苯槽罐車泄漏場景模擬及風(fēng)險分析

孫 浩，王小金，蘇艷貞，董婉婉

（洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023）

0 引言

苯是一種重要的化工材料，具有易揮發(fā)、易燃易爆、有毒有害的理化特點。 苯一旦發(fā)生泄漏，就容易造成人群中毒和現(xiàn)場火災(zāi)、爆炸等事故。苯槽罐車是運輸苯類危險化學(xué)品的主要工具，近年來，罐車泄漏事故數(shù)量呈上升趨勢， 且在處理此類事故時缺少現(xiàn)場操作規(guī)程和應(yīng)急決策辦法。 事故后果模擬軟件（Areal Locations of Hazardous Atmospheres， 簡 稱ALOHA）是由美國環(huán)境保護署、化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室等機構(gòu)共同開發(fā)的， 該軟件集成了流體力學(xué)及多種擴散數(shù)學(xué)模型， 可用于化學(xué)品泄漏輔助應(yīng)急分析。 筆者試運用ALOHA 軟件對苯槽罐車泄漏后果進行模擬并進行風(fēng)險分析， 以期為消防救援及事故處理提供幫助。

1 苯泄漏事故特點

1.1 毒性強、危害大

苯是一種碳?xì)浠衔?，在常溫常壓下，是一種無色透明的液體，并帶有強烈芳香氣味［1］，沸點為80.1℃，易揮發(fā)，其蒸氣比空氣重，能沿風(fēng)向擴散到下游低洼處并聚集。 苯具有很強的毒性，可通過呼吸道及消化道進入人體，對中樞神經(jīng)產(chǎn)生損害，引起急性中毒；長期接觸苯類危害物品，可損傷人體造血系統(tǒng)，導(dǎo)致造血功能紊亂，引發(fā)白血病［2］；皮膚接觸苯后，會導(dǎo)致脫脂、皸裂等炎癥的發(fā)生。目前，國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)將苯確定為致癌物質(zhì)，是引起職業(yè)性腫瘤的物質(zhì)之一［3］。

1.2 點燃后釋放毒素

苯閃點為10～12 ℃，燃點為56.2 ℃，熱值為4×107J／kg，屬于閃點易燃液體［1］。 苯被點燃后，會迅速猛烈地燃燒，并放出大量的熱量。 苯在燃燒過程中，通常為不完全燃燒， 會產(chǎn)生一氧化碳等有毒有害物質(zhì)，造成人員傷亡。

1.3 滅火后的污水易污染環(huán)境

處置苯火災(zāi)事故時，常用水冷卻、泡沫滅火，產(chǎn)生的污水中含大量有毒有害物質(zhì)。 污水經(jīng)地表流入江湖、河流中，易造成環(huán)境污染［4］。

1.4 易引發(fā)爆炸事故

苯發(fā)生泄漏后，汽化速度快，如果沒有被點燃，能迅速擴散到空氣中， 與空氣形成爆炸性混合物［1］。苯在空氣中的爆炸極限為1.4%～8.0%， 點火能僅為0.2 mJ，遇明火、電火花等熱源，就可能會導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸的危險。

2 事故模擬

2.1 參數(shù)模擬

某焦化廠運輸苯的槽罐車發(fā)生交通事故（槽罐車參數(shù)如表1 所示），槽罐車側(cè)翻，罐體與護欄發(fā)生劇烈摩擦，罐體結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，導(dǎo)致苯連續(xù)泄漏，泄漏裂縫為有限孔（孔直徑約為15 cm），泄漏過程中未發(fā)生擴展。 此次泄漏點的下風(fēng)口處有村莊和工廠，所以泄漏點為環(huán)境敏感點。本文應(yīng)用ALOHA 軟件對苯罐車泄漏后的擴散場景（毒氣蒸氣云）、火災(zāi)場景（閃火、噴射火、火球或池火）和爆炸場景（蒸氣云爆炸）進行模擬，事故環(huán)境參數(shù)如表2 所示。

表1 苯槽罐車參數(shù)Tab.1 Parameters of Benzene tank truck

表2 苯儲罐基本模擬參數(shù)Tab.2 Basic simulation parameters of Benzene tank

2.2 ALOHA 事故后果模擬

根據(jù)苯槽罐車泄漏的情況，本文對泄漏后未點燃（擴散場景）、泄漏后點燃發(fā)生火災(zāi)（火災(zāi)場景）和泄漏后延時點燃發(fā)生蒸氣云爆炸（爆炸場景）3 種災(zāi)害場景進行模擬。泄漏后未點燃場景是模擬發(fā)生泄漏事故后60 min 時苯蒸氣擴散的范圍及毒害區(qū)域； 泄漏后點燃發(fā)生火災(zāi)場景是模擬泄漏后苯發(fā)生火球燃燒釋放熱量造成的熱輻射區(qū)域；泄漏后延時點燃發(fā)生蒸氣云爆炸場景是模擬泄漏后在泄漏點附近形成蒸氣云團，經(jīng)點燃后發(fā)生蒸氣云爆炸的沖擊波超壓區(qū)域。 經(jīng)過ALOHA 軟件模擬，得到毒氣泄漏擴散區(qū)域圖（如圖1 所示）、火球燃燒熱輻射區(qū)域圖（如圖2 所示）、蒸氣云爆炸沖擊波區(qū)域圖（如圖3 所示）。

