液氨罐泄漏事故模擬以及風險對策分析

白波,劉志學(xué),劉維維,王軍,趙歡,李開旺

(陜煤集團榆林化學(xué)有限責任公司,陜西 榆林 719000)

Aloha(Areal Location of Hazardous Atmosphere)是一種用于綜合評估危險化學(xué)品泄漏事故對周邊環(huán)境影響的軟件[1],主要通過計算危險化學(xué)品在空間的泄漏、擴散過程,得到物料泄漏后在大氣中的分布以及潛在事故的影響范圍,有助于化工企業(yè)進行風險辨識和評價,制定環(huán)境風險管理體系,建立突發(fā)應(yīng)急預(yù)案。液氨作為裝置產(chǎn)品,濃度大于99.8%,儲存于生產(chǎn)運行裝置現(xiàn)場的液氨循環(huán)罐中。根據(jù)能量意外釋放理論,液氨屬于第一類危險源,其自身有較大的危險性,一旦發(fā)生泄漏,對企業(yè)作業(yè)人員、設(shè)備實施、周邊地區(qū)將會造成不可估量的影響,因此根據(jù)“將隱患提到事故前”的理念,對泄漏事故進行模擬,預(yù)先提出風險管控措施,為事故預(yù)防和應(yīng)急救援提供指導(dǎo),對企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 液氨循環(huán)罐泄漏事件樹

事件樹分析是一種邏輯歸納法,是從給定一個初始事件的原因開始,按時間進程采用追蹤方法,對構(gòu)成系統(tǒng)各要素(事件)的狀態(tài)(成功或失敗)逐項進行二者擇一的邏輯分析[2]。分析初始條件的事故原因可能導(dǎo)致的結(jié)果,從而定性或定量地評價系統(tǒng)的安全性,其基本過程就是從一個初始事件開始按照事故發(fā)展過程中事件發(fā)生或者不發(fā)生,交替考慮成功與失敗兩種可能的結(jié)果,直到分析出最后結(jié)果為止。事件樹分析既可以進行定性分析,也可定量分析,容易找出不安全因素造成的后果。液氨泄漏事件樹分析如圖1所示。

圖1 液氨循環(huán)罐泄漏事件樹

2 氨氣的理化性質(zhì)及危害性

2.1 氨氣的理化性質(zhì)

常溫常壓條件下,氨氣的密度為0.771 kg/m3,自燃點為51 ℃,爆炸極限為15.5%～27%,氨氣質(zhì)量濃度達到500～700 mg/m3時,呼吸道會嚴重中毒,達到3 500～7 500 mg/m3時,可出現(xiàn)“閃電式”死亡,基本理化性質(zhì)見表1。

表1 氨氣主要理化性質(zhì)

2.2 氨氣的危害性

2.2.1 毒害性

在沒有明火、高溫熾熱表面或熱源的情況下,氨氣發(fā)生泄漏、擴散后的混合氣體與人體接觸時會造成急性中毒和灼傷,主要通過皮膚、呼吸道及消化道進入人體:低濃度氨氣會刺激人體眼部和呼吸道黏膜;高濃度氨氣會導(dǎo)致呼吸困難、胸悶、頭暈等癥狀,嚴重時導(dǎo)致心跳和脈搏停止。

2.2.2 火災(zāi)危險性

氨氣為易燃物質(zhì),引燃溫度為650 ℃,為乙級火災(zāi),爆炸極限為15.7%～27.4%,氨氣泄漏后易發(fā)生火災(zāi)。

2.2.3 爆炸危險性

氨氣具有可燃可爆性,當濃度在17%時,遇到明火或者高溫熱源會立即發(fā)生燃燒或者爆炸。另外,當泄漏源處于封閉空間內(nèi),經(jīng)過一定時間泄漏會形成蒸氣云爆炸,而且液氨儲罐是一種壓力容器,也有爆炸碎片破壞造成的沖擊波對周圍設(shè)備設(shè)施、建筑物造成二次破壞。

