基于多事故模式的有毒易燃氣體道路運輸泄漏事故應急疏散范圍研究*

王凌睿 周榮義,2 李麗 劉勇,2 崔燕,2

(1.湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院 湖南湘潭 411201；2.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室 湖南湘潭 411201)

0 引言

隨著化學工業(yè)的快速發(fā)展，危險化學品的生產(chǎn)量和使用量不斷增加，道路運輸因其便捷、及時、經(jīng)濟等特點，成為危險化學品運輸?shù)闹饕绞街?。在危險化學品道路運輸中，氣體罐車運輸占據(jù)了較大比重，給道路運輸安全提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是有毒易燃氣體在運輸過程中一旦發(fā)生泄漏事故，極易導致燃燒、爆炸及毒氣擴散，造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如，2014年3月1日，兩輛?；愤\輸罐車在晉濟高速巖后隧道發(fā)生追尾，導致前車甲醇泄漏，在司機處置過程中甲醇起火引發(fā)爆炸，造成31人死亡、9人失蹤；2017年5月23日，一輛氯酸鈉運輸車在河北張石高速公路隧道內發(fā)生爆炸事故，造成13人死亡、3人重傷[1]。

有毒易燃氣體道路運輸若發(fā)生泄漏事故，需要快速組織周邊人員進行疏散，但大量事故表明，有毒易燃氣體泄漏事故發(fā)生后，由于未能有效地預測和判斷次生災害可能的演化模式，并由此科學地確定傷害范圍，往往造成了事故地周圍不必要的大量人員傷亡。因此，能否根據(jù)次生災害的演化模式科學準確地確定應急疏散范圍，對于降低人員傷亡、提高應急救援的效率和有效性具有重要意義。近年來許多專家和學者在這方面進行了深入的研究。CHAKRABARTI U K等[2]、趙江平等[3]、王健等[4]、冷源等[5]根據(jù)危險氣體罐車泄漏的潛在事故后果，分析了中毒、火災和爆炸等事故的演化發(fā)展模式；沈艷濤等[6]、葛巍巍等[7]根據(jù)氣體泄漏擴散特點，分析了不同風速、大氣穩(wěn)定度下的氣體泄漏擴散情況；MIZUTA Y等[8]設計了一個可以預測大氣參數(shù)的毒氣疏散區(qū)域計算模型，以便在改變大氣條件時實現(xiàn)平穩(wěn)疏散；ANJANA N S等[9]對4種不同大氣條件下的氨氣意外釋放影響區(qū)域和需要立即疏散人口數(shù)量進行了估算；任常興等[10]依據(jù)易燃易爆危險化學品運輸?shù)缆返膱鏊h(huán)境和事故場景特點，提出了火災和爆炸事故的應急隔離區(qū)和疏散區(qū)的快速確定方法。

上述研究主要針對易燃易爆和有毒氣體泄漏后可能發(fā)生的某種次生災害討論其傷害范圍。在事故實際發(fā)生過程中，由于氣體本身的多種危險特性，泄漏后次生災害可能是中毒、火災和爆炸等多事故模式中的一種或組合，但事先并不能準確判斷何種次生災害模式發(fā)生。因此，泄漏事故發(fā)生后，僅根據(jù)任何一種單一次生災害模式進行傷害范圍的確定，都不能為后續(xù)應急救援中合理確定應急疏散范圍提供準確的決策依據(jù)。本文提出了考慮多事故模式的應急疏散范圍綜合確定方法，通過分析有毒易燃易爆氣體泄漏后的次生災害演化模式，利用相關事故后果預測理論模型，在獲得各種可能的次生災害事故模式傷害范圍的基礎上，采用圖形疊加的方式綜合確定應急疏散范圍，以期為應急疏散提供更加精確和可靠的決策依據(jù)，最大限度地降低人員傷亡。

