泄漏孔徑對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏事故后果影響規(guī)律分析

郭曉曉 湯 楊

(重慶文理學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶，402160)

液氨是非常重要的化工原料，用于冷庫、制造炸藥、合成纖維、塑料和化肥制造等行業(yè)，為了運(yùn)輸和儲(chǔ)存方便，通常通過加壓或冷卻得到液氨，儲(chǔ)存于儲(chǔ)罐或管道中。在日常運(yùn)行過程中如果由于設(shè)備失效、人為因素等導(dǎo)致液氨泄漏，將會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的危害。氨氣屬于易燃、易爆、有毒氣體，可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒等事故，再加上與周邊防護(hù)距離不夠更會(huì)加重事故后果。例如，2002年聊城“7·8”液氨泄漏事故，液氨罐區(qū)與周邊村落安全防護(hù)距離不足，造成慘重傷亡。深入研究液氨儲(chǔ)罐泄漏事故后果影響范圍并分析其變化規(guī)律變得十分重要。文章以泄漏孔徑作為自變量，采用PHAST 軟件模擬不用泄漏孔徑對(duì)事故后果的影響，模擬、分析變化規(guī)律，希望能夠?yàn)槭鹿暑A(yù)防與應(yīng)急救援提供科學(xué)有效的方法。

1 液氨泄漏擴(kuò)散事故模式

當(dāng)液氨發(fā)生連續(xù)泄漏時(shí)，可能產(chǎn)生以下幾種事故模式：①由于儲(chǔ)罐壓力高于大氣壓，如果液氨在泄漏出口處被立即點(diǎn)燃，會(huì)形成噴射火[2]；②當(dāng)液氨未在泄漏處被立即點(diǎn)燃，而是發(fā)生延遲點(diǎn)火，在開放空間內(nèi)則會(huì)形成閃火或池火；③如果在爆炸極限內(nèi)被點(diǎn)燃則會(huì)發(fā)生蒸氣云爆炸；④當(dāng)液氨泄漏后未遇到點(diǎn)火源，則會(huì)在大氣中發(fā)生擴(kuò)散，可能導(dǎo)致中毒事故。圖1為液氨連續(xù)泄漏擴(kuò)散事件樹圖[1]。

圖1 液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散事件樹

基于液氨泄漏的幾種事故模式，文章選擇研究不同泄漏孔徑條件下噴射火、蒸氣云爆炸、中毒三種事故模式的一般規(guī)律。

2 數(shù)據(jù)模擬分析

2.1 PHAST軟件簡(jiǎn)介

DNV PHAST軟件是由挪威DNV石油開采運(yùn)輸公司開發(fā)的，已在全世界許多國家得到應(yīng)用[3]。該軟件內(nèi)有多種事故模型，如泄漏、擴(kuò)散、噴射火、池火、閃火、火球、晚期蒸氣云爆炸和沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸等，通過對(duì)模型的計(jì)算能夠確定危險(xiǎn)事件影響區(qū)域，能方便地對(duì)各種事故進(jìn)行定量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較為吻合[3]。該軟件的計(jì)算結(jié)果還可以以報(bào)表、圖形的方式顯示，更加直觀、形象[3]。隨著對(duì)安全評(píng)價(jià)的日益重視，該軟件得到了更廣泛的應(yīng)用，許多研究者也致力于該軟件的應(yīng)用研究并得到了可靠的模擬結(jié)果。

2.2 參數(shù)選擇

某廠區(qū)液氨儲(chǔ)罐操作壓力為2.3MPa、儲(chǔ)罐內(nèi)溫度為2.2℃、儲(chǔ)罐為球形、體積1000m3、充裝系數(shù)90%、泄漏高度為1m；廠區(qū)地形平坦，風(fēng)速為1.5m/s；大氣穩(wěn)定度為D(中度穩(wěn)定、陰、大風(fēng)或微風(fēng))；氣溫為9.85℃，最高氣溫達(dá)43℃，最低氣溫-5℃。

