典型化工機(jī)械液氨罐爆炸后果計算與泄漏擴(kuò)散模擬

安廣海

摘 要：分別采用TNT當(dāng)量法、ALOHA模擬法計算典型承壓類化工機(jī)械設(shè)備液氨儲罐爆炸后果危險性、液氨泄漏擴(kuò)散影響范圍，分析氨罐爆炸后對周邊環(huán)境的影響和泄漏波及區(qū)域情況，提出事故應(yīng)急對策措施，為承壓類化工機(jī)械設(shè)備事故應(yīng)急救援與處置提供理論和方法支持。

關(guān)鍵詞：承壓類;化工機(jī)械;氨罐;爆炸危險性;泄漏擴(kuò)散

中圖分類號：X937 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0098-03

0 引言

液氨儲罐承受著較高壓力，屬于承壓類特種設(shè)備，作為一類化工機(jī)械設(shè)備因氨的用途廣泛而在化工生產(chǎn)中得到經(jīng)常性應(yīng)用。對液氨儲罐的危險有害分析，具有典型的現(xiàn)實(shí)意義，因?yàn)榘辈粌H具有火災(zāi)爆炸危險性還具有較強(qiáng)的毒性，液氨儲罐泄漏遵循兩相流模型，不僅有壓縮后液體還有氣化后的氣體，為此本文試圖通過計算液氨儲罐爆炸后果危險性和氨泄漏擴(kuò)散分析，深入發(fā)掘和辨識承壓類化工機(jī)械設(shè)備危險有害因素，從而采取有針對性防范措施，將其風(fēng)險控制到可接受程度，以做到防患于未然。

1 氨罐參數(shù)

選取1臺單罐容積為80m3的臥式液氨儲罐為計算對象，直徑4m，長度6.37m，充裝系數(shù)為85%，液氨密度為0.617t/m3。液氨儲存量為80×85%×0.617=42t。

2 TNT當(dāng)量法爆炸后果計算

2.1 TNT當(dāng)量法爆炸模型

2.1.1 容器爆破能量計算

當(dāng)壓力容器中介質(zhì)為壓縮氣體，即以氣態(tài)形式存在而發(fā)生物理爆炸時，其釋放的爆破能量為：

式中Eg：氣體的爆破能量，kJ;

P：儲罐內(nèi)氣體的絕對壓力，MPa;

V：儲罐容積，m3;

K：氣體絕熱指數(shù)，液氨為1.32。

2.1.2 爆炸沖擊波的傷害、破壞作用

爆炸沖擊波超壓對人身傷害和對周邊建筑損壞情況見表1和表2。

2.1.3 沖擊波超壓計算

沖擊波的超壓與爆炸中心距離的關(guān)系為：

Δp=∝R-n

式中：Δp—— 沖擊波波陣面上的超壓，MPa;

R—— 距爆炸中心的距離，m;

n—— 衰減系數(shù)。

研究表明，不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時，如果R與R0之比的三次方根相等，則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同，用公式表示為：

若

則Δp=Δp0

式中：R—— 目標(biāo)與爆炸中心的距離，m;

R0—— 目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的相當(dāng)距離，m;

q0—— 基準(zhǔn)炸藥量，TNT，t;

q—— 爆炸時產(chǎn)生沖擊波所消耗的炸藥量，TNT，t;

Δp—— 目標(biāo)處的超壓，MPa;

Δp0—— 基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓，MPa;

α—— 炸藥爆炸試驗(yàn)的模擬比。

上式也可以寫成：Δp（R）=Δp0（R/α）

表3是1t TNT炸藥在空氣中爆炸時所產(chǎn)生的沖擊波超壓。

2.2 爆炸后果計算

2.2.1 液氨儲罐破裂

液氨儲罐發(fā)生爆炸時的爆炸能量Eg：

≈450715kJ

TNT當(dāng)量q=Eg/4500≈91.27kg

爆炸的模擬比α=0.1q1/3=0.1×91.27/3≈3.04

分別計算出超壓Δp0為0.005MPa、0.006MPa、0.015MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.05MPa、0.07MPa、0.10MPa、0.20MPa和0.30MPa時的1tTNT爆炸試驗(yàn)中的相當(dāng)距離R0分別為106m、102m、68m、56m、43m、38m、27m、23m、17m、15m。

