液氨槽罐車泄漏事故擴散模擬研究

陳亞雄，蘇文彬，馬江濤

（應急管理部消防救援局昆明訓練總隊，云南 昆明 650200）

1 前言

氨是一種重要的化學藥劑，廣泛應用于石油化工、保鮮冷藏等產業(yè)。通常通過加壓或降溫使其液化，利用罐車進行運輸，其安全性是關注的重點。由于氨有毒性，交通事故或車輛老化等原因引發(fā)泄漏可造成大面積擴散，進而引發(fā)燃燒和爆炸。

國內外學者對危險化學品槽罐車事故進行了模擬和分析，西安科技大學安全科學與工程學院羅振敏等利用PHAST軟件對液氨泄漏事故進行了模擬分析。中國石油大學郭家秀通過計算流體力學CFD-FLUENT軟件對液氨儲罐泄漏擴散進行數(shù)值模擬研究，得到不同風向影響下氨泄漏擴散濃度的時空分布規(guī)律。沈陽化工大學環(huán)境與安全工程學院徐建航等利用ALOHA對液氨的管道泄漏情況進行了模擬仿真，得到了氨氣擴散、燃燒和爆炸情況下的危險區(qū)域。東北大學資源與土木工程學院楊德鑫等利用DEMATEL-ISM模型分析了液氨泄漏事故中的風險，為安全保護提供了依據(jù)。沈陽航空航天大學劉曉雙開展了液氨泄漏事故應急救援虛擬演練與培訓系統(tǒng)的研究。

上述研究和分析主要針對某一事故進行分析，分析事故的危害可能性，對于泄漏參數(shù)對于事故的影響程度研究相對較少。為此，本文以ALOHA軟件分析模擬手段，在事件樹定性分析的基礎上，模擬和分析泄漏孔徑、環(huán)境溫度和風速對事故的影響。

2 研究對象

氨在運輸過程中以液態(tài)存在，但氨氣極易溶于水，同時汽化熱大，是一種常用的、價格低廉的冷凍劑，廣泛應用于保鮮儲存、石油化工行業(yè)。當罐車在運輸過程中發(fā)生液氨泄漏后，迅速發(fā)生汽化，產生大量無色且具有強烈的刺激性臭味的氨蒸氣。氨蒸氣具有強烈的腐蝕性，人畜吸入后可引起中毒。由于密度比空氣小，汽化體積擴大，具有很強的擴散性。同時，燃燒濃度和爆炸極限低，容易引發(fā)燃燒和爆炸等事故。液氨的主要理化性質見表1所示。

表1 液氨的主要理化性質

作為液氨運輸?shù)某Ｓ霉ぞ撸酃捃嚧罅渴褂?。此類車普遍以燃油車為主，但隨著新能源車輛的普及，掛車可能采用鋰電池、氫燃料電池、油電混動、油氣混動。車輛種類的增加，不僅可以節(jié)能減排，而且增加了運輸?shù)娘L險。

3 事故樹定性分析

液氨作為劇毒物質，具有很大的危險性。由于采用壓縮工藝，一旦發(fā)生泄漏，體積急劇汽化，呈現(xiàn)白色霧狀，形成毒性蒸氣云團并擴散迅速。一方面，造成視野受限，給現(xiàn)場救援帶來不確定性，造成不便；另一方面，人畜吸入造成呼吸道損傷，引起浮腫，危險人身安全，同時對環(huán)境造成污染，造成植被死亡。氨氣也是一種易燃易爆氣體，燃燒濃度和爆炸極限低，在受限空間遇明火發(fā)生爆炸，在廣闊空間燃燒，可形成火球或噴射火，熱輻射大，造成重大財產損失和人員傷亡。

從上述分析可知，危險性來自液氨的危險性。通過事件樹分析法，對液氨可能造成的風險分析如圖1所示。

圖1 液氨罐車事故分析

4 ALOHA模擬仿真分析

根據(jù)液氨槽罐車事故分析可知，主要的危險源主要集中在液氨罐體。當事故中出現(xiàn)液氨泄漏時，事故危險程度增加，因此，本文重點研究液氨罐車發(fā)生泄漏時的危險區(qū)域。本文模擬某液氨罐車在運輸過程中發(fā)生事故，引起閥門管道破裂，利用ALOHA模擬。通過文獻查閱，現(xiàn)場影響液氨擴散的主要因素是溫度、風速和泄漏孔徑，因此通過ALOHA軟件模擬，得到上述參數(shù)與AEGL水平距離之間的關系。

在ALOHA軟件的模擬體系中，AEGL共分為三個水平，其中AEGL-1代表中毒水平，即會引起身體不適、癥狀較輕，在模擬仿真時1小時內，空氣中的氨氣濃度可達到30ppm，這類反應是可逆的，為輕傷濃度。AEGL-2代表出現(xiàn)較為嚴重的身體反應，且多為不可逆，在模擬仿真時1小時內，空氣中的氨氣濃度可達到160ppm，影響程度深，為重傷區(qū)域。AEGL-3代表死亡威脅，在模擬仿真時1小時內，空氣中的氨氣濃度可達到1100ppm，即會引起人畜死亡，危及生命。AEGL各水平代表了擴散引起的影響程度。

