丁烯球罐泄漏事故后果定量模擬分析

張振宇

（湖南化工設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410007）

1 概述

1-丁烯又名正丁烯，是工業(yè)制丁二烯、異戊二烯和合成橡膠原料之一，還可用于標(biāo)準(zhǔn)氣及配制特種標(biāo)準(zhǔn)混合氣，是重要的基礎(chǔ)化工原料之一。常溫常壓下為無色、可燃性氣體，具有易燃、易爆的危險(xiǎn)特性，具有輕度的麻醉性和刺激性，吸入高濃度1-丁烯，會(huì)感到窒息、昏迷，出現(xiàn)黏膜刺激、血壓稍升高、心率增快，空氣中長時(shí)間接觸以1-丁烯為主的混合性氣體，會(huì)有頭痛、困乏、易激動(dòng)、感到疲倦、渾身無力、智商減退等癥狀。通常為了便于儲存和運(yùn)輸，將其加壓液化后儲存在球形儲罐內(nèi)。一旦儲罐由于操作或腐蝕等原因損壞，1-丁烯泄漏至環(huán)境中，與周圍空氣混合形成爆炸性混合物，如果環(huán)境溫度達(dá)到著火點(diǎn)，則會(huì)引起火災(zāi)和爆炸，爆炸產(chǎn)生的沖擊波破壞和傷害作用極大。根據(jù)以往發(fā)生過的類似事故經(jīng)驗(yàn)[1]，1-丁烯泄漏的主要事故后果是蒸汽云爆炸（UVCE）和沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸（BLEVE）。前者屬于爆炸型，其破壞效應(yīng)主要是沖擊波的超壓—沖量破壞和損傷；后者屬于火災(zāi)型，它能產(chǎn)生巨大火球以向四周輻射熱量是其主要危害。

2 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）和沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果定量模擬過程分析

2.1 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）危害后果計(jì)算模型

蒸汽云爆炸，是指可燃?xì)怏w或可燃液體蒸氣與空氣混合形成以 “預(yù)混云”形式擴(kuò)散遇到點(diǎn)火源引發(fā)火災(zāi)爆炸，蒸汽云爆炸需要滿足兩個(gè)條件：①適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫?；②擴(kuò)散并形成達(dá)到爆炸濃度的足夠大的云團(tuán)。1-丁烯球罐泄漏后，1-丁烯蒸氣與周圍的空氣預(yù)混形成預(yù)混云，遇明火或高熱能就會(huì)引起爆炸。蒸汽云爆炸發(fā)生后的危害主要是爆炸產(chǎn)生高速氣浪對人員、建筑物和生產(chǎn)設(shè)施等的傷害、破壞。蒸汽云爆炸危害后果計(jì)算采用TNT當(dāng)量法[2]。

2.1.1 1-丁烯蒸汽云爆炸TNT當(dāng)量的計(jì)算

假定一定百分比的1-丁烯蒸汽云參與了爆炸，可以用TNT 當(dāng)量WTNT來表示蒸汽云爆炸的后果，計(jì)算公式為：

式中：A為1-丁烯蒸汽云的TNT當(dāng)量系數(shù)，統(tǒng)計(jì)平均值為4%；

WTNT為1-丁烯蒸汽云爆炸的TNT當(dāng)量，kg；

Wf為蒸汽云中1-丁烯的總質(zhì)量，kg；

Qf為1-丁烯的燃燒熱，kJ/kg；

α為地面爆炸系數(shù)，取1.8；

QTNT為TNT的爆熱，取4 520kJ/kg。

2.1.2 1-丁烯蒸汽云爆炸的死亡半徑

1-丁烯發(fā)生蒸汽云爆炸，死亡區(qū)的半徑為死亡半徑，死亡區(qū)內(nèi)人員死亡率為50%，死亡區(qū)內(nèi)徑為零，外半徑記為R0.5，表示外圓周處人員因沖擊波作用導(dǎo)致肺出血而死亡的概率為0.5，它主要取決于參與爆炸的1-丁烯蒸汽云的質(zhì)量大小，即1-丁烯蒸汽云爆炸的TNT當(dāng)量，與爆炸TNT當(dāng)量間的關(guān)系由下式確定：

2.1.3 1-丁烯蒸汽云爆炸的重傷半徑

1-丁烯蒸汽云爆炸的破壞傷害作用主要取決于沖擊波峰值超壓的大小，重傷區(qū)的半徑為重傷半徑，重傷區(qū)內(nèi)徑為死亡區(qū)半徑R0.5，當(dāng)邊界沖擊波峰值超壓Δp0.5為44 000Pa時(shí)，邊界處人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.5，即為重傷外徑，記做Rd0.5。Rd0.5由下列方程式求解：

