CN103605822B - 石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法，步骤为：确定泄漏源形式；确定的泄漏源形式建立泄漏模型求出危险化学品的泄漏量；确定的危险化学品泄漏量，求出形成液池的最大面积；根据形成液池的最大面积建立液池蒸发模型，求出危险化学品的蒸发量；根据事故后果建立伤害模型，计算出12种事故后果评价指标；根据石油化工码头管道运输工艺，评价单元的危险性，得到4种工艺危险性评价指标；将得到的16种评价指标带入DT分级模型，得到危险化学品运输管道的危险级别。本发明的效果是模拟石油化工码头管道泄漏事故后果，确定不同危险化学品运输管线的相对危险性等级，确定石油化工码头安全监控的重点目标，安排事故救援力量，提高安全管理的效率。

Description

石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法

技术领域

本发明涉及石油化工码头风险管理领域，尤其涉及一种石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法。

背景技术

随着全球石油化工行业结构的不断调整，产业规模日趋扩大化、集中化，越来越多的化工产业区围绕石油化工码头的建设应运而生。石油化工码头是危险化学品运输、储存和装卸的集中场所，一旦发生危险事故将会造成无法估量的经济损失和人员伤亡。因此，对石油化工码头的危险化学品管理显得尤为重要。

管道运输是石油化工码头危险化学品装卸的一种主要方法，在实际运作过程中，由于危险化学品的腐蚀性、管道内部压力变化或是外力作用下，极容易发生管道泄漏事故，这也是石油化工码头的主要事故源头之一。

由于石油化工码头规模庞大，往往超过百万吨级，经常存在多种危险化学品同时装卸情况，很难对所有危险化学品管道运输情况进行全面的监管，需要对管道的危险性进行评价和分级管理。目前，现有的管道危险性评价方法多采用赋权法，仅从工艺危险性的角度考虑，客观性欠佳。本发明鉴于危险化学品存在不同的危险性，从不同物料的运输工艺危险性差别和泄漏事故可能造成后果的严重程度出发，将主、客观评价指标相结合，通过数值模拟对运输不同化学品管道的危险性进行预先分级，得到了各管道间的相对危险程度。各企业可根据自身实际情况，设定分级档数，对危险性高的管线进行重点监控和保护，对于危险性低的管线进行合理控制保证其危险性不再升高，有利于提高石油化工码头的安全管理效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有危险化学品运输管道风险评估技术的不足，对石油化工码头液态危险化学品管道进行危险性动态分级，提出一种可实施的石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法，以提高安全管理的效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法，该方法步骤如下：

（1）根据管道的泄漏孔尺寸确定泄漏源形式，泄漏源形式分为液体管口泄漏和液体管道小孔泄漏；

（2）根据步骤（1）确定的泄漏源形式建立泄漏模型，求出危险化学品的泄漏量；

（3）根据步骤（2）确定的危险化学品泄漏量，求出泄漏液体形成液池的最大面积；

（4）根据步骤（3）确定的泄漏液体形成液池的最大面积建立液池蒸发模型，求出危险化学品的蒸发量；

（5）根据危险化学品管道泄漏可能造成的事故后果，建立事故伤害模型，计算出12种事故后果评价指标；

（6）用ICI蒙德法评价石油化工码头管道运输工艺单元的危险性，得到4种工艺危险性评价指标；

（7）将步骤（5）和步骤（6）得到的共计16种指标作为各条运输管道的特征指标，采用DT动态分级法对各条管道进行分级，得到石油化工码头液态化学品管道泄漏的危险级别。

本发明的效果是该方法可以根据石油化工码头管道运输的实际操作情况，数值模拟石油化工码头管道泄漏事故后果；合理的运用DT动态分级模型，将管道运输工艺的主观危险性指标和事故后果评价的客观性指标相结合，确定不同危险化学品运输管道的相对危险性等级。该方法有利于确定石油化工码头安全监控的重点目标，合理的安排事故救援力量，可将安全管理的效率提升20%～30%。

