07MnNiMoDR钢制乙烯球罐泄漏事故后果研究

李春燕

（太原工业学院环境与安全工程系，山西太原 030008）

07MnNiMoDR钢制乙烯球罐泄漏事故后果研究

李春燕

（太原工业学院环境与安全工程系，山西太原 030008）

运用DNV PHAST软件对某厂区全压力罐区的乙烯球罐，进行泄漏扩散以及爆燃事故的计算模拟分析。研究不同孔径和风速下，可燃气体的泄漏扩散规律，蒸汽云爆炸影响范围，以及灾难性破坏时沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE）事故影响范围。定量分析事故危险性，为企业罐区的事故预防以及应急救援提供依据。

乙烯球罐；DNV PHAST；泄漏扩散；蒸汽云爆炸；BLEVE

球罐作为乙烯的关键存储设备，使用时操作压力大、温度低、存储量大，已构成重大危险源。球罐在运行过程中，球罐壳体及安全附件等设备的设计、制造和施工过程中的本身质量问题，外界恶劣的运行环境，低周疲劳失效和人为安全管理等问题[1]，一旦失效，将导致乙烯泄漏引发火灾爆炸事故。本文结合一企业压力罐区新引进2台2 000 m3乙烯球罐（2400-T-0701A～D，2400-T-0702A～B），结合球罐存储系统具体薄弱环节[2]，确定乙烯泄漏源，运用PHAST软件对球罐泄漏扩散安全性研究，依据分析的事故后果，对企业日常维护和事故救援提供应急措施和技术支撑。

1 软件简介

DNV PHAST软件是典型的后果模型软件，在技术评价与安全管理领域具有权威性，包含全面的危险物质数据库和一系列事故模型，适用范围广泛[3]。DNV PHAST软件主要用于定量风险分析和后果分析，对物质泄漏、扩散过程、火灾爆炸和毒性的模拟可计算可燃有毒云团的扩散范围，可燃物质的热辐射范围，爆炸冲击波影响范围等风险值。实现后果的定量风险分析，为事故发生后的现场控制，采取相应的安全对策措施等提供科学的依据。DNV PHAST软件镶嵌有泄漏模块、扩散模块、燃烧爆炸模块[4]。

2 球罐实例建模

建模基本数据：介质乙烯，体积2 000 m3；充装系数0.9；贮量815 716.0 kg；工作温度为-34℃，工作压力为1.65 MPa。大气温度20℃；大气压力101 325 Pa；相对湿度80%；地表粗糙度系数0.1；风向为东北；稳定度D；不同风速影响选取1.5 m/s，3 m/s。泄漏位置距离地面高度3 m处接管泄漏，8 m处壳体裂口；持续泄漏时间10 min。

3 模拟后果分析

3.1球罐泄漏扩散影响分析

液化乙烯泄漏扩散时，由于泄漏口径温度远远大于液体的沸点温度，所以液化乙烯会在泄漏口处迅速闪蒸，在泄漏口初始喷射扩散时由于罐体中的压力比大气压力大，初始扩散呈现湍流膨胀喷射，厚云不断膨胀，随着高浓度的扩散云层与空气湍流混合，随着初始动量的影响减小，直致云层出现稳态扩散[5]。

在DNV PHAST“容器/管道源”模型下可得到各种气体扩散后果输出，以泄漏源沿风向扩散的距离为轴线的接地云团宽度和沿下风向最大中心线浓度分布，分析危险有害区域[6]。

3.1.1罐底接管泄漏扩散

罐底3 m处，罐底接管泄漏孔径20%及100%时水平泄漏扩散范围：在罐底接管孔径泄漏时，由于泄漏口的喷射动量的作用，罐内乙烯以液体形式喷射，部分液态乙烯瞬时闪蒸，由初始动量的影响，厚云夹带的微滴不断膨胀扩散，在30 m处气云膨胀变大触及地面，云团中夹带的微滴在45 m处全部汽化。

由图1可以看出乙烯气体达到火灾爆炸范围为8～100 m，当管道泄漏孔径达100%时，乙烯气体达到火灾爆炸范围18～220 m，准火灾爆炸危险区域分别为0～8 m，0～18 m。

图1 孔径20%泄漏扩散侧视图

图2表示气云在垂直高度方向为0时的俯视图，即地表浓度俯视图。在罐底接管孔径100%泄漏时，火灾爆炸危险区域宽度最大达到33 m。

最大火灾爆炸区域的面积为4 344 m2；职业卫生标准浓度的影响范围达到490 m，面积达41 359 m2，是人员疏散的警戒区域；燃烧爆炸下限一半的影响范围达到430 m，面积达到28 233 m2，是确定应急警戒区域的依据。

