烟囱壁面的涂料面积保持不变，即仅针对固定的挥发面积进行模拟。

根据事故调查数据，通常情况下该烟囱内的自然风速值为2～8 m/s，事故工况风速为5 m/s，因此分别取2、5、8 m/s三种风速进行模拟分析，该模拟的其他基础设置见表1。

模型中高处1号吊篮所处在z=36 m及x=-2.7 m的平面、低处2号吊篮所处z=31 m及x=2.8 m的平面。另外，分别在2号吊篮中线上y=-1.5 m、y=0 m、y=1.5 m处选取3个点作为浓度监测点A、B、C，1号吊篮中线上y=-1.5 m、y=0 m、y=1.5 m处选取3个点作为浓度监测点D、E、F。

2  数值模拟及结果分析

2.1  模拟结果的空间分析

设置事故工况风速5 m/s模拟作业进行六十分钟后的情况，从两吊篮的x和z截面分析的气体浓度分布特性，可得到二甲苯气体在各截面的浓度分布情况如图4所示。

分析上面四个截面的气体浓度分布特性圖，低处的2号篮中大部分区域处于爆炸极限范围（1%～7% VOL.），高处1号篮内的浓度则是已经部分超过爆炸上限，作业过程具有很大的火灾和爆炸风险。

取入口风速2、8 m/s进行模拟，进一步分析风速对可燃气体扩散的影响。为使对比更加直观并具有代表性，取火灾爆炸风险较大的低处2号吊篮的x=2.8 m截面进行分析，两种风速情况下的可燃气体浓度分布特性如图5所示。

对几种风速情况下的浓度分布情况进行分析，可见进料口风速增加，两吊篮内的可燃气体高浓度分布区域随之减小，表明风速的增加可以加速烟囱内的气流，并减少二甲苯气体的积聚。但是在上面几种常见进料口风速情况下的烟囱内的可燃气体浓度仍然保持在较高水平，仅依靠自然通风无法保障该施工过程安全。

2.2  模拟结果的时域分析

设定不同的进料口风速，并记录观测点A-F这6点处二甲苯体积浓度在施工过程中的变化，6点处的二甲苯浓度时域变化特性是相似的，为了节约篇幅，选取最具有代表性的事故工况风速情况，危险性最高（吊篮内部装有配电箱的区域）的B、E两监测点进行讨论，二甲苯气体浓度在事故工况下的时域变化特性见图6。

分析图6可知，风速增加可使气体流通速度加快，二甲苯气体更加难以形成聚集，两吊篮中二甲苯气体饱和浓度值都出现了下降。随着烟囱内空气流速增加，低处工作面中的二甲苯气体向上扩散速度加快，浓度上升速率不断减小;高处工作面由于受到低处工作面向上扩散的二甲苯气体影响，浓度的上升速率反而随之增加。两工作面中的二甲苯气体的浓度均可在短时间内上升至爆炸极限，2号吊篮二甲苯气体浓度上升速率在接近饱和值后不断下降，1号吊篮因受低处工作面影响二甲苯浓度在达到饱和值前始终迅速上升，二甲苯浓度在上升至饱和值后均基本保持稳定。

3  烟囱防腐施工作业的安全改进

3.1  设备本质安全改进

根据本质安全技术的“缓和”和“最小化”原则[4]，采取控制措施使作业过程中的可燃气体浓度始终低于爆炸下限，防止在施工期间形成爆炸性环境，从而提高施工过程整体的本质安全度。

烟囱内部气体流动速度的增加可以降低工作环境中的二甲苯气体饱和浓度，加强主动通风，在各吊篮上安装适当型号的鼓风机，对施工过程中可燃气体的浓度值进行控制[5]。内壁防腐作业环境相对密闭，根据相关国家标准中的要求，施工过程中可燃气体浓度不应高于0.05% VOL.，代入公式（1）中可求得通风量为1 400 m3/h。

选定适当型号的风机后可将其安装在吊篮内部的护栏上，朝烟囱壁面送风，为简化模型，用尺寸为0.5 m×0.5 m的风道表示风机，通过公式（2）进一步求得风机入口风速约为1.6 m/s，风机安装示意图见图7。

由前文可知事故工况风速下的2号吊篮发生事故的风险较大，模拟加强通风条件后的气体浓度分布，取改进通风条件后2号吊篮x=2.8 m截面气体浓度分布和监测点B的二甲苯浓度时域变化特性进行分析，具体情况如图8、图9所示。