具体实施方式

下面以本发明的石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法在某码头的实施为例做进一步的说明。

本发明的石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法的技术方案中，所述步骤（1）根据管道的泄漏孔尺寸确定泄漏源形式，泄漏源形式分为液体管口泄漏和液体管道小孔泄漏。两种泄漏源形式的确定方法，是根据泄漏孔径的大小来判别。由于外界的撞击、碰撞或者设备的腐蚀、磨损造成管道上出现裂缝或裂孔，尺寸一般在20mm以下的为液体管道小孔泄漏；当管线发生爆裂、折断或因法兰连接失效等，造成液体经管口泄漏，管口泄漏的尺寸一般为管径大小的为液体管口泄漏。

（2）根据步骤（1）确定的泄漏源形式建立泄漏模型，求出危险化学品的泄漏量。

所述步骤（2）所述的建立泄漏模型如下：

（a）液体管口泄漏模型：

$\frac{u^2}{2}+\mathrm{\Δgz}+F=0---\left(1.1\right)$

式中：u为液体在管道裂口处的流速，m/s；Z为液面距管道的距离，m；F为总的阻力损失，可根据下式进行计算：

$F=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{u^2}{2}+\mathrm{\ξ}\frac{u^2}{2}---\left(1.2\right)$

式中：λ为液体的摩擦系数；l为储罐到泄漏口处的管长，m；d为内管径，m；ξ为局部阻力系数。

摩擦系数λ的计算与表征流体流动类型的参数为雷诺数有关Re。Re的表达式如下：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρud}}{\mathrm{\μ}}---\left(1.3\right)$

式中：μ为液体的粘度，kg/m·s；ρ为液体的密度，kg/m³；

当Re≤2000时，（1.4）

当2000＜Re≤4000时，（1.5）

当40000＜Re≤106时，（1.6）

将公式（1.2）代入（1.1）中，对公式（1.3）中的u进行选值试算，并依据（1.4-1.6）的条件对λ值进行验证，直到试算的u值满足公式（1.2）和（1.1），从而得到液体在管道裂口处的流速u。

根据下式算出流量：

Q=ρuA（1.7）

式中：A为管道裂口面积，m²。

（b）液体管道小孔泄漏模型：

$u=C_0{(2\mathrm{\Δp}/\mathrm{\ρ})}^{\frac{1}{2}}---\left(1.8\right)$

式中：u液体在小孔处的流速，m/s；Δp为管道内压力和外界大气压之差，Pa；ρ为管道内液体密度，kg/m³；C₀为泄漏系数取值为0.61；

则泄漏的质量流量为：

Q=ρuA（1.9）

式中：A为管道裂口面积，m²。

根据泄漏孔的尺寸，选择上述两种泄漏源计算公式，可计算出危险化学品的泄漏量。

（3）根据步骤（2）确定的危险化学品泄漏量，求出泄漏液体形成液池的最大面积。

所述的步骤（3）求出泄漏液体形成液池的最大面积。在分析液体扩散过程中最重要的一步就是求解液体扩散形成液池的面积，因为随后的事故伤害模型计算都直接依赖液池面积。假定液体以泄漏点为中心呈扁圆柱形沿光滑的地表向外扩散，且在扩散期间不考虑挥发。管道的泄漏为连续泄漏(泄漏时间持续10min以上)，可根据式计算：

D(t)=2{t/[9πρ/(32gq₁)]^1/3}^3/4(1.10)

式中：D（t）为液池面积随时间变化的函数；

液池面积不会无限扩大，会逐渐趋于某一最大值。由于地面形状和性质通常不能很好描述，通常假设一个液池最小厚度以确定液池最大面积。对于不同介质和不同地面状况，最小厚度的值是不同的，需要经过大量的试验来归纳。另外，如果液体的蒸发速率不能忽略，随着液池面积的不断扩大，液体的蒸发速率必将在某一时刻与泄漏速率相同，此时液池的面积将保持一个稳定的最大值，从而求出泄漏液体形成液池的最大面积。

（4）根据步骤（3）确定的泄漏液体形成液池的最大面积建立液池蒸发模型，求出危险化学品的蒸发量。

所述步骤（4）所述的液池蒸发模型是指液池形成过程中液体会不断向空气中蒸发，该蒸发过程的传质推动力为蒸发物质的气液界面与大气之间的浓度梯度，由风引起质量转移时，液池蒸发主要靠强迫对流进行，结合理想气体状态方程，可以得到液体蒸发速度公式:

$Q_V=0.037\frac{D_m}{L}{\mathrm{SMP}}_s\frac{{\mathrm{Re}}^{0.8}}{{\mathrm{RT}}_0}{\mathrm{Sc}}^{\frac{1}{3}}---\left(1.11\right)$