3 液氨循環(huán)罐泄漏事故模擬

原料酸性水通過汽提產(chǎn)生的氨氣,經(jīng)過洗滌、結(jié)晶、脫硫、壓縮、換熱后進入到液氨循環(huán)罐中,合格的液氨產(chǎn)品輸送至液氨儲罐中。液氨循環(huán)罐中的部分液氨通過管道回流至洗滌塔、脫硫塔進行重復(fù)處理,儲罐中的廢水等不合格品將輸送至地下管網(wǎng)內(nèi)。液氨循環(huán)罐內(nèi)含介質(zhì)為濃度99.8%以上的液氨,工作溫度在40 ℃左右,操作壓力為2 MPa,罐體使用材質(zhì)為Q245R鋼,保溫材料使用30 cm厚的阻燃性泡沫聚氨酯。該罐分別設(shè)置現(xiàn)場液位計和遠傳液位計各一個、現(xiàn)場壓力表和遠傳壓力表各一個、現(xiàn)場溫度計一個、放空導(dǎo)淋兩個。另外,還設(shè)置一條管道通往火炬氣管網(wǎng),且該通往火炬氣管道上設(shè)置有兩個安全閥。液氨循環(huán)罐如圖2所示。

圖2 液氨循環(huán)罐

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,化工行業(yè)較多泄漏性事故的主要原因包括法蘭和閥門密封失效、管道斷裂、安全附件失效等[3]。因此,根據(jù)該液氨循環(huán)罐所附硬件設(shè)施,并參考裝置運行工況條件,本文在模擬計算過程中,將法蘭與閥門密封失效發(fā)生泄漏事件作為主要的研究對象,為利于模擬和計算,在分析過程中可以將泄漏點等效為一定直徑的孔洞[4]。氨氣在常壓下為氣相,泄漏以后在室外環(huán)境下將會直接擴散,形成具有毒害性和爆炸可能性的危險區(qū)域。

根據(jù)當?shù)貙嶋H氣象情況,設(shè)置風向為北偏西15°,距離地面3 m高度的風速為5 m/s,周圍環(huán)境屬于開闊區(qū)域,萬里無云,氣溫為25 ℃,較為干燥。液氨循環(huán)罐為臥式罐,長度為2 m,直徑為1 m,容積約為1.9 m3,介質(zhì)溫度為40 ℃,內(nèi)存介質(zhì)0.8 t,泄漏點孔洞為3 cm,泄漏孔距離罐底部為0.5 m,介質(zhì)泄漏后接觸地面為水泥地面。

3.1 儲罐泄漏擴散引發(fā)中毒

在 Aloha 模型中,毒性濃度標準判斷方式主要包括化學(xué)品保護措施指導(dǎo)濃度(PAC)、急性暴露指導(dǎo)濃度(AEGL)、應(yīng)急響應(yīng)計劃指南(ERPG)、短期暴露限值(IDLH)。當人體暴露于化學(xué)品濃度超過臨界閾值的環(huán)境中時,會對身體健康產(chǎn)生危害。本文采用更為嚴格的PAC標準來確定液氨循環(huán)罐泄漏的中毒影響區(qū)域,危害濃度閾值見表2。

表2 氨氣毒性標準

當泄漏孔當量直徑為1～5 cm時,其毒性的影響邊界范圍如圖3所示,整體中毒區(qū)域范圍隨著泄漏孔徑的增大而增加,當孔徑小于3 cm時,泄漏中毒影響范圍對泄漏孔徑的增加比較敏感,當孔徑大于3 cm時,隨著孔徑大小增加,泄漏中毒區(qū)域增加趨于平緩。

