液化石油气球罐区的风险评价.pdf

第 3 8卷第 1期 2 0 0 9年 L月 石油化工 设 备 PE TR CHEMI CAI EQUI P MENT Vo1 ．3 8 No ．1 J 8 ． I3 ．． 2 0 0 9 文 章 编 号 1 0 0 0 7 1 6 6 2 0 0 9 0 1 0 0 8 5 0 5 液化石油气球罐 区的风险评价 李 育娟 ，於孝春 ，朱伯龄 南 业大学 机械与动力 r程学院 ．江苏 南京 2 1 0 0 0 9 摘 要 对在役 液化 石 油 气罐 区进行 了风 险评 价 。从 介质 和 设备 两个 方 面辨识 了 I P G - 罐 区的危 险 性 ． 运用 DNV软件中的 P HAS T软件对罐 区的火灾爆炸事故后果进行定量的评价， 获得事故影响 程度的计算机模拟 图表和报告等， 并提 出了防止和减轻事故危 害的措施 ， 提 高了罐区的安全性和经 济 性 。 关 键词 球罐；液化石油气；风险分析；危险辨识；事故后果；P H A S T软件；预防措施 中图分类 号 TE 9 7 2 ． 1 文献标 志码 A Ri s k As s e s s me n t o f LPG S p he r i c a l Ta n k Ya r d L I Yu - j u a n，Y U Xi a o c h u n，ZHU B o - l i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d Po we r En g i n e e r i n g，Na n j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Na n j i n g 2 1 0 0 0 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ri s k a s s e s s me n t t e c h n o l o g y Wa s u s e d o n t h e a n a l y s i s o f l i q u e f i e d p e t r o l e u m g a s LPGs p he r i c a l t a n k ya r d ． F he r i s k i d e nt i f i c a t i on wa s pe r f o r m e d f r o m t h e m e d i u m a nd e qu i p me n t s ． I n t he a na l y s i s o f c o ns e q ue nc e ， PH AS I 、s of t wa r e o f DNV wa s us e d， a nd s o m e d i a g r a ms a nd r e p o r t s f o r t he r a n ge o f i n f l ue nc e we r e ga i ne d ． An i n s p e c t i o n p l a n a nd de t a i l ma na g e me n t me t h o ds we r e s u gg e s t e d． So t he I PG t a nk s ha v e hi g he r s a f e t y a n d e c o no mi c be n e f i t ． Ke y wo r d s t a n k ；LP G；r i s k a n a l y s i s ；r i s k i d e n t i f i c a t i o n；t h e c o n s e q u e n c e o f f a i l u r e ；PHAS T s o f t wa r e； p r e ve nt i on me a s u r e s 液化石油气 I P G 作为一种化工生产的基本原 料和燃 料 ， 在 【业 和 民用 中得 到 了广 泛应 用 。