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{LV}{\mathrm{\ρ}}_0}{\mathrm{\μ}}---\left(1.12\right)$

$\mathrm{Sc}=\frac{\mathrm{\μ}}{D_m{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(1.13\right)$

式中：Q_v为液池质量蒸发速率，kg/s，D_m为分子扩散系数，m²/s，L为液池的特征长度，m，M为分子量，kg/mol；P_s为蒸发物质的饱和蒸汽压，Pa；Re为空气雷诺数；R为气体常数，8.314KJ/(kmol·k)；T₀为环境温度，k；Sc为施密特数；V为环境风速，m/s；ρ₀为空气密度，kg/m³；μ为空气动力粘度，kg/(m·s)。

（5）根据危险化学品管道泄漏可能造成的事故后果，建立事故伤害模型，计算出12种事故后果评价指标。

所述步骤（5）所述的事故的伤害模型是指池火灾伤害模型、蒸气云爆炸模型和有毒气体的高斯烟团扩散模型。

石油化工码头管道泄漏事故涉及的伤害模型主要是依据泄漏物质的点燃状态确定的，分为池火灾伤害模型、蒸气云爆炸模型和有毒气体的高斯烟团扩散模型。其点火源主要来源是静电火花（人体静电及接头法兰处静电等），当泄漏物质未经充分蒸发扩散、点火源立即出现时，就会点燃泄漏物质所形成的液池，造成池火灾事故；当泄漏发生一定时间后出现点火源，点燃液池蒸发出的蒸气云，则发生蒸气云爆炸事故；如果整个过程没有出现点火源，蒸发出的化学品会在空气中扩散造成毒气扩散事故。

所述步骤（5）所述的12种伤害指标为辐射热通量、热辐射死亡半径、热辐射重伤半径、热辐射轻伤半径、冲击波正相最大超压、冲击波死亡半径、冲击波重伤半径、冲击波轻伤半径、即时死亡区半径、可危及生命半径、引起强烈刺激半径和不能工作区域半径。

12种指标的计算过程如下：

（1）根据池火灾伤害模型求解：

$m_f=\frac{0.001H_c}{C_p(T_b-T_0)+H_V}---\left(1.14\right)$

式中，m_f为燃烧速度，kg/(m²·s)；H_c为液体燃烧热，J/kg；H_v为液体汽化热，J/kg；C_p为液体的定压比热容，J/（kg·k）；T_b为液体沸点，k；

当可燃液体的沸点低于周围环境温度时，液池表面单位面积的燃烧速度为：

$m_f=\frac{0.001H_c}{H_V}---\left(1.15\right)$

计算火焰高度：

有风情况下的计算火焰高度的公式为：

$H=55D{\left(\frac{m_f}{{\mathrm{\ρ}}_0\sqrt{\mathrm{gD}}}\right)}^{0.67}{\left(\frac{V}{V_C}\right)}^{-0.21}---\left(1.16\right)$

$V_c={\left(\frac{g{m}_{f}D}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{0.333}---\left(1.17\right)$

式中：H为火焰高度，m；V_c为特征风速，m/s。

计算火焰倾角：

$\frac{\tan \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\θ}}=0.667{\left(\frac{V}{\mathrm{gd}}\right)}^{0.333}{\left(\frac{\mathrm{VD}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{0.117}---\left(1.18\right)$

式中：θ为火焰倾角，°。

计算火焰表面的热辐射通量：

假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射，则可用下式计算：

$q_0=\frac{{\mathrm{DH}}_{c}f{m}_f}{D+4H}---\left(1.19\right)$

式中：q₀为火焰表面的辐射通量，kw/m²；f为热辐射系数，可取0.13～0.35，一般f=0.15。

计算视角系数：

$F_{\mathrm{view}}=\sqrt{{F_h}^2+{F_v}^2}$

F_h=(A-B)/π

F_v={arctan[h/(s²-1)^0.5]+h(J-K)}/(πs)

J=[a/(a²-1)^0.5]arctan{(a+1)(s-1)/[(a-1)(s+1)]}^0.5

K=arctan[(s-1)/(s+1)]^0.5

$A=(b-\frac{1}{s})\arctan {\{(b+1)(s-1)/[(b-1)(s+1)\left]\right\}}^{0.5}/{(b^2-1)}^{0.5}$

