化學(xué)園區(qū)苯儲罐泄漏風(fēng)險分析

馬鑫龍

(深圳市燃氣集團股份有限公司 深圳 518000）

隨著我國化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，?；贩N類也隨之迅速增多，如何保證?；返陌踩褂谩Υ?、運輸逐漸成為熱點問題。其中，苯在眾多領(lǐng)域使用量較大，苯儲罐也發(fā)生過泄漏火災(zāi)等事故。2014 年某集團苯儲罐發(fā)生泄漏事故，導(dǎo)致2 人死亡；2018 年上海某公司苯儲罐底板發(fā)生泄漏，并且造成爆炸事故，導(dǎo)致6 人死亡[1]。當(dāng)苯儲罐發(fā)生泄漏時，遇到熱源或者明火，會發(fā)生火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸事故，造成嚴重財產(chǎn)損失、人員傷亡以及環(huán)境污染。因此，對苯儲罐進行風(fēng)險分析、后果模擬應(yīng)該引起足夠的重視。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者不乏對儲罐風(fēng)險分析和后果模擬的研究。例如，巫志鵬等人使用了物理化學(xué)等理論方法對化工儲罐進行風(fēng)險評價研究[2]；林子淳利用風(fēng)險評價方法對化工儲罐進行研究[3]；王洪德等人針對化工裝置的火災(zāi)爆炸事故進行風(fēng)險網(wǎng)格矩陣疊加分析，從而揭示了火災(zāi)事故的危險程度[4]；馬月鵬等人利用個人風(fēng)險和社會風(fēng)險的計算模型定量計算了儲罐的風(fēng)險[5]。目前國外已經(jīng)研發(fā)了幾個常用的火災(zāi)數(shù)值模擬軟件，如ALOHA、DNV Phast、Fluent、FDS以及FLACS 等。Middha[6]對一些利用FLACS 軟件模擬火災(zāi)的文獻進行分析，利用FLACS 軟件進行火災(zāi)模擬。

經(jīng)以上分析，筆者通過事故樹分析和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來計算苯儲罐泄漏發(fā)生的概率，根據(jù)實際工廠中苯儲罐的場景進行模擬，通過統(tǒng)計分析結(jié)果確定點火概率，并對產(chǎn)生的池火模型計算熱輻射值，轉(zhuǎn)化成個人致死率，借助MATLAB 軟件計算個人風(fēng)險值，接著通過ALOHA 軟件對單個儲罐進行后果模擬，分析苯發(fā)生火災(zāi)和毒性事故的影響。

1 苯儲罐泄漏事故概率計算

1.1 事故樹模型構(gòu)建

事故樹分析法主要用在安全工程及可靠度工程領(lǐng)域，可用來了解系統(tǒng)失效的原因，能夠?qū)ο到y(tǒng)的危險性進行識別評估，既能定性分析，也能定量分析，自上而下，層層分析頂事件的發(fā)生原因，將造成頂事件發(fā)生的基本事件與中間事件連接起來，并形象地表達出其因果關(guān)系。

筆者采用事故樹模型對苯儲罐進行泄漏分析，依據(jù)歷史資料歸納苯儲罐泄漏的基本事件與中間事件見表1。根據(jù)基本事件、中間事件和頂上事件構(gòu)建事故樹如圖1 所示。根據(jù)國內(nèi)外事故統(tǒng)計，結(jié)合化工廠的地理位置、環(huán)境、員工素質(zhì)及文獻調(diào)研得到事故樹中27 個基本事件的概率見表2。

圖1 苯儲罐泄漏事故樹圖

表1 苯儲罐泄漏事件表

表2 基本事件的發(fā)生概率

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

在分析儲罐泄漏的原因后，進行泄漏概率的計算，這里采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行計算。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型是基于貝葉斯定理的圖形化模型，是事件概率與事件直接原因概率之間可逆的關(guān)系。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點代表一個變量，箭頭代表因果關(guān)系。一個節(jié)點可以連接到許多其他節(jié)點，要么是因為許多原因在該節(jié)點上有一個結(jié)果，要么是因為該節(jié)點在許多其他節(jié)點上有一個直接結(jié)果。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的概率采用貝葉斯規(guī)則計算。貝葉斯規(guī)則是推理論證的關(guān)鍵，允許計算一個原因(或一個結(jié)果)的概率，知道一些其他相關(guān)的事件已經(jīng)發(fā)生。

根據(jù)事故樹，利用GeNIe 軟件建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖2 所示。

圖2 苯儲罐泄漏貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型分析，輸入各基本事件的發(fā)生概率，計算得到苯儲罐的泄漏概率為0.000 22。