圖3 泄漏孔徑尺寸對中毒區(qū)域的影響

液氨循環(huán)罐的泄漏孔徑當量為3 cm時,中毒影響區(qū)域分布見圖4。從圖4中可以看出,距離泄漏點下風向146 m范圍內(nèi)為一級致毒區(qū)(PAC-1),該區(qū)域在液氨泄漏60 min時,氨氣濃度可以達到1 100 mg/m3,此濃度下人體呼吸道出現(xiàn)嚴重中毒癥狀,強烈刺激,屬于重度危害濃度區(qū)間。距離泄漏點下風向401 m范圍內(nèi)為二級致毒區(qū)(PAC-2),該區(qū)域在液氨泄漏60 min時,氨氣質(zhì)量濃度可達到160 mg/m3,此濃度下造成人體鼻眼刺激、呼吸脈搏加速,屬于中度危害區(qū)間。距離泄漏點下風向963 m內(nèi)為三級致毒區(qū)(PAC-3),該區(qū)域在液氨泄漏60 min時,氨氣質(zhì)量濃度可達到30 mg/m3,此濃度下造成鼻咽部位有刺激感,屬于輕度危害區(qū)間,圖形最外圈為安全邊界,此邊界以外的區(qū)域?qū)儆诎踩珔^(qū)域,發(fā)生泄漏事故時,應(yīng)當立即將人員疏散至此邊界外。為進一步明確泄漏點坐標以及危害范圍,采用Google Earth 與工藝平面布置圖進行圖像疊層的方法,在地圖上明確液氨循環(huán)罐具體位置及坐標(北緯38°37′37.07″,東經(jīng)110°05′20.80″)以及發(fā)生泄漏所輻射到周圍的區(qū)域,如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場周邊設(shè)備實施距離進行判斷,當發(fā)生泄漏時,影響的范圍涉及東邊的氫氣壓縮機廠房區(qū)域,酸性水裝置正南方向上的洗滌塔、脫硫塔、結(jié)晶塔以及西側(cè)的兩臺氨氣壓縮機,還有酚氨水裝置的大部分區(qū)域。

圖4 泄漏孔徑為3 cm時的影響范圍

圖5 泄漏影響范圍實況

3.2 儲罐泄漏引發(fā)閃火

閃火是液氨泄漏后揮發(fā)出的蒸氣與空氣進行混合后,遇火星、高溫熾熱表面被點燃而發(fā)生的一種非爆炸性的燃燒過程。閃火的危害大小與液氨泄漏后形成的可燃云團密切相關(guān),Aloha在計算過程中根據(jù)云團中氨氣的濃度劃分潛在風險區(qū)域等級,氨氣的爆炸極限在16%～25%,根據(jù)可燃氣體報警閾值將濃度等級劃分為20%LEL、10%LEL、2%LEL,其中LEL為氨氣的爆炸下限,其值為16%。泄漏孔徑為3 cm時各風險區(qū)域等級劃分如圖6所示,距離泄漏點下風向方向22 m之內(nèi)氨氣濃度大于20%LEL,距離泄漏點下風向方向34 m之內(nèi)氨氣濃度大于10%LEL,距離泄漏點下風向方向100 m之內(nèi)氨氣濃度大于2%LEL。經(jīng)進一步計算,距離泄漏點5 m范圍內(nèi)濃度將達到16%,屬于爆炸危險區(qū)。

圖6 氨氣20%LEL、10%LEL、2%LEL分布區(qū)域圖

采用Google Earth 與工藝技術(shù)圖進行圖像疊層得到的危害影響范圍如圖7所示。當蒸氣云發(fā)生閃火時,閃火波及的范圍涉及酸性水裝置當時下風向的洗滌塔、脫硫塔、結(jié)晶塔以及酚氨水裝置的大部分區(qū)域。