随 着 I P G的大 规模 使 用 ， 其 在 生 产 、 运 输 以及 储 存 等 各 个环节 中潜在 的危 险 日益 暴露 ， 尤 其 是 在 储 量集 中 的液化石 油气 罐 区 ， 一 旦 发生事 故 ， 造 成 的人 员伤亡 和财产损 失更是 难 以估 计。 国内外 已有数 起液化 气 球罐或罐区的燃烧爆炸事故 ． 如 1 9 8 4年发生在墨西 哥城 的 L P G储 存 区和 分 配 中心 事 故 ． 1 9 9 8年 西 安 液化气公司储罐站 I P G储罐的爆炸等 ] 。因此， 对 L P G储罐 的潜 在 风 险 进 行识 别 、 分 析 和 评 估 ， 采 取 最为经济、 合理、 有效 的风险管理措施 ， 降低事故发 生的频 率和 事故后 果 的 严 重程 度 ， 保 障液 化 气 球 罐 及罐区的安全， 无论从经济上还是从社会影响上均 具有 重大 意义 。 l 液化 石油气罐 区的风 险评价 1 ． 1 液 化石 油气 罐区 的基本 情况 某 化工 厂 I P G 罐 区于 1 9 8 7年 1 1月建 成 ， 1 9 8 9 年 2月 投 人 生 产 使 用 ， 由 1 2台 1 0 0 0 m。的球 罐 0l 2 4 1 0 n l i n 3 4 a i m 及 相 应 的管 道 和 附 属 装置 组成。其工作压力 1 ． 6 MP a ， 工作温度为常温； 设计 压力 1 ． 8 MP a ， 设计 温度 一1 0 ～ 5 0℃。存储介质 L P G， 腐蚀 裕度 3 ． 0 mm， 罐体 材料 是 S P V5 0 Q 高强 度钢 ， 采用 五带 混合式 结构 由 8支正切 支柱 支撑 ， 按 日本高压气体控制法规 设计、 制造与验收 ， 罐区 布置 图见 图 l 。 收 稿 日期 2 0 0 8 0 7 2 6 作者简介 李育娟 1 9 8 1 一 ， 女 ， 陕西安康人 ， 硕士 ． 主要从事化工设备与管道可靠性方面的研 究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 9年第 3 8卷 圈 1 液化 石 油 气 系统 罐 区 球 罐 布 置 图 1 ． 2 液化石油气罐区的危险辨识 G B 1 8 2 1 8 2 0 0 0 重 大 危 险 源 中将 重 大 危 险 源 定义 为 ， 长期地 或临 时地生 产 、 加 工 、 搬运 、 使用 或 储存 危 险物质 ， 且 危 险物 质 的数量 等 于 或超 过 临 界 量 的单元 。对爆 炸下 限不大于 1 0 的 L P G， 单 台球 罐 的储 存量 4 8 4 ． 5 t 大 于 临界 量 1 0 t ， 故该 罐 区 评 价为重 大危 险源 。 1 ． 2 ． 1 储存介质的危险性 L P G 为 甲类 危 险物 质 ， 其 主要 成 分 是 丙烷 、 丁 烷 、 丙烯 和丁烯 等 。常 温常压 下呈 气态 ， 加 压冷却 时 很容易变为液态， 液化石油气 由气态变为液态时体 积仅 为原体 积的 1 ／ 2 5 0 1 ／ 3 o o ， 气态 比重约为空气 的 1 ． 5 倍 ， 液态比重 比水轻。L P G爆炸下限低 I ． 5 ％ ， 爆 炸极 限范 围广 1 ． 5 ～1 0 ， 与空气 混合形成 爆 炸性混合物， 一旦遭遇火源或高热就有爆炸、 燃烧 的 危 险 。 1 ． 2 ． 2设 备 危 险 性 将液化石油气罐区划分为以下评价单元 ①球 罐 壳体 。② 管 道 。③ 管道 连接 件 阀 门、 法 兰 、 密 封 等 。④安 全阀。⑤安 全 附件 避雷器 、 喷淋 系统 等 。⑥其它附件 测试仪表 、 支撑 、 平台、 楼梯等 。 