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发布时间：2023-11-06 22:32:44 来源：文档文库
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第２７卷第２期 灾害学 Ｖ０１．２７ Ｎｏ．２ ２０１２年４月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＡＴＡＳＴＲＯＰＨＯＬＯＧＹ Ａｐｒ．２０１２ 雷电灾害对储罐影响的定量风险评估方法研究 盖程程，翁文国，袁宏永 （清华大学工程物理系公共安全研究院，北京１０００８４） 摘要：基于定量化风险评估方法，研究雷电灾害对金属储罐的一种破坏方式——雷电流高温造成储罐的金属 壳熔融破损，进而造成储罐失效事故。以某储罐区的装有石油的金属储罐为研究对象，对雷击储罐后，造成储 罐破裂，引发池火这一事件链进行了分析，验证了该方法的可行性。 关键词：自然灾害；诱发事故灾难；雷电灾害；储罐；失效泄露；风险评估 中图分类号：Ｘ９１５．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—８１１Ｘ（２０１２）０２—００９２—０４ 众服务、文化遗产和经济价值４个方面的损失。 ０ 引言 Ｒｅｎｎｉ［５ 对雷击的６０４个储存易燃物品的常压储罐 研究结果表明，１６３个储罐遭受到结构破坏而发生 随着全球气候环境的变化，对石化企业而言， 泄露，２２８个被雷电击中后立刻起火燃烧，还有 越来越多的外部事件导致火、爆、毒事故的发生。 ２１３个发生电气设备失效。陈军 对燃料油罐区多 其中最为常见，也是后果最严重的就是，自然灾 个油罐组进行整体风险评估，并比较了整体法相 害诱发的石化装置事故。国外文献中将这一类由 对于单体法的优点。目前鲜有详细的方法评估雷 自然灾害诱发的事故灾难事件定义为Ｎａｔｅｃｈ事件， 电诱发事故的风险。 由英文Ｎａｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｉｓａｓｔｅｒｓ简写而 本文试图从自然灾害诱发事故灾难这一类灾 来。其中比较典型的初始事件有地震、雷电和飓 害的评估框架中，对雷电灾害诱发储罐区火爆毒 风，它们可能导致化工厂容器爆炸，有毒气体的 事故进行定量风险评估。 意外释放，化学液体泄漏，水源污染等…。 本文研究的对象就是雷电灾害对储罐区的影 １ 评估流程 响。在国内，最为典型的案例就是１９８９年８月Ｉ２ 日发生在青岛黄岛油库的特大火灾，其事故原因 这一评估框架是基于ＱＲＡ定量风险评估建立 就是雷电发生时，非金属油罐在遭受对地雷击时， 的，如图１所示。在第１步和第４步对于不同的自 产生感应火花而引爆油气。事故造成直接经济损 然灾害输入不同的参数。利用设备对某一灾害的 失３ ４００多万元，死伤１４０人。２００５年７月１０ １３， 易损性模型计算损失概率和后果等。对于雷电灾 克拉玛依卡６井一号站１００ ｍ。储油罐在正常进油 害，恰恰缺少的就是这一子模型。但是对于设备 的情况下，遇雷击出油气口着火，后经乌苏消防 在雷电中的损失类型可以通过常识有一个初步的 局抢救灭火才避免了更大的损失 Ｊ。１９９４年，埃 判断，并且灾害的后果也是可以推理的。 及南部某镇，雷电导致一个军用燃料仓库８个储罐 第１步：评估雷电的频率和强度。通过历史数 被引燃爆炸，万余吨油燃烧着流进村庄，造成４００ 据的统计可以计算出频率，如以年为单位。常用 多人死亡 。 的单位是地闪密度（Ｎｇ），即地闪定位网络系统监 雷电除了可以引发火灾和爆炸以外，还可以 测到的每年每平方米雷击大地次数。难点在于对 干扰控制系统和电气线路，破坏敏感的电器元件， 于某一强度的雷击发生频率的预测。因为雷电强 影响范围可以超过３ ｋｍ。国内外的研究 中主要 度在记载中通常是定性表示或者根本没有记录， 以ＩＥＣ６２３０５标准为评估蓝本，评估人员生命、公 通常只记录了雷电落地次数。根据概率分析的风 收稿日期：２０１１—１０—２７ 基金项目：国家自然科学基金项目（７０８７１０６９，９１０２４０３２）；国家科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＫ０７Ｂ０３） 作者简介：盖程程（１９８５一），女，山东青岛人，博士研究生，主要从事风险评估与区划研究． Ｅ—ｍａｉｌ：ｇａｉｃｃ０７＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
