环境多米诺效应概念及其实例研究

孙佳佳

（江苏省安全生产科学研究院，江苏 南京 210042）

近几年，随着国家推进企业入园进区，企业分布呈现区域集中式，更加规模化和集中化。但也正因如此，园区企业密度增加，企业的突发事故更容易对本企业和周边企业产生联锁事故，发生特大安全事故，从而引发特大突发性环境污染事件。2013年8月13日天津港爆炸事故正是由于硝化棉燃烧引发的硝酸铵等129种危险化学物质的联锁爆炸事故，对局部区域的大气环境、水环境和土壤环境造成了不同程度的污染[1]。一些学者曾经提出突发性事故的多米诺效应，但在目前的环境风险评价中，多米诺效应很少被提及，处于被忽视的地位。本文通过石化仓储企业的安全及环境特点，探讨环境风险多米诺效应的实际应用，希望对环境风险评价工作提出有益的帮助。

1 环境多米诺效应

1.1 环境多米诺效应概念

Cozzanid等在2005年对相关的文献做过详细的总结，提出相对完整的多米诺效应的定义，即由初始时间发生，引发邻近一个或多个设备发生事故，从而导致总事故后果比初始事故后果更加严重的现象为多米诺效应[2]。

在化工企业或石化仓储企业中，若一个工艺或存储设备、单元发生事故时，可能会伴随其它工艺或存储设备、单元的破坏，从而引发二次、三次甚至更为严重的事故。当突发性事故多米诺事故对环境产生危害时，即为环境风险多米诺事故。

环境风险多米诺效应是指一定区域内存在多个环境风险源，由某些风险因素影响引发初始事故，当初始事故释放足够能量或物质后，与外界环境因素共同作用，使邻近的环境风险源受到影响而发生事故，两个或多个环境风险事故相互作用，连锁发生，造成有毒有害物质大量进入周围环境。

1.2 多米诺效应发生条件

一般来说，多米诺事故的发生必须具备以下条件。

（1）距离条件：初始事故的影响范围内需存在敏感单元；

（2）能量条件：初始事故的破坏效应，即能量足够大能够导致影响范围内的敏感单元被破坏；

（3）概率条件：初始事故以及所引发的二次事故的发生破坏概率应当足够大，即为可能发生事故。

当上述三个条件同时满足时，才会触发多米诺效应。

1.3 多米诺效应作用机理及阈值研究

触发多米诺效应的事故主要有三种形式，分别为泄露、火灾及爆炸。其中泄露引发的机理主要为有毒有害物质泄漏导致操作人员中毒，使操作人员神志不清，现场设备无人看管等情况，从而无法进行正常操作，引发多米诺效应。由于该情况主观因素较大，无法进行定量判定，故本文重点分析火灾及爆炸这两种形式。

1.3.1 火灾机理及阈值研究

火灾一般分为池火和火球两种事故类型。造成多米诺事故一般有两种方式：一是火焰直接接触，二是热辐射造成设备失效。

池火是易燃液体泄露，在地面形成液池，液池被点燃形成火灾。当形成的池火完全包围目标设备，与设备直接接触时，较易引发多米诺事故。当池火距离目标设备存在一定距离，无法直接接触目标设备时，可能会通过热辐射破坏目标设备。

热辐射造成设备失效需要两个条件：热辐射通量和时间。Valerio Cozzani等研究人员考虑目标设备类型和火灾持续时间，对热辐射的多米诺效应进行数值模拟，并与相关文献进行对比分析，总结出若火灾持续时间在10 min以上，对于常压容器的破坏阈值为15 kW/m2，高压容器破坏阈值为50 kW/m2[3]。

1.3.2 爆炸机理及阈值研究

当企业发生蒸汽云爆炸或沸腾液体扩散蒸汽爆炸（BLEVE）事故时，会产生冲击波及抛射碎片等能量载体。这些能量载体与目标设备相互作用，可能造成目标设备的破坏。

冲击波破坏效应可根据冲击波超压破坏阈值进行定量评估。Valerio Cozzani和Ernesto Salzano[3]两位学者在经过文献资料分析比较的基础上，对超压引发多米诺效应进行研究。他们将设备分为常压容器、压力容器、加长容器、小容器四类，并针对不同容器确定破坏阈值。具体见表1。

