基于ALOHA软件对氯乙烯储罐泄漏事故模拟与分析

刘禹 李向欣 罗艺鑫 白立崧 杨卓

引言

氯乙烯是PVC树脂生产的化工原料，其特点是易燃易爆，并具有一定的毒性。在发生火灾或者爆炸事故后会产生氯化氢等一系列的有毒化学物质，严重时会危害人员的生命，并且也会对环境造成一定的破坏作用[1]。如2016年3月16日四川省金路树脂有限公司发生的氯乙烯中毒事故，造成3人死亡，2人受伤。2017年11月28日，河北省张家口市桥东区河北盛华化工厂发生一起氯乙烯气柜爆炸起火事故，造成23人死亡，影响非常大，所以对氯乙烯泄露事故的研究刻不容缓。我国处置氯乙烯泄露事故通常都是利用主观经验判断的方法，但这对现场实际情况的判断可能存在很大的误差，因此需要更加科学合理的方法来对事故影响范围进行预测判断[2]。目前ALOHA软件被广泛应用于危化品事故后果评估中，其可以根据不同危化品种类来结合当地的天气状况模拟不同事故类型的危害范围，并定量得出对应距离的影响强度和危化品浓度随着时间的变化情况[3]。

本文针对氯乙烯储罐泄露事故，利用ALOHA软件对其可能发生的不同事故类型进行模拟，得出各类事故的危害强度及其范围并分析可能导致事故的原因，最后提出合理的安全防护措施，以提高氯乙烯化工厂对事故的预测和风险防控能力，并未今后的氯乙烯事故的处置指挥决策提供一定的指导作用。

1氯乙烯储罐泄漏事故后果分析

1.1 氯乙烯的理化性质分析

氯乙烯(Vinyl chloride)在常温和常压下为无色、易液化气体，属于甲类可燃气体，液化氯乙烯属于甲A液化烃类可燃液体物质，爆炸极限为3.6%～31%其沸点为－13.4℃，熔点为－159.7℃。它的临界温度为142℃，临界压力为52.2大气压，因而尽管它的沸点在－13.4℃，但稍加压力就可以得到液体氯乙烯。并且，氯乙烯对人有麻醉作用，可使人中毒，当氯乙烯蒸气浓度在1%时开始有麻醉感觉，5%以上即使人麻醉且中毒，所以空气中氯乙烯的最大允许浓度为500ppm[4]。

氯乙烯储存时通常是先压缩液化，再放置于阴凉通风的不燃材料结构的库房，避免热源、明火及一切可形成火星和放电的情况。当氯乙烯储存在储罐时，储罐通常设置液位计、压力表、温度计、安全阀和自动报警器等装置，同时储罐周围应建立防火堤并设置冷却系统。

1.2 氯乙烯气罐事故类型分析

图 1 事故后果分析图

氯乙烯储罐可能发生的事故主要包含了有毒气体扩散、蒸汽云爆炸事故，另外在特殊情况下也可能产能沸腾液体扩展蒸汽云爆炸（BLEVE）、池火、喷射火事故。当氯乙烯储罐由于人工操作失误或者储罐连接处因长时间的腐蚀作用下而造成氯乙烯泄漏，当其与空气迅速混合形成有毒蒸汽云团，随着时间的延长将使周围的人员造成中毒事故[5]。当蒸汽云团的浓度达到爆炸极限范围时遇到明火或者火星，就会发生蒸汽云团爆炸事故，其爆炸产生的火球和冲击波作用会可能导致周围的人员受伤甚至死亡，并且对周围的建筑物产生毁灭性的影响。BLEVE事故通常是由于周围罐体爆炸产生的瞬时冲击作用而导致的。由于氯乙烯沸点低，流淌的液体气化速度极快，所以形成池火可能性较小[6]。事故后果分析图1所示。