２期 盖程程，等：雷电灾害对储罐影响的定量风险评估方法研究 ９３ 险评估方法，表达式如下： ＝ ．Ｉ ）， （１） 式中：，Ｉ表示强度；ｉ＝１，…， 表示了区域内所 有可能的雷电强度的离散化。历史数据统计表 明Ｅ７］，上述表达式服从对数正态分布： ） ７ －唧 （一号（ ） ） 对于评估区域进行统计，可以得到平均雷电 流幅值，较为常见的形式是雷电流幅值累积频率 分布图 Ｊ。 图１ 自然灾害诱发事故灾难风险评估流程图 第２步：对雷电灾害中可能遭受破坏的设备进 行辨识。通过历史数据统计，显示关键的受损设 备是管道、法兰、反应装置、储罐等。本文以储 罐为主要研究对象。 第３步：对灾害情景进行假设。雷击导致储罐 燃烧，爆炸的案例中，原因非常复杂。对于金属 储罐和非金属储罐，其诱发因素差距很大。本文 对金属常压储罐进行情景假设，雷击导致储罐破 裂，油品外溢。 第４步：根据第一步选定灾害的特性，确定其 他的影响因子。 第５步：对假设的情景进行定量化风险评估， 以个人风险、社会风险的形式表达。 第６～９步是对更为复杂的灾害情景组合进行 的分析。此处略去。 ２ 方法介绍 本文所研究的对象为接地不良的金属储罐， 在雷电发生时因联结点熔毁所导致的危化品泄露 事故。 雷电流在流经导体时，由于导体电阻而发热， 这种热效应通常作用于电弧的根部，如某些部位 的联结点，国外的相关文献中曾有报道 。雷电 导致飞机机身固体的孔洞如图２所示。 图２雷电导致飞机机身固件的孔洞［ 由于雷电流通道所造成的导体温度升高可以 按照下面方法进行计算 。 电流在导体内以热能形式消散的表达式： Ｐ（ｔ）＝ｉ２Ｒ。 （３） 雷电通道的欧姆阻抗的能量也可以用下式 表示： ＝ ・／ｉ ・ｄ 。 （４） 在雷电放电过程中，高能的特殊性，使得其 产生的热量在极短时间内耗散完毕。这一过程可 以近似认为是绝热过程。 导体的温度可以用下式表示： ．ｒ ］ ０－ 。Ｌ 。 ｐ 一１ ｑ ‘ 。ｃ Ｊ ｌｃ（５） 式中：０—０。为导体升高的温度（Ｋ）；Ｏｔ为电阻的 温度系数（１／Ｋ）；Ｗ／Ｒ为电流脉冲能量（Ｊ／Ｑ）；Ｐ。 为在常温下导体的欧姆阻抗（Ｑｍ）；ｑ为导体的横 截面积（ｍ ）； 为材料密度（ｋｇ／ｍ ）；ｃ 为热容 （Ｊ／ｋｇＫ）；０ 为熔化温度（ｏＣ）。 雷电的典型特征是持续时间很短，峰值电流 很高。在这种条件下，必须考虑趋肤效应（ｓｋｉｎ ｅｆｆｅｃｔ）。但在实际应用中，由于物质的属性（如导 磁性）和几何特征（导体的横断面积）减小了趋肤效 应，使得由此导致的温度升高可以忽略不计。 在雷电发生过程中，热效应的来源主要是第 一次回击。在联结点会发生材料融化和腐蚀。在 弧根区，由于雷电弧本身产生的大量热量及通电 造成的电阻热效应。大量热能在金属的表面产生。 在弧根区产生的热量，超过了金属传导可吸收的 及金属融化和蒸发过程损失的。这一过程的严重 程度与电流幅度和持续时间相关。 在雷电通道的金属表面联结点计算热效应， 为了简化，选用阳极一阴极电压降模型。这个模 型适用于薄的金属皮，结果偏于保守。模型假设，
９４ 灾害学 ２７卷 雷击注入联结点的能量，都用来熔化或蒸发导体 材料，而忽略在金属中的热耗散。也有文献中的 模型介绍了雷电的联结点的损伤对电流脉冲持续 时间上的依赖。 关于阳极一阴极电压降模型： 雷电弧的能量 等于阳极一阴极电压降乘以 雷电电荷量Ｑ。 ， ， ＝Ｊ ＩｌＺａ，ｃｉｄ ＝Ｍ ＩＪ ｉｄ ＝“ 。Ｑ， （６） 式中：Ｕ＇定值；Ｑ 雷电电流在雷电弧根部的能量转换ａ为阳极一阴极电压降，几十伏，相对恒 为，ｃ。 假设所有能量转化用于融化金属，这一假设 有可能过高估计融化体积。 ＝ ・ ｃ 一专 Ｃ 十 。 （７） 式中： 为融化的金属体积（ｍ ）；Ｕａ为阳极一阴，ｃ 极电压降，几十伏，相对恒定值；Ｑ为雷电电流在 雷电弧根部的能量转换； 为物质密度（ｋｇ／ｍ。）； ｃ 为热容（Ｊ／ｋｇＫ）；０ 为融化温度（ｏＣ）；０ 为环 境温度（℃）；Ｃ 为融化潜热（Ｊ／ｋｇ）。 相关金属材料的物理属性见表１。 表１ 材料的物理属性 属性 铝 低碳钢 铜 不锈钢 Ｐｎ／ｎｍ ２９ Ｘ １０一 １２０×１０—１７．８ Ｘ １０—０．７ Ｘ １０一 ／（１／Ｋ）４．０×１０一 ６．５×１０一。３．９２×１０一 ０．８×１０一 ｙ／（ｋｇ／ｍ ２ ７００ ７ ７００ ８ ９２０ ８×１０ ０，／￣Ｃ ６５８ １ ５３０ １ ０８０ １ ５００ ｃ／（Ｊ／ｋｇ）３９７ Ｘ １０ ２７２×１０ ２０９×１０ 一 ｃ ／（Ｊ／ｋｇＫ） ９０８ ４６９ ３８５ ５００ 图３是三种材料在电荷作用下熔融的体积函数 关系。 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ，， ‘， ， ● ／ ●， ● ，， － ／ ：，二 ： 图３在 ＝３０ Ｖ，０ ＝２０ ｏＣ时，熔融的金属体积与 电荷量的关系图 通过熔融的金属体积可以估算破裂孔径的数 值，一般假定为圆形裂ＶＩ。从而利用储罐中的液 体经小孔泄露模型，为计算储罐区内外危险物的 浓度提供了手段，从而为风险的量化提供了基础。 ３ 案例研究 以某地的石油储罐区为研究区域，常压金属 储罐为研究对象，储存的物质是石油。