乙醇储罐密闭性失效分析与安全管理

夏寒玉，张礼敬，陶 刚

(南京工业大学 江苏省危险化学品本质安全与控制技术重点实验室，江苏 南京210009)



乙醇储罐密闭性失效分析与安全管理

夏寒玉，张礼敬，陶 刚

(南京工业大学 江苏省危险化学品本质安全与控制技术重点实验室，江苏 南京210009)

近年来，国内外发生多起乙醇储罐爆炸事故，造成了人员伤亡与财产损失。结合某制冷公司发生的乙醇罐爆炸事故，对事故经过及人员伤亡原因进行深入研究，通过冲击波伤害的定量评估技术，得出人员伤亡的最主要原因是爆炸后乙醇泄漏燃烧引起的火灾。运用领结图法对乙醇储罐爆炸火灾事故进行风险分析，为乙醇生产、储存等相关企业提出直观、简单实用的安全管理方法。

乙醇储罐 爆炸 火灾领结图 安全风险分析

近年来，国内外已发生了多起由于乙醇泄漏引起的工业火灾事故，所幸由于涉及乙醇量较小未造成严重人员伤亡[1]。但这些事故对企业造成了巨大的经济损失，对人民的生命财产安全构成了重大威胁。结合某制冷公司乙醇罐爆炸事故案例对乙醇罐爆炸事故的原因及安全对策措施进行更深入的探究。

1 事故概况

2013年9月9日上午9点15分左右，南京某制冷公司，两名工人在进行设备制冷效果测试准备过程中焊接配管时引发乙醇罐爆炸，引起火灾，造成车间严重损毁，造成4人死亡、1人重伤。其中焓熵试验区、超低温试验区、保温材料裁剪区过火最严重，过火最严重区域平面布置见图1。

图1 过火最严重区域示意

2 事故伤害分析

为研究人员伤亡原因，就爆炸冲击波对现场人员的伤害作用进行定量评估，判断其是否对现场人员具有致命伤害。

2.1 冲击波伤害

通过估算参与爆炸的乙醇蒸气的量，将其换算成TNT当量，由此推算爆炸时死者所处的点的冲击波超压值，进而判断爆炸冲击波对人员的伤害作用。

(1)估算参与爆炸的乙醇蒸气的质量。乙醇储罐示意图见图2，最后一次检测，罐中乙醇液位高度为总高度的40%，罐上部气体的体积为罐体积的60%，罐体积为2.52 m3，可估算上部体积为60%×2.52 m3=1.51 m3。

图2 乙醇罐示意

乙醇的爆炸极限为3.3%～19.0%，罐内为常压，假设罐内乙醇蒸气达饱和，则乙醇蒸气达饱和蒸气压时的体积分数计算如下。

25℃，0.1 MPa，气体摩尔体积为24.5 L/mol，乙醇饱和蒸气压为7.80 kPa，乙醇蒸气密度1.869 kg/m3。

(1)罐内乙醇蒸气的物质的量为：

式中：M为物质的相对分子质量，g/mol；V为气体体积，m3；Vm为气体摩尔体积，L/mol；T取273 ℃；t为物质的温度，℃；P为液体饱和蒸气压，kPa；P0为大气压，kPa。

(2)罐内乙醇蒸气的质量为：

m=M·n=0.200 kg

(3)罐内乙醇蒸气的体积为：

V=n·Vm=0.107 m3

(4)罐内上部空间乙醇蒸气的体积分数为：

参与爆炸的混合气体中乙醇的体积分数应在3.3%～7.1%。

(5)参与爆炸的乙醇蒸气的最小质量为：

mmin=φρV=0.093 kg

故参与爆炸的乙醇蒸气的质量在0.093～0.200 kg。

(6)将乙醇蒸气的质量转化为(TNT)当量，其公式为[2]：

(1)

式中：η为经验爆炸效率，乙醇蒸气的经验爆炸效率为 3%；m为蒸气云中可燃物的质量，kg；ΔHC为可燃气体的爆炸能/燃烧热，kJ/kg；乙醇的燃烧热为3.07×104kJ/kg；ETNT为TNT的爆炸能，kJ/kg(取4686 kJ/kg)。

