煉油化工行業建筑物風險管理技術標準研究

馬偉平，管維均，蔡　婷，汪　洋

1.中國石油管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）

2.中石油管道有限責任公司生產經營部 （北京 100007）

3.中國石油西部管道公司 （新疆 烏魯木齊 830011）

4.中國石油管道局工程有限公司第四分公司 （河北 廊坊 065000）

石油煉化行業事故類型主要是火災、爆炸和油氣泄漏。由于工藝裝置多儲存易燃易爆介質，易發生泄漏易導致蒸氣云爆炸（VCE），對周圍建筑物造成破壞性影響，特別是人員集中的建筑物，可能造成重大人員傷亡事故。隨著“以人為本”的設計理念不斷深入，石油煉化行業的建筑物安全和人員安全成為關注的焦點[1]。

以美國石油學會標準API RP752—2009《化工行業永久性建筑物場所的風險管理》為例，介紹了美國石油煉化行業基于火災、爆炸和毒性物質泄漏的建筑物風險評價方法[2]，結合我國石油行業工程實踐和消防標準現狀，研究了該標準的適用性和先進性，對于保障我國石油煉化行業的建筑物安全和人員安全具有借鑒意義。

1　石油煉化行業建筑物風險評價研究現狀

我國石油煉化行業消防標準比較完善，但防爆標準較為欠缺，特別是臨近儲存危險介質工藝設施裝置的建筑物風險評價技術還屬空白。主要原因是爆炸事故的復雜性、突發性和不可預見性，以及危害后果的不確定性。例如SH/T 3006—2012《石油化工控制室設計規范》規定應對存在爆炸危險的控制室建筑物進行抗爆設計，包括控制室、機柜間、變配電間等，但未規定控制室建筑物與工藝裝置的安全距離，以及建筑物應能承受的爆炸沖擊力的數值[3]。

近年來國內外已開展蒸氣云爆炸機理、蒸氣云爆炸沖擊力模型以及超壓沖擊波對建筑物破壞程度等方面研究[4]。新發展了火災風險評價技術、完整性管理技術應用于油氣站場工藝設施安全評價，例如應用DOW火災指數評價法定量計算油氣站場工藝設施裝置的火災危險性和事故損失[5]。借鑒美國石油學會標準API Publ 353—2006《轉運油庫設施完整性管理系統》，建立了儲罐和工藝管道完整性管理方法，定量計算儲罐和工藝管道風險[6]。

2　美國石油煉化行業建筑物風險評價標準

美國石油學會（API）是世界各國公認的先進標準，具有很強的權威性、指導性和通用性。API RP752—2009《化工行業永久性建筑物場所的風險管理》標準，適用于煉油化工廠、液化天然氣站等場所，規定了新建和已建的建筑物發生爆炸、火災和毒性物質泄漏情形下的風險管理導則。

2.1　建筑物選址評價程序

應進行選址評價建筑物類型包括會議室、控制室、應急指揮中心、現場操作人員室（輸油泵、壓縮機等）、試驗室和設備維護車間。建筑物選址評價程序見圖1。

圖1　建筑物選址評價程序

2.1.1評價方法

基于爆炸、火災和毒性物質泄漏的建筑物選址評價方法有3種。

1）后果參照法。考慮各種類型建筑物和各種風險因素可導致的最大預期事件（MCE）的影響。

2）風險評價法。該方法是定量方法，分別計算爆炸、火災和毒性物質泄漏的后果和概率的數值。

3）安全距離表法。參考相關行業協會制定的經驗統計的數據表，確定設備和居住建筑物的最小安全距離，例如美國化學工程師協會的《設施選址和布置指南》，道化學公司的火災與爆炸指數法等。

2.1.2評價準則

1）后果參照法評價準則。根據后果參照法的建筑物選址評價準則，可用建筑物暴露程度和后果程度表示[7]。建筑物暴露程度表征值有沖擊波載荷，熱通量和接觸時間，易燃氣體的深度，毒性物質的濃度和接觸時間。后果程度的表征值有建筑物人員的脆弱性；建筑物可能受到的損壞（易損性）；建筑物內部環境惡化（即無法保障人員生命安全）。僅給出沖擊波載荷對鋼或混凝土框架磚瓦填充建筑物破壞情形的評價準則：①沖擊波載荷大于10.34 kPa，墻體向內傾斜，玻璃窗破壞；②沖擊波載荷大于13.79 kPa，屋頂部分塌落；③沖擊波載荷大于17.24 kPa，框架完全倒塌；④沖擊波載荷大于34.47 kPa，徹底毀壞。

