氯乙烯泄漏、蒸氣云爆炸事故模型分析

王 偉，崔 鵬，高燕軍

（陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司化工分公司，陜西 榆林719319）

氯乙烯不僅是一種有毒物， 而且還是易燃易爆物質(zhì)， 如果在工業(yè)生產(chǎn)或存儲(chǔ)中因?yàn)楣芾聿划?dāng)或設(shè)備故障造成氯乙烯泄漏， 可能造成中毒或火災(zāi)爆炸事故。

在對(duì)氯乙烯儲(chǔ)罐的破裂后果計(jì)算中， 主要分析中毒和蒸氣云爆炸， 對(duì)該項(xiàng)目的氯乙烯儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏或爆炸事故進(jìn)行模擬分析， 預(yù)測(cè)氯乙烯儲(chǔ)罐可能發(fā)生的事故后果和影響區(qū)域。

建設(shè)某公司氯乙烯儲(chǔ)罐基本情況：6 臺(tái)VCM 臥式儲(chǔ)罐， 儲(chǔ)罐規(guī)格150 m3， 儲(chǔ)存量130 m3， 重量約120 t（ρ＝0.911 t/m3），操作溫度18 ℃。

1 氯乙烯儲(chǔ)罐破裂后果計(jì)算

如果氯乙烯儲(chǔ)罐在機(jī)械作用（撞擊、打擊）、化學(xué)作用（腐蝕）及壓力作用下發(fā)生破壞，或者因操作人員不正確操作導(dǎo)致氯乙烯泄漏， 并與空氣混合形成有毒氣體云團(tuán)，此氣團(tuán)具有毒性和易燃易爆的性質(zhì)，會(huì)使擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)人員中毒。

1.1 有毒液化氣體容器破裂時(shí)的毒害區(qū)預(yù)測(cè)

毒性液化氣體容器破裂時(shí)會(huì)泄漏出大量的氣體，在沒(méi)有遇到火源時(shí)會(huì)造成大面積的毒害區(qū)域。

在容器破裂時(shí)， 罐內(nèi)壓力降至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下沸點(diǎn)t0，則其蒸發(fā)量W′為：W′＝WC（t-t0）/q

式中：W′—蒸發(fā)的氣體質(zhì)量，kg；

W—液化氣體質(zhì)量，kg；

C—液體平均比熱，kJ/（kg·℃）；

t—容器破裂前介質(zhì)溫度，℃；

t0—物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)，℃；

q—液體的汽化熱，kJ/kg。

蒸發(fā)后產(chǎn)生的蒸氣體積Vg為：

若已知有毒物質(zhì)的危險(xiǎn)濃度， 則可求出其在危險(xiǎn)濃度下的有毒空氣體積為：V＝Vg/C′

假設(shè)這些有毒空氣以半球型向地面擴(kuò)散， 可以求出該有毒氣體的擴(kuò)散半徑R為：

R＝（V/2.0944）1/3

1.2 氯乙烯儲(chǔ)罐破裂時(shí)的毒害區(qū)計(jì)算過(guò)程

氯乙烯的沸點(diǎn)t0＝-13.4 ℃，這時(shí)平均比熱容C＝1.23 kJ/（kg·℃），平均汽化熱q＝330.25 kJ/kg。當(dāng)一個(gè)氯乙烯儲(chǔ)罐破裂時(shí)，其蒸發(fā)量為：

蒸發(fā)后產(chǎn)生的蒸氣體積Vg為：

氯乙烯屬中性毒物， 人在0.6%濃度下略有不適，在1.2%～1.6%下有頭昏、嘔吐等感覺(jué)。 麻醉閾濃度為7.1%。 氣態(tài)VCM 對(duì)人體有麻醉性， 在20%～40%濃度下，會(huì)使人立即死亡。 在此，取麻醉閾濃度7.1%為使人麻醉的危險(xiǎn)濃度，取20%為致死危險(xiǎn)濃度。

則氯乙烯可以產(chǎn)生的使人麻醉的有毒空氣體積為V＝Vg/C′＝4 782.8×100/7.1＝67 363.4（m3）

當(dāng)空氣中的VCM 濃度達(dá)到20%以上時(shí)會(huì)使人立即死亡，則使人致死的有毒空氣體積為：

假設(shè)這些有毒空氣以半球形向地面擴(kuò)散， 則該有毒氣體的擴(kuò)散半徑R＝（V/2.094 4）1/3（m）

氯乙烯儲(chǔ)罐破裂時(shí)的毒害區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3 氯乙烯儲(chǔ)罐破裂時(shí)結(jié)果分析

容量為120 t 的氯乙烯儲(chǔ)罐破裂時(shí)， 以儲(chǔ)罐所在位置為中心，半徑為31.8 m 的圓形區(qū)域內(nèi)的人員如果沒(méi)有及時(shí)疏散或采取防護(hù)措施，將會(huì)被麻醉；在22.5 m 的圓形區(qū)域內(nèi)，將導(dǎo)致人員死亡。該有毒空氣云還會(huì)繼續(xù)隨風(fēng)飄向下風(fēng)方向位置， 對(duì)廠內(nèi)外更大范圍的人員安全造成影響。

