環(huán)境多米諾效應(yīng)概念及其實例研究

孫佳佳

（江蘇省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，江蘇 南京 210042）

近幾年，隨著國家推進(jìn)企業(yè)入園進(jìn)區(qū)，企業(yè)分布呈現(xiàn)區(qū)域集中式，更加規(guī)?；图谢?。但也正因如此，園區(qū)企業(yè)密度增加，企業(yè)的突發(fā)事故更容易對本企業(yè)和周邊企業(yè)產(chǎn)生聯(lián)鎖事故，發(fā)生特大安全事故，從而引發(fā)特大突發(fā)性環(huán)境污染事件。2013年8月13日天津港爆炸事故正是由于硝化棉燃燒引發(fā)的硝酸銨等129種危險化學(xué)物質(zhì)的聯(lián)鎖爆炸事故，對局部區(qū)域的大氣環(huán)境、水環(huán)境和土壤環(huán)境造成了不同程度的污染[1]。一些學(xué)者曾經(jīng)提出突發(fā)性事故的多米諾效應(yīng)，但在目前的環(huán)境風(fēng)險評價中，多米諾效應(yīng)很少被提及，處于被忽視的地位。本文通過石化倉儲企業(yè)的安全及環(huán)境特點(diǎn)，探討環(huán)境風(fēng)險多米諾效應(yīng)的實際應(yīng)用，希望對環(huán)境風(fēng)險評價工作提出有益的幫助。

1 環(huán)境多米諾效應(yīng)

1.1 環(huán)境多米諾效應(yīng)概念

Cozzanid等在2005年對相關(guān)的文獻(xiàn)做過詳細(xì)的總結(jié)，提出相對完整的多米諾效應(yīng)的定義，即由初始時間發(fā)生，引發(fā)鄰近一個或多個設(shè)備發(fā)生事故，從而導(dǎo)致總事故后果比初始事故后果更加嚴(yán)重的現(xiàn)象為多米諾效應(yīng)[2]。

在化工企業(yè)或石化倉儲企業(yè)中，若一個工藝或存儲設(shè)備、單元發(fā)生事故時，可能會伴隨其它工藝或存儲設(shè)備、單元的破壞，從而引發(fā)二次、三次甚至更為嚴(yán)重的事故。當(dāng)突發(fā)性事故多米諾事故對環(huán)境產(chǎn)生危害時，即為環(huán)境風(fēng)險多米諾事故。

環(huán)境風(fēng)險多米諾效應(yīng)是指一定區(qū)域內(nèi)存在多個環(huán)境風(fēng)險源，由某些風(fēng)險因素影響引發(fā)初始事故，當(dāng)初始事故釋放足夠能量或物質(zhì)后，與外界環(huán)境因素共同作用，使鄰近的環(huán)境風(fēng)險源受到影響而發(fā)生事故，兩個或多個環(huán)境風(fēng)險事故相互作用，連鎖發(fā)生，造成有毒有害物質(zhì)大量進(jìn)入周圍環(huán)境。

1.2 多米諾效應(yīng)發(fā)生條件

一般來說，多米諾事故的發(fā)生必須具備以下條件。

（1）距離條件：初始事故的影響范圍內(nèi)需存在敏感單元；

（2）能量條件：初始事故的破壞效應(yīng)，即能量足夠大能夠?qū)е掠绊懛秶鷥?nèi)的敏感單元被破壞；

（3）概率條件：初始事故以及所引發(fā)的二次事故的發(fā)生破壞概率應(yīng)當(dāng)足夠大，即為可能發(fā)生事故。

當(dāng)上述三個條件同時滿足時，才會觸發(fā)多米諾效應(yīng)。

1.3 多米諾效應(yīng)作用機(jī)理及閾值研究

觸發(fā)多米諾效應(yīng)的事故主要有三種形式，分別為泄露、火災(zāi)及爆炸。其中泄露引發(fā)的機(jī)理主要為有毒有害物質(zhì)泄漏導(dǎo)致操作人員中毒，使操作人員神志不清，現(xiàn)場設(shè)備無人看管等情況，從而無法進(jìn)行正常操作，引發(fā)多米諾效應(yīng)。由于該情況主觀因素較大，無法進(jìn)行定量判定，故本文重點(diǎn)分析火災(zāi)及爆炸這兩種形式。

