TIỂU LUẬN MÔN HỌC AN TOÀN QUÁ TRÌNH TÌM HIỂU VỤ CHÁY KHO CHỨA DẦU BUNCEFIELD ở HERTFORDSHIRE, VƯƠNG QUỐC ANH (2005)

Những nguy cơ của các kho chứa dầu Những bồn chứa dầu trên mặt đất aboveground storage tanks – AST trong các kho chứa từ lâu đã có những nguy cơ cháy nổ nhất định do các đám mây hơi vap

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

TIỂU LUẬN MÔN HỌC AN TOÀN QUÁ TRÌNH

TÌM HIỂU VỤ CHÁY KHO CHỨA DẦU BUNCEFIELD Ở HERTFORDSHIRE, VƯƠNG QUỐC ANH (2005)

SVTH Nguyễn Đức Thành MSSV 1613186

Lớp HC16KSTN GVHD TS Hồ Quang Như

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

2 VỤ CHÁY KHO CHỨA DẦU BUNCEFIELD 6

2.1 Những nguy cơ của các kho chứa dầu 6

2.2 Sự cố tai nạn 6

2.3 Diễn biến 8

2.4 Nguyên nhân sự cố 8

2.4.1 Sự tràn của xăng khỏi bồn 912 8

2.4.2 Sự hình thành đám mây hơi 12

2.4.3 Nguồn kích lửa 14

2.5 Hậu quả của sự cố 14

2.5.1 Hậu quả về người 15

2.5.2 Hậu quả về cơ sở vật chất 15

2.5.3 Hậu quả về không khí 15

2.5.4 Hậu quả về môi trường 16

2.5.5 Ảnh hưởng khác 16

2.6 Công tác khắc phục hậu quả sự cố 17

3 BÀN LUẬN VÀ LIÊN HỆ THỰC TẾ Ở VIỆT NAM 18

3.1 Cảnh báo mức 18

3.2 Vụ nổ đám mây hơi (vapor-cloud explosion – VCE) 19

3.3 Liên hệ thực tế ở Việt Nam 20

4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Kho chứa dầu Buncefield là một tổ hợp lớn các bồn chứa (tank farm) chứa các loại nhiên liệu như xăng (unleaded petrol), dầu diesel, kerosene và nhiên liệu máy bay, nằm cách trung tâm Hemel Hempstead khoảng 4,8 km về phía đông bắc Các bồn lớn chứa nhiên liệu được vận chuyển từ các trạm lọc dầu, rồi sau đó chuyển tiếp đến các trạm xăng hoặc sân bay gần đó thông qua các hệ thống đường ống 6 in Có 108 kho chứa dầu như vậy trên toàn Vương quốc Anh, và Buncefield là kho lớn thứ 5 với tổng năng suất nhiên liệu vào khoảng

273 triệu lít mỗi năm

Hình 1.1 Vị trí địa lý của khu vực Buncefield trên bản đồ nước Anh

Hình 1.2 Kho chứa dầu Buncefield ngày nay (Google Maps)

Kho chứa dầu Buncefield đóng vai trò cực kì quan trọng trong việc phân phối nhiên liệu cho thủ đô London và các vùng phía đông nam nước Anh, đặc biệt là sân bay lớn Heathrow Kho chứa này đã đưa vào sử dụng từ 1968 Hiện nay, nhà vận hành chính là Total (60%)

và Texaco (40%), bên cạnh BP và Shell cũng có sử dụng kho chứa này

Hình 1.3 Các đường ống dẫn liên quan đến Buncefield

Kho chứa dầu Buncefield được chia thành khu vực bắc và khu vực nam BP vận hành khu vực phía nam (màu hồng) với năng suất khoảng 75000 tấn xăng Ở khu vực phía bắc có sự hình thành của các công ty:

- Hertfordshire Oil Storage Ltd (HOSL, màu xanh dương), là liên doanh của Total và Chevron Phần diện tích của HOSL được chia thành 2 phần là khu phía tây (HOSL West)

và khu phía đông (HOSL East) HOSL có thể trữ được khoảng 34000 tấn xăng và 15000 tấn dầu truyền nhiệt

- British Pipeline Agency Ltd (BPA, màu cam và đỏ), là liên doanh của Shell và BP, gồm 2 phần là một khu BPA phía bắc và khu BPA chính (nằm giữa 2 khu HOSL) với năng suất lưu trữ tổng cộng khoảng 70000 tấn xăng

