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科普 | 石油化工建筑物爆炸安全性评估方法(QRA)​

时间:2023-06-15 来源: 浏览:

科普 | 石油化工建筑物爆炸安全性评估方法(QRA)​

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GB/T 50779-2022《石油化工建筑物抗爆设计标准》规定:建筑物的抗爆要求、爆炸冲击波入射超压值和正压作用时间应该通过爆炸安全性评估确定。

石油化工行业可能存在蒸气云爆炸(VCE)、压力容器爆炸、浓缩相物质爆炸以及粉尘爆炸等爆炸风险。蒸气云爆炸(VCE)是石油化工行业后果最严重的事故形式,也是发生频率最高的事故形式, 有统计表明,在石油化工厂的事故中,75%的人员伤亡与VCE对建筑物的损坏有关。
TNT当量法和TNO多能法模型 是蒸气云爆炸(VCE)模拟方法中的两个典型模型。

一、TNT当量法

TNT当量法是把气云爆炸的破坏作用转化成TNT爆炸的破坏作用,从而把蒸气云的量转化成TNT当量。TNT当量法简单易行,但有其明显缺陷:

1、TNT爆炸时 爆源体积 可忽略,而蒸气云较大不能忽略,且随着爆炸的进行,爆源体积在增大。

2、TNT爆炸时 能量是瞬间释放 的,而蒸气云爆炸过程中能量的 释放速率是有限的。

3、TNT爆炸过程形成的冲击波强度大,但衰减速度快,而蒸气云爆炸多属爆燃过程,正压作用时间较短,负压作用时间较长。因而TNT当量法 只适用于 很强的蒸气云爆炸且用以模拟爆炸远场时偏差较小,模拟爆炸近场时高估蒸气云爆炸产生的超压。

4、TNT当量法的 当量系数难以确定 ,可变性大 (0.02%-15.9%)。

蒸气云爆燃产生的高温高压气体急速膨胀,将爆炸反应释放的能量向周边的空气快速传递,使空气出现密度、压力突变,形成冲击波,造成建筑物破坏。爆炸超压值越大,对建筑物的破坏影响越大。

基于此,多个规范中都规定:VCE 计算应分析气云的受约束和受阻碍状况,可采用 TNO 多能法、Baker-Strehlow-Tang(BST)、Shell-CAM 或者 CFD 方法等,不应采用 TNT当量法计算气体爆炸。

二、 TNO多能法

TNO多能法是目前模拟预测蒸气云爆炸的常用方法,是荷兰TNO实验室于1985年在大量的实验和数值研究基础上提出并逐步完善起来的。

TNO多能法属于一维数值模型,在TNO模型基础上进行改进,综合考虑了湍流加速、局部约束、气体活性等各种因素,是一个分析蒸气云爆炸的原则、方法。它假设蒸气云为半球形,中心点火,火焰以恒定速度传播,然后用数值方法计算不同燃烧速度下的蒸气云爆炸,获得一组爆炸强度曲线[1-10]。

该模型经大量的实验结果验证和修正,比较接近事实。

石油化工行业开展VCE对建筑物影响的评估方法可以选择基于后果的方法,也可以选择基于风险的方法。

基于后果的分析方法关注建筑物可能受到的最大超压载荷和持续时间,该方法计算建模过程相对简单, 但最大可信事故场景的选择是其难点

基于风险的分析方法综合关注和衡量事件的后果、事件的发生频率(泄漏频率、风频、点火概率等)及不同建筑物风险可接受标准,确定建筑物的风险可接受标准下的抗爆设计/改造要求,该方法相对较为复杂。

  • 人员集中建筑物抗爆风险控制标准

1、建筑物受到的爆炸冲击波超压 大于或等于 6.9kPa 或者爆炸冲量 大于或等于207kPa·ms 时,建筑物主体结构应采用抗爆设计,建筑物其他部分的抗爆要求应执行GB50779。

2、建筑物抗爆设防荷载宜为累计频率 小于或等于1×10-4/年 的爆炸冲击波参数,或者根据最大可信事故场景确定的爆炸冲击波参数。

  • 人员集中建筑物 界定:

1、建筑物内有指定的人员在内或者具有经常性的人员活动,且建筑物内固定操作岗位上的人员工作时间为 40 人•小时/天以上 且同时在岗人数 不少于 3 人 的建筑物。

2、在建筑物内工作 1h 及以上 的人员数量 不少于 10 人 (出现频率大于或等于 1 次/月)。

  • 建筑物爆炸安全性评估的时机

1、 新、改、扩工程的设计阶段;

2、在役工厂的工艺变更或使用用途的变更;

3、控制室等重要建筑物的专项改造阶段;

4、未经评估或不符合标准的在役工厂。

  • 建筑物爆炸安全性评估分析流程

1、基于后果: 关注建筑物可能受到最严重事故场景的超压载荷,与建筑物设计载荷对比可以得出建筑物抗爆要求是否达标。

2、基于风险: 关注建筑物受到累计频率小于或等于1×10-4/年对应的超压载荷,与建筑物设计载荷对比可以得出建筑物抗爆要求是否达标。

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