根據(jù)液氨儲罐爆炸的模擬比α、表4中的R0值，以及公式R0=R/α，可計算液氨儲罐爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓Δp為0.005MPa、0.006MPa、0.015MPa、0.02MPa、0.03MPa、 0.05MPa、0.07MPa、0.10MPa、0.20MPa和0.30MPa時對應(yīng)的距離R分別為26.5m、25.5m、17m、14m、10.75m、9.5m、6.75m、5.75m、4.25m、3.75m。結(jié)合表1和表2，可知液氨儲罐發(fā)生爆炸時在不同范圍內(nèi)的人員或建筑受到傷害或破壞的程度，具體見表4、表5。

2.2.2 結(jié)果分析

液氨儲罐爆炸可能發(fā)生的事故類型主要為火災(zāi)爆炸，危險等級為Ⅲ級。通過采用爆炸模型進(jìn)行定量評價可知，在一個液氨儲罐發(fā)生物理爆炸的情況下，由于沖擊波的破壞作用，可能導(dǎo)致人員聽覺器官損傷或骨折以上嚴(yán)重程度的傷害半徑為10.75m;導(dǎo)致建筑物磚墻倒塌以上嚴(yán)重程度的破壞半徑為5.75m。因此，在設(shè)計時除應(yīng)確保儲罐與其他建筑物之間的安全距離滿足要求外，重點(diǎn)應(yīng)從源頭上采取措施，防止發(fā)生液氨罐爆炸事故。

3 ALOHA泄漏擴(kuò)散模擬分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

采用ALOHA軟件對液氨泄漏后毒物擴(kuò)散情況進(jìn)行預(yù)測計算。選取某地區(qū)夏季和冬季兩種天氣分別計算。參數(shù)設(shè)置見表6。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》可知，環(huán)境中氨的時間加權(quán)平均容許濃度值為20mg/m3，短時間接觸平均容許濃度值為30mg/m3。模擬結(jié)果如圖1和2所示。

圖中紅線所示橢圓范圍內(nèi)的區(qū)域，氨的濃度>=30mg/m3;黃色區(qū)域氨的濃度介于20mg/m3和30mg/m3之間;黃色區(qū)域以外的區(qū)域，氨的濃度<20mg/m3。

當(dāng)泄漏發(fā)生在夏季，風(fēng)速取值2.8m/s時，時間加權(quán)平均容許濃度值>=20mg/m3的點(diǎn)最遠(yuǎn)達(dá)到距泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)2.5km處，短時間接觸平均容許濃度值>=30mg/m3的點(diǎn)最遠(yuǎn)達(dá)到距泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)3.3km處;當(dāng)泄漏發(fā)生在夏季，風(fēng)速取值1m/s時（近似靜風(fēng)條件），時間加權(quán)平均容許濃度值>=20mg/m3的點(diǎn)最遠(yuǎn)達(dá)到距泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)2.9km處，短時間接觸平均容許濃度值>=30mg/m3的點(diǎn)最遠(yuǎn)達(dá)到距泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)3.7km處;當(dāng)泄漏發(fā)生在冬季，風(fēng)速取值4.6m/s時，時間加權(quán)平均容許濃度值>=20mg/m3的點(diǎn)最遠(yuǎn)達(dá)到距泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)730m處，短時間接觸平均容許濃度值>=30mg/m3的點(diǎn)最遠(yuǎn)達(dá)到距泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)907m處;當(dāng)泄漏發(fā)生在冬季，風(fēng)速取值1m/s時（近似靜風(fēng)條件），時間加權(quán)平均容許濃度值>=20mg/m3的點(diǎn)最遠(yuǎn)達(dá)到距泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)1.2km處，短時間接觸平均容許濃度值>=30mg/m3的點(diǎn)最遠(yuǎn)達(dá)到距泄漏點(diǎn)下風(fēng)側(cè)1.5km處。模擬結(jié)果說明，發(fā)生液氨泄漏時，夏季比冬季影響范圍大;靜風(fēng)天氣比有風(fēng)天氣影響范圍大，為此，在液氨儲罐設(shè)計時均設(shè)有遮陽棚和水噴淋系統(tǒng)。

4 結(jié)語

綜上，液氨不僅具有火災(zāi)爆炸危險性還具有毒性，其毒性受外界溫度影響較大，當(dāng)氨罐發(fā)生爆炸或者泄漏事故時，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)急處置，做好人員疏散和救援工作。此外，本文研究成果可供其他承壓類化工機(jī)械設(shè)備危險有害因素分析參考。

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