圖7 氨氣20%LEL、10%LEL、2%LEL分布區(qū)域?qū)崨r

3.3 泄漏引發(fā)蒸氣云爆炸

儲罐泄漏釋放出的氨氣形成的可燃蒸氣云被點燃,火焰速度加速到足夠高時會發(fā)生超壓現(xiàn)象,形成蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸的主要危害方式包括熱輻射、沖擊波、拋射碎片等,其中沖擊波的危害最大。Aloha軟件分別以55.158 kPa(8.0 psi,造成建筑物損毀)、24.132 kPa(3.5 psi,造成人員重傷)、6.895 kPa(1.0 psi,造成玻璃破碎)的強度來劃分蒸氣云爆炸后的危害區(qū)域等級[5]。經(jīng)計算,在設(shè)定的外界環(huán)境和儲罐內(nèi)氨氣的狀態(tài),不會發(fā)生造成建筑物損毀和人員重傷的蒸氣云爆炸事故。在距離泄漏點下風向12 m、兩側(cè)5.5 m范圍內(nèi)會發(fā)生壓力等級為6.895 kPa(1.0 psi)的事故,如圖8所示。采用Google Earth與工藝技術(shù)圖進行圖像疊層得到的危害影響范圍如圖9所示。當發(fā)生爆炸時,沖擊波的影響區(qū)域包括酸性水裝置的洗滌塔、結(jié)晶塔。

圖8 蒸氣云爆炸危害區(qū)域分布

圖9 蒸氣云爆炸危害區(qū)域分布實況

經(jīng)三類事故的對比分析發(fā)現(xiàn),當氨氣泄漏濃度達到可燃氣體報警儀報警值20%LEL時,其在空氣中的濃度遠遠大于有毒氣體報警儀設(shè)置的30 mg/m3,因此,在考慮氨氣泄漏后發(fā)生的各類型事故中,應(yīng)當重點關(guān)注氨氣泄漏中毒事故,并提出相對應(yīng)的事故風險管控措施[6]。

4 泄漏風險管控措施

4.1 生產(chǎn)管理

1)加強工藝信息安全管理。液氨循環(huán)罐內(nèi)的液氨屬于該裝置產(chǎn)品,有本身不可替代性以及危險性不可消除的特點,所以應(yīng)當建立完整的工藝安全信息,并嚴格管理。一般包括化學(xué)品危害信息,工藝技術(shù)信息和工藝設(shè)備信息?；瘜W(xué)品危害信息至少包括毒性、允許暴露限值、物理參數(shù)、反應(yīng)特性、腐蝕性數(shù)據(jù)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及泄漏化學(xué)品的處置方法[7]。工藝技術(shù)信息應(yīng)當包括工藝流程簡圖、物料存儲最大量、安全操作溫度、偏離正常工況的后果評估。以便對整個工藝系統(tǒng)的危害有全面清晰的認識,制定符合工藝安全的技術(shù)手冊、操作規(guī)程,確保本質(zhì)安全。

2)加強工藝過程安全操作。因儲罐上游工藝條件或操作參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致液氨溫度和壓力超過設(shè)計值,應(yīng)當及時啟動并更新管理程序,及時完善安全防控措施。并向上游酸性水汽提裝置定期增加緩蝕劑和水,不合格產(chǎn)品應(yīng)當密閉循環(huán)送入汽提裝置二次處理,采樣過程應(yīng)采取自動或者密閉方式,建立良好的全面通風條件[8]。

4.2 設(shè)備管理

1)儲罐設(shè)計、制造、安裝。液氨循環(huán)罐屬于壓力容器,應(yīng)當向符合國家規(guī)定的特種設(shè)備制造、安裝單位進行招標采購,另外對制造過程應(yīng)當進行監(jiān)督檢驗,對制造、安裝過程中涉及安全性能的項目嚴格把控[9],如焊接工藝、焊工資格、力學(xué)成分、化學(xué)成分、無損探傷、載荷試驗等重要項目,對出廠技術(shù)資料進行確認,確保液氨循環(huán)罐制造安裝過程符合標準規(guī)范。