图2 孔径100%泄漏扩散最大浓度俯视图

3.1.2罐体裂口泄漏扩散

同情况以此模拟应力集中区域泄漏，即距离地面8 m处，不同孔径和不同风速下扩散距离、云团宽度距离和云团最大影响面积。模拟结果，见图3。

由图3可知，在相同气象条件下，火灾爆炸区域距离泄漏点扩散的距离及云层扩散的宽度随着孔径的增大成直线上升，达到职业卫生标准浓度11500ppm的影响云层的面积随孔径的增大成指数上升。这是因为直至达到稳定扩散状态，泄漏孔径越大，同等条件下的泄漏量越多，闪蒸的气云量越多。其次，在相同孔径下，风速的大小对气体扩散作用显著，风速越小，厚云达到爆炸云团的时间越长，距离泄漏点的扩散距离越远，云团的宽度越大，形成的火灾爆炸区域越大。在孔径100 mm，风速1.5 m/s时，直至稳定状态爆炸性浓度的气云需要71.28 s，扩散至185 m。由此可以推测下风向的扩散，风速起着支配作用。这是因为：第一，风速的大小影响了气云的平流输送作用，风速对气云有沿下风向输送的作用，风速越大，输送作用越显著，使下风向处的气体浓度降低；第二，风速增大引起脉动速度增大，易使泄漏气体发生湍流，使气体更容易被稀释；第三，湍流运动的加剧也使得气云与周围环境的热交换变得剧烈，使扩散的过冷气体温度迅速上升，气体云密度下降，从而导致气体云浓度下降。因此，高的风速有利于气体的扩散，使危害程度降低。

图3 罐体裂口泄漏扩散分布图

在相同大气条件下，随风速的增加，乙烯扩散直线距离及扩散触底面积不断增加，云团沿侧风向膨胀宽度幅度减小。孔径100 mm时，最大面积达41 359 m2，是人员疏散的警戒区域，且为确定应急警戒区域的依据。该数据是开放空间的计算结果，当飘散的气云遇到阻碍可能使某一区域气云积聚而达到爆炸极限，遇到明火发生火灾爆炸。所以此区域内的任何设施或者建筑物都加强预警，一旦泄漏，迅速组织人员及时疏散并在此区域内严谨明火，采用防爆电器等。

通过对球罐底部泄漏与球罐与托板连接处泄漏的对比，可知在罐底泄漏，扩散沿下风向距离达220 m；在罐体中间泄漏，乙烯扩散沿下风向距离达185 m，此时的燃烧爆炸危险性比在罐体中部泄漏的要大。因为泄漏源靠近地面，乙烯的扩散近地层流效应明显，乙烯产生堆积并沿地面扩散，即对人的生命威胁也增大。

3.2乙烯球罐蒸汽云爆炸后果分析

泄漏出的液化乙烯，若在泄漏口处未遇到点火源，气态其自身喷射动量和气象条件下，闪蒸并与空气预混、扩散，在不利的稀释和扩散条件下，可能形成爆炸性云团。下面估算在管底接管和罐体破裂情况下爆炸造成的人员伤亡情况。

罐底进出口管线水平泄漏孔径20%、100%爆炸冲击波的影响范围，见表1。

由表1可知，在罐底接管两种不同泄漏孔径，其他条件相同情况下，泄漏孔径越大爆炸影响半径越大。从表可以看出，破裂面积为100%时爆炸影响半径最大，最远可爆云团爆炸冲击波影响距离为220 m。在爆炸区域内爆炸后的死亡半径为30.88 m，重伤半径49.25 m，轻伤半径为87.81 m；影响半径增加幅度大约是20%泄漏孔径的2倍。当罐体乙烯发生大孔泄漏时，在厂区287.81 m范围内是乙烯蒸汽云爆炸的安全距离。

表1 蒸汽云爆炸的危险危害定量分析

罐体裂口孔径分别为20 mm，40 mm，50 mm，60 mm，80 mm，100 mm时泄漏蒸汽云爆炸的模拟计算结果，见表2。

由表2可知，在不同孔径下泄漏时，最远可爆云团爆炸冲击波影响死亡半径、重伤半径和轻伤半径均随着孔径的增大而增大，且增加幅度较大，即罐体破裂的面积越大，短时间内泄漏的量且泄漏速率越大，形成爆炸蒸汽云的面积越大，质量也就越大，影响半径也就增大[7]。不同孔径下的泄漏对蒸汽云爆炸后果影响较大，这是因为在相同大气条件下，孔径越大，泄漏量越大，扩散在空气里的云层质量越多。鉴于蒸汽云爆炸事故的严重性，尤其是沿着下风向扩散的范围，一旦发生泄漏事故，有方向的采取有效技术管理措施迅速启动泄漏事故应急救援预案，驱散可燃蒸汽云，并控制好火源，以防止蒸汽云爆炸。