式中：Rd0.5為人發(fā)生重傷到爆炸源的水平距離，即重傷區(qū)外徑，m；

E為1-丁烯爆炸產(chǎn)生的全部能量，J；

p0為大氣壓力，取101 300Pa。

2.1.4 1-丁烯蒸汽云爆炸的輕傷半徑

1-丁烯蒸汽云爆炸的輕傷區(qū)的半徑為輕傷半徑，輕傷區(qū)內(nèi)徑為重傷區(qū)的外徑Rd0.5，當(dāng)外邊界處沖擊波峰值超壓Δp0.01為17 000Pa時(shí)，邊界處人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.01，即為輕傷外徑，記做Rd0.01。計(jì)算Rd0.01仍用方程式（3）、（4）、（5）進(jìn)行求解。

2.1.5 1-丁烯蒸汽云爆炸的財(cái)產(chǎn)損失半徑

1-丁烯蒸汽云爆炸造成財(cái)產(chǎn)損失的半徑為財(cái)產(chǎn)損失半徑，對于爆炸性破壞，財(cái)產(chǎn)損失半徑R財(cái)?shù)挠?jì)算公式為：

式中：K2為二級破壞系數(shù)，取4.6。

2.2 1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸（BLEVE）危害后果計(jì)算 模型

沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸，是指丁烯因地面池火災(zāi)或者其他火災(zāi)的長時(shí)間烘烤，產(chǎn)生了沸騰液體擴(kuò)散為蒸汽爆炸，產(chǎn)生巨大的火球，造成熱輻射傷害，BLEVE產(chǎn)生的碎片和沖擊波雖然也有一定傷害，但與爆炸產(chǎn)生的火球熱輻射相比，其危害可以忽略。

1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸火球的特征可用國際勞工組織（ILO）建議的沸騰液體擴(kuò)展為蒸汽云爆炸模型[3]來估計(jì)。

2.2.1 1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸火球半徑的計(jì)算

1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸火球半徑R和可燃物質(zhì)1-丁烯質(zhì)量W的立方根成正比，火球半徑的計(jì)算公式為：

式中，1-丁烯為雙罐儲存。W計(jì)算體積值取罐容積的70%（單罐儲存，W取罐容積的50%；對于雙罐儲存，W取罐容積的70%；對于多罐儲存，W取罐容積的90%）

2.2.2 1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸火球持續(xù)時(shí)間計(jì)算

火球的持續(xù)時(shí)間t也和可燃物質(zhì)1-丁烯質(zhì)量W的立方根成正比，火球持續(xù)時(shí)間的計(jì)算公式為：

2.2.3 1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸目標(biāo)接收到的熱輻射通量計(jì)算

當(dāng)r＞R時(shí)，目標(biāo)接收到的熱輻射通量按下式計(jì)算：

式中：q0為火球表面的輻射通量，W/m2。對于柱形罐取270kW/m2；對于球形罐取200kW/m2；r為目標(biāo)到火球中心的水平距離，m。

2.2.4 1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸熱輻射對人員的影響

彼得森（Pietersen）在1990年用如下模型[4]來預(yù)測熱輻射的影響。

皮膚裸露時(shí)的死亡幾率為：

有衣服保護(hù)（20%皮膚裸露）時(shí)，二度燒傷（重傷）幾率為：

有衣服保護(hù)（20%皮膚裸露）時(shí)，一度燒傷（輕傷）幾率為：

式中：q1、q2、q3為人體接收到的熱通量，W/m2；

t為人體暴露于熱輻射的時(shí)間（火球持續(xù)時(shí)間），s；

pr為人員傷害幾率。

2.2.5 1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸財(cái)產(chǎn)燒毀熱通量

式中：q4為財(cái)產(chǎn)燒毀的熱通量，W/m2。

t為財(cái)產(chǎn)暴露于熱輻射的時(shí)間（火球持續(xù)時(shí)間），s。

3 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）和1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果定量計(jì)算

某企業(yè)原料罐區(qū)共有丁烯球罐2臺，容積均為3 000m3，其操作溫度為常溫，操作壓力為0.35MPa。

3.1 蒸汽云爆炸（UVCE）事故后果計(jì)算

若一臺丁烯球罐不慎發(fā)生破裂，其泄漏瞬時(shí)質(zhì)量流率計(jì)算公式[3]如下：

式中：Qm為質(zhì)量流率，kg/s；

p為儲罐內(nèi)壓力，Pa；

p0為環(huán)境壓力，Pa；

C0為液體泄漏系數(shù)，取0.81；

g為重力加速度，9.8m/s2；

A為泄漏孔面積，m2；

ρ為液體密度，kg/m3；

hL為泄漏孔上方液體高度，m。

假設(shè)丁烯球罐出現(xiàn)全口徑泄漏，代表孔徑為200mm，泄漏孔上方液位高度取13.5m，環(huán)境大氣壓取0.1MPa，液體密度取581kg/m3，液體泄漏系數(shù)取0.81，代入公式（14）進(jìn)行計(jì)算，得1-丁烯泄漏質(zhì)量流率為494.69kg/s，取延時(shí)點(diǎn)火時(shí)間為5min，則泄漏量為：