$B=(a-\frac{1}{s})\arctan {\{(a+1)(s-1)/[(a-1)(s+1)\left]\right\}}^{0.5}/{(a^2-1)}^{0.5}$

a=(h²+s²+1)/(2s)

b=(s²+1)/(2s)

s=r/(0.5D)

h=H/(0.5D)

式中：F_view为视角系数；r为目标到火焰垂直轴的距离，m；s为目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径值比；h为火焰高径比；其他参数均为中间变量。

计算目标接收到的辐射通量：

q_r=q₀(1-0.058lnx)F_view(1.20)

式中：q_r为目标接收到的辐射通量，kw/m²。

根据热辐射伤害准则如表1，计算出r值和q₀，最终热辐射伤害模型求得热辐射通量（kw/m²），热辐射死亡半径（m）、热辐射重伤半径（m）、热辐射轻伤半径（m）四个伤害指标；

表1热辐射伤害准则

（2）根据蒸气云爆炸模型求解：

蒸气云爆炸模型选择TNT当量法计算蒸气云爆炸伤害。

$W_{\mathrm{TNT}}=\frac{E}{Q_{\mathrm{TNT}}}---\left(1.21\right)$

E=αkWQ_f(1.22)

式中：W_TNT为可燃气体TNT当量，kg；α为可燃气体蒸气云当量系数(一般取值为0.01～0.1，统计平均值为0.04）；W为蒸气云中可燃气体的质量，kg；Q_f为可燃气体的燃烧热，MJ/kg；Q_TNT为TNT的爆炸热，一般取值为4.52MJ/kg；E为蒸气云爆炸总能量，J；k为地面爆炸系数，一般取1.8。

伤害范围计算：

对于超压引起的伤害，按区域大小可有：死亡区，重伤区，轻伤区和安全区。在死亡区中，人员若无防护将受到严重伤害或死亡，按超压为冲量准则，死亡半径可用下式计算：

$R_{0.5}=1.36{\left(\frac{W_{\mathrm{TNT}}}{1000}\right)}^{0.37}---\left(1.23\right)$

式中：R_0.5为死亡半径，m。

重伤区和轻伤区的半径，可以根据下列式子来确定：

$\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\ΔP}}{P_0}=({0.137Z}^{-3}+{0.119Z}^{-2}+{0.269Z}^{-1}-0.019)\\ Z=R_1{\left(\frac{P_0}{E}\right)}^{\frac{1}{3}}\end{array}---\left(1.24\right)$

式中：ΔP为冲击波正向最大超压，Pa；R₁为目标到爆炸源的水平距离，m；

根据冲击波对人的伤害准则如表2，计算出不同的R₁值，最终通过蒸气爆炸波模型得到冲击波正相最大超压（MPa）、冲击波死亡半径Rd_0.5（m）、冲击波重伤半径Rd_0.05（m）、冲击波轻伤半径Rd_0.01（m），4个伤害指标。

表2冲击波对人的伤害准则

（3）根据有毒气体的高斯烟团扩散模型求解：

对于在地面形成液池的化学品，由于呈面块状散布，当发生蒸发扩散时这种排放源称为面源。在进行扩散模拟时，可按照高斯扩散模式体系处理此类扩散，做法为将点源扩散公式沿x，y方向进行积分。设圆形面源的泄放源强为Q_A(kg/m²s)，自整个上风向的半平面对任意点(x，y)造成的浓度贡献为：

$C(x,y)={\∫}_{-R}^R{\∫}_{-R}^R\frac{Q_A}{\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{u}{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\exp (-\frac{y^2}{2{\mathrm{\σ}}_y^2})\mathrm{dxdy}---\left(1.25\right)$

式中：C（x，y）为下风向的浓度，mg/m³；为风速，m/s；σx、σy、σz为x、y、z方向上浓度分布的标准差，又称扩散系数。

根据国家卫生标准手册可查出各种化学品的即时死亡浓度、可危及生命浓度、引起强烈刺激浓度和不能工作区域浓度，计算x轴上各点的浓度与标准手册给出的浓度进行对比，则可得出即时死亡区半径、可危及生命半径、引起强烈刺激半径和不能工作区域半径。