根据罐区的单元划分评价罐区设备的危险性。 该 L P G罐区 自投入使用以来 ， 球壳存在着较为严重 的应力腐 蚀开 裂问题 。随着 球罐 服役期 的加长 和储 存介质中硫化氢量的阶段性偏高， 球壳裂纹大量滋 长 ， 安 全状 况逐 年恶化 。 目前 ， 管线 尚未 出现 明显 问 题 。安 全阀 、 喷 淋 系统 、 液位 汁、 压 力表 、 温度计及 根 阀等附件皆随球罐 由检验单位做 了定期检验 ， 大部 分评 定 为合格 。 对 于少 量 不合 格 的零 部 件 也做 了及 时处理或更换。 2 液化石油气罐区的后 果分析 2 ． 1 P HAS T计算软件 P HAS T 计算 软件 是挪威 D NV Te c h n i c a l 公 司 开发的一种专门用于石化和天然气领域危险分析和 安全计算的软件 。该方法要求在充分熟悉情况的条 件下分析可能发生的事故， 输入相关的工艺设备参 数 、 气象参 数 、 平 面布置 、 火 源位置及人 口分 布等 ， 根 据评价 人员对 事故状 态的分 析选用 不同 的模 型进行 计算， 并形成相应的图形文件。P HAS T软件内嵌 了 4种 计算 模 型一 ～泄 放 和 扩散 、 燃 烧 包 括 池 火 、 喷射火、 沸腾液体蒸汽云 、 爆炸及毒性扩散等。该 软件计算范围较广 ， 可 以迅速地得到模拟事故 的各 种数据 ， 已在 多家 石油 化 工公 司 、 工 程 建设 公 司 、 安 全咨询 公 司得 到 了广泛 的应用 ’ 。 2 ． 2 参数输入 根据美 国石油 协 会 AP I 5 8 1的规 定 ， 对 该 液化 石油气球罐的风险计算采用破裂 、 大型、 中型孔尺寸 3种情况进行分析 小型泄漏后果较小 ， 暂不考虑 。 假设球罐 G 一 9 0 8距离地面高度为 8 m处发生泄漏 ， 选择 5 O mm 6 英 寸 ， 大 型泄 漏 和 1 0 0 mm 4英寸 ， 大 型泄漏 、 2 5 mm 1英 寸 ， 中 型泄 漏 孔 洞 及 灾难 性破裂进行火灾、 爆炸的事故后果的分析， 确定各种 灾 害结果 的影响 范 围。 1 介 质L P G组 分 中 ， 丙 烷具 有 沸点 低 、 挥发 性强及燃烧热值大等特点， 比丁烷具有更高的火灾 爆炸 危险性 ． 所 以选取丙 烷为评 价 因子 。 2 气象条件 泄漏后事故的发展模式与 当天 的天气条 件关 系 较大 ， 大 气 稳定 度 一般 分为 A～ F 共 6类 。P a s q u i l l Oi f f o r d根据 风 速 的大 小 和 白天 阳光辐射的强弱或夜晚云层的覆盖程度对大气稳定 度进 行 了划 分 ， A 为非 常 不稳 定 ， B为不 稳 定 ， C 为 中等不稳定 ， D为 中等 ， E为 中等 稳定 ， F为稳定 ] 。 本文选取 的扩散气象 条件 为， 平均 风速分 为 1 ． 5 m s 、 3 ． 0 m／ s 两种 ， 大气稳定 度 为 D。 3 储 存条件温 度 2 5℃ ， 加压 1 ． 6 MP a 。 4 泄 漏点假 设查阅球 罐历年 检验报 告 ， 裂 纹 多 发生 于内表 面环焊缝 及上 、 下 极拼 缝处 。假 设 G 一 9 0 8 距 地面高 度 8 i T I 处存 在 1个泄漏 源 图 1 。 3 模拟评价结果[ ， ] 对喷射火、 火球、 沸腾液体扩展蒸气爆炸和蒸汽 云爆 炸 等 4种 可能 发生 的火 灾、 爆炸模 式 ， 运用 P HAS T软件的相应模型， 按照操作程序可获得相 关的报告和图表 ， 进行数据分析后得到不同孔径下 I P G储罐的各类事故后果影响范 围。火灾热辐射 、 爆 炸冲击 波对人 员财产 的影 响见表 1和表 2 。 