液氨儲罐機械完整性與泄漏特性研究

黃海波 涂相勇 劉 蓉 李 剛

（浙江泰達安全技術(shù)有限公司）

液氨儲罐長期暴露在潮濕的環(huán)境中易發(fā)生腐蝕，使其機械完整性被破壞而發(fā)生泄漏［1，2］。 液氨在常溫下容易揮發(fā)且毒性較強，在泄漏擴散過程中會對周邊的人員造成不同程度的傷害，研究液氨泄漏特性可為液氨擴散預(yù)測和防治方案的制定提供理論依據(jù)［3～5］。郝騰騰等以化工廠液氨儲罐為研究對象， 利用ALOHA 軟件研究了液氨泄漏后的擴散特性和對人員的傷害情況，發(fā)現(xiàn)采取治理措施和疏散人員的關(guān)鍵時間階段為泄漏后的前15 min［6］。駱強等采用PHAST 軟件研究了不同毒性濃度、氣候條件等因素對液氨泄漏擴散特性的影響，分析了液氨泄漏的影響范圍和擴散距離［7］。 羅振敏等利用PHAST 軟件研究了不同氣候、泄漏角度和地表粗糙度對液氨泄漏擴散特性的影響，發(fā)現(xiàn)泄漏擴散影響范圍隨著泄漏角度的增大而減小，地表粗糙度為0.25 m 時泄漏影響范圍最?。?］。 王孝贊設(shè)置了不同的泄漏形式，利用PHAST 軟件建立了液氨儲罐泄漏模型，得到了泄漏半徑、泄漏速度的變化規(guī)律［9］。潘東結(jié)合不同的氣候條件建立了液氨儲罐泄漏擴散模型，定量分析了液氨泄漏擴散的中毒區(qū)域面積，提出相應(yīng)的防治措施［10］。 邱衛(wèi)民等研究了不同大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速條件下LPG 儲罐的泄漏特性和事故后果［11］。王洪德和莫朝霞以高斯煙羽模型為基礎(chǔ)研究了大連某一化工園區(qū)內(nèi)液氨儲罐泄漏擴散等值曲線，分析了泄漏速度、地表粗糙度、風(fēng)速及大氣穩(wěn)定程度等對擴散特性的影響［12］。

液氨壓力儲罐受到腐蝕機械完整性被破壞而發(fā)生泄漏時，泄漏擴散的基本特性主要與泄漏孔孔徑尺寸、孔徑高度、儲罐液位高度、壓力及環(huán)境風(fēng)速等因素相關(guān)，筆者通過改變以上影響因素的數(shù)值大小，研究這些因素對泄漏特性的影響。

1 模型的建立

液氨儲罐機械完整性破壞類型為點蝕，設(shè)置泄漏形狀為圓孔狀， 在PHAST 軟件中建立液氨儲罐機械完整性破壞腐蝕泄漏模型，相關(guān)參數(shù)如下：

儲罐容積 80 m3

儲罐長度 11.866 m

儲罐直徑 3.610 m

儲罐溫度 -50～-19 ℃

液體密度 665 kg/m3

環(huán)境溫度 28 ℃

泄漏位置 儲罐側(cè)面

環(huán)境風(fēng)速 2～10 m/s

儲罐壓力 0.8～1.6 MPa

孔徑尺寸 0.05～0.15 m

孔徑高度 0.2～1.0 m

液位高度 1.0～1.8 m

泄漏孔孔徑尺寸設(shè)置6 個梯度，變化范圍為0.05～0.15 m，變化步長為0.02 m；孔徑高度設(shè)置5個梯度，變化范圍為0.2 ～1.0 m，變化步長為0.2 m；液位高度設(shè)置5 個梯度，變化范圍為1.0～1.8 m， 變化步長為0.2 m； 儲罐壓力設(shè)置5 個梯度，變化范圍為0.8 ～1.6 MPa，變化步長為0.2 MPa；環(huán)境風(fēng)速設(shè)置5 個梯度，變化范圍為2～10 m/s，變化步長為2 m/s。

