危险化学品罐车泄漏事故伤害后果研究

张 贝，徐 克，赵云胜，梁天瑞，宋思雨

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.湖北省安全生产监督管理局规划科技处，湖北 武汉 430061)

近几十年来，我国危险化学品运输罐车发生燃爆、中毒等事故的案例时有发生。危险化学品罐车装载的物质一般兼具易燃易爆、有毒有害的危险特性，一旦发生泄漏、火灾、爆炸等事故，将会带来严重的人员伤亡、经济损失和环境污染等一系列的社会问题。例如：2005年3月29日，京沪高速路段一辆装运40.44 t液氯的罐式半挂货车发生泄漏事故，导致了29人中毒死亡、2 000余人受伤的特重大事故；2014年7月19日，沪昆高速路段一辆运载乙醇的轻型货车，由于与前车发生追尾碰撞，导致乙醇泄漏燃烧，事故造成54人死亡、6人受伤，直接经济损失达5 300余万元。

已有学者对危险化学品罐车运输事故的风险类型、危害程度以及防范措施等进行了大量的研究。如尹洧等[1]分析了液氯罐车泄漏、水体污染、氰化钠罐车翻车等多种道路运输事故的原因、影响因素及处置措施；张俊峰[2]运用自由蒸气云爆炸事故伤害模型，计算了铁路液化石油气罐车发生爆炸事故后果的死亡半径、重伤半径、轻伤半径以及财产损失半径，并提出了安全措施；丁建川[3]建立了汽油罐车池火灾的伤害模型，对汽油罐车发生池火时的伤害区域进行了分析。基于上述研究，本文以装载介质为液化石油气、煤油、甲胺、乙醛、丙酮5种具有燃烧危害与毒性伤害的危险化学品运输罐车为研究对象，运用Thomas池火灾标准经验公式[4]，分析了不同载重的液化石油气罐车和煤油罐车发生池火灾时热辐射的危害距离，并通过ALOHA风险分析软件，模拟了不同风况下危险化学品罐车分别装载甲胺、乙醛、丙酮这三种兼具火灾与中毒危险的液体介质时，运输罐车内部液体全部泄漏后对泄漏源邻近区域造成的火灾热辐射、蒸气可燃和毒气扩散的危害影响范围，以为油罐车泄漏事故的防范提供依据。

1 油罐车泄漏事故伤害后果分析

目前市场上运载石油及其副产品的交通运输方式主要是公路运输和铁路运输[5]。通过市场调研与实地考察，我国油罐车的典型车型有：楚飞东风多利卡加油车[额定装载质量(即载重)为5 t，罐体有效容积为7 m3]、江特欧曼前四后八国四加油车(额定载重为20 t，罐体有效容积为30 m3)、厦工楚胜三轴铝合金半挂油罐车(额定载量为40 t，罐体有效容积为50 m3)、铁路G60k型轻油罐车(额定载重为53 t,罐体有效容积为60 m3)、铁路G70k型轻油罐车(额定载重为63 t,罐体有效容积为70.7 m3)。油罐车发生泄漏事故时，可燃液体流到地面形成液池，遇到点火源燃烧而发生池火灾事故[6]。假设无风工况下油罐车发生泄漏时液体存在以下两种流淌模式：一是由于没有采取紧急救援措施，或因缺乏现场应急经验导致救援失败，油罐车内装载的液体全部泄漏，并在地面任意流淌，形成液池；二是油罐车内液体全部泄漏，但因地势阻碍作用或采取了有效的补救措施，液体流淌范围减小，最终形成直径为10 m的火池。为了探究油罐车(以煤油、液化石油气罐车为例)泄漏发生池火灾事故时的危害后果，本文采用如下Thomas池火灾标准经验公式确定池火模型，计算出不同载量油罐车泄漏发生池火时的热辐射强度，并依据入射通量对比表，确定相应危害程度的伤害半径。

当危险源为油罐区时，可根据防护堤所围的液池面积计算液池直径[7]。液池直径与液池面积的关系式如下：

D=(2S/π)1/2

(1)

式中:D为液池直径(m)；S为液池面积(m2)。

当危险单元无防护堤时，假设泄漏液体不蒸发、并已充分蔓延、地面无渗透，根据可燃液体的泄漏量与地面性质，可按下式计算最大的液池面积S：

S=W/ρH

(2)

式中:W为泄漏的可燃液体质量(kg)；ρ为可燃液体的密度(kg/m3)；H为液池中液体的最小液层厚度(m),与地面性质相关，粗糙地面的最小液层厚度取值为0.025 m[8]。

得出可能的最大液池面积后，将公式(2)代入公式(1)，可得到液池直径D的计算公式为

D=(4W/πρH)1/2

(3)

液池的火焰高度计算公式为

(4)

式中:h为液池的火焰高度(m)；mf为可燃液体的燃烧速度[kg/(m2·s)]，根据文献资料[9-12]，煤油的燃烧速度取值为55.11×10-3kg/(m2·s)，液化石油气的燃烧速度取值为99×10-3kg/(m2·s)；ρ0为空气密度(kg/m3)，取值为1.239 kg/m3；g为重力加速度(m2/s)，取值为9.8 m2/s。

液池燃烧时的总热辐射通量Q按下式计算：

(5)

式中:Q为液池燃烧时的总热辐射通量(kW)；r为液池半径(m)；Hc为物质的燃烧热(MJ/kg)，根据《化学手册》，煤油的燃烧热取值为21.8 MJ/kg，液化石油气的燃烧热取值为47.3 MJ/kg；η为效率因子，取值范围为0.13～0.35，本文取平均值η=0.24。

