石油化工装置建筑物抗爆计算浅析

崔巍

中国化学赛鼎宁波工程有限公司 浙江 宁波 315000

1 概述

近年来，我国石油化工行业的安全形势严峻，石油化工企业存在大量的危险化学品或高压物料，极易发生爆炸，一旦发生爆炸，会对周边设施及建筑物的造成损坏、重大财产损失和人员伤亡。因此，国家针对此类情况密集出台了一系列的管控方法和策略。从《全国安全生产专项整治三年行动计划》（国务院安委[2020]3号）下发以来，全国各地危化企业对控制室，办公楼等人员密集场所等开展了一轮抗爆改造、搬迁的行动。如何确定建筑物的抗爆能力？”对企业至关重要。建筑物的抗爆计算涉及的理论知识较为复杂、计算输入条件较多，使用计算工具较为复杂，以某化工厂球罐泄漏爆炸对附近控制室的安全影响为实例，简单介绍一下抗爆计算的方法[1]。

2 抗爆计算实例

2.1 泄漏量计算

以某化工厂球罐组2000m3环氧丙烷罐作为假定泄漏主体，对附近控制室进行抗爆分析。

球罐组设置有可燃气报警，并在进出口设置了比较完善的安全联锁系统，一旦有泄漏发生，可以及时发现并在短时间内控制泄漏事故，因此泄漏时间可确定为＜0.5h。

球罐的泄漏点为物料进出口、排污口、液位计口的法兰密封面破损泄漏，最大管口口径DN100。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/T37243-2019），我们选择10mm的中孔泄漏模拟泄漏情况[2]。

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/T37243-2019）附录D.1.2液体经储罐上的孔流出公式计算：

D.1.2 液体经储罐上的孔流出瞬间质量流率可按照式（1）计算

式中：Qm—质量流率，单位为，kg/s；P—储罐内液体压力，为绝对压力，Pa；P0—环境压力，为绝对压力，Pa；g—重力加速度，取9.8m/s2；A—泄漏孔面积，m2；ρ—液体密度，kg/m3；h1—泄漏孔上方液体高度，m。

参数：P=3.0*105Pa，P0=1.01*105Pa，C0按照计算结果最大化取1.0，ρ=859kg/m3

按照满罐 取h1=14m，泄漏时间按照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 软件模拟

本次计算采用挪威船级社（DNV）的事故后果模拟仿真系统（PHAST）软件对厂区环氧丙烷储罐泄漏发生蒸汽云爆炸的事故进行模拟分析[3]。

参数：

设备名称：环氧丙烷储罐

危险物料：环氧丙烷

容积：2000m3

操作温度：25℃

操作压力：0.3MPa

相对蒸汽密度（空气=1）：2.0

泄漏点距地面高度：3m

泄漏孔径：10 mm

泄漏时间：约0.5h

环氧丙烷罐防火堤高度：1.2m

大气条件：风速1.5m/s，大气稳定度F（风速越大，相对范围内可燃气浓度越低，爆炸造成的影响越小，因此选择较苛刻的情况，风速定为1.5m/s）

根据泄漏模型模拟云团如图1、图2所示：

图1 10mm泄漏云团（侧视）

图2 10mm泄漏云团（俯视）

图3 10mm中孔泄漏蒸汽云爆炸冲击波超压值与距离

从图1云团侧视图可知，泄漏的环氧丙烷从罐底部泄漏点泄漏到地面上，因环氧丙烷气体密度大于空气，环氧丙烷蒸汽在液体表面上空逐渐形成较稳定的蒸汽云团，蒸汽云厚度约0.8～1.0m。根据图1、图2的图形面积估算爆炸性气团体积约1000m3。环氧丙烷液体落地位置与泄漏点水平距离在15m以内，并且环氧丙烷罐组防火堤内体积约为3693m3远大于气团体积1000m3可确定蒸汽云团基本处于防火堤范围内[4]。

2.3 蒸汽云爆炸模拟

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/T37243-2019），蒸汽云爆炸选用TNO模型进行计算，其原理如下：

TNO方法计算包括以下步骤：

a）进行扩散计算，确定可燃气云的范围。

b）进行区域检査，确定拥挤的区域。

c）在被可燃气云覆盖的区域内，确定引起强烈冲击波的爆炸源。

d）通过下列步骤，估算区域内（作为爆炸源）燃料-空气混合物的燃烧能。

爆炸源的燃烧能按下式计算。

式中：E—爆炸源内燃料-空气混合物的燃烧能，J；Vs—爆炸源中燃料-空气混合物体积，m3；

e）估计爆炸源的强度R0，取值范围为1～10；

f）比拟距离按R1下式计算；

式中：

R1—爆炸源的比拟距离（无量纲）；R—距爆炸源中心的距离，m；E—爆炸源的燃烧能，J；P0—环境大气压，Pa；

g）计算爆炸超压

根据已定的比拟爆炸超压ΔPS，爆炸超压按下式计算；

式中：p—爆炸超压，Pa；ΔPS—比拟爆炸超压（无量纲）；p0环境大气压，Pa。

上述计算步骤中，步骤a、b、c在2.2已完成，步骤e 爆炸源的强度取值为3（罐区），其余步骤均由PHAST软件完成计算[5]，结果如下：

（1）10mm中孔泄漏蒸汽云爆炸模拟

发生模拟设定的事故时，爆炸冲击波在不同距离的超压值如图3所示。

2.4 环氧丙烷球罐泄漏爆炸冲击波对控制室的影响

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）表G.3。环氧丙烷罐10mm中孔泄漏爆炸后对附近控制室产生的冲击波超压值为2.4kPa小于2.76kPa有限的较小结构破坏，因此不会对控制室结构产生大的影响[6]。

表1 超压值

3 结论

抗爆分析在如今的石油化工行业安全设计中越来越重要。而抗爆计算是一项复杂的工作。通过软件的计算只是一个方面，更重要的是在计算爆炸冲击波，计算是否超压的时候，要充分考虑各种影响因素，例如地面凹凸不平以及一些阻碍物都会影响最终的计算结果。同时也要考虑事故发生的概率，对后果的风险进行恰当的认定评估，这也是决定建筑物是否需要抗爆的一大重要因素。