2 液氨儲罐機械完整性破壞腐蝕泄漏特性

2.1 泄漏特性受孔徑尺寸變化的影響

改變泄漏孔徑尺寸，可得到不同孔徑尺寸下泄漏速度隨時間的變化情況（圖1）。 以人的平均身高1.7 m 為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況，如圖2 所示。

圖1 不同孔徑尺寸下泄漏速度隨時間的變化

圖2 不同孔徑尺寸下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化

由圖1 可知，隨著孔徑尺寸的增大，液氨泄漏速度明顯升高。 當(dāng)泄漏孔徑由0.05 m 增大至0.15 m 時， 泄漏速度由50 kg/s 升高至450 kg/s。主要原因是， 泄漏孔徑的尺寸直接影響了液氨的流通面積，對泄漏速度影響較大，因此，在大孔徑泄漏下，液氨泄漏速度較高，事故發(fā)展較快，技術(shù)人員應(yīng)快速及時采取治理措施。 對于尺寸為0.05 m 的小孔徑泄漏， 泄漏速度隨時間的變化并不明顯，始終保持較為平均的速度，隨著孔徑尺寸的增加，泄漏速度隨時間的變化明顯下降。其主要原因是，對于大孔徑，泄漏速度主要受到罐內(nèi)壓力的影響，在泄漏后期壓力下降，泄漏速度隨之明顯下降；對于小孔徑，泄漏速度主要受到孔徑尺寸的影響，孔徑尺寸始終保持不變，泄漏后期雖然罐內(nèi)壓力下降，但泄漏速度下降并不明顯。

以人的平均身高為基準，研究此高度下液氨泄漏濃度隨下風(fēng)距離的變化對判斷人員傷亡情況和制定逃離方案具有重要意義。 由圖2 可知，液氨泄漏濃度隨著下風(fēng)距離的增加先急劇升高至最高點，而后緩慢下降至0ppm（1ppm=10-6）。隨著泄漏孔徑尺寸的增大， 液氨泄漏濃度峰值變大。 其主要原因是，泄漏孔徑越大，單位時間內(nèi)液氨的泄漏量越多，液氨的濃度相應(yīng)變大。 當(dāng)孔徑尺寸為0.05 m 時， 液氨泄漏濃度峰值為183 486ppm；孔徑尺寸增大至0.15 m 時，液氨泄漏濃度峰值升高至432 084ppm。 當(dāng)下風(fēng)距離為450 m 時， 不同泄漏孔徑下液氨濃度均已降至較低水平。 因此，在不同泄漏孔徑下，液氨濃度降至較低水平所對應(yīng)的下風(fēng)距離基本一致，在此距離處，人員受到毒氣傷害較小。

2.2 泄漏特性受孔徑高度變化的影響

改變孔徑高度，可得到不同孔徑高度下泄漏速度隨時間的變化情況，如圖3 所示。 以人的平均身高1.7 m 為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況，如圖4 所示。

圖3 不同孔徑高度下泄漏速度隨時間的變化

圖4 不同孔徑高度下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化

由圖3 可知，孔徑高度幾乎不會影響泄漏的速度。 由圖4 可知，隨著孔徑高度的升高，液氨泄漏濃度峰值明顯升高。當(dāng)孔徑高度為0.2 m 時，液氨泄漏濃度峰值為194 353ppm； 當(dāng)孔徑高度為1.0 m 時，液氨泄漏濃度峰值為542 945ppm。其主要原因是， 曲線為人體高度1.7m 處的液氨濃度變化，孔徑高度越高，泄漏處越接近人體高度，液氨濃度明顯升高。同時，孔徑高度由0.2 m 升高至1.0 m 的過程中， 液氨泄漏濃度峰值的升高量越來越明顯，但在下風(fēng)距離大于50 m 的階段，液氨泄漏濃度的變化幾乎相同。

2.3 泄漏特性受液位高度變化的影響

改變罐內(nèi)液位高度，可得到不同液位高度下泄漏速度隨時間的變化情況，如圖5 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況，如圖6 所示。