液氨泄漏多發(fā)生在罐體或管道上的孔洞和裂隙或附件上的法蘭和閥口等處[1]，按照泄漏孔徑的大小來劃分，可以分為小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏以及完全破裂幾種類型[2]。小孔泄漏的孔徑一般在0—5mm，發(fā)生頻率約為4×10-5/年；中孔泄漏的孔徑一般在5—50mm，發(fā)生頻率約為1×10-4/年；大孔泄漏的孔徑一般在50—150mm，發(fā)生頻率約為1×10-5/年；完全破裂常指孔徑大于150mm的泄漏或者處于完全破裂的情況，發(fā)生頻率約為6×10-6/年[1]。由此可以看出，發(fā)生概率較高的泄漏情形是泄漏孔徑在5—50mm的情況。因此本文選取泄漏孔徑20mm、40mm、60mm、80mm四種泄漏孔徑情境進(jìn)行探討，研究液氨泄漏發(fā)生噴射火、蒸氣云爆炸、中毒三種事故時(shí)的一般影響規(guī)律。通過前期勘查和數(shù)據(jù)采集，分析整合液氨泄漏模擬數(shù)據(jù)，列出模擬參數(shù)，模擬參數(shù)見表1。

表1 液氨泄漏模擬參數(shù)表

2.3 噴射火事故后果模擬分析

噴射火的傷害形式主要是熱輻射。一般通過熱輻射通量來描述熱輻射對(duì)人體的傷害，熱輻射通量不同，人體受到的傷害程度不同。圖2為熱輻射值對(duì)人體的傷害情況。

圖2 熱輻射值對(duì)人體的傷害情況[4]

當(dāng)儲(chǔ)罐運(yùn)行壓力為2.3MPa、運(yùn)行溫度為2.2℃、風(fēng)速為1m/s、泄漏孔徑分別為20、40、60、80 mm時(shí)，不同泄漏孔徑下噴射火的熱輻射強(qiáng)度影響范圍計(jì)算結(jié)果見表2，噴射火的影響范圍隨泄漏孔徑的變化規(guī)律見圖3。

表2 不同泄漏孔徑下噴射火的熱輻射強(qiáng)度影響范圍/m

圖3 噴射火的影響范圍隨泄漏孔徑的變化規(guī)律

結(jié)果顯示，當(dāng)泄漏孔徑為20mm時(shí)，4kW/m2熱輻射強(qiáng)度(超過20秒引起疼痛)的影響范圍為81.47m；當(dāng)泄漏孔徑為40mm時(shí)，4kW/m2熱輻射強(qiáng)度的影響范圍為151.24m；當(dāng)泄漏孔徑為60mm時(shí)，4kW/m2熱輻射強(qiáng)度的影響范圍為216.71m；當(dāng)泄漏孔徑為80mm時(shí)，4kW/m2熱輻射強(qiáng)度的影響范圍為279.55m，熱輻射強(qiáng)度影響范圍不斷增大；當(dāng)泄漏孔徑為20、40、60mm時(shí)，12.5kW/m2(l分鐘內(nèi)10%的人死亡，10秒鐘內(nèi)l度燒傷)熱輻射強(qiáng)度未達(dá)到；當(dāng)泄漏孔徑為80mm時(shí)，12.5kW/m2熱輻射強(qiáng)度的影響范圍為234.24m；當(dāng)泄漏孔徑為20、40、60、80mm時(shí)，37.5kW/m2熱輻射強(qiáng)度未達(dá)到。

從表2和圖3可以看出，泄漏孔徑不斷增大則噴射火的影響范圍不斷增大，且呈現(xiàn)類似線性的增長(zhǎng)關(guān)系。這是因?yàn)樾孤┛讖皆龃螅诙虝r(shí)間內(nèi)容器內(nèi)的物質(zhì)會(huì)大量釋放出來，那么參與燃燒的云團(tuán)量增多，導(dǎo)致出現(xiàn)上述結(jié)果。

2.4 蒸氣云爆炸模擬分析

沖擊波超壓是蒸氣云爆炸的主要破壞形式。常見的評(píng)價(jià)沖擊波超壓傷害的準(zhǔn)則有：超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、壓力-沖量準(zhǔn)則等。文章采用沖擊波超壓準(zhǔn)則，人員傷害超壓準(zhǔn)則見表3。一般將0.14MPa沖擊波超壓的影響范圍作為死亡半徑，將0.044MPa沖擊波超壓的影響范圍作為重傷半徑，將0.017MPa沖擊波超壓的影響范圍作為輕傷半徑。

表3 人員傷害超壓準(zhǔn)則[3]

當(dāng)儲(chǔ)罐運(yùn)行壓力為2.3MPa、運(yùn)行溫度為2.2℃、風(fēng)速為1m/s、泄漏孔徑分別為20、40、60、80 mm時(shí)，計(jì)算蒸氣云爆炸沖擊波超壓的傷害半徑。不同泄漏孔徑蒸氣云爆炸傷害半徑見表4，蒸氣云爆炸傷害半徑隨泄漏孔徑的變化規(guī)律見圖4。