以上是針對(duì)一臺(tái)儲(chǔ)罐泄漏來(lái)計(jì)算的， 如果發(fā)生幾臺(tái)儲(chǔ)罐的同時(shí)泄漏，事故后果將非常嚴(yán)重。

表1 毒害區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果

2 氯乙烯儲(chǔ)罐發(fā)生蒸氣云爆炸事故后果計(jì)算

如果泄漏出來(lái)的氯乙烯形成的混合氣體中氯乙烯的濃度在爆炸極限范圍內(nèi)， 并遇到延遲點(diǎn)火的情況，就會(huì)導(dǎo)致蒸氣云爆炸的發(fā)生。蒸氣云爆炸后的破壞作用包括爆炸沖擊波和爆炸火球輻射熱對(duì)周?chē)藛T、建筑物、儲(chǔ)罐、設(shè)備的傷害和破壞等，其中以沖擊波的危害為主。

2.1 蒸氣云爆炸的事故模型

可燃液化氣體泄漏后氣化并與空氣形成混合氣體云，可燃混合氣體遇火源突然燃燒，并在受限空間或無(wú)限空間轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠚怏w爆炸，即蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸以沖擊波危害為主， 按超壓準(zhǔn)則確定人員傷亡區(qū)域及財(cái)產(chǎn)損失區(qū)域。 沖擊波對(duì)人員的死亡半徑及財(cái)產(chǎn)損失采用TNT 當(dāng)量法， 按照相同能量的TNT 爆炸所產(chǎn)生的超壓來(lái)確定。 1 000 kg 的TNT 炸藥在空氣中爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓見(jiàn)表2， 沖擊波超壓對(duì)建筑物和人員的破壞與傷害情況見(jiàn)表3。

表2 1 000 kg的TNT炸藥在空氣中爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓

表3 沖擊波超壓對(duì)建筑物和人員的破壞與傷害情況

2.1.1 蒸氣云爆炸的TNT 當(dāng)量

TNT 當(dāng)量計(jì)算公式為：WTNT=1.8αWfQf/QTNT

式中：1.8—地面爆炸系數(shù)；

α—蒸氣云當(dāng)量系數(shù)，取α=0.04；

Wf—蒸汽云中燃料的總質(zhì)量，kg；

Qf—氯乙烯的燃燒熱；

QTNT—TNT 的爆熱，取QTNT=4 500 kJ/kg。

2.1.2 蒸氣云爆炸的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失距離

蒸氣云爆炸死亡半徑R1的計(jì)算方法為：

蒸氣云爆炸重傷、 輕傷以及財(cái)產(chǎn)損失半徑的計(jì)算方法：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同數(shù)量的同類(lèi)炸藥發(fā)生爆炸時(shí)，如果離爆炸中心的距離R之比與炸藥量Q的3 次方根之比相等，則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同，用公式表示如下。

式中：R—目標(biāo)與爆炸中心距離，m；

R0—目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心距離，m；

Q0—基準(zhǔn)爆炸能量，TNT 當(dāng)量，Q0=1 000 kg；

QTNT—爆炸時(shí)產(chǎn)生沖擊波所消耗的能量，TNT當(dāng)量，kg；

ΔP—目標(biāo)處的超壓，MPa；

ΔP0—基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓，MPa。

由表3 可知，取造成人員重傷、輕傷以及財(cái)產(chǎn)損失的超壓ΔP值，又由2 取超壓為ΔP處的R0（即當(dāng)1 000 kg 的TNT 爆炸時(shí)， 在與基準(zhǔn)中心距離為R0處的超壓為ΔP）。 再由式R=R0（QTNT/Q0）1/3可求得損失半徑。

2.2 氯乙烯蒸氣云爆炸后果定量計(jì)算

（1）氯乙烯蒸氣云爆炸的TNT 當(dāng)量

120 t 氯乙烯儲(chǔ)罐泄漏，假設(shè)有10%的氣體參加蒸氣云爆炸，其質(zhì)量為Wf=120 000×10%=12 000 kg，氯乙烯的燃燒熱為Q=18 568 kJ/kg。 可得氯乙烯儲(chǔ)罐10%的氣體泄漏后發(fā)生蒸氣云爆炸的TNT 當(dāng)量為3 565.1 kg。

（2）10%泄漏量的蒸氣云爆炸死亡半徑R1

（3）10%泄漏量的蒸氣云爆炸重傷半徑R2

取造成人員重傷的ΔP2=0.6×105Pa， 查表用插值法求得R0=29.77 m 處的超壓為0.6×105Pa。

（4）10%泄漏量蒸氣云爆炸輕傷半徑R3

取造成人員輕傷的ΔP3=0.3×105Pa，查表得R0=44（m）處的超壓為0.3×105Pa。（5）10%泄漏量的蒸氣云爆炸財(cái)產(chǎn)損失半徑R4