将数据代入式(1)，计算得到参与爆炸的乙醇的TNT当量：mTNT=0.018 kg～0.039 kg。

(7)根据TNT当量估算爆炸时冲击波超压mTNT与r的比拟关系为

(2)

式中：Ze为比拟距离,m/kg；r为距离爆炸源点的距离,m。

地面上A,B和C点距爆炸源点的距离见图3，分别为ra=1.7 m，rb=5 m和rc=1.9 m[2]。

(3)

式中：ΔP为冲击波侧向超压峰值超压，kPa；ρ0为周围环境压力，kPa。

将mTNT=0.018～0.039 kg代入式(2)和(3)计算得到的结果见表1。

表1 现场各位置爆炸冲击波超压值

表2 冲击波超压对人员的伤害作用[3]

根据计算结果，对照表2，推断爆炸发生时，A和C点的冲击波超压均可导致“损伤人的听觉器官或产生骨折”，不会致人死亡或重伤，而B点的冲击波超压不会造成人员伤亡。

2.2 火灾伤害

爆炸发生时，乙醇储罐内可燃气体蒸气云爆炸形成定向冲击波，见图3，爆炸瞬间桶身向上飞起，由于与回料管道相连接，桶体在向上飞出的过程中向北倾斜，储罐中的乙醇向回料管所在方位泄漏，大量乙醇喷洒到储罐附近及保温材料裁剪区内的可燃物和操作人员身上，瞬间引起大火，大火对在场人员的伤害是致命的。

2.3 可燃物燃烧产生的烟雾及毒气伤害

除冲击波及火灾对现场人员造成伤害，事故现场的可燃物有聚氨酯墙材、软塑板、825胶水、大量的保温材料等，这些物质燃烧都会迅速产生大量的烟雾及有毒气体，对人体造成严重伤害。产生的有毒气体的具体成分见表3。

图3 储罐爆炸时乙醇泄漏示意

物质主要成分燃烧释放的气体聚氨酯夹心材料聚氨基甲酸酯 CO,HCN和HCl,软塑板聚氯乙烯HCHO和CO2等 825胶水氯丁橡胶保温材料酚醛泡沫

CO吸入导致组织缺氧，急性中毒可致死；HCN有急性作用、剧毒而致命，可抑制呼吸酶的功能，人吸入后导致缺氧而窒息，还会麻醉神经系统；HCl有毒、对上呼吸道有强刺激，对眼、皮肤、黏膜有腐蚀性；HCHO对皮肤黏膜有强烈刺激，急性中毒可造成呼吸困难、肺水肿等；CO2本身无毒，但浓度过高时可使人缺氧而窒息。两种致死性有毒气体CO和HCN在火灾烟雾中的毒性效应不是独立的，相互之间有协同效应[4]。

3 人员伤亡原因分析

根据分析可知，保温裁剪区内冲击波超压对于人的伤害很小，不会对人员造成致命伤害。即使爆炸时工作人员位于保温材料裁剪区内距离爆炸源最近的地方(即图1中C点)，爆炸瞬间产生的冲击波超压也只能使人受轻伤，不致使人死亡。由此推测，遇难者并非死于爆炸冲击波超压造成的伤害，而是死于泄漏的乙醇引起的大火。可燃物燃烧产生的大量烟雾及有毒气体也能造成窒息或中毒。

4 领结图法辨识乙醇储罐风险及安全对策

领结图可被分成6个基本部分，即关键事件、事件树、故障树、原因、后果和安全屏障。具体步骤如下[5-7]：

(1)确定顶上事件。事故的直接原因都是乙醇罐密闭性失效，故将乙醇罐密闭性失效确定为顶上事件。

(2)分析事故的原因构造事故树。归纳造成乙醇储罐密闭性失效的原因主要有材料错误、品质不符、强度不足、加工焊接组装缺陷、裂纹扩展、结构缺陷、密封失效等结构缺陷[8]；储罐内部/外部腐蚀；操作过程中的操作失误或违章操作等缺陷；第三方的活动如蓄意破坏、偶然事件等；自然灾害如地震、洪水、海啸等不可抗力。