2）風險評價法評價準則。根據風險評價法的建筑物選址評價準則，應考慮建筑物內所有人員的累積風險以及每個人的風險，可建立單一的風險值表示個體風險和累計風險，也可以用個體風險和累計風險的數值或者超出值表示，風險評價準則可用后果和概率的圖形或數值矩陣表示。按照英國建筑物破壞等級標準，應計算爆炸沖擊波對建筑物的波及半徑，包括死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑，其中死亡半徑指該區域內無防護人員因爆炸沖擊波作用導致內臟損傷或死亡的概率為0.5；重傷半徑指該區域內人員因沖擊波作用聽覺器官損傷或骨折或耳膜破裂(重傷)的概率為0.5；輕傷半徑指該區域內人員耳膜因沖擊波作用破壞或輕微損傷的概率為0.01。

3）安全距離表法評價準則。根據安全距離表法的建筑物選址評價準則，如建筑物距離大于安全距離表法的數值時，即認為滿足安全要求[8]。例如可參考美國頒布的技術法規文件《煉油化工廠布局和間距》、《化工行業危險區域分區間距要求》等。

2.1.3建筑物改造措施

應將不滿足選址評價標準的建筑物列入改造計劃，消除建筑物存在的危險因素。表1給出了用于減少風險后果和概率的改造措施，改造措施按照優先級由高到底分為被動型、主動型和程序化3種類型。

2.2　基于爆炸影響的建筑物選址評價

基于爆炸影響的建筑物選址評價程序見圖2，煉油化工行業爆炸類型主要是蒸氣云爆炸。

2.2.1測定VCE對建筑物沖擊波載荷

基于爆炸影響的建筑物選址評價應計算建筑物受到的沖擊波載荷，其中TNT當量法不適用于計算沖擊波載荷，原因是TNT法不能表征燃油反應差異以及堵塞、約束對火焰速度的影響，此外TNT模型的量級和持續時間與VCE存在很大差異。

1）沖擊波曲線技術。沖擊波曲線法是建筑物選址評價的常用方法，使用現場參數輸入數據，根據燃油反應性計算沖擊波載荷，以及堵塞、約束對沖擊波載荷的影響，例如TNO多能量法、貝克-施特雷洛-唐法（BST）和堵塞評價法（CAM）。

表1　改造措施等級

圖2　基于爆炸影響的建筑物選址評價程序

以應用最廣泛的TNO（荷蘭國家應用科學研究院）多能法（MEM）進行說明，該方法是典型的比例縮放爆炸預測模型，基于大量試驗數據和數值研究建立的蒸氣云爆炸效應預測模型，適用于確定障礙空間（亦稱約束空間）蒸氣云爆炸。TNO多能法關鍵技術包括蒸氣云中可燃物質的量和蒸氣云分布區域的預測計算，障礙區域、非障礙區域體積和能量的確定，及依據爆炸波參數特征曲線計算蒸氣云爆炸波破壞影響特征參數的方法。通過模擬計算障礙區域蒸氣云爆炸參數，根據爆炸波參數特征曲線中的比例距離確定比例峰值側向超壓或比例正相持續時間，從而計算出爆炸波超壓和持續時間。MEM最終給出的蒸氣云爆炸危害后果表示為：爆炸波峰值側向超壓、峰值動態壓力和正相持續時間。MEM評定蒸氣云爆炸的人員傷害超壓準則是：①超壓值介于0.196×105～0.294×105Pa，傷害程度為輕微挫傷；②超壓值介于0.294×105～0.490×105Pa，傷害程度為中等損傷（聽覺器官損傷，內臟輕度出血、骨折等）；③超壓值介于0.490×105～0.980×105Pa，傷害程度為嚴重損傷（內臟嚴重挫傷，可引起死亡）；④超壓值大于0.980×105Pa，傷害程度為極嚴重，可能大部分死亡。

2）高級沖擊波模擬技術。利用計算流體力學（CFD）模型表征油品泄漏、蒸氣云擴散和設備的相互關系，進而計算沖擊波載荷，計算過程復雜，需要輸入很多數據，對用戶要求較高。

2.2.2建筑物損壞程度評價

沖擊波載荷對建筑物的影響，包括建筑物損壞和對建筑物內人員的影響。基于沖擊波載荷的建筑物設計方法，允許建筑物一定程度的永久變形，建筑行業已根據典型建筑物的評價結果，繪制了建筑物損壞程度壓力漸近線。此外還可以針對梁、柱、板、框架等特殊構件進行沖擊波載荷動態應力分析。建筑物內人員的主要危險是建筑物倒塌和墜落的碎片、建筑材料等。研究表明，某些類型的建筑物受到的損壞與建筑物內人員的脆弱性存在一定的相互關系，可用建筑物的損壞情況，代替建筑物內人員的脆弱性。