2基于ALOHA软件的事故后果模拟方法

2.1 ALOHA软件介绍

有害大气空中定位（Areal Locations of Hazardous Atmospheres, ALOHA）软件是由美国环保署化学制品突发事件和预备办公室和美国国家海洋和大气管理办公室联合开发的。其模型中包含有源强模型、毒性气体扩散模型、蒸气云爆炸模型和热辐射模型，并且软件自带大约1000种常用危化品数据库[7]。ALOHA软件通过输入实际现场的气候条件、储罐以及储存物的参数就可以快速模拟出发生事故后各区域的影响范围及强度。

2.2 ALOHA软件事故后果评价标准

在风险评价中，ALOHA可用于毒性气体扩散、火灾和爆炸的危害区域的定量计算。我们以氯乙烯扩散对人员影响的不同程度，将危害区域分为三个区域，AEGL－3表示超过该浓度时，该区域的人员可能出现生命威胁甚至死亡；AEGL－2表示超过该浓度时该区域的人员会出现不可逆转、长期且严重的生命健康影响；AEGL－1表示超过该浓度时该区域人员会出现不适、愤怒或无症状的丧失感觉的现象，但是这些现象不会使人致残且是暂时的，一段时间后可以恢复[8]。

氯乙烯蒸汽云团的爆炸强度影响范围评价也分为三个区域。当蒸汽云团爆炸产生的超压超过6.89kPa时，可引起房屋轻微摇晃造成玻璃破碎，超过24.13kPa时，可造成范围内建筑物有明显破坏，冲击波对人体造成伤害，超过55.16kPa时会造成建筑物的坍塌。但由于在本文设定的场景中，蒸汽云团爆炸无法达到55.16kPa,所以只考虑爆炸超压冲击波超过6.89kPa和超过24.13kPa的情况[9]。具体评价标准如表1所示。

3 应用举例

3.1 事故场景

河北省张家口某化工厂地处东经114.50，北纬40.30，海拔高度为1400米，该工厂厂区有1个储量2500立方米的氯乙烯罐体，罐高为10米，罐内氯乙烯充装系数为75%，常温加压储存，罐区为水泥地面。罐体因长期未进行检修，导致在距罐底0.6m处出现一个直径8cm的圆形泄露口，当时风速稳定，为3m/s的正东风向，风速为10米高处测定的平均风速，环境温度为4℃，空气相对湿度为45%，天空晴朗无云。

3.2 泄漏后不同类型事故的后果模拟

氯乙烯气罐发生泄漏事故后其危害范围的大小与多种因素有关，而不同因素的影响强度差异颇大，为探究各单一因素对事故的影响规律，需采用控制变量法分别模拟风速、泄漏口的大小对氯乙烯气体的扩散和爆炸的影响。

3.2.1 风速的影响

根据最初设定的场景，保持除风速以外的各个变量不发生改变，罐底0.6m处设定一个直径8cm的圆形泄露口，环境温度为4℃，空气相对湿度为45%，只改变风速级别的大小，通过ALOHA软件模拟风速从1到10m/s氯乙烯储罐泄漏造成的有毒气体扩散和蒸汽云爆炸危害影响范围随风速改变的变化情况如图1。

表1 事故后果评价标准

图 2 事故后果影响范围随风速变化情况

如图2所示，氯乙烯扩散和爆炸的影响最大范围是在风速为一级风时，毒气扩散最远距离可达到732m,爆炸的最远距离可达到86.7m。氯乙烯气体的扩散范围和蒸汽云爆炸影响范围随着风速的增大而减小，当风速小于5m/s时（对应三级风），下降的速度最快，而后下降速度逐渐平缓，最后影响范围趋于稳定。这是因为保持其它因素不变，随着风速增大，氯乙烯气体在空气中的被稀释的速度越来越快，使得毒性和蒸气云团的爆炸威胁范围变小。

3.2.2 泄漏口径的影响

事故模拟现场保持气罐泄漏口位置不变，距罐底0.6m，风速稳定，为3m/s的正东风向，风速为10米高处测定的平均风速，环境温度为4℃，空气相对湿度为45%。利用ALOHA软件模拟泄漏口直径2～20cm范围内有毒气体扩散和蒸汽云爆炸的影响范围如图2。