Hình 1.4 Sơ đồ bố trí của khu Buncefield

Có 3 đường ống lớn dẫn nhiên liệu vào Buncefield:

- Đường ống FinaLine có kích thước danh nghĩa 10 in, từ trạm lọc dầu Lindsay ở Humberside đến khu HOSL West

- Đường ống M/B North có kích thước danh nghĩa 10 in, từ Merseyside qua Blisworth đến khu BPA phía bắc

- Đường ống T/K South có kích thước danh nghĩa 14 in, từ Thameside và chia nhánh đến khu HOSL West và khu BPA chính

2 VỤ CHÁY KHO CHỨA DẦU BUNCEFIELD

2.1 Những nguy cơ của các kho chứa dầu

Những bồn chứa dầu trên mặt đất (aboveground storage tanks – AST) trong các kho chứa

từ lâu đã có những nguy cơ cháy nổ nhất định do các đám mây hơi (vapor cloud) Nguyên nhân cho sự hình thành những đám mây hơi này có thể do bị tràn (overfill), rò rỉ qua các

lỗ thủng trên thân bồn, hoặc các sự cố vỡ đường ống dẫn

Những vụ nổ do đám mây hơi (vapor-cloud explosion) trở nên đặc biệt nguy hiểm trong các kho chứa dầu như thế này, do các bồn chứa nằm san sát nhau và đều chứa một lượng lớn chất dễ cháy (combustible) Mặc dù xăng hay các loại dầu nặng hơn có thể khó cháy, nhưng các đám mây hơi hình thành lại chứa những thành phần dễ cháy (flammable) có nhiệt độ chớp cháy cực kì thấp do bản chất là các hydrocarbon nhẹ Khi đám mây hơi ở trong vùng cháy (flammability region), bất kì nguồn sinh năng lượng nào, dù nhỏ, cũng có thể làm cháy đám mây hơi này Do bản chất khuếch tán của hơi, đám cháy có thể nhân lên tầm thảm họa nếu không kịp thời xử lý

Trong quá khứ, đã từng có rất nhiều vụ tai nạn liên quan đến các đám mây hơi, và tất cả đều gây ra những hậu quả nặng nề Các ví dụ có thể kể đến vụ nổ ở Portland, Mỹ (1954) với áp suất quá áp khoảng 24 – 48 kPa, gây vỡ kính cửa ở khoảng cách lên đến 3,2 km; vụ

nổ ở Pernis, Hà Lan (1968) với bán kính đám mây hơi lên đến 140 m gây hậu quả lên đến vài km; vụ nổ ở Antwerp, Bỉ (1987) gây vỡ kính ở khoảng cách 10 km; vụ nổ ở Saint-Herblain, Pháp (1991) gây vỡ cửa sổ trong bán kính 2 km

Đến năm 2005, đám mây hơi tiếp tục gây ra vụ phá hủy nặng nề ở kho chứa dầu Buncefield, Vương quốc Anh, mang lại hậu quả nặng nề

bồn chứa lớn đã bị phá hủy, hơn 2000 người phải sơ tán khỏi các khu vực lân cận Một cuộc khảo sát với 761 người dân sống xung quanh khu vực cho biết 76% các căn hộ đã phải chịu những thiệt hại nhất định Cột khói bốc lên từ vụ cháy đã lan rộng trên phạm vi nước Anh hoặc xa hơn, và thậm chí có thể thấy rõ cột khói này từ vệ tinh Đây được xem

là vụ cháy nổ lớn nhất xảy ra ở châu Âu kể từ sau Thế chiến II (1939 – 1945)

Hình 2.1 Cột khói đen ngòm bốc lên từ vụ cháy khu Buncefield

Hình 2.2 Cảnh tượng khu Buncefield sau khi dập lửa Bồn 912 nằm chính giữa trong khu

vực 3 bồn chứa ở phía dưới của tấm hình

Theo các tính toán vận hành, khoảng 05 giờ 20 phút sáng bồn 912 sẽ được nạp đầy 100% Trong thực tế, các hệ thống bảo vệ để tự động đóng valve nạp đã không hoạt động, dẫn đến nhiên liệu trong bồn tràn ra ngoài qua các lỗ thông hơi và nhanh chóng tạo thành hỗn hợp hơi với không khí (đám mây hơi) Như để tăng thêm tính nghiêm trọng, khoảng 05 giờ 53 phút sáng, đường ống T/K South sang bồn khác được khóa lại và toàn bộ lưu lượng 890