1 有毒易燃氣體泄漏事故演化模式分析

常溫常壓下為氣態(tài)的危險化學品，受道路運輸條件的限制，多采用液化方式進行運輸。液化方式主要分為加壓液化和低溫液化兩種。在運輸過程中，當發(fā)生碰撞、擠壓等作用導致罐體破裂時，壓力會急劇減小，罐體內的液體氣化，導致危險化學品以氣相的形式發(fā)生泄漏。根據(jù)罐體的破裂方式、氣體是否被點燃及點燃時間，將有毒易燃氣體泄漏后的事故類型分為4種：噴射火、蒸氣云爆炸、閃火和中毒，其事故演化模式的點燃情況、事故特點和傷害范圍劃分依據(jù)如表1所示。

表1 有毒易燃氣體泄漏事故演化模式分析

從理論上講，有毒易燃易爆氣體泄漏后，其應急疏散范圍的確定應考慮上述每一種可能的次生事故模式傷害范圍，但鑒于噴射火和閃火的火焰燃燒及其熱輻射傷害與中毒和爆炸的傷害相比，事故波及范圍較小，事故后果較輕(在不考慮氣體燃燒可能產(chǎn)生有毒物質的情況下)。因此，在研究有毒易燃氣體泄漏的應急疏散范圍時，考慮事故后果嚴重的擴散中毒和蒸氣云爆炸兩種事故類型，不僅可以將噴射火和閃火的傷害范圍包含于其中，而且可以簡化事故后果的預測和計算過程，更快地對應急疏散范圍作出預判。

2 有毒易燃氣體泄漏事故傷害范圍計算

2.1 中毒事故傷害范圍

在重氣擴散過程中，隨著大氣不斷進入，氣體密度逐漸接近空氣密度，最終將轉化為中性氣體擴散。因此，本文針對中性氣體擴散，假設在均勻湍流場的條件下，泄漏介質在擴散界面的濃度分布呈高斯分布，故采用高斯模型對泄漏氣體擴散進行研究，從氣體擴散狀態(tài)是否達到穩(wěn)態(tài)兩種情況討論泄漏氣體的擴散情況。

(1)穩(wěn)態(tài)下的煙羽擴散模型。有毒易燃氣體在大氣中的擴散，可用高斯擴散模型中連續(xù)點源的煙羽擴散模型計算其擴散范圍，計算式[13]如下：

(1)

式中，x為下風向距離，m；y為側風向距離，m；z為垂直方向距離，m；c(x,y,z)為坐標在(x,y,z)處的質量濃度，g/m3；σy為側風向濃度的擴散系數(shù)；σz為垂直方向濃度的擴散系數(shù)；Qm為釋放速率，kg/s；u為風速，m/s；Hr為釋放源高度，m。

(2)非穩(wěn)態(tài)下的煙團疊加模型。高斯煙羽模型的計算結果為煙羽擴散至穩(wěn)態(tài)的濃度分布，并不能對擴散至任意時刻的泄漏氣體濃度分布進行計算。將連續(xù)釋放擴散的煙羽看作是有限個瞬時形成的煙團的疊加，即空間某點在任意時刻的濃度為許多煙團在該點共同疊加的結果[14-15]。假設有限時長泄漏擴散過程中的泄漏流量Qm保持不變，將擴散時間按相同時間間距△t等分為n份，由此擴散總時長t被劃分為t1、t2、…、ti、…、tn共n個時間段，則其疊加式如下：

(2)

式中，△Q為△t時間內的氣體泄漏量，kg；σx為下風向濃度的擴散系數(shù)；t為擴散時間，s。

本文僅考慮地面泄漏，且煙羽抬升高度忽略不計，故在式(1)、式(2)中，z=0，Hr=0。

(3)中毒事故傷害范圍劃分。計算出泄漏氣體在大氣中的擴散情況后，需要根據(jù)物質本身的毒性和濃度對人體的傷害程度劃分中毒事故傷害范圍，劃分依據(jù)參考《緊急反應計劃指南》(Emergency Response Planning Guidelines, ERPG)中制定的指導濃度值，其傷害范圍劃分如表2所示。

