李春燕

（太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008）

07MnNiMoDR鋼制乙烯球罐泄漏事故后果研究

李春燕

（太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008）

運(yùn)用DNV PHAST軟件對某廠區(qū)全壓力罐區(qū)的乙烯球罐，進(jìn)行泄漏擴(kuò)散以及爆燃事故的計(jì)算模擬分析。研究不同孔徑和風(fēng)速下，可燃?xì)怏w的泄漏擴(kuò)散規(guī)律，蒸汽云爆炸影響范圍，以及災(zāi)難性破壞時(shí)沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸（BLEVE）事故影響范圍。定量分析事故危險(xiǎn)性，為企業(yè)罐區(qū)的事故預(yù)防以及應(yīng)急救援提供依據(jù)。

乙烯球罐；DNV PHAST；泄漏擴(kuò)散；蒸汽云爆炸；BLEVE

球罐作為乙烯的關(guān)鍵存儲設(shè)備，使用時(shí)操作壓力大、溫度低、存儲量大，已構(gòu)成重大危險(xiǎn)源。球罐在運(yùn)行過程中，球罐殼體及安全附件等設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和施工過程中的本身質(zhì)量問題，外界惡劣的運(yùn)行環(huán)境，低周疲勞失效和人為安全管理等問題[1]，一旦失效，將導(dǎo)致乙烯泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。本文結(jié)合一企業(yè)壓力罐區(qū)新引進(jìn)2臺2 000 m3乙烯球罐（2400-T-0701A～D，2400-T-0702A～B），結(jié)合球罐存儲系統(tǒng)具體薄弱環(huán)節(jié)[2]，確定乙烯泄漏源，運(yùn)用PHAST軟件對球罐泄漏擴(kuò)散安全性研究，依據(jù)分析的事故后果，對企業(yè)日常維護(hù)和事故救援提供應(yīng)急措施和技術(shù)支撐。

1 軟件簡介

DNV PHAST軟件是典型的后果模型軟件，在技術(shù)評價(jià)與安全管理領(lǐng)域具有權(quán)威性，包含全面的危險(xiǎn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫和一系列事故模型，適用范圍廣泛[3]。DNV PHAST軟件主要用于定量風(fēng)險(xiǎn)分析和后果分析，對物質(zhì)泄漏、擴(kuò)散過程、火災(zāi)爆炸和毒性的模擬可計(jì)算可燃有毒云團(tuán)的擴(kuò)散范圍，可燃物質(zhì)的熱輻射范圍，爆炸沖擊波影響范圍等風(fēng)險(xiǎn)值。實(shí)現(xiàn)后果的定量風(fēng)險(xiǎn)分析，為事故發(fā)生后的現(xiàn)場控制，采取相應(yīng)的安全對策措施等提供科學(xué)的依據(jù)。DNV PHAST軟件鑲嵌有泄漏模塊、擴(kuò)散模塊、燃燒爆炸模塊[4]。

2 球罐實(shí)例建模

建?；緮?shù)據(jù)：介質(zhì)乙烯，體積2 000 m3；充裝系數(shù)0.9；貯量815 716.0 kg；工作溫度為-34℃，工作壓力為1.65 MPa。大氣溫度20℃；大氣壓力101 325 Pa；相對濕度80%；地表粗糙度系數(shù)0.1；風(fēng)向?yàn)闁|北；穩(wěn)定度D；不同風(fēng)速影響選取1.5 m/s，3 m/s。泄漏位置距離地面高度3 m處接管泄漏，8 m處殼體裂口；持續(xù)泄漏時(shí)間10 min。

3 模擬后果分析

3.1球罐泄漏擴(kuò)散影響分析

液化乙烯泄漏擴(kuò)散時(shí)，由于泄漏口徑溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體的沸點(diǎn)溫度，所以液化乙烯會在泄漏口處迅速閃蒸，在泄漏口初始噴射擴(kuò)散時(shí)由于罐體中的壓力比大氣壓力大，初始擴(kuò)散呈現(xiàn)湍流膨脹噴射，厚云不斷膨脹，隨著高濃度的擴(kuò)散云層與空氣湍流混合，隨著初始動量的影響減小，直致云層出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散[5]。

在DNV PHAST“容器/管道源”模型下可得到各種氣體擴(kuò)散后果輸出，以泄漏源沿風(fēng)向擴(kuò)散的距離為軸線的接地云團(tuán)寬度和沿下風(fēng)向最大中心線濃度分布，分析危險(xiǎn)有害區(qū)域[6]。