2 個人風(fēng)險值計算

當(dāng)苯儲罐發(fā)生泄漏之后，流淌到地面形成液池，遇明火燃燒而形成池火。筆者應(yīng)用池火模型計算苯儲罐發(fā)生泄漏火災(zāi)事故后在周圍產(chǎn)生的熱輻射值，并轉(zhuǎn)化為個人致死率，然后使用MATLAB 軟件計算個人風(fēng)險值。

2.1 熱輻射值計算

苯（Benzene，C6H6）在常溫下為一種無色、有甜味的透明液體，并具有強烈的芳香氣味，苯可燃、有毒，也是一種致癌物質(zhì)，密度為0.88 g/mL，相對蒸氣密度為2.77，熔點為5.51 ℃，沸點為80.1 ℃，苯的燃燒熱為42 287.5 kJ/kg。儲罐泄漏情景為：兩儲罐相隔30 m，泄漏位置在儲罐最底部，泄漏孔分為小孔、中孔和大孔，孔徑分別為7 mm、10 mm 和15 mm，其發(fā)生的概率占比分別為0.4、0.4 和0.2，在泄漏15 min 之內(nèi)沒有工作人員發(fā)現(xiàn)苯儲罐發(fā)生泄漏，并假設(shè)點火概率為0.3，形成液池的液膜厚度為0.01 m，不考慮多米諾效應(yīng)。

池火直徑計算見式（1）、式（2），計算結(jié)果見表3。

表3 池火面積計算結(jié)果

式中：

S——液池面積；

Cd——泄漏系數(shù)，取0.65；

A——裂口面積；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

h——裂口之上液位高度，m；

d——液膜厚度；

T——溫度，℃；

D——池火半徑。

熱輻射值計算見式（3）～式（5）。

式中：

E——固體火焰模型的表面發(fā)射功率；

F12——視覺系數(shù)；

q′′——熱輻射值；

Es——火焰表面的熱輻射比；

Emax——火焰表面最大處的熱輻射比；

F12，H——泄漏處的視覺因子；

F12，V——池火的視覺因子；

τ——空氣折射率。

2.2 個人致死率計算

將熱輻射值轉(zhuǎn)化成個人致死率，計算見式（6）～式（8）。

式中：

I——熱輻射強度；

u——距離因子，m；

ts——暴露時間，取20 s。

2.3 個人風(fēng)險值計算

個人風(fēng)險是衡量儲罐裝置風(fēng)險的一個重要指標(biāo)。一般地，個人風(fēng)險是指因危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置的各種潛在的火災(zāi)、爆炸、有毒氣體泄漏事故造成區(qū)域內(nèi)某一固定位置人員的個體死亡概率，即單位時間內(nèi)（通常為1 年）的個體死亡率。通常用個人風(fēng)險等值線表示。

筆者在本文中使用MATLAB 軟件計算個人風(fēng)險值，計算見式（9），計算結(jié)果見圖3。

圖3 個人風(fēng)險計算結(jié)果

從圖3 中可以得到，個人風(fēng)險值大致呈圓環(huán)形分布，且距離儲罐越近，個人風(fēng)險值越大。根據(jù)我國個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)值，在居住類高密度場所和公眾聚集類高密度場所（30 人≤人數(shù)＜100 人），新建裝置的個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)為3×10-6；在高敏感場所、重要目標(biāo)和特殊高密度場所（人數(shù)≥100 人），新建裝置的個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)為3×10-7。在距離儲罐12 m 左右的位置，風(fēng)險值為4.75×10-6，超出了個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該采取相應(yīng)措施，減小個人風(fēng)險值。比如，在苯罐區(qū)安置移動式滅火器、固定式雨淋噴水滅火系統(tǒng)、固定式低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)等；做好氣體檢測報警系統(tǒng)的設(shè)置，對泄漏情況實施全天不間斷的監(jiān)測；合理控制罐區(qū)建筑物間的距離。

3 ALOHA 仿真

3.1 ALOHA 軟件基本情況

ALOHA (Areal Locations of Hazardous Atmospheres，有害大氣空中定位軟件)是由美國環(huán)保署 (EPA) 化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室(CEPPO)和美國國家海洋和大氣管理 (NOAA) 響應(yīng)和恢復(fù)辦公室共同開發(fā)的應(yīng)用程序[7]。該軟件累積集成了1 000 多種常見的危險化學(xué)品的理化性質(zhì)，可以用來計算危險化學(xué)品泄漏后的毒氣擴散、火災(zāi)、爆炸等產(chǎn)生的毒性、熱輻射和沖擊波等。目前，ALOHA 已廣泛應(yīng)用于風(fēng)險評估和應(yīng)急輔助決策等領(lǐng)域。