表4 不同泄漏孔徑蒸氣云爆炸傷害半徑/m

圖4 蒸氣云爆炸傷害半徑隨泄漏孔徑的變化規(guī)律

結(jié)果顯示，當(dāng)泄漏孔徑為20mm時(shí)，死亡半徑為31.86m；當(dāng)泄漏孔徑為40mm時(shí)，死亡半徑為64.53m；當(dāng)泄漏孔徑為60mm時(shí)，死亡半徑為97.39m；當(dāng)泄漏孔徑為80mm時(shí)，死亡半徑為119.39m；死亡半徑隨泄漏孔徑的增大而增大。

當(dāng)泄漏孔徑為20mm時(shí)，重傷半徑為32.81m；當(dāng)泄漏孔徑為40mm時(shí)，重傷半徑為66.83m；當(dāng)泄漏孔徑為60mm時(shí)，重傷半徑為101.16m；當(dāng)泄漏孔徑為80mm時(shí)，重傷半徑為124.17m；重傷半徑隨泄漏孔徑的增大而增大。

當(dāng)泄漏孔徑為20mm時(shí)，輕傷半徑為35.11m；當(dāng)泄漏孔徑為40mm時(shí)，輕傷半徑為72.40m；當(dāng)泄漏孔徑為60mm時(shí)，輕傷半徑為110.25m；當(dāng)泄漏孔徑為80mm時(shí)，輕傷半徑為135.73m；輕傷半徑隨泄漏孔徑的增大而增大。

從表4和圖4可以看出，泄漏孔徑不斷增大則傷害半徑的范圍不斷增大，而且呈現(xiàn)近似線性的增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是因?yàn)樾孤┛讖皆龃髮?dǎo)致液氨的泄漏量增多，參與蒸氣云爆炸的云團(tuán)的質(zhì)量也增多，導(dǎo)致傷害半徑明顯增加。

2.5 毒性范圍模擬分析

根據(jù)GBZ 2-2002《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》的規(guī)定，工作場(chǎng)所氨的最高容許濃度(即MAC)為30mg/m3，因此關(guān)于毒性影響規(guī)律的研究重點(diǎn)關(guān)注氨濃度達(dá)到30mg/m3時(shí)的影響范圍。采用UDM模型，模擬分析20mm、40mm、60mm、80mm四種泄漏孔徑情境下，關(guān)注濃度(即MAC)的最遠(yuǎn)影響范圍，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同泄漏孔徑情景下氨氣的最高容許濃度的影響范圍

結(jié)果顯示，當(dāng)泄漏孔徑為20mm時(shí)，關(guān)注濃度的影響區(qū)域?yàn)?846.68m；當(dāng)泄漏孔徑為40mm時(shí)，關(guān)注濃度的影響區(qū)域?yàn)?3481.4m；當(dāng)泄漏孔徑為60mm時(shí)，關(guān)注濃度的影響區(qū)域?yàn)?1817.7m；當(dāng)泄漏孔徑為80mm時(shí)，關(guān)注濃度的影響區(qū)域?yàn)?7908.9m；泄漏孔徑越大，關(guān)注濃度的影響范圍越大。

不同泄漏孔徑情景下氨氣最高容許濃度的影響范圍變化規(guī)律見圖5。

圖5 不同泄漏孔徑情景下氨氣最高容許濃度的影響范圍變化規(guī)律

從表5和圖5可以看出，隨著泄漏孔徑的增大，氨氣的最高容許濃度的影響范圍呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，且近似線性增長(zhǎng)。這是因?yàn)樾孤┛讖皆龃?，參與泄漏的云團(tuán)質(zhì)量也增大，毒性后果更加嚴(yán)重。

3 結(jié)論

(1)隨著泄漏孔徑的不斷增大，噴射火熱輻射強(qiáng)度增強(qiáng)，呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(2)隨著泄漏孔徑的不斷增大，輕傷半徑、重傷半徑、死亡半徑均不斷增大，且呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(3)隨著泄漏孔徑的不斷增大，氨氣的最高容許濃度最遠(yuǎn)達(dá)到的距離呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，近似線性。

(4)泄漏孔徑的改變對(duì)事故后果有比較顯著的影響，應(yīng)定期檢修設(shè)備，發(fā)現(xiàn)裂縫時(shí)要及時(shí)采取有效的堵漏措施，防止孔隙進(jìn)一步變大。