考虑到 L P G储运厂安装有可燃气体检测报警仪 等安全装置 ， 大孔径的泄漏易被发现而不会持续很长 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 期 李育娟 ， 等 液化石油气球罐区的风险评价 8 7 时间。同时一般 情 况 下 ， 消 防 队最 迟 在 1 0 rai n内可 间段 内 1 5 0 mm 6 i n c h e s 、 1 0 0 mm 4 i n c h e s 和2 5 mm 到达现场。为便 于分析 ， 对延迟点火 1 0 mi n这一时 1 i n c h 这 3 种不同孔径的危害程度进行估算。 表 1 辐射热通量造成伤害作用 0 ． 00 2 O 6 8 0 ． 01 3 7 9 0 0 ． 0 2 0 6 85 安 全距离 超过这个值没有严重损 坏 的概率 为 0 ． 9 5 ， 投影 限制 ， 对房屋 天花板有 些损坏 ， 1 的窗户玻 璃被损 坏 ， 对房屋有轻度破坏， 而在此距离 内的人 员也有可能受轻伤 墙和屋顶局部倒塌 ， 对房屋有重度破坏 ， 不能居住， 人员会 有重伤危险 工业建筑 的中型机器遭到轻微破坏 ， 钢边框建筑被破 坏并且从地基处被拉出， 可摧毁房屋 ， 人员有死亡危险 3 ． 1 喷射火危害性定量分析 带压的可燃气体从破裂 口高速喷出， 若被点燃 就形成喷射火。其危害结果主要是火焰范围及热辐 射引起 的伤害半径， 当喷射火焰小且表 面热通量值 小 于 一 定 程 度 时 ， 则 不 会 造 成 人 员 伤 亡 。 以 1 0 0 mm 4 i n c h e s 孔 径 为泄漏 源 、 3 ／ D天气状 况 为例 ， 该 孔 径 下 喷射 火 的危 害 范 围 见 图 2和 图 3 ， 危 害程 度 结 果见表 3和 表 4 。 图 2 1 0 0 mm 4 i n c h e s 孑 L 径 泄漏点 喷射火模型的影响范围 3 ／ D 8 1 l F d ‘ NC H 。 l 嚣器 I 一 e 5 - I e n ⅣRe , J 1 f o r J e lRm 1 、 、 ， ， ， ， 一 ～ 、 ＼ 』 ， ， ， 一一、 ／ 1 l t ／I／ ＼、 ， 1 _} ＼ ／ 、、 ／r l 喜 l l蛊 f { 图 3 1 0 0 mm 4 i n c h e s 孔径泄漏点 喷射火模 型的热辐射影 响范 围 3 ／ D 从表 4可知， 天气状况为 1 ． 5 ／ D、 3 ／ D时 ， L P G 由 1 5 0 mm 6 i n c h e s 、 1 0 0 mm 4 i n c h e s 、 2 5 mm 1 i n c h 的孔洞泄漏后导致喷射火在不 同热辐射通 量下的人员伤亡及财产损失半径随着泄漏孔径的减 小而减小， 各热辐射通量下的影响范围也随之减少 。 相 同孔 洞下 ， 随着风 速 的增 加 ， 影 响半径 减小 。 表 3喷射火的危害定量分析结果 表 4喷射火 的危 害定量分析结果 漏 孔 径／ mm in c h 喷射火不同热辐射通量下的影响范围／ m 4 k W ／ m 1 2 ． 5 k W／ m0 1 ． 5 ／ D 3 ／ D 1 ． 5 ／ D 3 ／ D 漏孔径／ ram i n c h 喷射火不同热辐射通量下的影响范围／ m 1 5 k W ／ m 3 7 ． 5 k W ／ m 1 ． 5 ／ D a ／ D 1 ． 5 ／ D a ／ D 3 ． 2 火球危害性定量分析 在无约束的情况下， L P G泄漏形成的蒸气云点燃 后形成火球 ， 其危害性 主要是热 辐射 。对 1 0 m i n内火 球的危险程度进行估算， 其危害程度结果见表 5 。 表 5 火球的危害定量分析 结果 泄漏时间为 1 0 mi n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 石油化工设备 2 0 0 9年第 3 8卷 从表 5可知 ， 随着泄漏孑 L 径 的增加， 泄漏速率增 大， 火球半径、 持续时间、 火焰辐射强度也随之增加 。 