（6）用ICI蒙德法评价石油化工码头管道运输工艺单元的危险性，得到4种工艺危险性评价指标。

所述步骤（6）所述的4种工艺危险性评价指标为工艺总危险度、火灾负荷、内部装置爆炸指标和单元毒性指数。评价单元的危险性采用ICI蒙德法。

具体方法如下：

装置单元选取为危险化学品管线，DOW/ICI全体指标的工艺总危险度：

$D=B(1+\frac{M}{100})(1+\frac{P}{100})(1+\frac{S+Q+L}{100}+\frac{T}{400})---\left(1.26\right)$

式中：B为物质系数；M为特殊物质危险值；P为一般工艺危险性；S为特殊工艺危险性；Q为数量危险性；L为配置危险性；T为毒性危险性。

$F=\frac{\mathrm{BK}}{N}\×20---\left(1.27\right)$

$E=1+\frac{M+P+S}{100}---\left(1.28\right)$

$U=\frac{T}{100}(1+\frac{M+P+S}{100})---\left(1.29\right)$

式中：F为火灾负荷；U为单元毒性指数；E为内部装置爆炸指数；N为通常作业面积，m²，M为混合扩散特性；K为物质合计，m³。

针对石油化工码头危险化学品管道运输工艺，各系数确定过程如下：

（a）根据不同管线运输的物料，查常用危险化学品安全手册可得到物质系数B；

（b）特殊物质危险值M选取，涉及混合及扩散特性（根据物质沸点选取）、着火灵敏度（根据国家级气体及蒸汽的电气装置分类标准选取）和发生爆炸分解物质性（根据物质高压爆炸反应情况选取）。M值为以上三个选值之和；

（c）一般工艺流程危险性系数P选取，由于管道运输工艺是单纯的物理变化，基本操作是加压泵传输，使用永久完全性配管，根据经验可直接选取P=60；

（d）特殊工艺危险性S选取，涉及高压（根据单元工作的泵压可查压力危险性系数折线图选取）、法兰的接头的危险性（一般取30）、比平均爆炸危险性、静电的危险性。S的值为以上四个选值之和；

（e）数量危险性Q的选取，根据危险化学品的输送流量查系数表可得；

（f）配置危险性L的选取，涉及结构设计、地面排水沟和保护堤，根据不同管线线程不同、法兰接头数目不同得到不同的L选值；

（g）毒性危险性T的选取，涉及TLV和物质类型（相关手册可查）。

（7）将步骤（5）和步骤（6）得到的共计16种指标作为各条运输管道的特征指标，采用DT动态分级法对各条管道进行分级，得到石油化工码头液态化学品管道泄漏的危险级别。

所述步骤（7）所述的DT动态分级法计算方法如下:

（1）将步骤（5）和步骤（6）得到的16个指标作为原始数据;

（2）对原始数据作标准化处理，得到标准化数据X′_ij，i=1～n,j=1～m，具体如下：

$s_j=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{x_j})}^2}---\left(2.1\right)$

式中：S_j—第j个指标的标准差；

X_ij—第i个管道的第j个指标的测试值（原始数据）；

X_j—第j个指标的平均值；

标准化数据，与各判据的量纲无关，采用标准差方式的标准化数据为：

$x_{\mathrm{ij}}^{\′}=\frac{x_{\mathrm{ij}}-\stackrel{\‾}{x_j}}{s_j}---\left(2.2\right)$

（3）确定初始分级：

$s\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}^{\′}---\left(2.3\right)$

$\mathrm{AMAX}=\underset{1\≤i\≤n}{\max }s\left(i\right)---\left(2.4\right)$

$\mathrm{AMIN}=\underset{1\≤i\≤n}{\min }s\left(i\right)---\left(2.5\right)$

当全体样本被划分为K级时，可用下式求得每条管道的初始分级：

$\mathrm{Nc}\left(i\right)=\mathrm{IFIX}\{\frac{(k-1)[\mathrm{AMAX}-s\left(i\right)]}{\mathrm{AMAX}-\mathrm{AMIN}}+0.5\}+1---\left(2.6\right)$

式中：IFLX—表示括号内的数取整数；

Nc(i)—表示每条管道所属的级别号。

（4）计算每个级别中，各指标的均值，作为每个级别的重心；

（5）计算每条管道参数到各级别重心的欧式距离：

$D_{\mathrm{ij}}={\left(\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{\mathrm{ik}}-x_{\mathrm{jk}})}^2\right)}^{\frac{1}{2}}$