表2 蒸汽云爆炸的危险危害定量分析

3.3乙烯球罐BLEVE火球后果分析

目前BLEVE分为两种类型，即火源引起的BLEVE和外部机械力引起的“冷”BLEVE。统计表明有85%的BLEVE是因为热诱导，即储罐发生喷射火或池火，在外界火焰烘烤下导致罐壁温度升高同时，内部压力增加致使容器的外壳及管壁强度降低，导致球罐发生灾难性断裂。“冷”BLEVE可能是由于材料缺陷或过度充装导致储罐发生灾难性破裂，BLEVE火球产生的强烈热辐射会造成一定的人身伤害和建筑物破坏[8]。后果模拟分析结果，见表3，表4。

表3 BLEVE的火球危害定量分析结果

表4 BLEVE冲击波危害定量分析结果

由表3可知，在400 m范围之内足够引起设备全部损坏，暴漏时间超过1 min，人员全部死亡；在600 m范围之内木材全部燃烧，部分设备会损坏，人员暴漏时间不能超过1 min；在950 m范围之内木材会燃烧，有轻微烧伤，1 750 m为火球热辐射的安全距离。

球罐发生爆燃冲击波的死亡距离250 m，这次区域由于爆炸轰击波作用，人员因爆炸冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5。在250～380 m范围之内在爆轰波作用下，该区内的人员耳膜破裂的概率为0.5，如果缺少防护措施，则绝大多数将遭受严重伤害，极少数人可能死亡或受轻伤。在380～700 m范围内人员极少出现重伤，爆轰波致使耳膜破裂的概率为0.01，但在该区域乎所有人员将遭受轻微伤害。在距离球罐700 m之外，人员即使无防护，绝大多数人也不会受伤，死亡的概率几乎为零。因此，球罐冲击波安全距离在700 m。

4 结论

PHAST模拟计算输出结果用图表表示，可直观地看出每种事故类型的危害范围。针对乙烯球罐罐区的危险特性，利用PHAST软件对某乙烯球罐区泄漏、爆炸事故后果进行模拟分析，在不同泄漏位置，不同孔径和不同风速下建立了一套从泄漏到扩散再到蒸汽云爆炸的事故后果分析的连锁响应。在球罐底部进出口接管泄漏时，建议在距离距离下风向220 m处，设置警戒，220 m范围之内进行紧急人员疏散。并分析了球罐发生灾难性破坏时BLEVE火球爆炸的热辐射和冲击波的影响范围，分析表明球罐发生灾难性破裂时主要危害来源于发生火球的热辐射伤害。BLEVE的后果最为严重，其产生的冲击波和罐体碎片会对人员安全造成很大的威胁。因此，在实际工作中，应加以重点控制和防范，必须采取有效措施，进行安全管理，减少事故发生的条件。

[1]黄立道.乙烯及乙烯工业现状[J].中国氯碱,2005,5(1)：1-4.

[2]胡迪.液化石油气储罐泄漏风险评价的研究[D].青岛：中国石油大学,2010.

[3]姜巍巍.PHAST软件在环氧乙烷罐区事故后果分析中的应用[J].安全健康环境,2007,5(7)：33-35.

[4]夏金兵.液态烃球罐区的风险分析及缓解对策[D].上海：华东理工大学,2012.

[5]傅智敏,曹菲菲.液化烃储罐区泄漏及火灾爆炸危险分析[J].科技导报,2013,31(16)：41-46.

[6]余齐杰.DNV软件在事故分析中的应用[J].石油化工安全技术,2001,8(3)：37-39.

[7]李保良.基于PHAST的甲醇储罐定量风险分析[J].研究与探索,2011,1(4)：6-9.

[8]孟亦飞,蒋军成.数量化风险评价中BLEVE火球质量确定方法分析[J].石油与天然气化工,2008,2(37)：166-168.

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

〔责任编辑 王东〕

1674-0874(2017)01-0071-04

2016-10-08

李春燕（1990-），女，山东济南人，硕士，助教，研究方向：安全评价。