港口烟花爆竹集装箱堆场规划与设计相关问题探讨*

时间：2024-08-31

曾亚梅，高原，邹林，曾春雷

(交通运输部水运科学研究院，北京 100088)

我国烟花爆竹的产量约为世界总产量的75%[1]。近年来，烟花爆竹安全事故偶有发生，安全储存与运输是人们关注的焦点[2]。港口行业越来越重视危险货物集装箱堆场的安全，尤其关注烟花爆炸集装箱堆场[3]。行业内最为关心的安全问题有：

1)烟花爆竹集装箱堆场规划选址问题。天津港“8·12”事故后的一段时间内，港口行业一度参考国家标准GB 18265—2000《危险化学品经营企业开业条件和技术要求》。然而，根据GB 18265—2019《危险化学品经营企业安全技术基本要求》，仅明确爆炸物库房与防护目标至少保持1 000 m距离。集装箱堆场不属于库房，不属于该条文的适用范围，烟花爆竹集装箱堆场选址中无可参考的法律法规和理论研究成果，港区规划困难。

2)烟花爆竹集装箱堆场限时限量堆存问题。港口堆场中的烟花爆竹通常为1.3项、1.4项危险品。根据JT 397—2007《危险货物集装箱港口作业安全规程》第5.3.1条“除1.1项、1.2项以外的爆炸品危险货物集装箱堆场存放，可采取限时限量存放”要求，烟花爆竹集装箱在堆场中须限时限量存放。然而，限定时间、限定存量具有相互制约性。限定存量越大，则限定堆放时间就应越小。另外，堆场的限定存量和堆存时间，与堆场所处周边环境、自然条件有关。在满足安全要求的前提下，如何合理确定堆场限定存量和限定时间，是摆在设计者面前的一大难题，目前尚无成功经验可以借鉴。

为解决上述难题，本文通过国内外烟花爆竹危险特性、安全防护距离确定方法、事故后果与风险评估应用这3个方面的调研，给出上述问题的求解思路和方法，为港口规划和设计提供有益参考和借鉴。

1 国内外研究现状

1.1 烟花爆竹危险特性

烟花爆竹属易燃易爆品。研究者主要关注烟花爆竹的事故后果[4-9]和生产与储存环节风险程度管控[10-11]。主要研究方法为试验与理论研究。

试验研究通常只针对特定场景(给定烟花爆竹种类、数量、给定周边人员分布和气象环境)开展试验，其成本高、周期长、结论难以推广(仅限试验场景)。理论研究模型的计算精度，会受建模方法、模型参数取值合理性的影响。模拟结果的正确性难以被验证、可靠性难以被评估。

本文提出将试验研究与理论研究结合，运用有限场景下的试验研究结果修正理论计算模型。将修正的理论计算模型进行应用情景推广，获得高可靠性计算模型。此方法即克服了试验研究成本高、周期长、结果难以推广的不足，又发挥试验研究结果可靠的优点，同时克服理论研究结果难以被验证的不足，发挥理论研究适用场景易推广的优点。为堆场规划与设计中须进行大量场景计算和获得高可靠性结果，提供了解决途径。

1.2 外部安全防护距离确定方法

近年来，探讨外部安全防护距离的研究越来越多[12-14]。目前有两种研究方法：1)查阅国内外相关标准规范，获取明文规定的安全距离限值；2)针对各种事故场景，开展事故后果与风险评估计算，通过分析给出外部安全防护距离。

经调研，港区露天堆场的外部安全距离，国内外暂无明文规定。因此，采用第2种研究方法确定堆场外部安全防护距离是可行的。

1.3 事故后果与风险评估应用研究

事故后果是指事故(如泄漏、火灾、爆炸)发生后形成的蒸汽云、热辐射、超压冲击波对周边人员、建构筑物的破坏程度。事故后果建模指通过建立数学模型，寻找求解算法，获得各事故情景下蒸汽浓度、热辐射强度和超压冲击波的空间分布。将获得的结果与人员、建(构)筑物的伤害和破坏准则对比，判断人员、建(构)筑物的伤害、毁伤半径和程度。

风险是事故后果与事故概率的乘积。当堆存危险品时，其可能发生事故(事故概率)，发生事故后会给周边人员带来伤害(事故后果)，故其会产生一定的风险。个人风险表征的是堆场中危险品事故造成区域内某一固定位置人员的个体死亡概率；社会风险表征的是事故产生群死群伤事故的概率。

事故后果与风险评估研究包括试验与理论研究。计算出事故的热辐射、超压波，确定破坏与伤亡范围，计算出风险值。研究的应用领域包括：危险品项目选址论证、厂房仓库限定存量值计算、事故场景还原等。研究中所用方法包括公式计算法、软件模拟法。目前，尚未有针对烟花爆竹集装箱堆场的相关研究。

2 研究思路

根据前述，港口行业面临的两大问题：如何进行烟花爆竹集装箱堆场选址规划；设计中如何限定堆存量和堆存时间。堆场规划选址受堆场规模、堆存时间所制约。规模越大，事故后果越严重，所需外部安全距离越大，规划选址越困难；堆存时间越长，事故概率越大，风险越高，规划选址难度也越大。因此，这两大难题具有相互交织的依存关系，见图1。