将图8、图9与图4 （d）、图6 （a）对比可见，加强通风条件显著改变了烟囱内二甲苯气体浓度场分布和浓度变化规律。图8的竖直方向上，二甲苯气体的上方扩散得到了显著增强，排出速度大大增加;水平方向上，二甲苯气体的扩散方向远离了吊篮中部安装有配电箱的危险区域。分析图9中模拟改进后的浓度时域变化特性，二甲苯气体的体积分数饱和值由之前的约为9% VOL.下降至约为0.03%VOL.，满足了0.05% VOL.以下的要求，远低于爆炸极限。

在事发公司厂区内进行场景还原并实验验证，实验时现场风速约为5 m/s，控制烟囱内涂抹防腐涂层、设备设施等布置与事故时一致，监测点设置和模拟时一致，选用合适风机、可燃气体浓度测量仪、热敏风速仪进行实验和测量，实验持续时间60 min，以1min一次的频率对各监测点进行数据采样，得出实验下的浓度时域变化特性见图9。经比较实验值与模拟值之间误差基本处于可接受的范围内，可见加强通风对控制烟囱防腐施工过程中作业环境内可燃气体浓度有较好效果。

如图10所示，在增加主动通风设备的基础上引入“送风控制-可燃气体浓度检测报警联动系统”，将0.05% VOL.设为可燃气体检测装置的安全浓度阈值，浓度低于该阈值时，系统处于待机状态，达到阈值时开始自动送风，待浓度下降至0.03% VOL.时，系统再次停止运行并进入待机状态。系统报警装置触发阈值设为0.07% VOL.，当浓度到达阈值而风机没有自启时，装置手动操作指示灯闪亮并发出声音提醒工人采取应对措施。使用该改进方案可实现施工过程可燃气体浓度的自动控制，确保浓度始终远低于爆炸极限，从而达到消除施工过程火灾和爆炸危险的效果，提高本质安全水平。

3.2  施工过程管理改进

烟囱防腐工程涉及到易燃易爆危险化学品使用，作业环境较为密闭，通风条件差，是涉及高处、动火等多种特殊作业交叉，不同高度作业平台交叉的高风险作业。施工过程管理对保证此类特殊作业安全至关重要，从以下三个方面提出针对性管理改进措施。

（1） 加强作业过程安全监护：施工作业过程应确保全程有人监护并落实相应职责，建设单位和施工单位都应参与并落实作业人员的定岗定位，定人定责[6]。

（2） 強化火灾爆炸事故防范：应加强施工过程中的主动通风，强化可燃气体浓度的检测与控制，作业现场应配备必要的通风设备、可燃气体浓度检测报警装置与应急消防用品，必要时应使用防爆工器具。

（3） 确保交叉作业安全：烟囱内的防腐涂层涂抹作业不得与其他动火作业同时进行。在防腐施工过程中，应尽量避免不同作业面垂直交叉的情况出现，防止出现物料、工具等坠落导致物体打击伤害;如果交叉作业无法避免，则必须在作业前进行对应的交叉作业风险辨识并采取安全措施避免意外发生;作业区域应隔离警戒，防止无关人员进入。

4  结 论

本文以一起真实发生在烟囱防腐过程中的火灾事故为例，通过CFD软件模拟分析并总结了在不同环境风速下，防腐涂料中可燃气体的挥发扩散的浓度分布特性和时域变化特性，结合本质安全设计思想，提出了引入“送风控制-可燃气体浓度检测报警联动系统”的设备安全改进措施，经实验验证该系统能有效控制施工过程中吊篮内二甲苯气体浓度远低于爆炸极限。

本文提出的“送风控制-可燃气体浓度检测报警联动系统”及施工过程管理改进思路，可应用到同类烟囱防腐施工作业中，为安全管理改进、事故预防提供一定参考。

参考文献：

[1] 郝安佳，吴琦，杜强，等.街道峡谷内燃气管道泄露扩散模拟分析[J].当代化工，2012，41（7）：756-759.

[2] Dadashzadeh M.，Abbassi R.，et al.Explosion modeling and analysis of BP Deepwater Horizon accident[J].Safety Science，2013，57（08）：150-160.

[3] 刘秋新，吴炯，杨树.印刷车间VOCs废气控制的研究[J].工业安全与环保，2018，44（6）：67-70.

[4] 吴宗之，任彦斌，牛和平，等.基于本质安全理论的安全管理体系研究[J].中国安全科学学报，2007，17（7）：54-58.

[5] 王佩.室内建筑装修材料中挥发性有机物污染的解析与防控[J].当代化工，2018，10（47）：2122-2126.

[6] 龚菊华，都浩.石油化工企业如何加强HSE管理[J].当代化工，2011，40（2）：153-156.