某涉氨制冷企業(yè)液氨儲(chǔ)罐泄漏事故的后果分析

周 峰

(無(wú)錫市濱湖區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，江蘇 無(wú)錫 214072)

近年來(lái)，涉氨制冷企業(yè)液氨泄漏事故多發(fā)，教訓(xùn)十分深刻，2013 年8 月31 日，上海翁牌冷藏實(shí)業(yè)有限公司液氨管道發(fā)生泄漏，造成15 人死亡、25 人受傷。液氨屬乙類(lèi)易燃、易爆有毒液體，其危險(xiǎn)性表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是氨屬高毒物品，短時(shí)間(15 min)接觸容許濃度為30 mg/m3，因此，液氨一旦泄漏會(huì)導(dǎo)致人員中毒、窒息死亡，造成嚴(yán)重后果；二是氨氣在空氣中的爆炸極限為15%～28%，遇明火極易燃燒、爆炸。企業(yè)在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、設(shè)備檢修過(guò)程中，液氨儲(chǔ)罐及其管道、閥門(mén)意外破損、爆裂將導(dǎo)致液氨泄漏，液氨迅速蒸發(fā)，呈氣態(tài)大量擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，形成蒸氣云，若不采取安全措施，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸和中毒事故。本文通過(guò)建立液氨儲(chǔ)罐破裂時(shí)的蒸氣云爆炸模型、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸模型和中毒模型，定量地計(jì)算出各類(lèi)傷害半徑，為企業(yè)制定應(yīng)急救援預(yù)案和政府進(jìn)行安全監(jiān)管提供科學(xué)依據(jù)。

1 爆炸與中毒模型

1.1 蒸氣云爆炸模型

液氨儲(chǔ)存在壓力容器（鋼瓶、儲(chǔ)罐）內(nèi)，一旦發(fā)生破裂，會(huì)造成大面積的液氨泄漏，液氨迅速蒸發(fā)，形成蒸氣云，遇到火源則可能發(fā)生蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸時(shí)，產(chǎn)生的大部分能量將形成沖擊波，多數(shù)情況下，沖擊波的破壞作用主要與波陣面上的超壓Δp 的大小有關(guān)，其值直接影響波陣面內(nèi)的設(shè)備、管路及人身安全。本文采用TNT 當(dāng)量法來(lái)預(yù)測(cè)其爆炸嚴(yán)重度，假定參與爆炸的氨氣釋放的能量折合為能釋放相同能力的TNT 炸藥的量，利用TNT 當(dāng)量來(lái)表示氨氣爆炸的威力[1]。

1.1.1 蒸氣云的TNT 當(dāng)量

氨氣的TNT 當(dāng)量WTNT可由下面的公式計(jì)算：

若為地面或者近地面爆炸，爆炸的總能量為實(shí)際的1.8 倍，上述公式轉(zhuǎn)化為：

式中，E 為爆炸產(chǎn)生的總能量，J；α 為蒸氣云當(dāng)量系數(shù)，取α＝0.04；Wf為蒸氣云中可燃?xì)怏w的質(zhì)量，kg；Qf為可燃?xì)怏w的燃燒熱，kJ/kg，取氨氣的Qf=18.59 MJ/kg；QTNT為T(mén)NT 的爆熱，kJ/kg，取QTNT＝4.52 MJ/kg。

1.1.2 死亡區(qū)傷害半徑

死亡區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護(hù)則被認(rèn)為將無(wú)例外地受到嚴(yán)重傷害或死亡，其內(nèi)徑為零，外徑為R1，其計(jì)算公式[2]為：

式中，WTNT為蒸氣云的TNT 當(dāng)量，kg。

1.1.3 重傷區(qū)、輕傷區(qū)傷害半徑

重傷區(qū)的人員如缺少防護(hù)，則絕大多數(shù)人員將遭受?chē)?yán)重傷害，極少數(shù)人可能死亡或受輕傷。其內(nèi)徑就是死亡半徑R1，外徑為R2，其計(jì)算公式[2]為：

式中，E 為爆炸產(chǎn)生的總能量，J；P0為環(huán)境壓力，Pa，取P0=101300 Pa，△P 為引起重傷沖擊波超壓峰值，Pa，取△P=44000 Pa。

輕傷區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護(hù)，則絕大多數(shù)人員將受輕微傷害，少數(shù)人將受重傷或平安無(wú)事，死亡的可能性極小。內(nèi)徑為R2，其外徑為R3，其計(jì)算公式與重傷區(qū)傷害半徑計(jì)算公式相同，其中△P 為引起輕傷沖擊波超壓峰值，Pa，取△P=17000 Pa。

1.2 沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸模型

液氨突然瞬間泄漏時(shí)，遇到火源就會(huì)立即發(fā)生劇烈的燃燒，產(chǎn)生巨大的火球，形成強(qiáng)烈的熱輻射。本文采用火災(zāi)作用下的熱劑量準(zhǔn)則確定人員傷亡的區(qū)域。