表1 超压破坏阈值

并且，爆炸产生的抛射物也同样能引发多米诺效应，李骁骅[4]对液化石油气储罐爆炸产生的碎片的破坏作用进行了研究，抛射物引发多米诺效应的参数包括穿透厚度、冲击能、碰撞概率，研究中表明常见的抛射物抛射距离阈值为300 m。

1.4 多米诺环境风险计算

1.4.1 泄露污染源计算

当物料以液体形式泄漏到地面形成液池，在液池表面气流运动作用下发生质量蒸发现象，从而扩散进入大气。

根据《环境风险评价导则》1附录A.2[5]，液体质量蒸发速率可以由下式计算得出：

式中：MW—质量蒸发速率，kg/s；

a，n—大气稳定度系数；

Ps—液体表面蒸汽压，Pa；

M—物质摩尔质量，g/mol；

R—通用气体系数，J/（mol·k）；

Ta—周围环境温度，K；

u—风速，m/s；

r—液池半径，m。

表2 大气稳定度系数取值

1.4.2 影响预测模型

采用多烟团模式，计算公式：

式中：C（x，y，o）：下风向地面（x，y）坐标处的空气中污染物浓度，mg/m3；

x0，y0，z0：烟团中心坐标；

Q：事故期间烟团的排放量；

σx，σy，σz：为 x、y、z方向的扩散参数，m。 常取σx=σy；

对于瞬时或短时间事故，可采用下述变天条件下多烟团模式：

Q'： 烟团排放量 （mg），Q'=Q·Δt为释放率，mg/s； Δt为时段长度，s；

σx,eff，σy,eff，σz,eff：烟团在 w 时段沿 x、y 和 z方向的等效扩散参数（m），可由下式估算：

各个烟团对某个关心点t小时的浓度贡献，按下式计算：

式中：n为需要跟踪的烟团数，可由下式确定：

式中，f为小于1的系数，可根据计算要求确定。

2 案例研究

2.1 某公司基本情况

某石化仓储企业位于东部沿海，企业建有38座地上立式钢制储罐，总罐容19.15×104m3，分为四个罐组，1号（9座储罐）及2号罐组（12座储罐）存储易燃易爆液体，3号罐组（5座储罐）存储液化烃，4号罐组（12座储罐）存储有毒且易燃液体。

企业位于园区，周边500 m范围内无居民；东侧为仓储企业B，该企业储罐中距评价企业储罐最近为147 m，南侧70 m为海域。

2.2 事故的风险源强

企业4个罐组的38座储罐中，3号罐组主要存储丁二烯、丙烯、环氧丙烷，为甲A类液化烃及闪点极低的甲B类易燃液体；4号罐组存储苯及丙烯腈，属于高毒化学品。相对1号及2号存储甲B类易燃液体罐组，3号及4号罐组的危险性较大，且3号及4号罐组相邻，较易发生多米诺事故，因此，本文选择3号及4号罐组的储罐进行风险源强分析。企业源强见表3，布置图见图1。