3.1.1罐底接管泄漏擴(kuò)散

罐底3 m處，罐底接管泄漏孔徑20%及100%時(shí)水平泄漏擴(kuò)散范圍：在罐底接管孔徑泄漏時(shí)，由于泄漏口的噴射動量的作用，罐內(nèi)乙烯以液體形式噴射，部分液態(tài)乙烯瞬時(shí)閃蒸，由初始動量的影響，厚云夾帶的微滴不斷膨脹擴(kuò)散，在30 m處氣云膨脹變大觸及地面，云團(tuán)中夾帶的微滴在45 m處全部汽化。

由圖1可以看出乙烯氣體達(dá)到火災(zāi)爆炸范圍為8～100 m，當(dāng)管道泄漏孔徑達(dá)100%時(shí)，乙烯氣體達(dá)到火災(zāi)爆炸范圍18～220 m，準(zhǔn)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域分別為0～8 m，0～18 m。

圖1 孔徑20%泄漏擴(kuò)散側(cè)視圖

圖2表示氣云在垂直高度方向?yàn)?時(shí)的俯視圖，即地表濃度俯視圖。在罐底接管孔徑100%泄漏時(shí)，火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域?qū)挾茸畲筮_(dá)到33 m。

最大火災(zāi)爆炸區(qū)域的面積為4 344 m2；職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)濃度的影響范圍達(dá)到490 m，面積達(dá)41 359 m2，是人員疏散的警戒區(qū)域；燃燒爆炸下限一半的影響范圍達(dá)到430 m，面積達(dá)到28 233 m2，是確定應(yīng)急警戒區(qū)域的依據(jù)。

圖2 孔徑100%泄漏擴(kuò)散最大濃度俯視圖

3.1.2罐體裂口泄漏擴(kuò)散

同情況以此模擬應(yīng)力集中區(qū)域泄漏，即距離地面8 m處，不同孔徑和不同風(fēng)速下擴(kuò)散距離、云團(tuán)寬度距離和云團(tuán)最大影響面積。模擬結(jié)果，見圖3。

由圖3可知，在相同氣象條件下，火災(zāi)爆炸區(qū)域距離泄漏點(diǎn)擴(kuò)散的距離及云層擴(kuò)散的寬度隨著孔徑的增大成直線上升，達(dá)到職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)濃度11500ppm的影響云層的面積隨孔徑的增大成指數(shù)上升。這是因?yàn)橹敝吝_(dá)到穩(wěn)定擴(kuò)散狀態(tài)，泄漏孔徑越大，同等條件下的泄漏量越多，閃蒸的氣云量越多。其次，在相同孔徑下，風(fēng)速的大小對氣體擴(kuò)散作用顯著，風(fēng)速越小，厚云達(dá)到爆炸云團(tuán)的時(shí)間越長，距離泄漏點(diǎn)的擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，云團(tuán)的寬度越大，形成的火災(zāi)爆炸區(qū)域越大。在孔徑100 mm，風(fēng)速1.5 m/s時(shí)，直至穩(wěn)定狀態(tài)爆炸性濃度的氣云需要71.28 s，擴(kuò)散至185 m。由此可以推測下風(fēng)向的擴(kuò)散，風(fēng)速起著支配作用。這是因?yàn)椋旱谝?，風(fēng)速的大小影響了氣云的平流輸送作用，風(fēng)速對氣云有沿下風(fēng)向輸送的作用，風(fēng)速越大，輸送作用越顯著，使下風(fēng)向處的氣體濃度降低；第二，風(fēng)速增大引起脈動速度增大，易使泄漏氣體發(fā)生湍流，使氣體更容易被稀釋；第三，湍流運(yùn)動的加劇也使得氣云與周圍環(huán)境的熱交換變得劇烈，使擴(kuò)散的過冷氣體溫度迅速上升，氣體云密度下降，從而導(dǎo)致氣體云濃度下降。因此，高的風(fēng)速有利于氣體的擴(kuò)散，使危害程度降低。