1.2.1 火球當(dāng)量半徑R 和持續(xù)時(shí)間t

火球的特征可用國(guó)際勞工組織提出的模型進(jìn)行計(jì)算。

火球半徑的計(jì)算公式：

火球持續(xù)時(shí)間的計(jì)算公式：

式中，W 為火球中消耗的可燃物質(zhì)的質(zhì)量，kg。

1.2.2 死亡、重傷和輕傷熱通量

在熱輻射作用下，目標(biāo)有一定的幾率會(huì)受到傷害，不同的熱通量對(duì)人和財(cái)產(chǎn)的傷害程度不同。下面用在火災(zāi)持續(xù)時(shí)間內(nèi)輻射傷害概率來(lái)表示人體所受的傷害。

死亡熱通量q1:

重傷熱通量q2:

輕傷熱通量q3:

式中，Pr為傷害概率單位，取Pr=5；T 為人體暴露于熱輻射的時(shí)間，s。

1.2.3 死亡、重傷、輕傷半徑

熱輻射的死亡、重傷、輕傷半徑可用目標(biāo)接受的熱通量公式計(jì)算，由下面的公式計(jì)算死亡、重傷、輕傷半徑：

式中，q0為火球表面輻射通量，kW/m2，取q0=270 kW/m2；r 為目標(biāo)到火球中心的距離，m；qr為死亡、重傷、輕傷熱通量，m；R 為火球的最大半徑，m。

1.3 中毒模型

1.3.1 有毒氣體泄漏擴(kuò)散體積

液氨儲(chǔ)罐破裂后，液氨大量泄漏，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力降至大氣壓，處于過(guò)熱狀態(tài)的液氨溫度迅速降至標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)，此時(shí)全部液氨放出的熱量可由下面的公式計(jì)算：

式中，Q 為液氨放出的熱量，kJ；W 為儲(chǔ)罐內(nèi)液氨的質(zhì)量，kg；C 為液氨的比熱，kJ/kg℃,取C=4.6 kJ/kg℃；T 為儲(chǔ)罐內(nèi)液氨溫度，℃，T0為液氨的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)，℃，取T0=-33 ℃。

根據(jù)廣州市綠色建筑空間分布規(guī)劃，將全市總體的綠色建筑發(fā)展指標(biāo)分解，以11個(gè)市轄區(qū)行政邊線為界，統(tǒng)計(jì)各區(qū)對(duì)應(yīng)發(fā)展的綠色建筑面積及占全市綠色建筑總量的指標(biāo)比重，明確各區(qū)發(fā)展綠色建筑的責(zé)任與目標(biāo)，強(qiáng)化責(zé)任支撐。如南沙區(qū)“十三五”期間綠色建筑總面積指標(biāo)約為1100萬(wàn)m2，占全市綠色建筑總量的13%（圖7）。

假設(shè)這些熱量全部用于儲(chǔ)罐內(nèi)的液氨蒸發(fā)，則其蒸發(fā)量可由下面的公式計(jì)算：

式中，W’ 為儲(chǔ)罐內(nèi)液氨蒸發(fā)的質(zhì)量kg；q 為液氨的氣化熱，kJ/kg，取q=1.37×103kJ/kg。

則液氨在沸點(diǎn)下蒸發(fā)為氨氣的體積可由下面的公式計(jì)算：

式中，V 為液氨蒸發(fā)后形成氨氣的體積，m3；M 為氨氣的相對(duì)分子量，取M=17。

1.3.2 有毒氣體泄漏擴(kuò)散半徑

假設(shè)這些有毒空氣以半球形向地面擴(kuò)散，有毒氣體泄漏擴(kuò)散半徑可由下面的公式[3]計(jì)算：

式中，R 為有毒氣體擴(kuò)散半徑，m；W’為儲(chǔ)罐內(nèi)液氨蒸發(fā)的質(zhì)量，kg；CV為有毒氣體在空氣的危險(xiǎn)濃度值，%；CM為質(zhì)量濃度，kg/m3。

2 液氨儲(chǔ)罐泄漏事故后果分析

應(yīng)用實(shí)例：某涉氨制冷企業(yè)的液氨儲(chǔ)罐容積為60 m3，實(shí)際儲(chǔ)存量為3000 kg，儲(chǔ)存壓力為1.0 MPa，儲(chǔ)存溫度為22 ℃，液氨的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-33℃，比熱為4.6 kJ／kg℃，氣化熱為1.37×103kJ／kg，氨的分子量為17。

采用蒸氣云爆炸模型、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸模型與中毒模型計(jì)算得出危害半徑，是考慮液氨全部泄漏后的情況，未考慮風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、地形、濕度等因素的影響。