表3 企业源强表

图1 库区3号及4号罐组平面布置图

2.3 风险计算

2.3.1 火灾爆炸风险多米诺影响分析

根据企业源强及位置进行火灾爆炸风险计算，计算模型如下。

2.3.1.1 蒸汽云爆炸计算模型

根据 《安全评价员实用手册》第235页8.2.2.3易燃气体、液体泄漏蒸气云爆炸事故模拟分析与评价（1）①中的计算公式。

①WTNT=αWfQf/QTNT

式中：WTNT——蒸气云的TNT当量，kg

a——蒸气云的TNT当量系数

Wf——蒸气云爆炸中燃烧的总质量，kg

Qf——物质的燃烧热，kJ/kg

QTNT——TNT的爆热，kJ/kg

②N=WTNT/M

式中：N——蒸气云的TNT摩尔量，mol

M——TNT的分子量，kg

（2）具有可燃性的化学品燃烧后放出的热量计算公式

Q=QfW

式中：Q—物质燃烧后放出的热量，kJ

Qf—物质的燃烧热，kJ/kg

W—物质的质量，kg

2.3.1.2 池火灾模拟计算

（1）确定火焰高度

计算池火焰高度的经验公式如下：

式中：L 为火焰高度（m），D 为池直径（m），为燃烧速率（kg/m2·s），ρ0为空气密度（kg/m3），g 为引力常数。

（2）计算火焰表面热通量

假定能量由圆柱形火焰侧面和项部向周围均匀辐射，用下式计算火焰表面的热通量。

式中：q0——为火焰表面的热通量，kw/m2；

△Hc——为燃烧热，kJ/kg；

π——为圆周率；

f——为热辐射系数（可取为0.15）；

mf——为燃烧速率，kg/（m2·s），其它符号同前。

（3）目标接收到的热通量的计算

目标接收到的热通量q（r）的计算公式为：

式中：q （r）为目标接收到的热通量（kw/m2），q0为由式（3）计算的火焰表面的热通量（kw/m2），r为目标到油区中心的水平距离 （m），V为视角泵数。

根据企业库区存储物质的特点，应用中国安全生产科学研究院定量风险评估软件对库区的火灾爆炸进行预测计算，给出风险源多米诺事故影响范围，具体见表4。

表4 多米诺事故影响半径

通过表4可以看出，存储丁二烯、丙烯的301、302、303、304储罐管道破裂或容器破裂时会引发云爆，多米诺影响半径在55 m以上；存储苯的 401、402、406、407、408、409 储罐管道破裂或容器破裂时会引发池火事故，多米诺影响半径在20 m以上。3号罐组、4号罐组内相邻储罐均在多米诺半径范围内；3号罐组发生爆炸事故时也会影响到4号罐组。

从物质毒性分析，3号罐组内存放丙烯、丁二烯等液化烃类物质，泄露爆炸后产生的气体为CO、CO2、非甲烷甲烃等，物质的毒性较小；4号罐组中存放的均为高毒物质，泄露后对环境有较大危害。企业在生产过程中采取火灾报警、紧急切断、降温喷淋等一系列的风险控制及应急措施，储罐发生二次、三次多米诺事故的概率极低，因此，本文主要分析对环境的危害性，选择毒性较高、容量较大的402号苯储罐发生池火事故产生的多米诺效应对环境产生的影响。

2.3.2 多米诺事故环境风险影响分析

402号苯储罐发生容器整体破裂或管道完全破裂事故时，会发生池火事故，多米诺影响半径在32 m，东侧的401号苯储罐、西侧的403号丙烯腈储罐、南侧的407、408、409号苯储罐均在其影响范围内。因多米诺影响半径内储罐是否发生事故受风向、储罐类型、储罐安全装置稳定性等多方面因素影响，影响范围内的储罐均发生事故的可能性极低，因此选择影响范围内毒性最大的403号丙烯腈储罐发生事故进行预测。

根据泄露液体形成的液池面积、表面风速、环境温度、大气稳定度，物质饱和蒸汽压、摩尔质量等参数，计算泄露的苯及丙烯腈的质量蒸发速率，根据质量蒸发速率计算污染物在大气环境中的扩散情况。

液池面积选取储罐质量蒸发速率见表5，事故发生后30 min时污染物下风向浓度见图2及3，超标情况见表6。

表5 液体质量蒸发计算结果

图2 苯（30 min）下风向浓度分布

图3 丙烯腈（30 min）下风向浓度分布

表6 污染物下风向超标情况

从图2、图3及表6的可以看出，污染物对下风向的影响较大，最大落地浓度均超过半致死浓度数倍至数十倍，主要原因是本次预测选取了较为极端的最不利情况，即储罐完全爆炸，泄露物料均在防火堤内，面源高度较低。从预测结果可以看出，在E-F稳定度条件下对环境的影响较大，苯的半致死浓度范围为79.6 m，丙烯腈的半致死浓度范围为983.7 m。

3 结论

目前，环境多米诺效应在环境风险评价中处于被忽视的地位，本文提供一个评价思路以供参考。从环境多米诺的研究现状来看，缺乏一套系统的事故预测筛选机制，如何在可能发生的多米诺事故中选择有代表性、实际预测意义的预测工况和预测因子，是我们目前可以研究的方向。建议在今后的研究中，制定一系列的标准规范，以筛选具有预测价值的多米诺事故。