1.3.1 火災(zāi)機(jī)理及閾值研究

火災(zāi)一般分為池火和火球兩種事故類型。造成多米諾事故一般有兩種方式：一是火焰直接接觸，二是熱輻射造成設(shè)備失效。

池火是易燃液體泄露，在地面形成液池，液池被點(diǎn)燃形成火災(zāi)。當(dāng)形成的池火完全包圍目標(biāo)設(shè)備，與設(shè)備直接接觸時，較易引發(fā)多米諾事故。當(dāng)池火距離目標(biāo)設(shè)備存在一定距離，無法直接接觸目標(biāo)設(shè)備時，可能會通過熱輻射破壞目標(biāo)設(shè)備。

熱輻射造成設(shè)備失效需要兩個條件：熱輻射通量和時間。Valerio Cozzani等研究人員考慮目標(biāo)設(shè)備類型和火災(zāi)持續(xù)時間，對熱輻射的多米諾效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對比分析，總結(jié)出若火災(zāi)持續(xù)時間在10 min以上，對于常壓容器的破壞閾值為15 kW/m2，高壓容器破壞閾值為50 kW/m2[3]。

1.3.2 爆炸機(jī)理及閾值研究

當(dāng)企業(yè)發(fā)生蒸汽云爆炸或沸騰液體擴(kuò)散蒸汽爆炸（BLEVE）事故時，會產(chǎn)生沖擊波及拋射碎片等能量載體。這些能量載體與目標(biāo)設(shè)備相互作用，可能造成目標(biāo)設(shè)備的破壞。

沖擊波破壞效應(yīng)可根據(jù)沖擊波超壓破壞閾值進(jìn)行定量評估。Valerio Cozzani和Ernesto Salzano[3]兩位學(xué)者在經(jīng)過文獻(xiàn)資料分析比較的基礎(chǔ)上，對超壓引發(fā)多米諾效應(yīng)進(jìn)行研究。他們將設(shè)備分為常壓容器、壓力容器、加長容器、小容器四類，并針對不同容器確定破壞閾值。具體見表1。

表1 超壓破壞閾值

并且，爆炸產(chǎn)生的拋射物也同樣能引發(fā)多米諾效應(yīng)，李驍驊[4]對液化石油氣儲罐爆炸產(chǎn)生的碎片的破壞作用進(jìn)行了研究，拋射物引發(fā)多米諾效應(yīng)的參數(shù)包括穿透厚度、沖擊能、碰撞概率，研究中表明常見的拋射物拋射距離閾值為300 m。

1.4 多米諾環(huán)境風(fēng)險計算

1.4.1 泄露污染源計算

當(dāng)物料以液體形式泄漏到地面形成液池，在液池表面氣流運(yùn)動作用下發(fā)生質(zhì)量蒸發(fā)現(xiàn)象，從而擴(kuò)散進(jìn)入大氣。