m3/h dồn về bồn 912, lúc này đã bị tràn Đến 06 giờ sáng, ước tính đã có khoảng 300 tấn xăng đã chảy ra khỏi bồn 912 Lúc này, đám mây hơi đã dày khoảng 2 – 3 m và lan tỏa đi khắp các hướng, thậm chí ra khỏi khu vực kho chứa đến bãi giữ xe của các tòa nhà gần đó Khoảng 06 giờ 01 phút sáng, một nguồn kích lửa xuất hiện và vụ nổ rất lớn đã diễn ra, theo sau là một vài đám cháy khác Khi này, đám mây đã bao trùm khoảng 80000 m2 (một số báo cáo khác cho thấy diện tích bao phủ có thể lên đến 200000 m2) Tiếng nổ có thể được nghe thấy ở khoảng cách lên đến 160 km, và bản thân vụ nổ đã gây rung động lên đến 2,4

độ theo thang Richter

2.4 Nguyên nhân sự cố

2.4.1 Sự tràn của xăng khỏi bồn 912

Bồn 912, cũng như các bồn chứa khác, được trang bị các hệ thống đo và cảnh báo mức chất lỏng độc lập Tất cả các thiết bị này được kết nối đến hệ thống ATG để hiển thị mức chất lỏng, nhiệt độ và điều khiển valve từ phòng điều khiển trung tâm Ngoài ra, hệ thống ATG còn có thể lưu trữ dữ liệu lên đến nhiều tháng, đồng thời được liên kết với hệ thống cảnh

báo mức cao (high-level alarm) Trong công tác điều tra nguyên nhân, cơ sở dữ liệu của hệ thống ATG là một trong những bằng chứng quan trọng nhất Ngoài ra, bồn 912 còn có một

hệ thống cảnh báo mức rất cao (ultimate-level alarm) hoạt động độc lập Hệ thống này tạo

ra vòng bảo vệ sau cùng, giúp đưa ra cảnh báo đến phòng điều khiển đồng thời tạo ra một tín hiệu để đóng valve nạp cho bồn

Hình 2.3 Sơ đồ khu vực xảy ra vụ nổ, với bồn 912 được tô xanh lá

Hình 2.4 Cấu trúc của bồn 912 và các thiết bị đo mức – điều khiển

Dữ liệu từ hệ thống ATG cho thấy, khoảng 03 giờ sáng mức chất lỏng trong bồn 912 được giữ ổn định ở 2/3, vốn là mức thấp hơn mức cảnh báo của hệ thống ATG Điều này lý giải

vì sao không có thông báo nào được gửi đến cho phòng điều khiển trung tâm của phía tây công ty HOSL Tuy nhiên, dữ liệu từ hệ thống bên công ty BPA cho thấy, đường ống T/K South nạp 8400 m3 nhiên liệu chia cho hai bồn với tổng lưu lượng 890 m3/h, một là bồn

912 (lưu lượng 550 m3/h) của công ty HOSL và hai là bồn ở khu Kingsbury của công ty BPA Khoảng 7 phút trước vụ nổ, valve của đường ống sang công ty BPA được khóa, và

hệ thống ATG của công ty HOSL ghi nhận sự tăng đột ngột lưu lượng nạp vào bồn 912 Chính vì vậy, việc bồn 912 vẫn tiếp tục được nạp dù hệ thống ATG không ghi nhận sự tăng mức chất lỏng là có cơ sở

Bên cạnh đó, lý do vì sao hệ thống cảnh báo mức rất cao hoạt động độc lập không hoạt động vẫn chưa được lý giải, do hệ thống này đã bị phá hủy trong vụ nổ

Do cấu trúc của bồn 912, có thể thấy rõ ràng lượng chất lỏng đã tràn ra ngoài thông qua 8

lỗ thông hơi ở phần đỉnh chóp của bồn

Hình 2.5 Một bồn chứa nhìn từ bên ngoài, với các lỗ thông hơi hình tam giác

Từ đây, chất lỏng chảy xuống gờ chắn bao xung quanh bồn và được hòa trộn nhẹ, trước khi chảy tràn xuống dưới Tuy nhiên, lưu lượng chảy qua các lỗ thông hơi này là rất lớn nên dòng chảy gần như là chảy rối Chính vì vậy, những va chạm với gờ chắn hay sau đó

là va chạm với giàn chống gió (wind girder) càng làm nhiều giọt lỏng bị văng ra hơn, gia tăng bán kính bị ảnh hưởng xung quanh bồn