表2 中毒事故傷害范圍劃分依據(jù)

2.2 蒸氣云爆炸事故傷害范圍

蒸氣云爆炸造成的危害主要來自于爆炸沖擊波，為預測半球形蒸氣云爆炸產(chǎn)生的沖擊波效應，荷蘭應用科學研究院(TNO)的研究人員提出了半球形蒸氣云模型，即TNO模型。相對于點源模型(TNT模型)，TNO模型考慮了爆源的尺寸和形狀，更適用于非瞬間釋放且釋放速率較低情況下的近場爆炸的沖擊距離計算。故考慮用半球模型計算VCE沖擊波的傷害半徑，以確定其傷害范圍。根據(jù)半球模型理論，將半球形蒸氣云爆炸長度[16]定義為

(3)

比例超壓為

(4)

超壓半徑為

(5)

式中，V0為氣體體積，m3；E0為爆炸能量，E0=V△Hc，J；V為半球體積，m3；△Hc為體積燃燒熱，J/m3；p0為環(huán)境壓力，取1.01×105Pa；△p為實際爆炸時目標處的超壓，kPa；R為沖擊半徑，m。

蒸氣云爆炸沖擊波傷害半徑由經(jīng)驗常數(shù)C決定，蒸氣云爆炸對人體破壞和損害程度的經(jīng)驗數(shù)據(jù)及其傷害范圍劃分如表3所示。

3 應急疏散范圍綜合確定過程

根據(jù)有毒易燃易爆氣體泄漏次生災害發(fā)展模式及其事故后果預測方法，其應急疏散范圍的確定過程如圖1所示。

圖1 應急疏散范圍綜合確定過程

(1)研究氣體擴散情況。依據(jù)氣體的泄漏量和泄漏速度，以及事故發(fā)生位置的風向、風速、溫度、太陽輻射等級等大氣條件，研究泄漏氣體的擴散情況。

(2)分析次生災害模式。根據(jù)泄漏氣體的危險特性，如毒性、爆炸極限、泄漏量及爆炸能量等，分析可能發(fā)生的事故模式，以事故后果較嚴重的中毒和蒸氣云爆炸為對象，研究泄漏后次生災害特點。

(3)模擬事故傷害范圍。對事故后果較嚴重的中毒和蒸氣云爆炸的傷害范圍進行數(shù)值模擬，根據(jù)事故后果嚴重程度、人員傷亡情況，將傷害范圍劃分為致死區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)。

(4)確定應急疏散范圍。將中毒和蒸氣云爆炸事故的輕傷區(qū)進行圖形疊加，可以綜合確定有毒易燃氣體道路運輸泄漏事故的應急疏散范圍。

4 應用實例

假定在某高速公路上，一輛裝有15 t液氨、罐體壓力為2.4 MPa的槽罐車發(fā)生側翻，罐體出現(xiàn)破損，壓力急劇減小，罐體內的液氨急劇氣化，以氣相的形式發(fā)生泄漏，釋放速率為2 kg/s。當前天氣為陰天，風速為4 m/s，利用上述方法確定其應急疏散范圍。

依據(jù)上述應急疏散范圍綜合確定過程，根據(jù)事故發(fā)生位置的大氣情況，研究大氣穩(wěn)定度為D的情形下(白天日照較弱或中等，或夜晚多云)的泄漏氣體擴散情況，利用MATLAB軟件對中毒和蒸氣云爆炸的傷害范圍進行模擬，兩種事故模式傷害范圍及其應急疏散范圍如下：