圖1 苯泄漏擴散區(qū)域圖Fig.1 Area of Benzene leakage and diffusion

圖2 燃燒熱輻射區(qū)域圖Fig.2 Area of burning thermal radiation

圖3 蒸氣云爆炸沖擊波區(qū)域圖Fig.3 Shock wave area of vapor cloud explosion

根據(jù)事故統(tǒng)計和模擬結(jié)果，可以得到3 種事故場景發(fā)生的概率及在不同標(biāo)準(zhǔn)下的影響范圍，如表3 所示。 其中， 急性暴露指導(dǎo)水平（Acute Exposure Guideline Levels，簡稱AEGL）是美國環(huán)保署制定的3 種表述人體暴露在毒性氣體中的后果濃度， 每個AEGL 由5 個時間周期（10 min、30 min、60 min、4 h、8 h）構(gòu)成［5］。 本文結(jié)合實際場景和人員疏散時間，選擇泄漏60 min 周期進行分析。 AEGL－1 為不會對人體造成傷害的最大容許濃度；AEGL－2 為可能會對人體造成不可恢復(fù)傷害的濃度闊限值；AEGL－3 為造成人體死亡的闊限值； 蒸氣云爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓分為1.0 psi （約6.895 kPa， 玻璃破碎）、2.0 psi（約24.132 kPa，人體嚴(yán)重?fù)p害）和3.0 psi（約55.158 kPa，建筑物破壞）3 個標(biāo)準(zhǔn)；燃燒產(chǎn)生的熱輻射分為2.0 kw／sqm（暴露60 s 會感覺疼痛）、5.0 kw／sqm（暴露60 s 二度燒傷）和10.0 kw／sqm（暴露60 s 潛在致死損害）3 個標(biāo)準(zhǔn)。

表3 苯罐車泄漏事故風(fēng)險因素和后果Tab.3 Risk factor and consequence of leakage accident of Benzene tank truck

結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS），將模擬結(jié)果分別應(yīng)用于Google Earth 中，得到毒氣泄漏擴散區(qū)域（如4 圖所示）、火球燃燒熱輻射區(qū)域（如圖5 所示）、蒸氣云爆炸沖擊波區(qū)域（如圖6 所示）。

圖4 苯泄漏擴散區(qū)域圖Fig.4 Area of Benzene leakage and diffusion

圖5 燃燒熱輻射區(qū)域圖Fig.5 Area of burning thermal radiation

圖6 蒸氣云爆炸沖擊波區(qū)域圖Fig.6 Explosive shock wave area of vapor cloud explosion

3 計算個人風(fēng)險值

3.1 個體致死概率計算方法

根據(jù)苯泄漏事故后果模擬結(jié)果，計算出場景中某一位置的毒物濃度、熱輻射強度、沖擊波超壓值，進而計算出致死劑量值、概率變量值。概率變量值Y與個體致死概率di之間的關(guān)系如式（1）所示［6－7］。

式中：Y 為概率變量，服從正態(tài)分布，其值可通過概率數(shù)學(xué)模型（表4）獲得。

表4 人體脆弱性模型Tab.4 Human vulnerability model

3.2 個人風(fēng)險值的計算

單一危險源下的個人風(fēng)險值可由此事故發(fā)生的概率與該位置下的致死概率求得，如式（2）所示。多種危險源下個人風(fēng)險值可用式（3）求得［8－10］。

式中：IR（x，y）為坐標(biāo)（x，y）下的個人風(fēng)險值；fij為坐標(biāo)（x，y） 下第i 個危險中第j 個事故發(fā)生的概率；dij（x，y）為坐標(biāo)（x，y）下第i 個危險中第j 個事故致死概率。

為便于風(fēng)險值計算，應(yīng)對事故區(qū)域進行網(wǎng)格化處理。 根據(jù)影響范圍的大小，將事故區(qū)域劃分為50 m×50 m 的正方形網(wǎng)格。 先分別計算苯槽罐車泄漏3 種事故場景下網(wǎng)格中心點的暴露劑量值，然后對各事故風(fēng)險值進行求和。應(yīng)用美國Golden Software 公司開發(fā)的一款以繪制三維圖和等高線為主的Surfer 軟件，繪制出個人風(fēng)險等值線。結(jié)合Google Earth，將個人風(fēng)險值分別顯示在地圖上，結(jié)果如圖7～圖9 所示。