由于罐區(qū)周?chē)ㄖ嗍卿摻罨炷翗?gòu)造，因此，取鋼筋混凝土破壞時(shí)的沖擊波超壓值。 取ΔP3=1.0×

同理，假設(shè)氯乙烯儲(chǔ)罐泄漏后，有50%的氣體參加蒸氣云爆炸，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 氯乙烯蒸氣云爆炸人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失半徑

2.3 氯乙烯蒸氣云爆炸結(jié)果分析

當(dāng)120 t 氯乙烯儲(chǔ)罐10%（50%） 泄漏后發(fā)生蒸氣云爆炸時(shí)，離火球中心半徑為35.1 m（60.1 m）的圓形區(qū)域內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物和設(shè)備遭到破壞； 離火球中心半徑為45.5 m （77.8 m）~67.2 m（114.9 m）的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)人員大部分受輕傷；離火球中心半徑為21.8 m（39.5 m）~45.5 m（77.8 m）的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的人員大部分受重傷；離火球中心半徑21.8 m（39.5 m）的圓形區(qū)域以內(nèi)的人員大部分可能死亡。

以上是針對(duì)一臺(tái)儲(chǔ)罐來(lái)計(jì)算的， 如果發(fā)生幾臺(tái)儲(chǔ)罐同時(shí)爆炸，事故后果將非常嚴(yán)重。

3 建議措施

3.1 工程技術(shù)措施

（1）氯乙烯球罐裝置區(qū)須按照《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50160-2018）要求設(shè)置防火間距、防火堤、事故池、事故放空及消防系統(tǒng)。

（2）氯乙烯球罐需設(shè)計(jì)液位計(jì)、溫度計(jì)、壓力表、安全閥以及高低液位報(bào)警和高高液位自動(dòng)聯(lián)鎖切斷進(jìn)料措施等；并設(shè)置密閉的脫水系統(tǒng)，儲(chǔ)罐根部設(shè)置緊急切斷閥和泄漏緊急注水系統(tǒng)。

（3）氯乙烯儲(chǔ)存量構(gòu)成重大危險(xiǎn)源，需設(shè)置溫度、壓力、液位、流量、組分等信息的不間斷采集和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 以及可燃?xì)怏w和有毒有害氣體泄漏檢測(cè)報(bào)警裝置、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并具備信息遠(yuǎn)傳、連續(xù)記錄、事故預(yù)警、信息存儲(chǔ)等功能；記錄的電子數(shù)據(jù)的保存時(shí)間不少于30 d；構(gòu)成一級(jí)或者二級(jí)重大危險(xiǎn)源，需配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

（4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表設(shè)施需符合國(guó)家有關(guān)防爆、防雷、防靜電等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，防雷裝置需經(jīng)防雷電部門(mén)檢測(cè)合格。

3.2 安全管理措施

（1）配備便攜式濃度檢測(cè)設(shè)備、空氣呼吸器、化學(xué)防護(hù)服、堵漏器材等應(yīng)急器材和設(shè)備；涉及劇毒氣體的重大危險(xiǎn)源還應(yīng)當(dāng)配備兩套以上氣密型化學(xué)防護(hù)服及一定數(shù)量的便攜式可燃?xì)怏w檢測(cè)設(shè)備。

（2）氯乙烯球罐裝置操作人員必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，熟練掌握操作技能，具備應(yīng)急處置知識(shí)。

（3）作業(yè)人員應(yīng)戴化學(xué)安全防護(hù)眼鏡，穿防靜電工作服，戴防化學(xué)品手套，工作場(chǎng)所濃度超標(biāo)的，操作人員應(yīng)該佩戴過(guò)濾式防毒面具。

（4）加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)控制及聯(lián)鎖系統(tǒng)、檢測(cè)報(bào)警及監(jiān)控系統(tǒng)、緊急停車(chē)系統(tǒng)等技術(shù)措施的檢查和維護(hù)，并制定相應(yīng)的儀表安全管理措施。

（5）加強(qiáng)準(zhǔn)入管理，嚴(yán)格限制進(jìn)入人員，建立氯乙烯球罐裝置安全管理規(guī)定。 制定泄漏應(yīng)急處置方案，定期組織演練，提高應(yīng)急處置水平。

4 總結(jié)

從評(píng)價(jià)分析結(jié)果可以看出，要防止氯乙烯球罐泄漏發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，應(yīng)主要從防止氯乙烯泄漏和消除點(diǎn)火源兩個(gè)方面入手，嚴(yán)格落實(shí)工程技術(shù)措施和安全管理措施，杜絕事故發(fā)生。同時(shí)，企業(yè)要加強(qiáng)安全文化創(chuàng)建、化工過(guò)程安全（PSM）建設(shè)、安全標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)標(biāo)等基礎(chǔ)工作，積極開(kāi)展全員安全技能和安全知識(shí)教育工作，牢固樹(shù)立“一切風(fēng)險(xiǎn)皆可控制、一切事故皆可避免”的事故預(yù)防理念，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全發(fā)展。