根據(jù)《環(huán)境風(fēng)險評價導(dǎo)則》1附錄A.2[5]，液體質(zhì)量蒸發(fā)速率可以由下式計算得出：

式中：MW—質(zhì)量蒸發(fā)速率，kg/s；

a，n—大氣穩(wěn)定度系數(shù)；

Ps—液體表面蒸汽壓，Pa；

M—物質(zhì)摩爾質(zhì)量，g/mol；

R—通用氣體系數(shù)，J/（mol·k）；

Ta—周圍環(huán)境溫度，K；

u—風(fēng)速，m/s；

r—液池半徑，m。

表2 大氣穩(wěn)定度系數(shù)取值

1.4.2 影響預(yù)測模型

采用多煙團(tuán)模式，計算公式：

式中：C（x，y，o）：下風(fēng)向地面（x，y）坐標(biāo)處的空氣中污染物濃度，mg/m3；

x0，y0，z0：煙團(tuán)中心坐標(biāo)；

Q：事故期間煙團(tuán)的排放量；

σx，σy，σz：為 x、y、z方向的擴(kuò)散參數(shù)，m。 常取σx=σy；

對于瞬時或短時間事故，可采用下述變天條件下多煙團(tuán)模式：

Q'： 煙團(tuán)排放量 （mg），Q'=Q·Δt為釋放率，mg/s； Δt為時段長度，s；

σx,eff，σy,eff，σz,eff：煙團(tuán)在 w 時段沿 x、y 和 z方向的等效擴(kuò)散參數(shù)（m），可由下式估算：

各個煙團(tuán)對某個關(guān)心點(diǎn)t小時的濃度貢獻(xiàn)，按下式計算：

式中：n為需要跟蹤的煙團(tuán)數(shù)，可由下式確定：

式中，f為小于1的系數(shù)，可根據(jù)計算要求確定。

2 案例研究

2.1 某公司基本情況

某石化倉儲企業(yè)位于東部沿海，企業(yè)建有38座地上立式鋼制儲罐，總罐容19.15×104m3，分為四個罐組，1號（9座儲罐）及2號罐組（12座儲罐）存儲易燃易爆液體，3號罐組（5座儲罐）存儲液化烴，4號罐組（12座儲罐）存儲有毒且易燃液體。

企業(yè)位于園區(qū)，周邊500 m范圍內(nèi)無居民；東側(cè)為倉儲企業(yè)B，該企業(yè)儲罐中距評價企業(yè)儲罐最近為147 m，南側(cè)70 m為海域。

2.2 事故的風(fēng)險源強(qiáng)

企業(yè)4個罐組的38座儲罐中，3號罐組主要存儲丁二烯、丙烯、環(huán)氧丙烷，為甲A類液化烴及閃點(diǎn)極低的甲B類易燃液體；4號罐組存儲苯及丙烯腈，屬于高毒化學(xué)品。相對1號及2號存儲甲B類易燃液體罐組，3號及4號罐組的危險性較大，且3號及4號罐組相鄰，較易發(fā)生多米諾事故，因此，本文選擇3號及4號罐組的儲罐進(jìn)行風(fēng)險源強(qiáng)分析。企業(yè)源強(qiáng)見表3，布置圖見圖1。

表3 企業(yè)源強(qiáng)表

圖1 庫區(qū)3號及4號罐組平面布置圖

2.3 風(fēng)險計算

2.3.1 火災(zāi)爆炸風(fēng)險多米諾影響分析

根據(jù)企業(yè)源強(qiáng)及位置進(jìn)行火災(zāi)爆炸風(fēng)險計算，計算模型如下。

2.3.1.1 蒸汽云爆炸計算模型

根據(jù) 《安全評價員實用手冊》第235頁8.2.2.3易燃?xì)怏w、液體泄漏蒸氣云爆炸事故模擬分析與評價（1）①中的計算公式。

①WTNT=αWfQf/QTNT

式中：WTNT——蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg

a——蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)

Wf——蒸氣云爆炸中燃燒的總質(zhì)量，kg

Qf——物質(zhì)的燃燒熱，kJ/kg

QTNT——TNT的爆熱，kJ/kg

②N=WTNT/M

式中：N——蒸氣云的TNT摩爾量，mol

M——TNT的分子量，kg

（2）具有可燃性的化學(xué)品燃燒后放出的熱量計算公式

Q=QfW

式中：Q—物質(zhì)燃燒后放出的熱量，kJ

Qf—物質(zhì)的燃燒熱，kJ/kg

W—物質(zhì)的質(zhì)量，kg

2.3.1.2 池火災(zāi)模擬計算

（1）確定火焰高度

計算池火焰高度的經(jīng)驗公式如下：

式中：L 為火焰高度（m），D 為池直徑（m），為燃燒速率（kg/m2·s），ρ0為空氣密度（kg/m3），g 為引力常數(shù)。

（2）計算火焰表面熱通量

假定能量由圓柱形火焰?zhèn)让婧晚棽肯蛑車鶆蜉椛?，用下式計算火焰表面的熱通量?/p>

式中：q0——為火焰表面的熱通量，kw/m2；

△Hc——為燃燒熱，kJ/kg；

π——為圓周率；

f——為熱輻射系數(shù)（可取為0.15）；

mf——為燃燒速率，kg/（m2·s），其它符號同前。

（3）目標(biāo)接收到的熱通量的計算

目標(biāo)接收到的熱通量q（r）的計算公式為：

式中：q （r）為目標(biāo)接收到的熱通量（kw/m2），q0為由式（3）計算的火焰表面的熱通量（kw/m2），r為目標(biāo)到油區(qū)中心的水平距離 （m），V為視角泵數(shù)。

根據(jù)企業(yè)庫區(qū)存儲物質(zhì)的特點(diǎn)，應(yīng)用中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院定量風(fēng)險評估軟件對庫區(qū)的火災(zāi)爆炸進(jìn)行預(yù)測計算，給出風(fēng)險源多米諾事故影響范圍，具體見表4。