(3)分析事故可能造成的后果构建事件树。乙醇泄漏易与空气形成爆炸性混合物，遇火源可能发生不同类型的爆炸(如空间气云爆炸、沸腾液体蒸气云爆炸等)。爆炸后，会引起各种类型的火灾事故(如池火灾、喷射火、闪火、储罐火灾)[9]。火灾往往伴随烟雾及有毒气体的产生。

(4)针对事故原因及后果提出安全措施。通过以上对事故原因及可能发生的后果的分析，可以从增强设备的本质安全性(如严把储罐质量关、采取防腐措施、定期维保、安装保护装置、安装泄漏检测及报警装置、安装喷淋装置、设立防火禁区等)；提高操作人员的职业技能(如要求相关从业人员具有一定技能或持证上岗等)；加强安全管理(如严格操作规程、加强员工安全培训教育等)；建立应急机制(如安装应急装置、制定应急救援预案等)几方面采取安全措施。

(5)检查完善领结图。将不同的安全措施与造成事故的原因或结果对应，构建完整的领结图，见图4。

5 结 论

通过深入研究了一起典型的乙醇储罐爆炸事故的原因、发生经过及人员伤亡原因，结合多起同类事故案例，运用领结图风险分析方法分析了乙醇储罐爆炸火灾事故的发生原因、事故后果，并提出预防措施和应急处置措施，绘制了风险分析领结图，降低了乙醇储罐的事故风险，为相关企业提出直观、简单实用的安全管理方法。

图4 乙醇储罐密闭性失效风险分析领结示意

[1] 吴伟, 孙金香, 张欣, 等. 生物乙醇企业火灾风险与安全管理措施探讨[J]. 现代化工, 2012, 32(9): 8-11.

[2] Daniel A. Crowl, Joseph F. Louvar. Chemical process safety: fundamentals with applications [M]. New Jersey: Prentice Hall PTR, 2002：172-192.

[3] 傅智敏, 黄金印, 臧娜. 爆炸冲击波伤害破坏作用定量分析[J]. 消防科学与技术, 2009, 28(6): 390-395.

[4] 赵杰. 氰化氢在火灾烟雾中的致毒机理及救治措施研究[D]. 上海：第二军医大学, 2004.

[5] 石天雄.BTA技术分析在HEMP中的应用[J].石油化工安全环保技术,2010,26(3):19-26.

[6] 朱健刚,赵勇,穆波.领结图分析法在组织变更中的应用[J].安全健康环境,2011,11(10):36-38.

[7] Badreddine A, Amor N B. A Bayesian approach to construct bow tie diagrams for risk evaluation[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2013, 91(3): 159-171.

[8] Ferdous R, Khan F, Sadiq R, et al. Analyzing system safety and risks under uncertainty using a bow-tie diagram: An innovative approach[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2013, 91(1): 1-18.

[9] 苗金明, 刘倩倩, 张宪金. 乙醇贮罐区事故后果定量模拟分析[J]. 北京劳动保障职业学院学报,2012,6(1):36-39．

(编辑 寇岱清)

Risk Analysis of Ethanol Tank Hermeticity Failure and Safety Management

XiaHanyu,ZhangLijing,TaoGang

(JiangsuKeyLaboratoryofUrbanandIndustrialSafety,NanjingTechUniversity,Jiangsu,Nanjing, 210009,China)

There have been many industrial fire accidents caused by leakage of ethanol at home and abroad in recent years, which caused heavy casualties and huge economic losses. Through a case study of an ethanol tank explosion in a refrigeration company, the causes of the accident and casualties were analyzed. By application of quantitative evaluation technology of the shock wave damage, it is concluded that the main cause of fatal injuries to people was the fire caused by the ethanol leakage. The risk analysis was performed for the fire explosion accident by using bow-tie risk analysis method. The intuitive simple and practical approaches for safety management of ethanol production and storage are presented.

ethanol tank, explosion, fire accident bow-tie, safety risk analysis

2016-05-15；修改稿收到日期：2016-06-28。

夏寒玉(1990-)，在读硕士研究生，主要研究方向为安全评价技术研究、事故调查与分析研究。E-mail:810562002@qq.com