利用ALOHA軟件進行模擬仿真，其中的主要環(huán)境參數(shù)如表2所示，環(huán)境溫度和風速以及泄漏孔徑為研究變量。

表2 事故現(xiàn)場的模擬參數(shù)

4.1 環(huán)境溫度對液氨擴散范圍分析

為研究環(huán)境溫度對液氨泄漏擴散造成的影響，設置6個水平，分別是10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃，風速為5m/s，泄漏孔徑為10cm，其余參數(shù)與表2保持一致，通過ALOHA軟件進行模擬仿真得到圖2所示的關系。

圖2 AEGL水平與溫度的關系

如圖2所示，AEGL水平距離與環(huán)境溫度呈現(xiàn)正相關性。在溫度15℃以下，AEGL水平距離隨著溫度的升高，上升明顯，特別是AEGL-1的距離，即中毒范圍的擴散距離上升明顯。在環(huán)境溫度高于15℃后，雖然AEGL水平距離隨著溫度的上升依然升高，但上升趨勢明顯降低，呈現(xiàn)較為緩和的上升，顯然這個階段以后，溫度已不再是引起AEGL水平距離提高的主要因素。隨著環(huán)境溫度的升高，擴散的液氨分子具有更大的能量，能擴散距離更大。

4.2 風速對液氨擴散范圍分析

為研究風速對液氨泄漏擴散造成的影響，共設置6個水平，分別是2m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、12m/s，溫度為25℃，泄漏孔徑為5cm，其余參數(shù)與表2保持一致，通過ALOHA軟件進行模擬仿真得到圖3所示的關系。

圖3 AEGL水平與風速的關系

如圖3所示，AEGL水平距離與風速呈現(xiàn)負相關性。在模擬的環(huán)境中，AEGL水平距離隨著風速的加大，呈現(xiàn)下降趨勢明顯，特別是AEGL-1的距離，即中毒范圍的擴散距離更為明顯，AEGL-2和AEGL-3呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度比AEGL-1水平要小。隨著環(huán)境中風速的提高，氨氣分子運動劇烈，但難以到達AEGL各水平的數(shù)值，風速在擴散過程中主要起到了稀釋的作用，對現(xiàn)場救援和人員疏散有積極的意義，在現(xiàn)場處置中應充分利用風速、風向的有利條件開展救援，提高救援效率。

4.3 泄漏孔徑對液氨擴散范圍分析

為研究罐體泄漏孔徑對液氨擴散造成的影響，共設置6個水平，分別是2cm、4cm、6cm、8cm、10cm、12cm，溫度為25℃，風速為5m/s，其余參數(shù)與表2保持一致，通過ALOHA軟件進行模擬仿真得到圖4所示的關系。

圖4 AEGL水平與泄漏孔徑的關系

如圖4所示，AEGL水平距離與罐體的泄漏孔徑呈現(xiàn)正相關性。在模擬的環(huán)境中，AEGL水平距離隨著泄漏孔徑的逐步擴大，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，其中AEGL-1的距離變化趨勢最為明顯，即中毒范圍的擴散距離顯著，AEGL-2和AEGL-3上升較為緩和。隨著泄漏孔徑的不斷增大，單位空間內的氨氣分子顯著增加。

5 液氨運輸及泄漏處置注意事項

液氨罐車事故作為常見的危險化學品事故，由于液氨的特殊理化性質，擴散速度快，毒性強，且易燃易爆，不僅會對環(huán)境造成重大污染，還會對人員構成重大生命威脅，因此，做好運輸和泄漏處置工作至關重要。

5.1 加強教育，減少事故發(fā)生概率

液氨槽罐車發(fā)生泄漏除少部分由于罐體或者車輛故障外，大部分都是由于發(fā)生交通事故后引發(fā)。因此，加強對駕駛員的安全教育顯得尤為重要。液氨槽罐車作為特種車輛，需要對駕駛員開展定期培訓，提高安全意識，從源頭上減少事故的發(fā)生。

5.2 定期檢修車輛，防止車輛事故

液氨槽罐車是一種牽引車，包括車頭和罐體，作為特殊車輛，加強對車輛的檢修和維護保養(yǎng)，可有效減少事故發(fā)生。除常規(guī)檢查外，特別要加強對罐體的檢測，如閥門、管道等特殊部位，防止車輛老化和結構缺陷造成事故。

5.3 稀釋抑爆，防止液氨聚集

由于氨氣極易溶于水，當發(fā)生液氨泄漏后，消防救援人員到場后通過水幕水帶或者水幕水槍，及時稀釋空氣中的氨氣含量。通過稀釋抑爆，防止氨氣聚集達到爆炸極限和燃燒極限，既減少人員中毒，也能防止劇烈的燃燒和猛烈的爆炸。

5.4 及時疏散，分等級警戒

液氨發(fā)生泄漏后，受環(huán)境溫度、風速和泄漏孔徑的影響，造成的危害程度不盡相同。在處置現(xiàn)場，應根據(jù)實際情況，劃分不同的警戒區(qū)域，對于進出的人員及時洗消。按照處置規(guī)程，做好周圍人員的疏散。

6 結語

本文以液氨槽罐車為研究對象，通過事件樹分析法對液氨發(fā)生泄漏后可能造成的危害進行了詳細分析，利用ALOHA軟件對AEGL水平進行了模擬，得到了相關趨勢并進行了分析。針對此類事故，提出了相應的建議。