根據(jù)蒸汽云爆炸（UVCE）危害后果計(jì)算模型，計(jì)算得表1：

表1 UVCE計(jì)算結(jié)果

3.2 1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果計(jì)算

根據(jù)1-丁烯沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸（BLEVE）危害后果計(jì)算模型，計(jì)算得表2：

表2 BLEVE模型計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過以上定量模擬分析可知，該企業(yè)原料罐區(qū)1-丁烯球罐一旦全口徑泄漏，如果沒有得到有效控制，發(fā)生蒸汽云爆炸的TNT當(dāng)量為1.145 6×105kg，按照死亡區(qū)半徑、重傷區(qū)半徑、輕傷區(qū)半徑、財(cái)產(chǎn)損失半徑定義，離爆炸中心半徑為78.6m的圓形區(qū)域內(nèi)的50%的人員死亡；離爆炸中心外徑為187.7m，內(nèi)徑為78.6m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，人員大部分重傷；離爆炸中心外徑為337.01m，內(nèi)徑為187.7m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，人員大部分輕傷。財(cái)產(chǎn)損失范圍為半徑222.4m的圓形區(qū)域。

計(jì)算死亡區(qū)半徑、重傷區(qū)半徑、輕傷區(qū)半徑、財(cái)產(chǎn)損失半徑的意義在于：

1）事前事故預(yù)防。已知1-丁烯球罐周邊的人員和財(cái)產(chǎn)分布情況，即可評價(jià)確定人員的傷亡數(shù)和直接財(cái)產(chǎn)損失大小，根據(jù)評價(jià)結(jié)果可以對丁烯球罐周邊的人員分布、設(shè)備設(shè)施布局做出安排，避免事故發(fā)生后造成不必要的傷亡和損失。

2）指導(dǎo)事故應(yīng)急救援。發(fā)生1-丁烯火災(zāi)爆炸事故時(shí)，應(yīng)急救援人員需進(jìn)出事故發(fā)生區(qū)域?qū)嵤┪ｋU(xiǎn)源控制、人員搜救和現(xiàn)場警戒等措施，應(yīng)急指揮部需要在事故現(xiàn)場設(shè)立指揮部，事故涉及人員需要盡快撤離事故發(fā)生區(qū)域，根據(jù)應(yīng)急救援的需要，應(yīng)在事故現(xiàn)場設(shè)置危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)，并隔離危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)，應(yīng)急救援人員由安全區(qū)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)實(shí)施應(yīng)急救援，應(yīng)急救援后由危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)入安全區(qū)，在安全區(qū)進(jìn)行受傷人員和貴重物品的交接并進(jìn)行洗消，應(yīng)急指揮部設(shè)置在安全區(qū)，能夠在及時(shí)掌握事故現(xiàn)場情況的同時(shí)保障指揮部成員安全，事故現(xiàn)場涉及的人員應(yīng)盡快撤離至安全區(qū)，避免事故波及，上述危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)的分界線可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，安全設(shè)置在離爆炸中心至少337.01m以外，從而能夠保證科學(xué)合理地實(shí)施應(yīng)急救援。

如果蒸汽云爆炸事故發(fā)展無法得到控制，2臺1-丁烯球罐連鎖發(fā)生沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸，其火球半徑為390.43m，火球持續(xù)時(shí)間為60.58s，將發(fā)生導(dǎo)致近1 696m半徑范圍內(nèi)人員傷亡的災(zāi)難性后果，這就需要根據(jù)事故事態(tài)發(fā)展進(jìn)一步調(diào)整安全區(qū)的位置。

3）指導(dǎo)化工裝置和儲存設(shè)施周邊用地規(guī)劃。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在進(jìn)行化工裝置和儲存設(shè)施周邊用地規(guī)劃時(shí)，應(yīng)將醫(yī)院、學(xué)校、民宅設(shè)置在合理位置，避免受事故波及；在1-丁烯裝置周邊規(guī)劃工廠時(shí)，也應(yīng)考慮合理的距離，避免1-丁烯球罐發(fā)生火災(zāi)爆炸引起其周邊工廠發(fā)生衍生次生事故，產(chǎn)生多米諾效應(yīng)。