式中：D_ij为欧氏距离；i和j为管道编号,p表示指标数量。并按最近距离的原则，将各条管道划入与之最近的一个级别中；

（6）重新计算各级别重心，并调整每条管道的所在级别，再次计算新重心，随之检查前后两次所求得的重心是否相同。重复计算欧式距离—调整管道级别—重新计算重心—检验重心是否相同的这一过程，直到前后两次所求得的重心完全相同，则得出最终石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级结果。

T市A码头储运的物质主要有：丙烯腈、苯乙烯、苯酚、乙酸乙酯、二氯甲烷、环氧丙烷六种。六种物质的基本属性如下：

表3T市A码头储运货物物理性质

根据当地地理和气象条件的调查结果，该码头所处地理位置6月份平均风速为6.2m/s，平均气温为25.3摄氏度。

码头的主要工艺设备及基本情况如下：

10⁴m³外浮顶储罐基本参数：

公称体积：10⁴m³；储罐结构形式：单盘式；储罐内径28.5m；储罐高度15.8m。

物料运输泵选用离心泵，流量1000m³/h，扬程：80m。

储运工艺管道设计压力等级为1.6MPa；管径≤DN200的管道选用无缝钢管；管径≥DN200的管道选用螺旋焊缝弧焊钢管。

石油化工码头管道泄漏危险性动态分级方法的实施步骤如下：

（1）根据每条管道的泄漏孔尺寸确定泄漏源形式，泄漏源形式分为液体管口泄漏和液体管道小孔泄漏；

为了便于比较相同运输条件下的分级特点，本实施例假定七种物质的泄漏源形式均为小孔泄漏，泄漏孔径为20mm，泄漏时间为10min。在实际运用中，可根据实际情况设定不同的泄漏源形式。

（2）根据步骤（1）确定的泄漏源形式建立泄漏模型，求出危险化学品的泄漏量；

首先，根据管道的设计压力，及所给出的物质密度和泄漏孔径，通过管道小孔泄漏公式(1.7)可以计算出每种物质的泄漏速率，如表4所示。

表4各物质的泄漏速率

（3）根据步骤（2）确定的危险化学品泄漏量，求出泄漏液体形成液池的最大面积；

由上述的物质泄漏速率，可根据公式(1.10)求出各物料泄漏形成的液池面积，如表5所示。

表5各物质所形成的液池面积

（4）根据步骤（3）确定的泄漏液体形成液池的最大面积建立液池蒸发模型，求出危险化学品的蒸发量；

根据公式（1.11-1.13）可计算出七种物质的蒸发速率，如表6所示。

表6各物质的蒸发速率

（5）根据危险化学品管道泄漏可能造成的事故后果，建立事故伤害模型，计算出12种事故后果评价指标；

石油化工码头管道泄漏事故涉及的伤害模型主要是依据泄漏物质的点燃状态确定的，分为池火灾伤害模型、蒸气云爆炸模型和有毒气体的高斯烟团扩散模型。其点火源主要来源是静电火花（人体静电及接头法兰处静电等），当泄漏物质未经充分蒸发扩散、点火源立即出现时，就会点燃泄漏物质所形成的液池，造成池火灾事故；当泄漏发生一定时间后出现点火源，点燃液池蒸发出的蒸气云，则发生蒸气云爆炸事故；如果整个过程没有出现点火源，蒸发出的化学品会在空气中扩散造成毒气扩散事故。