图1 研究问题间的相互关联性

为此，本文提出如下求解路线：预定集装箱堆场的选址，假定堆场的堆存规模和堆存时限。统计项目所在地周边环境(包括人员、建(构)筑物和设备设施的分布)和气象参数(包括温湿度、风速等)。建立事故后果和风险评估模型，计算此场景下堆场可能产生的事故后果和风险。利用计算结果，按照GBT 37243—2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》的要求确定该预定堆场的外部安全防护距离。将计算所得防护距离与堆场周边实际防护距离对比，判定该预定选址、假定堆存规模和时限是否满足要求。若满足，则进一步判断该堆存规模、堆存时限是否符合项目经营需要；若不满足，则重新假定堆存规模和时限，重新计算外部安全防护距离，直到计算所得防护距离小于堆场周边实际防护距离。通过不断迭代计算，选出符合项目经营需要和安全要求的规划选址、堆存规模和时限。具体技术路线见图2。

图2 技术路线

该技术路线中，需要多次迭代调用事故后果和风险评估模型。本文提出将试验与理论研究结合，使用软件建模，运用试验研究结果修正理论模型，提高计算精度和效率。

3 算例验证

以内河某港烟花爆竹集装箱堆场规划建设为例，该港口发展成熟，现有生产性项目和周边配套设施完善。受限于空余场地和周边敏感场所，烟花爆竹集装箱堆场选址和规模难以确定。

3.1 事故后果和风险评估模型建立

事故后果和风险评估建模分别选用荷兰国家应用科学研究院1985年开发的TNO ETTECTS和1990年开发的TNO RISKCURVES软件。这两款软件经30年发展，模型成熟、软件可视化优秀，被广泛应用于安全评估的各个领域，是国内外科研机构常用的成熟商用软件[15-17]。建模中选用的自然条件参数为：平均风速2.2 ms，主导风向SW，平均气温17.2 ℃，平均湿度80%，气压为标准大气压。

3.1.1集装箱TNT(三硝基甲苯)当量计算

烟花爆竹冲击波能量占总爆破能量的85%～97%。把爆炸产生的爆炸热与TNT爆炸产生的热量相比，得到TNT当量。一般依据能量相似原理，按爆炸热换算得到：

Eq=QQTNT

(1)

式中：Eq为某种炸药的当量比；QTNT为TNT的爆热(kJkg)；Q为某炸药爆热(kJkg)。

以堆场堆存黑火药占比约80%的爆竹药剂为例。黑火药TNT当量为0.45。堆放不同箱数量的TNT当量计算结果见表1。

表1 堆放不同箱数量时TNT当量计算结果

3.1.2爆炸后果模型建立

为了提高计算精度，采用文献[6]的1 t TNT爆炸后果测定值，反算出模型中的质量等量系数为0.273。为验证该系数的取值，运用软件模拟1 t TNT爆炸的冲击波超压值，计算与试验结果对比见表2。从对比结果看出，质量等量系数取0.273时，模拟和试验结果差别不大，系数取值可行。

表2 1 t TNT炸药当量的爆炸冲击波超压模拟与试验值对比

3.2 事故后果和风险评估计算

3.2.1事故后果计算

选用2 kPa(屋顶出现某些破坏，10%的窗户玻璃被打碎)、5 kPa(房屋部分破坏、不能居住)、9 kPa(钢结构的建筑物轻微变形)作为高敏感目标、重要防护目标、一般防护目标中的一类防护目标；一般防护目标中的二类防护目标；三类防护目标的空气冲击波超压典型压力。依据所建模型，模拟该预选堆场存放不同箱量时产生的冲击波，见表3和图3。图3中的超压曲线圆表示发生爆炸时产生相应值冲击波的覆盖范围；离爆炸点越远冲击波超压值越小；超压曲线圆越大代表的超压值越低。

图3 爆炸事故后果

从模拟结果看，堆存量超过54个箱时，冲击波超压2 kPa的范围内包含了一般防护目标中的一类防护目标，故该堆场选址在此时，最大堆存量为54箱。

3.2.2风险评估计算

堆场堆存时间越长，事故概率越大，风险越高。堆存时间与事故概率呈正相关。烟花爆竹行业年事故频率为5×10-6次a。据此，该堆场堆存0.5、1、1.5、2、2.5 d的事故发生概率约为7.14×10-9、1.43×10-8、2.14×10-8、2.85×10-8、3.57×10-8。在此基础上，研究该堆场堆存54箱的最大允许时间。

利用软件建模计算，所得个人风险和社会风险见图4、5。图4中的个人风险曲线圆，表征发生事故时产生的个体死亡概率值。离危险品越远，个体死亡概率越小，个人风险值也越小。图5为社会风险曲线图，横坐标表示事故的死亡人数，纵坐标表示发生群死群伤事故的概率。

图4 个人风险曲线圆

图5 堆场社会风险模拟结果

根据图4、5，该堆场堆存时间超过2.5 d时，个人风险曲线超出了港区范围，个人风险值超出GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》规定的限值。由于该堆场周边人员密度小，社会风险受堆存时间影响不大，均未进入《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》规定的不可容许区。因此，该堆场堆存54个烟花爆竹集装箱时的最大允许堆存时间为2 d，且能满足经营需要，故该堆场规划选址可行，不需要另寻它址。