2.1 蒸氣云爆炸危害半徑計(jì)算

分別取△P=44000 Pa 和△P=17000 Pa，

求解上述方程組，可得重傷區(qū)傷害半徑R2=37.13 m，輕傷區(qū)傷害半徑R3=66.72 m。

2.2 沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸危害半徑的計(jì)算

火球半徑：R=2.9×30001/3=41.83 m

持續(xù)時(shí)間：T=0.45×30001/3=6.493 s

通過(guò)公式Pr=-37.23+2.56 ln（Tq14/3），取Pr=5，解得死亡熱通量q1=58.07 kW/m2;

通過(guò)公式Pr=-43.14+3.019 ln（Tq24/3），取Pr=5，解得重傷熱通量q2=38.43 kW/m2;

通過(guò)公式Pr=-39.83+3.019 ln（Tq34/3），取Pr=5，解得輕傷熱通量q3=16.89 kW/m2;

通過(guò)公式qr=q0R2r（1-0.058 lnr）/（R2+r2）3/2，取q0=270 kW/m2,R=13.02 m，將死亡熱通量q1=58.07 kW/m2，重傷熱通量q2=38.43 kW/m2，輕傷熱通量q3=16.89 kW/m2帶入公式，計(jì)算得出死亡半徑R1=57.25 m，重傷半徑R2=79.83 m，輕傷半徑R3=131.77 m。

2.3 中毒危害半徑的計(jì)算

有關(guān)液氨的毒性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1[4]。

表1 氨氣的危害濃度

為便于計(jì)算，將表中的濃度劃分為3 個(gè)等級(jí)，取100 mg/m3（C1）為輕度危害，500 mg/m3（C2）為中度危害，4000 mg/m3（C3）為重度危害，并假設(shè)在靜風(fēng)條件下，氨氣初始云團(tuán)按半球狀在地面釋放。

液氨蒸發(fā)量為：

擴(kuò)散濃度為100 mg/m3的半徑為：

擴(kuò)散濃度為500 mg/m3的半徑為：

擴(kuò)散濃度為4000 mg/m3的半徑為：

2.4 爆炸和中毒危害區(qū)域的說(shuō)明

液氨儲(chǔ)罐泄漏事故爆炸和中毒危害區(qū)域見(jiàn)表2。

表2 爆炸和中毒危害區(qū)域劃分表

因此，在該液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故進(jìn)行應(yīng)急救援時(shí)，應(yīng)以138.3 m 這個(gè)半徑值作為劃定警戒區(qū)的起始點(diǎn)，并設(shè)置“禁止入內(nèi)”、“此處危險(xiǎn)”的標(biāo)志，進(jìn)行有效的事故救援工作，從而減少由事故引起的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

3 結(jié)論和建議

3.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某涉氨制冷企業(yè)液氨儲(chǔ)罐泄漏事故的后果分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）液氨儲(chǔ)罐發(fā)生蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸和中毒等事故的后果是嚴(yán)重的，能在比較大的區(qū)域內(nèi)造成人員傷害。

（2）通過(guò)計(jì)算，沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸事故和中毒的后果相當(dāng)嚴(yán)重，需要特別防范液氨儲(chǔ)罐發(fā)生此類(lèi)事故。

（3）蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸型和中毒模型不僅可以預(yù)測(cè)事故發(fā)生時(shí)事故后果的影響范圍，其計(jì)算結(jié)果還可以為企業(yè)制定事故應(yīng)急救援預(yù)案提供參考，為安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門(mén)在事故情況下采取應(yīng)急救援措施提供參考和依據(jù)。

3.2 建議

（1）企業(yè)應(yīng)在液氨儲(chǔ)罐區(qū)合理設(shè)置氣體泄漏檢查系統(tǒng)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)有害氣體泄漏，并定期進(jìn)行維護(hù)，確保系統(tǒng)有效運(yùn)行。

（2）企業(yè)應(yīng)在液氨儲(chǔ)罐區(qū)配備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)，確保其在安全范圍內(nèi)，防止?jié)撛诘奈ｋU(xiǎn)情況發(fā)展為事故。

（3）企業(yè)應(yīng)制定相應(yīng)的事故應(yīng)急預(yù)案，并經(jīng)常演練，保證各類(lèi)應(yīng)急措施在事故發(fā)生時(shí)能有效實(shí)施。

[1]陳網(wǎng)樺，彭金華，胡毅亭.爆炸動(dòng)力學(xué)講義[M].南京：南京理工大學(xué)，2005：119-124.

[2]宇德明，馮長(zhǎng)根，曾慶軒，等.爆炸的破壞作用與傷害分區(qū)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1995（5）：35-39.

[3]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.安全評(píng)價(jià)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002：207-211.

[4]王瑩，顧祖維，張勝年，等.現(xiàn)代職業(yè)醫(yī)學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，1996：642-645.