泄漏孔徑對液氨儲罐泄漏事故后果影響規律分析

郭曉曉 湯 楊

(重慶文理學院土木工程學院，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，為了運輸和儲存方便，通常通過加壓或冷卻得到液氨，儲存于儲罐或管道中。在日常運行過程中如果由于設備失效、人為因素等導致液氨泄漏，將會對人民生命財產安全造成極大的危害。氨氣屬于易燃、易爆、有毒氣體，可能會發生火災、爆炸、中毒等事故，再加上與周邊防護距離不夠更會加重事故后果。例如，2002年聊城“7·8”液氨泄漏事故，液氨罐區與周邊村落安全防護距離不足，造成慘重傷亡。深入研究液氨儲罐泄漏事故后果影響范圍并分析其變化規律變得十分重要。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事故后果的影響，模擬、分析變化規律，希望能夠為事故預防與應急救援提供科學有效的方法。

1 液氨泄漏擴散事故模式

當液氨發生連續泄漏時，可能產生以下幾種事故模式：①由于儲罐壓力高于大氣壓，如果液氨在泄漏出口處被立即點燃，會形成噴射火[2]；②當液氨未在泄漏處被立即點燃，而是發生延遲點火，在開放空間內則會形成閃火或池火；③如果在爆炸極限內被點燃則會發生蒸氣云爆炸；④當液氨泄漏后未遇到點火源，則會在大氣中發生擴散，可能導致中毒事故。圖1為液氨連續泄漏擴散事件樹圖[1]。

圖1 液氨儲罐泄漏擴散事件樹

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律。

2 數據模擬分析

2.1 PHAST軟件簡介

DNV PHAST軟件是由挪威DNV石油開采運輸公司開發的，已在全世界許多國家得到應用[3]。該軟件內有多種事故模型，如泄漏、擴散、噴射火、池火、閃火、火球、晚期蒸氣云爆炸和沸騰液體擴展為蒸氣云爆炸等，通過對模型的計算能夠確定危險事件影響區域，能方便地對各種事故進行定量計算，計算結果與實驗數據也較為吻合[3]。該軟件的計算結果還可以以報表、圖形的方式顯示，更加直觀、形象[3]。隨著對安全評價的日益重視，該軟件得到了更廣泛的應用，許多研究者也致力于該軟件的應用研究并得到了可靠的模擬結果。

2.2 參數選擇

某廠區液氨儲罐操作壓力為2.3MPa、儲罐內溫度為2.2℃、儲罐為球形、體積1000m3、充裝系數90%、泄漏高度為1m；廠區地形平坦，風速為1.5m/s；大氣穩定度為D(中度穩定、陰、大風或微風)；氣溫為9.85℃，最高氣溫達43℃，最低氣溫-5℃。

液氨泄漏多發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，發生頻率約為4×10-5/年；中孔泄漏的孔徑一般在5—50mm，發生頻率約為1×10-4/年；大孔泄漏的孔徑一般在50—150mm，發生頻率約為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，發生頻率約為6×10-6/年[1]。由此可以看出，發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行探討，研究液氨泄漏發生噴射火、蒸氣云爆炸、中毒三種事故時的一般影響規律。通過前期勘查和數據采集，分析整合液氨泄漏模擬數據，列出模擬參數，模擬參數見表1。

表1 液氨泄漏模擬參數表

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為熱輻射值對人體的傷害情況。

圖2 熱輻射值對人體的傷害情況[4]

當儲罐運行壓力為2.3MPa、運行溫度為2.2℃、風速為1m/s、泄漏孔徑分別為20、40、60、80 mm時，不同泄漏孔徑下噴射火的熱輻射強度影響范圍計算結果見表2，噴射火的影響范圍隨泄漏孔徑的變化規律見圖3。

表2 不同泄漏孔徑下噴射火的熱輻射強度影響范圍/m

圖3 噴射火的影響范圍隨泄漏孔徑的變化規律

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

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，且呈現類似線性的增長關系。這是因為泄漏孔徑增大，在短時間內容器內的物質會大量釋放出來，那么參與燃燒的云團量增多，導致出現上述結果。

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。常見的評價沖擊波超壓傷害的準則有：超壓準則、沖量準則、壓力-沖量準則等。文章采用沖擊波超壓準則，人員傷害超壓準則見表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 人員傷害超壓準則[3]

當儲罐運行壓力為2.3MPa、運行溫度為2.2℃、風速為1m/s、泄漏孔徑分別為20、40、60、80 mm時，計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律

結果顯示，當泄漏孔徑為20mm時，死亡半徑為31.86m；當泄漏孔徑為40mm時，死亡半徑為64.53m；當泄漏孔徑為60mm時，死亡半徑為97.39m；當泄漏孔徑為80mm時，死亡半徑為119.39m；死亡半徑隨泄漏孔徑的增大而增大。

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

當泄漏孔徑為20mm時，輕傷半徑為35.11m；當泄漏孔徑為40mm時，輕傷半徑為72.40m；當泄漏孔徑為60mm時，輕傷半徑為110.25m；當泄漏孔徑為80mm時，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，而且呈現近似線性的增長趨勢。這是因為泄漏孔徑增大導致液氨的泄漏量增多，參與蒸氣云爆炸的云團的質量也增多，導致傷害半徑明顯增加。

2.5 毒性范圍模擬分析

根據GBZ 2-2002《工作場所有害因素職業接觸限值》的規定，工作場所氨的最高容許濃度(即MAC)為30mg/m3，因此關于毒性影響規律的研究重點關注氨濃度達到30mg/m3時的影響范圍。采用UDM模型，模擬分析20mm、40mm、60mm、80mm四種泄漏孔徑情境下，關注濃度(即MAC)的最遠影響范圍，計算結果見表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

結果顯示，當泄漏孔徑為20mm時，關注濃度的影響區域為5846.68m；當泄漏孔徑為40mm時，關注濃度的影響區域為13481.4m；當泄漏孔徑為60mm時，關注濃度的影響區域為21817.7m；當泄漏孔徑為80mm時，關注濃度的影響區域為27908.9m；泄漏孔徑越大，關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遞增趨勢，且近似線性增長。這是因為泄漏孔徑增大，參與泄漏的云團質量也增大，毒性后果更加嚴重。

3 結論

(1)隨著泄漏孔徑的不斷增大，噴射火熱輻射強度增強，呈現近似線性增長趨勢。

(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，且呈現近似線性增長趨勢。

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

(4)泄漏孔徑的改變對事故后果有比較顯著的影響，應定期檢修設備，發現裂縫時要及時采取有效的堵漏措施，防止孔隙進一步變大。