如图3所示，当泄漏口直径达到20cm时，氯乙烯的泄漏最大范围可达到1100m,爆炸影响最大范围可达到93.8m。保持其它条件不变，氯乙烯气体扩散范围随着泄漏口径的增大而呈直线型增长，因为随着泄漏口径的增大，相同时间内泄漏的氯乙烯的量增大。泄漏口径变化对蒸气云团爆炸的影响，总体趋势是随着口径的增大爆炸影响的范围随着增大，但当泄漏口直径小于4cm时，其爆炸产生最大压力小于3.5psi。在相同条件下，爆炸与有毒气体扩散的影响范围对比，爆炸的影响范围远小于有毒气体扩散。

3.3 爆燃形成氯化氢气体扩散范围的模拟

氯乙烯气罐泄漏后，当气体浓度达到爆炸极限范围内遇到火星或者明火就会发生爆炸事故，所以有必要确定爆炸后有毒气体的扩散范围。保持泄露口（直径8cm）和风速（3m/s）不变的情况下，利用ALOHA软件模拟氯乙烯气体发生泄漏后发生爆炸燃烧，产生氯化氢有毒气体扩散范围，得出结果后与同条件下的未发生爆炸氯乙烯泄漏后气体的扩散范围进行比较[10]。

图3 事故后果影响范围随泄漏口大小变化情况

图4 氯乙烯和氯化氢扩散范围

由此可以看出，在泄露口和风速确定的情况下，氯乙烯发生爆炸燃烧产生的氯化氢有毒气体扩散范围的最大距离为6100m，要远大于单纯氯乙烯泄露扩散范围的最大距离472m。因此，我们在处置氯乙烯泄露事故时，应尽量避免氯乙烯发生爆炸燃烧。

3.4 后果分析与讨论

3.4.1 事故后果对比分析

表1 事故后果评价标准

在不同条件下，氯乙烯储罐发生的事故类型也随着变化，结果是灾害范围截然不同，当未发生燃烧爆炸时，泄漏口大小的变化所造成的毒气扩散事故影响范围要大于风速所造成的影响，同时当泄漏口直径小于一定程度时，即泄漏直径小于4cm时，爆炸所造成的最大压力将低于3.5psi,在这一条件下，不管风速如何改变，爆炸强度都不会超过3.5psi。当发生爆炸后，爆炸产生的冲击波对周围的建筑物和行人都会产生毁灭性的伤害，同时生成的氯化氢气体所造成的毒害扩散面积要远大于氯乙烯的影响面积。

3.4.2 建议

严格的预防处置措施能够有效的减少泄漏事故的发生，所以预防要从源头开始控制。首先在选择设备器材时，要选择高质量的设施，确保作业过程中能承受预设的压力并且有良好的耐腐蚀作用，其次完善参数越限报警和自动连锁系统，当警报响起时能给工作人员留有足够的时间进行处置，避免事故的进一步扩大，最后要定期安排符合上岗要求的操作人员对罐区进行必要的检查，维修或者更换受损和腐蚀严重的设备。

4 结论

氯乙烯储罐发生泄漏后可产生多种事故类型，有单一的泄漏扩散事故、爆炸事故以及爆炸后有毒气体等事故。通过ALOHA软件对不同单因素的改变氯乙烯储罐泄漏事故的模拟，可以得出风速、泄漏口大小的改变都会对氯乙烯气体的泄漏和爆炸范围产生不同程度的影响，同时通过模拟爆炸后的有毒气体扩散并与同条件下未爆炸的氯乙烯泄漏扩散范围进行对比，得出爆炸后的事故影响范围要大得多。此外通过事故原因分析可知事故的发生可能由单一或者多种原因混合造成的，因此要加强罐区的安全管控工作，定期开展检查和维护，同时长期对工作人员进行教育培训，提高安全意识，以杜绝事故的发生。