圖5 不同液位高度下泄漏速度隨時間的變化

圖6 不同液位高度下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化

由圖5、6 可知，儲罐液位對泄漏速度和液氨泄漏濃度的變化并無明顯影響。 隨著儲罐液位的增加，泄漏速度變化所持續(xù)的時間變長，主要原因是液位增加表明液氨儲量增大，泄漏所需的時間變長。 同時，儲罐液位增加，液氨濃度所影響到的下風(fēng)距離更遠，其主要原因是液位增加導(dǎo)致液氨儲量變多，泄漏持續(xù)的時間變長，更多的液氨被風(fēng)吹至更遠的下風(fēng)處。

2.4 泄漏特性受儲罐壓力變化的影響

改變儲罐壓力，可得到不同儲罐壓力下泄漏速度隨時間的變化情況，如圖7 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況，如圖8 所示。

圖7 不同儲罐壓力下泄漏速度隨時間的變化

圖8 不同儲罐壓力下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化

由圖7 可知，隨著儲罐壓力的增加，液氨泄漏速度明顯升高。 主要原因是在孔徑尺寸一定的情況下，儲罐壓力越大，提供給液氨泄漏的動力就越大，泄漏速度隨之變大。 同時，儲罐壓力升高，泄漏速度隨時間的降低幅值變大。 由圖8 可知，儲罐壓力對液氨泄漏濃度變化影響很小。 隨著儲罐壓力的增大， 液氨泄漏濃度峰值略有升高。 主要原因是，儲罐壓力升高，泄漏速度隨之升高，單位時間內(nèi)液氨的泄漏量變大，液氨的濃度隨之增大。

2.5 泄漏特性受環(huán)境風(fēng)速變化的影響

改變環(huán)境風(fēng)速，可得到不同環(huán)境風(fēng)速下泄漏速度隨時間的變化情況，如圖9 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況，如圖10 所示。

圖9 不同環(huán)境風(fēng)速下泄漏速度隨時間的變化

圖10 不同環(huán)境風(fēng)速下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化

由圖9 可知， 環(huán)境風(fēng)速對泄漏速度沒有影響。 由圖10 可知，環(huán)境風(fēng)速對液氨濃度變化影響很小。 隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，液氨泄漏濃度峰值略微下降，其主要原因是更高的風(fēng)速快速將液氨吹散至下風(fēng)向，使液氨分布更加均勻，液氨濃度峰值隨之下降。

3 結(jié)論

3.1 隨著泄漏孔孔徑尺寸、 儲罐壓力的增大，液氨泄漏速度明顯升高。 在大孔徑、高壓力泄漏下，液氨泄漏速度較高，事故發(fā)展較快，技術(shù)人員應(yīng)快速及時采取治理措施。 孔徑高度、液位高度、環(huán)境風(fēng)速對液氨泄漏速度無明顯影響。

3.2 液氨泄漏濃度隨著下風(fēng)距離的增加先急劇升高至最高點，而后緩慢下降至0ppm。

3.3 隨著泄漏孔徑尺寸、孔徑高度的增加，液氨泄漏濃度峰值隨之變大，環(huán)境風(fēng)速、液位高度、儲罐壓力對液氨濃度變化影響很小。

3.4 當(dāng)下風(fēng)距離為450 m 時， 不同泄漏孔徑下液氨濃度均已降至較低水平。 因此，在不同泄漏孔徑下，液氨濃度降至較低水平所對應(yīng)的下風(fēng)距離基本一致，在此距離處，人員受到毒氣傷害較小。

3.5 隨著泄漏孔徑高度的升高，液氨泄漏濃度峰值明顯升高。 其主要原因是，孔徑高度越高，泄漏處越接近人體高度，液氨濃度明顯升高。 孔徑高度由0.2 m 升高至1.0 m 的過程， 液氨泄漏峰值的升高量越來越明顯，但下風(fēng)距離大于50 m 時，液氨泄漏濃度變化幾乎相同。