Hình 2.6 Cách dòng chảy rối tràn ra khỏi bồn và xối xuống đất

Những dòng chất lỏng này khi rơi xuống đất bắt đầu bốc hơi, cùng với một phần lỏng bị lôi cuốn theo đã tạo nên đám mây hơi nguy hiểm

sử dụng n-butane, n-pentane, n-hexane và n-decane để lần lượt đại diện cho các

hydrocarbon có 4 carbon, 5 carbon, 6 carbon và các hydrocarbon nặng

Thành phần của dòng nạp vào bồn được thể hiện qua bảng sau:

Theo đó, thành phần của đám mây hơi và các giới hạn cháy cũng được xác định như sau:

1 Khi tốc độ tràn chất lỏng là 550 m3/h, ứng với khi đường ống sang công ty BPA chưa

bị khóa:

Bảng 2.2 Thành phần của đám mây hơi khi lưu lượng tràn là 550 m3/h

Nhóm Đại diện Thành phần (wt%) Phần mol (mol%) LFL (mol%) UFL

Như vậy, nồng độ hỗn hợp 6,8% với không khí đang nằm trọn vẹn trong vùng cháy

2 Khi tốc độ tràn chất lỏng là 890 m3/h, ứng với khi đường ống sang công ty BPA được khóa lại (trong vòng 7 phút trước khi vụ nổ xảy ra):

Bảng 2.3 Thành phần của đám mây hơi khi lưu lượng tràn là 890 m3/h

Nhóm Đại diện Thành phần (wt%) Phần mol (mol%) LFL (mol%) UFL

ô tô cũng có thể trở thành nguồn kích nổ

2.5 Hậu quả của sự cố

Vụ nổ tại kho chứa dầu Buncefield đã tạo ra áp suất quá áp vượt quá những gì mà mô hình

về vụ nổ do đám mây hơi tự do (unconfined vapor-cloud explosion – UVCE) Cụ thể, mô hình UVCE dự đoán áp suất quá áp chỉ vào khoảng 20 – 50 mbar, tuy nhiên thực tế áp suất quá áp có thể lên đến 700 – 1000 mbar để tương xứng với mức độ thiệt hại gây ra

2.5.1 Hậu quả về người

Không có hậu quả về người, cũng không có ai bị thương nặng Phần lớn trong số 43 người

bị thương là do mảnh vỡ của cửa kính gây nên Tất cả 10 người tại công ty nơi vụ nổ xảy

ra đều an toàn

2.5.2 Hậu quả về cơ sở vật chất

Hậu quả về cơ sở vật chất nặng nề hơn rất nhiều Trong bán kính 800 m, các cửa sổ, cửa ra vào vỡ nát, bức tường của kho chứa cũng thành đống vụn, những ngôi nhà gần đó bị tốc mái, những chiếc ô tô ở bãi giữ xe thì cháy chỉ còn khung sắt vụn Ở khoảng cách 8 km, một số tòa nhà vẫn phải chịu thiệt hại do vỡ cửa sổ, nứt tường và trần nhà

Bản thân công ty HOSL chịu tổn thất nặng nhất ở khu phía tây (nơi có bồn 912) khi tất cả các kho chứa đều bị phá hủy Phòng điều khiển trung tâm ở cách đó 200 m cũng chịu vài

hư hỏng ở bên trong Các công ty lân cận trong cùng khu vực cũng bị phá hủy một số bồn chứa

2.5.3 Hậu quả về không khí

Một cột khói đen chứa CO, CO2, NO2, VOCs (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi – volatile organic compounds) và PAHs (hợp chất thơm đa vòng – polycyclic aromatic compounds) bốc lên khoảng 300 m đã lan ra đến khu vực phía nam nước Anh, sang đến khu vực Normandy của Pháp và tiến về hướng Tây Ban Nha 2000 người đã phải sơ tán khỏi chỗ ở do lo ngại về chất lượng không khí Tuy nhiên, tình hình không quá nghiêm trọng khi không có ai trong

số những người dân ở khu vực ảnh hưởng hoặc những người lính cứu hỏa được ghi nhận

có vấn đề về sức khỏe Điều này có thể giải thích do cột khói nóng có xu hướng dâng lên rất cao, cùng với điều kiện thiếu mưa trong những ngày đám cháy xảy ra, giúp giảm nồng