(1)中毒事故傷害范圍。氨氣的ERPG-1、ERPG-2、ERPG-3濃度分別為25、200、1 000 ppm，即質量濃度為139.06、139.06、695.30 mg/m3，假設坐標(0,0)處為泄漏源位置，泄漏5、10、15、20 min后的傷害范圍如圖2所示，泄漏達到穩(wěn)態(tài)的傷害范圍如圖3所示。由圖可知，氣體泄漏到15 min時，傷害范圍已不發(fā)生改變，由于未達到穩(wěn)態(tài)的氣體擴散情況是將煙羽看作瞬時形成的煙團的疊加，模擬結果的誤差較大。因此，當用煙團疊加模型模擬得到的傷害范圍不發(fā)生改變時，即氣體擴散已達到穩(wěn)態(tài)，用煙羽模型計算泄漏事故的傷害范圍相對更加準確。達到穩(wěn)態(tài)后的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)下風向距離分別為164、391、1 324 m，最大垂直距離分別為22、51、158 m，面積分別為2 623、14 564、155 190 m2。

(a)t=5 min

圖3 泄漏達到穩(wěn)態(tài)的中毒事故傷害范圍

(2)蒸氣云爆炸事故傷害范圍。氨氣在空氣中的爆炸下限為15.7%，轉換成質量濃度為121.0 mg/m3，假設坐標(0,0)處為泄漏源位置，其在大氣穩(wěn)定度為D、風速為4 m/s的環(huán)境下，爆炸極限區(qū)域如圖4虛線部分所示。將爆炸極限區(qū)中心即坐標(253,0)處作為蒸氣云爆炸中心，對氨氣全部泄漏的最嚴重情況進行模擬，傷害范圍的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)如圖4實線部分所示。蒸氣云爆炸事故的爆炸極限區(qū)下風向距離為423 m，垂直距離最大為54 m，面積為16 955 m2；致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)半徑分別為96、197、509 m，面積分別為28 939、121 860、813 514 m2。

圖4 蒸氣云爆炸事故傷害范圍

(3)應急疏散范圍。全部氣體泄漏并達到穩(wěn)態(tài)后，中毒和蒸氣云爆炸的輕傷區(qū)的疊加區(qū)域為泄漏事故應當采取疏散措施的最小應急疏散范圍，在該范圍內的人群必須立即疏散，如圖5所示。在蒸氣云爆炸輕傷區(qū)的傷害范圍內，應急疏散半徑應大于509 m，應急疏散面積應大于813 514 m2；在中毒輕傷區(qū)的傷害范圍內，下風向和垂直疏散距離應分別大于1 324、158 m，應急疏散面積應大于155 190 m2。顯然，蒸氣云爆炸事故的疏散半徑、面積遠大于中毒事故的垂直疏散距離、面積，但其疏散半徑遠小于中毒事故的下風向疏散距離，兩者的應急疏散范圍只有較小部分區(qū)域重疊，若只考慮中毒或蒸氣云爆炸的單一事故傷害范圍，將會有遺漏的區(qū)域可能出現(xiàn)人員傷亡。

圖5 有毒易燃氣體泄漏事故應急疏散范圍

5 結論

(1)由于有毒易燃氣體自身的多種危險特性，泄漏后次生災害有中毒、火災和爆炸等多種可能模式，僅根據(jù)單一次生災害模式無法準確地確定應急疏散范圍。因此，必須考慮多事故模式綜合確定有毒易燃氣體道路運輸泄漏事故應急疏散范圍，最大限度地降低人員傷亡。

(2)在研究有毒易燃氣體泄漏的應急疏散范圍時，將事故后果更嚴重、波及范圍更廣的中毒和蒸氣云爆炸兩種事故類型的輕傷區(qū)圖形疊加，可以更加準確和快速地對應急疏散范圍作出判斷。

(3)實例表明，氨氣的中毒和蒸氣云爆炸事故的應急疏散范圍相差較大，需要結合兩種事故模式的事故特點，考慮泄漏量、風速和大氣環(huán)境等條件，綜合確定有毒易燃氣體道路運輸泄漏事故的應急疏散范圍。