3 ． 3 沸腾液体扩展蒸气爆炸危害性定量分析 若液化石油气储罐在外部火焰的烘烤时突然破 裂， 如泄漏引起 的蒸气云爆 炸， 罐 内的 L P G蒸气压 强上升 ， 安全 阀启 动泄 压 ， 如 果储 罐 继 续受 热 ， 安 全 阀很可能不能防止储罐破裂。当发生储罐爆炸时， 大量罐碎片向周围飞散 ， 形成二次伤害。内部 的液 化气 体 扩 散 到 空 气 中， 产 生 火 球 。B L E VE 的事 故 后果一般比较严重 ， 其主要危害是热辐射和冲击波 ， 从 P HAS T中提取的因罐体破裂导致灾难性破坏而 引起的火球热辐射图见图 4 ～图 7 ， 爆炸冲击波危害 结果见 表 6 ～表 7 图 4 B I E VE模型火球 影响范 围 1 ． S ／ D 图 5 B I E V E模型早期爆 炸影响范 围 1 ． 5 ／ D 表 6 B L E V E的火球危害定量分析结果 火球半径 火球持续 火球热辐射强度／ w m一 ／ m 时间／ s 4 ． 0 1 2 ． 5 2 5 ． 0 3 7 ． 5 2 1 7 ．3 8 2 4 ． 6 5 1 4 9 0． 0 0 8 3 4 ． 1 1 5 4 9 ． 1 6 4 0 4 ． 0 5 表 7 B L E V E的冲击波危害定量分析结果 瞬时爆炸 图 6 B I E V E热辐射影响范围 1 ． 5 ／ D 图 7 B I E VE冲击波影响范围 表 6 ～表 7说 明， L P G球罐发生 B I E VE全部 泄漏后产生的火球在不 同热辐射通量下 的影响半 径 ， 以 及 不 同 超 压 下 对 人 员 、 财 产 的 影 响 范 围， B I E VE的后 果最为 严重 。 3 ． 4 蒸气云爆炸危害性定量分析 常温加压下储存的液化石油气若由于受外界冲 击或碰撞、 罐壁腐蚀 、 设备本身质量问题或操作失误 而引起泄漏 ， 带有压力的 L P G从容器内泄漏至大气 压， 并与周围空气混合 ， 形成蒸气云 蒸汽云爆炸的 破坏作 用主要 是 冲击波 。 采 用 T NT评价模 型 ， 1 0 0 ram 4 i n c h e s L 径泄 漏源 、 在 1 ． 5 ／ D 天气 状 况 下 、 1 0 mi n延 迟 时 间 的事 故危 害结果 见 图 8 ～图 9 。 图 8 1 0 0 mm孔径泄漏点 V C E模型的影响范围平 面图 i ． 5 ／ D 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李 育娟 ， 等 液化石油气球罐区 的风险评价 图 9 1 0 0 mm孑 L 径泄漏点 TN T爆炸模型的冲击波影 响范围示 图 1 ． 5 ／ D 天气状况为 1 ． 5 ／ D ， L P G由 1 5 0 ra m 6 i n c h e s 、 1 0 0 ram 4 i n c h e s 、 2 5 mm 1 i n c h e s 孔 洞 泄 漏 1 0 mi n 后导致 TNT爆炸 在不 同超压 下 的影 响半 径见 表 8 。 表 8 T N T爆炸的危害定量分析结果 从 表 8 可 知 ， 随着泄 漏孔径 的增 加 ， 超 压 冲击波 的影 响范 围增 大 。 3 ． 5 结论 1 对 单 台球 罐 壁 上 1 5 0 mm 6 i n c h e s 、 1 0 0 ram 4 i n c h e s 、 2 5 mm 1 i n c h e s 孔径 的泄漏 以及 整 个罐体的灾难性破裂的危险性进行了估算。结果表 明 ①爆炸的危害远远大于火灾 。②火球 的热辐射 强度要比喷射火的热辐射强度大得多 ， 因而火球的 危害性大于喷射火。③因罐体破裂而导致 B L E VE 爆炸冲击波能量和火球热辐射的影响范围都比蒸气 云要 大 ， 因而 B L E VE 的危 害 性 要 大 。