圖3 罐體裂口泄漏擴(kuò)散分布圖

在相同大氣條件下，隨風(fēng)速的增加，乙烯擴(kuò)散直線距離及擴(kuò)散觸底面積不斷增加，云團(tuán)沿側(cè)風(fēng)向膨脹寬度幅度減小?？讖?00 mm時(shí)，最大面積達(dá)41 359 m2，是人員疏散的警戒區(qū)域，且為確定應(yīng)急警戒區(qū)域的依據(jù)。該數(shù)據(jù)是開放空間的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)飄散的氣云遇到阻礙可能使某一區(qū)域氣云積聚而達(dá)到爆炸極限，遇到明火發(fā)生火災(zāi)爆炸。所以此區(qū)域內(nèi)的任何設(shè)施或者建筑物都加強(qiáng)預(yù)警，一旦泄漏，迅速組織人員及時(shí)疏散并在此區(qū)域內(nèi)嚴(yán)謹(jǐn)明火，采用防爆電器等。

通過對球罐底部泄漏與球罐與托板連接處泄漏的對比，可知在罐底泄漏，擴(kuò)散沿下風(fēng)向距離達(dá)220 m；在罐體中間泄漏，乙烯擴(kuò)散沿下風(fēng)向距離達(dá)185 m，此時(shí)的燃燒爆炸危險(xiǎn)性比在罐體中部泄漏的要大。因?yàn)樾孤┰纯拷孛?，乙烯的擴(kuò)散近地層流效應(yīng)明顯，乙烯產(chǎn)生堆積并沿地面擴(kuò)散，即對人的生命威脅也增大。

3.2乙烯球罐蒸汽云爆炸后果分析

泄漏出的液化乙烯，若在泄漏口處未遇到點(diǎn)火源，氣態(tài)其自身噴射動量和氣象條件下，閃蒸并與空氣預(yù)混、擴(kuò)散，在不利的稀釋和擴(kuò)散條件下，可能形成爆炸性云團(tuán)。下面估算在管底接管和罐體破裂情況下爆炸造成的人員傷亡情況。

罐底進(jìn)出口管線水平泄漏孔徑20%、100%爆炸沖擊波的影響范圍，見表1。

由表1可知，在罐底接管兩種不同泄漏孔徑，其他條件相同情況下，泄漏孔徑越大爆炸影響半徑越大。從表可以看出，破裂面積為100%時(shí)爆炸影響半徑最大，最遠(yuǎn)可爆云團(tuán)爆炸沖擊波影響距離為220 m。在爆炸區(qū)域內(nèi)爆炸后的死亡半徑為30.88 m，重傷半徑49.25 m，輕傷半徑為87.81 m；影響半徑增加幅度大約是20%泄漏孔徑的2倍。當(dāng)罐體乙烯發(fā)生大孔泄漏時(shí)，在廠區(qū)287.81 m范圍內(nèi)是乙烯蒸汽云爆炸的安全距離。

表1 蒸汽云爆炸的危險(xiǎn)危害定量分析

罐體裂口孔徑分別為20 mm，40 mm，50 mm，60 mm，80 mm，100 mm時(shí)泄漏蒸汽云爆炸的模擬計(jì)算結(jié)果，見表2。

由表2可知，在不同孔徑下泄漏時(shí)，最遠(yuǎn)可爆云團(tuán)爆炸沖擊波影響死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑均隨著孔徑的增大而增大，且增加幅度較大，即罐體破裂的面積越大，短時(shí)間內(nèi)泄漏的量且泄漏速率越大，形成爆炸蒸汽云的面積越大，質(zhì)量也就越大，影響半徑也就增大[7]。不同孔徑下的泄漏對蒸汽云爆炸后果影響較大，這是因?yàn)樵谙嗤髿鈼l件下，孔徑越大，泄漏量越大，擴(kuò)散在空氣里的云層質(zhì)量越多。鑒于蒸汽云爆炸事故的嚴(yán)重性，尤其是沿著下風(fēng)向擴(kuò)散的范圍，一旦發(fā)生泄漏事故，有方向的采取有效技術(shù)管理措施迅速啟動泄漏事故應(yīng)急救援預(yù)案，驅(qū)散可燃蒸汽云，并控制好火源，以防止蒸汽云爆炸。