3.2 甲苯泄漏事故后果分析

●3.2.1 案例分析

2019 年3 月21 日，位于江蘇省的某工業(yè)園區(qū)內(nèi)的苯儲罐發(fā)生泄漏并引發(fā)爆炸事故，本次江蘇響水“3.21”爆炸事故造成死亡44 人，危重32 人，重傷58 人，還有部分群眾受輕傷[8]。事故發(fā)生時的具體環(huán)境參數(shù)及苯儲罐的泄漏參數(shù)見表4。

表4 泄漏參數(shù)表

●3.2.2 毒性

苯儲罐在發(fā)生泄漏之后，由于苯具有易揮發(fā)、有毒等特性，根據(jù)AHLOHA 中的AEGL 指標(biāo)(Acute Exposure Guideline Level，急性暴露指導(dǎo)濃度)描述苯在泄漏揮發(fā)以后毒性傷害的區(qū)域范圍。

根據(jù)AEGL 標(biāo)準(zhǔn)，危險化學(xué)品毒性危害區(qū)域劃分為3 個區(qū)域，紅區(qū)代表AEGL-3，個體在此濃度之上將會遭受生命危險甚至死亡。橙區(qū)代表AEGL-2，個體在此濃度之上將會喪失逃生能力，且遭受不可逆的、嚴重的不良健康影響。黃區(qū)代表AEGL-1，個體在此濃度之上將會感到不舒服、刺激，但這些影響都是暫時性的并且可逆的。

ALOHA 模擬結(jié)果如圖4 所示，苯毒性區(qū)域中的重傷區(qū)域（AEGL-2，60 min 內(nèi)暴露超過800 mg/L）的最遠距離為120 m，輕傷區(qū)域（AEGL-1，60 min內(nèi)暴露超過52 mg/L）的最遠距離為650 m。

圖4 苯揮發(fā)擴散后毒性區(qū)域分布圖

●3.2.3 蒸汽云閃火區(qū)域

可燃區(qū)域是蒸氣云濃度在燃爆下限（Lower Explosive Limits，LEL）和燃爆上限（Upper Explosive Limits，UEL）之間的區(qū)域。ALOHA 使用60% LEL作為可燃等級紅區(qū)，10% LEL 作為可燃等級黃區(qū)。

經(jīng)過ALOHA 模擬分析，在3 m/s 風(fēng)速下，苯揮發(fā)后蒸汽云擴散閃火傷害重傷區(qū)域（10% LEL，暴露濃度高于1 200 mg/L）的最遠覆蓋區(qū)域為98.6 m，如圖5 所示。

圖5 蒸汽云閃火區(qū)域分布圖

●3.2.4 池火熱輻射

在ALOHA 軟件中，應(yīng)用熱輻射指標(biāo)描述苯噴射火輻射傷害區(qū)域范圍。在假設(shè)情境下苯火焰的模擬擴散如圖6 所示，在3 m/s 風(fēng)速下，苯泄漏噴射火傷害致死區(qū)域（熱輻射高于10.0 kW/m2）的最遠覆蓋區(qū)域為14.8 m，苯泄漏噴射火傷害致死區(qū)域(熱輻射高于5.0 kW/m2)的最遠覆蓋區(qū)域為19.7 m，苯泄漏噴射火傷害致死區(qū)域（熱輻射高于2.0 kW/m2）的最遠覆蓋區(qū)域為27.9 m。

圖6 池火的熱輻射區(qū)域分布圖

4 結(jié)論

1）在對儲罐進行風(fēng)險評價時，可以利用事故樹模型來描述儲罐發(fā)生泄漏事故的原因，然后根據(jù)GeNIe軟件建構(gòu)貝葉斯模型進行頂上事件發(fā)生概率的計算。

2）使用固體火焰模型，利用MATLAB 軟件編程計算出熱輻射值，然后轉(zhuǎn)化為個人致死率，進而計算個人風(fēng)險值，得到在儲罐周圍10 m 的個人風(fēng)險值為4.751 8×10-6，已經(jīng)超出了可接受標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采取相應(yīng)的風(fēng)險減緩措施。

3）根據(jù)ALOHA 模擬結(jié)果顯示，溫度在25℃，風(fēng)速為3 m/s 的時候，苯的毒性致人死亡或者重傷的最遠范圍達到了120 m，要遠遠大于苯引發(fā)火災(zāi)致人死亡的最遠范圍，因此對于苯發(fā)生泄漏后，應(yīng)重點防治苯的毒性所帶來的危害。