④ 不 同孔 径 大小的泄漏源对周 围的影响严重程度不同， 随着孔 径的增 大 ， 泄漏 速率 增加 ， 热辐 射强度 加强 ， TNT爆 炸影 响范围扩 大 。 2 9 ． 6 m 的球罐 间距满 足 了 石 油化 工 企业 设 计防火规范 的要求 大于 0 ． 5 D6 ． 2 m 。但是根 据 P HAS T 的计 算结 果 ， 一 旦 一 台储 罐 发生 恶 性 事 故， 相邻储罐的次生灾害也不可避免。 4 L P G罐 区风 险管理措施 液化石油气罐区 由于 L P G泄漏导致罐 区火灾 爆炸事故将对人员、 企业、 环境、 社会带来巨大的损 失 。根据 以上风 险分 析 的 结 果 ， 对罐 区提 出基 于 风 险的维修和管理措施。 1 据 具体情况 确定单 台球罐 的检验 年 限 S P V5 0 Q高强度钢制球罐应力腐蚀开裂现象较为严 重 ， 为 了确保 罐区 的安 全运 行 ， 必须缩短 这类球 罐 的 检验 周期 ， 最 长不超过 3 a ， 以便 及 时发现 问题 。 2 降低储存介质的危险性和腐蚀性 球罐储 存介 质 中的硫化 氢量 是影 响球 罐失 效可 能性 的重要 因素 ， 应 控制 L P G 中 的硫 化氢 量 ， 尽 可能 减少 球 罐 产生应力腐蚀的可能性 ， 降低应力腐蚀开裂的速率。 3 严格 控制火 源 火 源 是 引起 事 故 的重 要 原 因之一 ， 必须 严格控 制危 险区域 的引火 源 ， 同时采取 水雾驱散等措施 ， 尽可能降低大气中的 L P G量 ， 限 制 它 的扩 散 。 4 安全附件 应确保 与球罐配套 的安全附件 如 温度计 、 压力 表 、 安 全 阀 、 球罐 根 阀、 自动 切 断 阀 和报 警装置 等 的齐 全 、 完 好 ， 防 止 由 于附 件 失效 而 引发 的事故 。 5 严格执行操作规程 操作人员上岗前要做 好培训 ， 操作 中要严格按照指定的规程进行操作 ， 避 免由于 L P G充装过量而导致容器超压的现象发生， 防止球罐内介质的压力、 温度、 液位等超过规定值。 6 保证安全和消防设施 的完好 如球罐水喷 淋装置的可靠 ， 完善的报警系统 ， 齐全完备的各种消 防器材与设施等， 以保证及时、 有效 的救援。 7 其他制定周密、 完整的紧急救援方案 ， 并 进行平时演练 ， 以保证发生紧急事故时有序、 迅速的 救援与撤离， 最大限度地减少事故所造成的损失。 参考文献 [ 1 ] 刘广 明． 液化 石油气储罐 防火对 策初探 『 J ] ． 时代 消防 ， 1 9 9 8 ， 11 3 0 3 1 ． [ 2 ] 滕莉梅 ， 王云． S AF E TI 风险分析软件 的应用[ J ] ． 石油 化工安 全技术 ， 2 0 0 3 ， 1 9 6 1 1 - 1 2 ． [ 3 ] 余齐杰． D NV软件在事故 分析 中的应 用I- J ] ． 石油化 工安全技 术 ， 2 0 0 1， 3 37 3 9 ． [ 4 ] 梁韬， 陈国华． S AF E TI 在 L P G储罐事 故后 果评价中的应用 [ J ] ． 油气储 运， 2 0 0 6 ， 2 5 2 5 3 5 8 ． [ 5 ] 陈国华 ， 成松柏． L NG泄漏事故后果模拟与定量风险评估[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 6 1 3 3 1 3 5 ． E 6 ] 戴树 和， 周 昌玉 ， 赵建平， 等． 工程风险分 析技术[ M] ． 北京 化 学工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 许 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m