4 風(fēng)險分析及應(yīng)急處理

4.1 風(fēng)險分析

圖7 苯泄漏擴散的個人風(fēng)險值等高線Fig.7 Personal risk value contour of Benzene leakage and diffusion

圖8 燃燒熱輻射個人風(fēng)險值等高線Fig.8 Personal risk value contour of burning thermal radiation

圖9 蒸氣云爆炸個人風(fēng)險值等高線Fig.9 Personal risk value contour of vapor cloud explosion

通過模擬計算得到個人風(fēng)險值后，應(yīng)通過合理的風(fēng)險判別指標(biāo)對風(fēng)險水平進行評估，并根據(jù)評估的結(jié)果對事故進行風(fēng)險控制。 目前，我國尚未有權(quán)威部門制訂個人風(fēng)險判別指標(biāo)，國際上通常使用英國HSE 確 定 的ALARP 準(zhǔn) 則 對 風(fēng) 險 進 行 判 別［11］。ALARP 準(zhǔn)則將風(fēng)險劃分為風(fēng)險不可接受區(qū) （IR≥10－4）、風(fēng)險可接受區(qū)（10－6≤IR＜10－4）和風(fēng)險可忽略區(qū)（IR＜10－6）3 個區(qū)域，如圖10 所示。 通過對苯槽罐車泄漏3 種事故場景的個人風(fēng)險值計算疊加可知：事故中心附近的個人風(fēng)險值最高，量級為10－5，屬于風(fēng)險可接受范圍。 因此，不必在此段道路附近設(shè)置相應(yīng)的防護裝置，但應(yīng)制訂詳細(xì)的事故應(yīng)急響應(yīng)措施。

4.2 應(yīng)急處理

雖然在此路段發(fā)生苯槽罐車泄漏事故的個人風(fēng)險值在可接受的范圍內(nèi)，但當(dāng)苯濃度達(dá)到AEGL－1 或沖擊波超壓達(dá)到1.0 psi 或熱輻射強度達(dá)到2 kw／sqm時，暴露在此影響區(qū)域中的人體會明顯感到刺激和不適；當(dāng)苯濃度達(dá)到AEGL－2 或沖擊波超壓達(dá)到2.0 psi或熱輻射強度達(dá)到5 kw／sqm 時， 將嚴(yán)重或永久影響人體健康； 苯濃度超過AEGL－3 或沖擊波超壓達(dá)到3.0 psi 或熱輻射強度達(dá)到10 kw／sqm 時， 會造成生命威脅甚至導(dǎo)致死亡。 此外，苯對人體的影響不僅與濃度還與接觸時間密切相關(guān)。苯在空氣中的濃度與人體接觸時間對人體健康的急性危害如表5 所示。

圖10 英國HSE 的ALARP 準(zhǔn)則Fig.10 ALARP criterion of Britain HSE

表5 不同濃度不同接觸時間下苯對人體的影響Tab.5 Effect of Benzene on human body under different concentration and exposure time

在泄漏事故發(fā)生后、 未能采取有效控制措施前，毒性區(qū)域?qū)⑾蛳掠螖U散，濃度逐步趨于穩(wěn)定。 因此，在事故發(fā)生后，需要立即組織專業(yè)人員對事故下游區(qū)域的人員進行緊急疏散和撤離。 此外，為了防止苯蒸氣爆炸，應(yīng)該對附近可能發(fā)生點燃的熱源進行控制，封閉事故段雙向車道，并且組織人員向上風(fēng)口疏散。

5 結(jié)語

本文在分析苯泄漏事故特點的基礎(chǔ)上，建立了苯槽罐車道路運輸過程中泄漏擴散事故場景、 火球熱輻射事故場景和蒸氣云爆炸事故場景， 并運用ALOHA 軟件對3 種事故場景進行模擬， 然后結(jié)合Google Earth 軟件和GIS 技術(shù)對三種事故場景進行分析， 運用人體脆弱性數(shù)學(xué)模型計算致死概率及個人風(fēng)險值，最后使用Surfer 軟件，繪制出個人風(fēng)險值等高線。 分析結(jié)果基本能夠客觀反映出苯槽罐車泄漏的毒性擴散、 火球熱輻射和沖擊波超壓影響范圍和區(qū)域，能夠反映出事故路段的風(fēng)險大小，為苯槽罐車泄漏事故應(yīng)急救援及敏感地區(qū)道路防護提供依據(jù)和參考。 但文中3 種場景及相關(guān)數(shù)學(xué)模型均建立在理想狀態(tài)的基礎(chǔ)上， 苯槽罐車運輸過程中發(fā)生泄漏事故還需要考慮地形地貌、 周圍植被、 下游地區(qū)環(huán)境、地面阻力等多種因素的影響，故其風(fēng)險區(qū)域還需進一步研究。