储罐的直径 ３０ ｍ，高１４ ｍ，储罐平均厚度６．５ ｍｍ。根据历史数 据统计，该地区的地闪密度是１．８３次／（ｋｍ ・ａ）。 根据上文所述的方法，计算得到雷电导致储 罐破裂，融化的半球形金属体积是１．７×１０ ｍ 。 计算得到等效泄露孔径是１８．２ ｍｍ。 按照传统的液体连续泄露模型计算，可能发 生的事件类型按照事件树进行分析，液体泄漏后 将向低洼处流动并形成液池。对于粗糙的砂壤或 砂地，扩展液池的最小厚度为２５ ｍｍ 。按照池 火模型计算热辐射的数值¨ ，进一步确定个人风 险值。图４中标注颜色的区域为个人风险大于１× １０ 区域，这个区域内风险不可接受。 图４个人风险大于１０“分布图 ４结论 雷电灾害诱发的储罐区火灾和爆炸事件越来 越常见，但是由于国内对数据的收集和整理有限， 许多细节还不足以利用进行科学分析与归纳，还 只是停留在定性阶段。本文以雷电灾害对储罐破 坏的一种影响方式为切入点，评估此类型的风险。 也正是由于雷电灾害发生的随机性，建立一个完 整的评估雷电灾害对储罐区影响的风险模型还有 许多工作要做。
２期 盖程程，等：雷电灾害对储罐影响的定量风险评估方法研究 ９５ １； ］ ］ 对于上文提到的这种灾害，属于Ｎａｔｅｃｈ事件 ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｔａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｆｒａｎｃｉｓ 的范畴，也可以看做是灾害链或者多灾种耦合的 Ｇｒｏｕｐ，２００９． 陈军．雷击风险整体评估方法及其在油库中的应用［ｃ］／／第 一种表现形式。关于此类灾害的研究框架已在文 ［６］七届中国国际防雷论坛．北京，２００８：２０９—２１０． 中表述，事实证明它是行之有效的。对于人们理 ［７］ Ｒｅｎｎｉ Ｅ，Ａｎｔｏｎｉｏｎｉ Ｇ，Ｂｏｎｖｉｃｉｎｉ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｏｖｅｌ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ 解多灾种耦合的灾害情景，辨识关键保护目标， ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｉｒｓｋ ｄｕｅ ｔｏ ｍａｊｏｒ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｔｉｒｇｇｅｒｅｄ 评估灾害的后果具有重要的现实意义。 ｂｙ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２００９，１７： ３ｌ１—３ｌ６． 参考文献： ［８］ 李家启，李良福．雷电灾害风险评估与控制［Ｍ］．北京：气象 出版社，２０１０． ［９］ Ｍｅｔｗａｌｌｙ Ｉ Ａ，Ｈｅｉｄｌｅｒ Ｆ，Ｚｉｓｃｈａｎｋ Ｗ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｘ— 盖程程，翁文国，袁宏永，等．Ｎａｔｅｃｈ事件风险评估研究进展 ｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ ｓｔｒｕｃｋ ｂｙ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｌｏｎｇ—ｄｕｒａｔｉｏｎ ｃｕｒ－ ［Ｊ］．灾害学，２０１１，２６（２）：１２５—１２９． ｒｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ，２００４，１４ 杨仲江．雷电灾害风险评估与管理基础［Ｍ］．北京：气象出版 （４）：２０１—２２２． 社，２００９． ［１０］ 飞机结构修理一雷击［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１—０８—２１］．ｈｔｔｐ：／／ Ａｓｈ Ｊ Ｗ．Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｎ－ ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｒｎ／ｖｉｅｗ／７ｌ６４３４３３３９６８Ｏ１ １ ｃａ３００９１５２．ｈｔｍ１． ｔａｉｎｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｂｕｌｋ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１—０８一 ［１１］ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｇａｉｎｓｔ ｌｉ 