2)儲罐使用、維護。針對在液氨循環(huán)罐周圍工作場所設(shè)置固定式氨氣檢測報警儀,并在氨氣泄漏風險區(qū)域禁止使用易產(chǎn)生火花的機械設(shè)備和工具。對循環(huán)罐物料進出口管道彎頭、閥門等易泄漏部位,以及安全閥、壓力表、溫度計等安全附件,應(yīng)加強檢測維護。

4.3 作業(yè)管理

1)在液氨循環(huán)罐工藝流程有關(guān)的檢維修、施工作業(yè)前應(yīng)當開展作業(yè)安全分析并辦理作業(yè)許可手續(xù),配備適用的防護器材,作業(yè)點應(yīng)懸掛“當心中毒”等警示標識后,方可實施作業(yè),并落實屬地單位與作業(yè)單位雙人監(jiān)護[10]。

2)進入罐內(nèi)的受限空間作業(yè)應(yīng)嚴格執(zhí)行GB 30871的要求,制定作業(yè)方案并進行技術(shù)交底、檢維修作業(yè)時,應(yīng)充分做好吹掃、置換清晰、鈍化和低點排液,降至常溫后方可打開儲罐,涉及液氨循環(huán)罐的盲板抽堵、閥門及墊片更換、儀表拆檢、清污等作業(yè)環(huán)節(jié)應(yīng)采取配備正壓式空氣呼吸器、安全繩、便攜式氣體檢測報警儀、通風設(shè)備、通信設(shè)備等應(yīng)急防護措施,現(xiàn)場應(yīng)至少備用一套正壓呼吸設(shè)備。

4.4 警示與防護

在液氨循環(huán)罐泄漏風險區(qū)域等重點部位,設(shè)置醒目的警示標識,在裝置出入口設(shè)置氨氣危害告知牌,風向標按照高點、地點相結(jié)合的原則設(shè)置且位置醒目,高點風向表的高度及位置應(yīng)便于觀察,低點風向標應(yīng)設(shè)置在外操室或其他人員密集處附近,且企業(yè)應(yīng)當配備便攜式氣體檢測報警儀、巡檢防毒面罩等個體防護裝備。

4.5 應(yīng)急處置

企業(yè)應(yīng)當制定涉及有毒氣體泄漏事故應(yīng)急處置方案并嚴格執(zhí)行,應(yīng)設(shè)置氣防站,配備搶險急救、應(yīng)急救援器材、有毒氣體捕消設(shè)備,不明原因的泄漏或報警,現(xiàn)場人員應(yīng)遵循生命至上原則,立即撤離到安全區(qū)域。應(yīng)急處置應(yīng)當采用工藝控制、通風、噴淋、洗消等適宜的手段及時消除現(xiàn)場氨氣。

5 結(jié)論

1)使用Aloha軟件對裝置中液氨循環(huán)罐法蘭或閥門發(fā)生泄漏中毒、閃火、蒸氣云爆炸等三類事故進行模擬,通過對比不同泄漏孔徑當量1～5 cm,發(fā)現(xiàn)泄漏危害范圍隨著儲罐泄漏孔徑的增大而增加,當孔徑大于3 cm時,危害范圍的增加幅度趨于平緩。

2)通過對中毒、閃火、蒸氣云爆炸三類事故泄漏事故的氨氣濃度對比分析,發(fā)現(xiàn)泄漏后造成人員中毒的風險和周邊環(huán)境影響波及范圍最大。

3)使用Google Earth與工藝裝置分布圖像疊層的方法對模擬畫面進行處理,明確了該液氨循環(huán)罐的經(jīng)緯坐標,進一步確定了事故的輻射范圍和安全邊界,對制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和救援方案具有一定的指導(dǎo)意義[11]。

4)根據(jù)化工全過程安全管理原則,主要針對液氨循環(huán)罐泄漏中毒,對企業(yè)在工藝、設(shè)備、作業(yè)安全、警示與防護、應(yīng)急處置等五個方面提出一定的風險管控措施。但是在實際過程中還需要進行不斷地反饋改進,以符合本質(zhì)化安全的要求。