当出现池火灾事故时，可根据公式（1.14-1.20）求出辐射热通量、热辐射死亡半径、热辐射重伤半径和热辐射轻伤半径4个伤害指标，如表7所示。

表7池火灾模型伤害指标

当出现蒸气云爆炸事故时，可根据公式（1.21-1.24）求出冲击波正相最大超压、冲击波死亡半径、冲击波重伤半径和冲击波轻伤半径4个伤害指标，如表8所示。

表8蒸气云爆炸模型伤害指标

当出现有毒气体的高斯烟团扩散事故，可以根据公式（1.25）求出即时死亡区半径、可危及生命半径、引起强烈刺激半径和不能工作区域半径4个伤害指标，如表9所示。

表9有毒气体的高斯烟团扩散模伤害指标

（6）用ICI蒙德法评价石油化工码头管道运输工艺单元的危险性，得到4种工艺危险性评价指标；

A码头所存储的主要物质主要系数，经查询常用危险化学品安全手册、工业毒理学手册及ICI蒙德法中给出的参数标准确定，如表10所示。

表10T市A码头储运物质参数

根据公式（1.26-1.29）求出工艺总危险度、火灾负荷、装置爆炸指标和单元毒性指数4个危险性指标，如表11所示。

表11各物质的管道运输工艺危险性指标

（7）将步骤（5）和步骤（6）得到的共计16种指标作为各条运输管道的特征指标，采用DT动态分级法对各条管道进行分级，得到石油化工码头液态化学品管道泄漏的危险级别。

经DT动态分级法计算，得到的分级结果如表12和表13所示。

表12T市A码头储运物质危险性划分三个等级所得结果：

表13T市A码头储运物质危险性划分三个等级所得结果：

码头企业可根据实际情况设定划分级数，划分级数设定值越高，分级越细致。对于管理水平高的码头企业，可以取较高的分级数，使分级更加细化，使重大危险源的管理更加全面；对于规模较小，管理水平较低的企业，可以取较低的分级数，以满足在控制手段和救援力量不足的情况下，管理资源的合理分配。其目的是有效、合理的进行监管和事故发生时组织有效的救援力量。

运用本发明得到的结果（如表12和表13所示）可以明确指出，当划分级数设定为三级时，丙烯腈管道和环氧丙烷管道的危险性最高，码头应对其进行重点保护，对流速、管道压力等可控参数严格限制，对管线的易腐蚀和易损坏的部分进行重点排查，同时对此两条管道投入更多的救援力量，以便在事故发生时将损失降到最低。对苯乙烯、苯酚和乙酸乙酯采取次要关注，运输二氯甲烷管道的危险性最低。如果码头有更多的人力物力，有条件进行更细致的监控管理，可设定档数为四级，如表13所示，在表12分三级的基础上，可以对苯乙烯管道另行监控，采取比苯酚管道和乙酸乙酯管道稍高的监管措施，使整个石化码头的安全水平得到提高。使用本发明可以使安全管理效率提高20%～30%。

Claims (5)

1.一种石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法，其特征是：该方法包括有以下步骤：

(1)根据管道的泄漏孔尺寸确定泄漏源形式，泄漏源形式分为液体管口泄漏和液体管道小孔泄漏；

(2)根据步骤(1)确定的泄漏源形式建立泄漏模型，求出危险化学品的泄漏量；

(3)根据步骤(2)确定的危险化学品泄漏量，求出泄漏液体形成液池的最大面积；

(4)根据步骤(3)确定的泄漏液体形成液池的最大面积建立液池蒸发模型，求出危险化学品的蒸发量；

(5)根据危险化学品管道泄漏可能造成的事故后果，建立事故伤害模型，计算出12种事故后果评价指标；

(6)用ICI蒙德法评价石油化工码头管道运输工艺单元的危险性，得到4种工艺危险性评价指标；

(7)将步骤(5)和步骤(6)得到的共计16种指标作为各条运输管道的特征指标，采用DT动态分级法进行分级，得到石油化工码头液态化学品管道泄漏的危险级别；所述的DT动态分级法进行分级计算如下：

1)将步骤(5)和步骤(6)得到的16个指标作为原始数据；

2)对原始数据作标准化处理，得到标准化数据X′_ij，i＝1～n,j＝1～m，具体如下：

$s_j=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_{ij}-\stackrel{\‾}{x_j})}^2}---\left(2.1\right)$

式中：S_j—第j个指标的标准差；

X_ij—第i条管道的第j个指标的测试值(原始数据)；

—第j个指标的平均值；

标准化数据，与各判据的量纲无关，采用标准差方式的标准化数据为：

$x_{ij}^{\′}=\frac{x_{ij}-\stackrel{\‾}{x_j}}{s_j}---\left(2.2\right)$

3)确定初始分级：

$s\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{x}_{ij}^{\′}---\left(2.3\right)$