2.3　基于火災影響的建筑物選址評價

基于火災影響的建筑物選址評價程序見圖3。如建筑物安全距離滿足安全距離表法規定的數值，則不需進行基于火災影響的建筑物選址評價程序。

圖3　基于火災影響的建筑物選址評價程序

2.3.1火災類型

煉油化工行業火災類型主要是防火堤池火、儲罐噴射火災、油品閃燃和球狀火災。火災類型取決于泄漏油品的性質、數量以及工況條件（溫度、壓力和場所幾何形狀約束）。

2.3.2測定火災對建筑物的影響

火災對建筑物的影響見表2。

表2　火災對建筑物的影響

2.3.3基于火災的建筑物保護原則

基于火災的建筑物保護原則主要是提供避難所和人員疏散。設計避難所應考慮人員在建筑物內的停留時間和易燃物質的燃燒時間。人員疏散方法應設計緊急出口和疏散路線，定期進行應急程序演練和培訓。

2.4　基于毒性物質泄漏的建筑物選址評價

基于毒性物質泄漏的建筑物選址評價程序見圖4。

圖4　針對毒性物質泄漏的建筑物選址評價

2.4.1測定毒性物質泄漏對建筑物的影響

應建立建筑物毒性物質泄漏擴散模型，規定了建筑物外部和內部毒性物質極限濃度、劑量和持續時間。

2.4.2基于毒性物質泄漏的建筑物保護原則

建筑物內人員對毒性物質泄漏的脆弱性主要是建筑物內毒性物質的濃度和持續時間。基于毒性物質泄漏的建筑物保護原則主要是提供避難所和人員疏散。如采用人員疏散方法應設計緊急出口和疏散路線，定期進行應急程序演練和培訓。如采用避難所，應考慮人員在建筑物內的停留時間和毒性物質在建筑物擴散時間，建筑物應配備如下裝置：①HVAC，可改變空氣循環模式；②應急通訊設備（對講儀）；③PPE;④門窗密封裝置。

3　結論和建議

1）我國石油煉化行業消防標準比較完善，但防爆標準較為欠缺，特別是臨近儲存危險介質工藝設施裝置的建筑物風險評價技術是未來的研究方向。

2）美國石油協會標準APIRP752—2009建立了石油煉化行業的建筑物發生爆炸、火災和毒性物質泄漏情形下的風險管理導則，技術先進表現在以下幾個方面：①基于后果參照法、風險評價法和安全距離表法的建筑物選址評價方法和評價準則；②建筑物被動型、主動型和程序化3種優先級由高到低的改造措施；③基于爆炸影響的建筑物選址評價，應用TNO多能量法等定量計算蒸氣云爆炸對建筑物沖擊波載荷；④基于火災影響的建筑物選址評價，定量計算火災熱輻射（熱通量和持續時間）對建筑物的影響；⑤基于毒性物質泄漏的建筑物選址評價，定量計算毒性物質極限濃度、劑量和持續時間對建筑物的影響。

3）APIRP752—2009理念新穎，技術內容先進，具有較強的適用性和可操作性，適用于煉油行業，針對輸油氣站場也具有參考價值，建議進行采標，作為石油行業推薦性標準。

參考文獻：

[1]孫成龍.建立中國煉化行業的本質安全設計管理框架[J].石油化工安全環保技術,2010,26(3):10-11,48.

[2]R.G.Payne,R.W.Haupt,C.J.Melo.API RP752-2009.Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings[S].Washington D.C.:American Petroleum Association,2009.

[3]中國石化寧波工程有限公司.石油化工控制室設計規范:SH/T 3006—2012[S].北京:中國石化出版社,2013.

[4]翟衛斌.建筑物的動態爆炸分析[J].石油化工設計,2006,23(1):59-61.

[5]鄭賢斌,李自力.DOW火災爆炸指數評價法在油庫中的應用[J].油氣儲運,2003,22(5)：49-52.

[6]陳健峰,稅碧垣,沈煜欣.儲罐與工藝管道的完整性管理[J].油氣儲運,2011,30(4)：259-262.

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[8]Spouge,J.,Guidelines for Developing Quantitative Safety Risk Tolerance Criteria[M].Washington:Center for Chemical Process Safety(CCPS),2009.