表2 蒸汽云爆炸的危險(xiǎn)危害定量分析

3.3乙烯球罐BLEVE火球后果分析

目前BLEVE分為兩種類型，即火源引起的BLEVE和外部機(jī)械力引起的“冷”BLEVE。統(tǒng)計(jì)表明有85%的BLEVE是因?yàn)闊嵴T導(dǎo)，即儲罐發(fā)生噴射火或池火，在外界火焰烘烤下導(dǎo)致罐壁溫度升高同時(shí)，內(nèi)部壓力增加致使容器的外殼及管壁強(qiáng)度降低，導(dǎo)致球罐發(fā)生災(zāi)難性斷裂?！袄洹盉LEVE可能是由于材料缺陷或過度充裝導(dǎo)致儲罐發(fā)生災(zāi)難性破裂，BLEVE火球產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻射會造成一定的人身傷害和建筑物破壞[8]。后果模擬分析結(jié)果，見表3，表4。

表3 BLEVE的火球危害定量分析結(jié)果

表4 BLEVE沖擊波危害定量分析結(jié)果

由表3可知，在400 m范圍之內(nèi)足夠引起設(shè)備全部損壞，暴漏時(shí)間超過1 min，人員全部死亡；在600 m范圍之內(nèi)木材全部燃燒，部分設(shè)備會損壞，人員暴漏時(shí)間不能超過1 min；在950 m范圍之內(nèi)木材會燃燒，有輕微燒傷，1 750 m為火球熱輻射的安全距離。

球罐發(fā)生爆燃沖擊波的死亡距離250 m，這次區(qū)域由于爆炸轟擊波作用，人員因爆炸沖擊波作用導(dǎo)致肺出血而死亡的概率為0.5。在250～380 m范圍之內(nèi)在爆轟波作用下，該區(qū)內(nèi)的人員耳膜破裂的概率為0.5，如果缺少防護(hù)措施，則絕大多數(shù)將遭受嚴(yán)重傷害，極少數(shù)人可能死亡或受輕傷。在380～700 m范圍內(nèi)人員極少出現(xiàn)重傷，爆轟波致使耳膜破裂的概率為0.01，但在該區(qū)域乎所有人員將遭受輕微傷害。在距離球罐700 m之外，人員即使無防護(hù)，絕大多數(shù)人也不會受傷，死亡的概率幾乎為零。因此，球罐沖擊波安全距離在700 m。

4 結(jié)論

PHAST模擬計(jì)算輸出結(jié)果用圖表表示，可直觀地看出每種事故類型的危害范圍。針對乙烯球罐罐區(qū)的危險(xiǎn)特性，利用PHAST軟件對某乙烯球罐區(qū)泄漏、爆炸事故后果進(jìn)行模擬分析，在不同泄漏位置，不同孔徑和不同風(fēng)速下建立了一套從泄漏到擴(kuò)散再到蒸汽云爆炸的事故后果分析的連鎖響應(yīng)。在球罐底部進(jìn)出口接管泄漏時(shí)，建議在距離距離下風(fēng)向220 m處，設(shè)置警戒，220 m范圍之內(nèi)進(jìn)行緊急人員疏散。并分析了球罐發(fā)生災(zāi)難性破壞時(shí)BLEVE火球爆炸的熱輻射和沖擊波的影響范圍，分析表明球罐發(fā)生災(zāi)難性破裂時(shí)主要危害來源于發(fā)生火球的熱輻射傷害。BLEVE的后果最為嚴(yán)重，其產(chǎn)生的沖擊波和罐體碎片會對人員安全造成很大的威脅。因此，在實(shí)際工作中，應(yīng)加以重點(diǎn)控制和防范，必須采取有效措施，進(jìn)行安全管理，減少事故發(fā)生的條件。

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Research of 07MnNiMoDR Steel Ethylene Spherical Tank Leakage Accident Consequence

LI Chun-yan
(Department of Environmental and Safety Engineering Department Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi,030008)

Using the DNV PHAST software on an ethylene spherical tank in the full pressure tank farm,the leakage diffusion and the deflagration accident simulation are calculated and analyzed.The combustible gas law of leakage diffusion,the scope of vapor cloud explosion and the accident influence scope of catastrophic damage when boiling liquid expanding vapor explosion(BLEVE)happened are researched in state of the different pore size and wind speed.Quantitative analysis of accident risk,it provides the basis for accident prevention and emergency rescue for the enterprise.

ethylene spherical tank;dnv phast;leakage diffusion;vapor cloud explosion;bleve

TD167

A

〔責(zé)任編輯 王東〕

1674-0874(2017)01-0071-04

2016-10-08

李春燕（1990-），女，山東濟(jì)南人，碩士，助教，研究方向：安全評價(jià)。