表4 多米諾事故影響半徑

通過表4可以看出，存儲丁二烯、丙烯的301、302、303、304儲罐管道破裂或容器破裂時會引發(fā)云爆，多米諾影響半徑在55 m以上；存儲苯的 401、402、406、407、408、409 儲罐管道破裂或容器破裂時會引發(fā)池火事故，多米諾影響半徑在20 m以上。3號罐組、4號罐組內(nèi)相鄰儲罐均在多米諾半徑范圍內(nèi)；3號罐組發(fā)生爆炸事故時也會影響到4號罐組。

從物質(zhì)毒性分析，3號罐組內(nèi)存放丙烯、丁二烯等液化烴類物質(zhì)，泄露爆炸后產(chǎn)生的氣體為CO、CO2、非甲烷甲烴等，物質(zhì)的毒性較?。?號罐組中存放的均為高毒物質(zhì)，泄露后對環(huán)境有較大危害。企業(yè)在生產(chǎn)過程中采取火災(zāi)報警、緊急切斷、降溫噴淋等一系列的風(fēng)險控制及應(yīng)急措施，儲罐發(fā)生二次、三次多米諾事故的概率極低，因此，本文主要分析對環(huán)境的危害性，選擇毒性較高、容量較大的402號苯儲罐發(fā)生池火事故產(chǎn)生的多米諾效應(yīng)對環(huán)境產(chǎn)生的影響。

2.3.2 多米諾事故環(huán)境風(fēng)險影響分析

402號苯儲罐發(fā)生容器整體破裂或管道完全破裂事故時，會發(fā)生池火事故，多米諾影響半徑在32 m，東側(cè)的401號苯儲罐、西側(cè)的403號丙烯腈儲罐、南側(cè)的407、408、409號苯儲罐均在其影響范圍內(nèi)。因多米諾影響半徑內(nèi)儲罐是否發(fā)生事故受風(fēng)向、儲罐類型、儲罐安全裝置穩(wěn)定性等多方面因素影響，影響范圍內(nèi)的儲罐均發(fā)生事故的可能性極低，因此選擇影響范圍內(nèi)毒性最大的403號丙烯腈儲罐發(fā)生事故進(jìn)行預(yù)測。

根據(jù)泄露液體形成的液池面積、表面風(fēng)速、環(huán)境溫度、大氣穩(wěn)定度，物質(zhì)飽和蒸汽壓、摩爾質(zhì)量等參數(shù)，計算泄露的苯及丙烯腈的質(zhì)量蒸發(fā)速率，根據(jù)質(zhì)量蒸發(fā)速率計算污染物在大氣環(huán)境中的擴(kuò)散情況。

液池面積選取儲罐質(zhì)量蒸發(fā)速率見表5，事故發(fā)生后30 min時污染物下風(fēng)向濃度見圖2及3，超標(biāo)情況見表6。

表5 液體質(zhì)量蒸發(fā)計算結(jié)果

圖2 苯（30 min）下風(fēng)向濃度分布

圖3 丙烯腈（30 min）下風(fēng)向濃度分布

表6 污染物下風(fēng)向超標(biāo)情況

從圖2、圖3及表6的可以看出，污染物對下風(fēng)向的影響較大，最大落地濃度均超過半致死濃度數(shù)倍至數(shù)十倍，主要原因是本次預(yù)測選取了較為極端的最不利情況，即儲罐完全爆炸，泄露物料均在防火堤內(nèi)，面源高度較低。從預(yù)測結(jié)果可以看出，在E-F穩(wěn)定度條件下對環(huán)境的影響較大，苯的半致死濃度范圍為79.6 m，丙烯腈的半致死濃度范圍為983.7 m。

3 結(jié)論

目前，環(huán)境多米諾效應(yīng)在環(huán)境風(fēng)險評價中處于被忽視的地位，本文提供一個評價思路以供參考。從環(huán)境多米諾的研究現(xiàn)狀來看，缺乏一套系統(tǒng)的事故預(yù)測篩選機(jī)制，如何在可能發(fā)生的多米諾事故中選擇有代表性、實際預(yù)測意義的預(yù)測工況和預(yù)測因子，是我們目前可以研究的方向。建議在今后的研究中，制定一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以篩選具有預(yù)測價值的多米諾事故。