độ khói cũng như sự tích tụ các sản phẩm cháy ở tầm thấp, nơi con người chủ yếu hoạt động

Hình 2.7 Hình ảnh cột khói nhìn rõ từ vệ tinh

Tuy nhiên, các báo cáo cho biết vụ cháy nổ đã giải phóng lượng bụi mịn PM10 (8000 tấn)

và PM2.5 (5000 tấn) chiếm đến 6% tổng lượng phát thải hàng năm của Vương quốc Anh

2.5.4 Hậu quả về môi trường

Phần nhiên liệu tràn ra cùng với khói cứu hỏa có thể đã hòa vào nước, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra xung quanh khu vực Buncefield chứ ít ảnh hưởng đến mạch nước ngầm Ngoài

ra, nguồn đất và cây cối cũng ít bị ảnh hưởng do khu vực bị ảnh hưởng quá rộng lớn, góp phần pha loãng nồng độ các chất trong khói

2.6 Công tác khắc phục hậu quả sự cố

Đám cháy trở nên dữ dội nhất vào trưa ngày 12 tháng 12 năm 2005 Khoảng 1000 lính cứu

hỏa của hạt Hertfordshire và các nơi khác trên nước Anh đã phải làm việc hết công suất để

dập tắt đám cháy lớn nhất trong vòng 32 giờ từ lúc bắt đầu vụ nổ Một vài đám cháy nhỏ

vẫn còn duy trì vào sáng ngày 13 tháng 12, và trong vài ngày sau đó một vụ cháy nhỏ nữa

lại xảy ra nhưng nó đã được dập tắt nhẹ nhàng Vào ngày 15 tháng 12 năm 2005, tất cả các

đám cháy đã được xử lý xong và công tác dọn dẹp, điều tra nguyên nhân được bắt đầu

Hình 2.8 Công tác dập lửa Bồn đang cháy ở góc phải là bồn 912

3 BÀN LUẬN VÀ LIÊN HỆ THỰC TẾ Ở VIỆT NAM

3.1 Cảnh báo mức

Một số vấn đề sau liên quan đến cảnh báo mức chất lỏng trong bồn khi làm việc với chất lỏng dễ cháy (hoặc tạo hơi dễ cháy) nói riêng và các chất lỏng nói chung

Không xác định được nguy cơ

Trong công nghiệp, mức chất lỏng thường không được quan tâm đúng mức do đây là biến

ít ảnh hưởng, và thường được cho dao dộng trong một khoảng quá rộng Mức chất lỏng cao không phải là mối nguy hại, tuy nhiên hệ quả của chúng khi đặt vào những bồn chứa không thích hợp, dẫn đến việc bị vượt mức (vượt qua hệ số chứa đầy cho phép) hoặc tràn

ra ngoài Đối với những chất lỏng tạo hơi dễ cháy, sự tràn ra ngoài này hình thành đám mây hơi dễ cháy cực kì nguy hiểm

Đánh giá thấp khả năng bị vượt mức

Điều khiển mức là công việc khá dễ dàng nên nhiều nhóm thường không lưu tâm đúng mức Tuy nhiên, mức chất lỏng cao thường không dễ để quan sát và thường cần những quy trình start-up đặc thù Đó là thời gian nạp thường khá lâu và trong thời gian đó, valve xả phải được khóa và điều chỉnh bằng tay Chính thời gian lên đến hàng phút hoặc hàng giờ như vậy dễ dẫn đến sự chểnh mảng, thiếu sát sao và dẫn đến bị vượt mức

Không có giới hạn an toàn rõ ràng

Giới hạn an toàn khi nạp cần phải được xác định rõ dựa trên mức xảy ra tai nạn, thiết bị

đo, tốc độ nạp và thời gian nạp đến mức an toàn Trong đó, giới hạn an toàn cần phải đảm bảo thời gian tối thiểu để xử lý sự cố khi có vượt mức xảy ra, trong lúc đó chất lỏng trong bồn chứa vẫn chưa đạt đến mức xảy ra tai nạn

Từ đó, Summers và Hearn đưa ra các biện pháp để tránh vượt mức:

- Luôn để ý đến sự vượt mức

- Xác định rõ các nguy cơ có thể xảy ra tại thiết bị chứa

- Xác định giới hạn an toàn