$AMAX=\underset{1\≤i\≤n}{max}s\left(i\right)---\left(2.4\right)$

$AMIN=\underset{1\≤i\≤n}{min}s\left(i\right)---\left(2.5\right)$

当全体样本被划分为K级时，可用下式求得每条管道的初始分级：

$Nc\left(i\right)=IFIX\{\frac{(k-1)\[AMAX-s\left(i\right)\]}{AMAX-AMIN}+0.5\}+1---\left(2.6\right)$

式中：IFLX—表示括号内的数取整数；

Nc(i)—表示每条管道所属的级别号；

4)计算每个级别中，各指标的均值，作为每个级别的重心；

5)计算每条管道参数到各级别重心的欧式距离：

$D_{ij}={\left(\underset{k=1}{\overset{p}{\Σ}}{\left(x_{ik}-x_{jk}\right)}^2\right)}^{\frac{1}{2}}$

式中：D_ij为欧氏距离，i和j为管道编号，p表示指标数量，并按最近距离的原则，将各条管道划入与之最近的一个级别中；

6)重新计算各级别重心，并调整每条管道的所在级别，再次计算新重心，随之检查前后两次所求得的重心是否相同，重复计算欧式距离—调整管道级别—重新计算重心—检验重心是否相同的这一过程，直到前后两次所求得的重心完全相同，则得出最终石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级结果。

2.根据权利要求1所述的石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法，其特征是：所述步骤(2)的建立泄漏模型如下：

(a)液体管口泄漏模型：

$\frac{u^2}{2}+\mathrm{\Δ}gz+F=0---\left(1.1\right)$

式中：u为液体在管道裂口处的流速，m/s；Z为液面距管道的距离，m；F为总的阻力损失，可根据下式进行计算：

$F=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{u^2}{2}+\mathrm{\ξ}\frac{u^2}{2}---\left(1.2\right)$

式中，λ为液体的摩擦系数；l为储罐到泄漏口处的管长，m；d为内管径，m；ξ为局部阻力系数；

摩擦系数λ的计算与表征流体流动类型的参数与雷诺数Re有关，Re的表达式如下：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}ud}{\mathrm{\μ}}---\left(1.3\right)$

式中：μ为液体的粘度，kg/m·s；ρ为液体的密度，kg/m³；

当Re≤2000时， $\mathrm{\λ}=\frac{64}{\mathrm{Re}}---\left(1.4\right)$

当2000＜Re≤4000时，s(1.5)

当40000＜Re≤10⁶时， $\mathrm{\λ}=\frac{0.3164}{{\mathrm{Re}}^{0.25}}---\left(1.6\right)$

将公式(1.2)代入公式(1.1)中，对公式(1.3)中的u进行选值试算，并依据公式(1.4-1.6)的条件对λ值进行验证，直到试算的u值满足公式(1.2)和公式(1.1)，从而得到液体在管道裂口处的流速u；

根据下式算出流量：

Q＝ρuA(1.7)

式中，A为管道裂口面积，m²；

(b)液体管道小孔泄漏模型：

$u=C_0{(2\mathrm{\Δ}p/\mathrm{\ρ})}^{\frac{1}{2}}---\left(1.8\right)$

式中：u液体在小孔处的流速，m/s；Δp为管道内压力和外界大气压之差，Pa；ρ为管道内液体密度，kg/m²；C₀为泄漏系数取值为6.1；

则泄漏的质量流量为：

Q＝ρuA(1.9)

式中，A为管道裂口面积，m²；

根据各条管道泄漏孔的尺寸，选择上述两种泄漏源计算公式，可计算出危险化学品的泄漏量。

3.根据权利要求1所述的石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法，其特征是：所述步骤(5)的事故的伤害模型是指池火灾伤害模型、蒸气云爆炸模型和有毒气体的高斯烟团扩散模型。

4.根据权利要求1所述的石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法，其特征是：所述步骤(5)的12种伤害指标为辐射热通量、热辐射死亡半径、热辐射重伤半径、热辐射轻伤半径、冲击波正相最大超压、冲击波死亡半径、冲击波重伤半径、冲击波轻伤半径、即时死亡区半径、可危及生命半径、引起强烈刺激半径和不能工作区域半径。

5.根据权利要求1所述的石油化工码头液态化学品管道泄漏危险性动态分级方法，其特征是：所述步骤(6)的4种工艺危险性评价指标为工艺总危险度、火灾负荷、内部装置爆炸指标和单元毒性指数。