假设全部热辐射通量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离液池中心某一距离x处的入射热辐射强度I按下式计算：

I=Qtc/(4πx2)

(6)

式中:I为入射热辐射强度(kW/m2)；tc为热传导系数，在无相对理想数据时，取值为1；x为目标点到液池中心点的距离(m)。

根据公式(6)，可推导出已知入射热辐射强度时，受害目标点到液池中心的距离。该距离与入射热辐射强度的关系式如下：

x=(Qtc/4πI)1/2

(7)

在上述可燃液体全部泄漏后在粗糙地面任意流淌和液池直径被限定为10 m的这两种流淌假定条件下，本文运用池火灾理论公式，计算了油罐车(以液化石油气、煤油罐车为例)载重分别为5 t、20 t、40 t、53 t、63 t时，距离液池中心点一定距离处的入射热辐射强度值，得到不同载重的油罐车泄漏发生池火灾时不同工况下某位置处的入射热辐射强度值见表1、表2和图1。

表1 不同载重的液化石油气罐车泄漏发生池火灾时距离液池中心点一定距离处的入射热辐射强度值Table 1 Incident thermal radiation intensity at a certain distance from the center point of the liquid pool in the events of pool fires in liquefied petroleum gas tanker leakage accidents with different loads

表2 不同载重的煤油罐车泄漏发生池火灾时距离液池中心点一定距离处的入射热辐射强度值Table 2 Incident thermal radiation intensity at a certain distance from the center point of the liquid pool in the events of pool fires in kerosene tanker leakage accidents with different loads

图1 不同载重的液化石油气和煤油油罐车泄漏发生池火灾时不同工况下某位置处的入射热辐射强度值Fig.1 Incident thermal radiation intensity at a certain position under different working conditions in the events of pool fires in liquefied petroleum gas tankers or kerosene tankers with different loads

由表1和表2可知，可燃液体在地面任意流淌，目标点到液池中心的距离一定时，泄漏的液体质量越大，热辐射危害程度越大；当液池的燃烧面积固定在一定范围内时，其入射热辐射强度值远远低于不同载重罐车所装液体泄漏后在地面任意流淌情况下的入射热辐射强度值。由图1可见，由于液化石油气的燃烧热值比煤油大，当到达液池中心点的距离和油罐车装载液体的质量为固定值时，液化石油气池火燃烧产生的热辐射危害较煤油更大；当目标点到液化石油气液池和煤油液池中心点的距离分别大于25 m、20 m时，液化石油气池火和煤油池火燃烧时的热辐射伤害减小的趋势逐渐变缓。

受害目标点处的入射热辐射强度，反映了总热辐射通量与受害目标点到液池中心距离之间的关系。根据公式(7)，可计算任意入射热辐射强度所对应的危害距离，从而确定不同危害后果情况下的伤亡半径。火灾损失估算建立在入射热辐射强度与损失等级对应关系的基础上[13]，不同入射热辐射强度对设备和人员所造成的损害或伤害情况见表3。

根据表3所示的不同入射热辐射强度对设备和人员所造成的损害或伤害情况，将泄漏源邻近区域内入射热辐射强度值分别为37.5 kW/m2、25.0 kW/m2、12.5 kW/m2、4.0 kW/m2时的距离相应定义为池火灾的死亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径、安全区半径[14]。根据此定义，分别计算出不同载重的液化石油气罐车和煤油罐车发生池火灾时的伤害区半径，得到不同入射热辐射强度下液化石油气罐车和煤油油罐车发生池火灾时的热辐射伤害区域，见表4和表5。

表3 不同入射热辐射强度对设备和人员所造成的损害或伤害情况Table 3 Damage or injury caused by different incident thermal radiation intensity to equipment and personnel

表4 不同入射热辐射强度下液化石油气罐车泄漏发生池火灾时的热辐射伤害区域Table 4 Damage area of pool fire in liquefied petroleum gas tank leakage accidents under different incident thermal radiation intensity

表5 不同入射热辐射强度下煤油罐车泄漏发生池火灾时的热辐射伤害区域Table 5 Damage area of pool fire in kerosene tank leakage accidents under different incident thermal radiation intensity

由表4和表5可知，当石油产品因地势阻碍作用或采取补救措施形成的池火灾液池的燃烧面积被固定在一定范围内时[15],热辐射伤害区域远远小于不同载重的油罐车装载液体全部泄漏，在地面任意流淌时的危害范围；同等直径的液化石油气液池与煤油液池，前者完全燃烧时的热辐射破坏区域远大于后者。

2 易燃可燃、有毒有害危险化学品罐车泄漏事故伤害后果分析

2.1 基于ALOHA软件的泄漏事故类型分析

根据事故资料统计，危险化学品罐车发生泄漏时易发生火灾和有害气体中毒事故。易燃、可燃的危险化学品泄漏后遇到点火源而着火燃烧，燃烧方式主要有池火、喷射火、火球和闪火[16]。当油罐车装载的危险化学品具有毒性时，泄漏发生后有毒物质在大气中生成有毒蒸气云，在空气中经扩散漂移后经现场人员的呼吸系统进入组织器官，引发中毒事故[17]。本文运用ALOHA风险建模软件，模拟了25 t载重公路运输罐车分别装载甲胺、乙醛、丙酮3种兼具有燃烧性和毒性的危险化学品发生泄漏事故时，池火和喷射火的热辐射危害、闪火的可燃危害以及有毒蒸气云的毒性危害所造成的事故影响范围。

2.2 模拟情景

假设在武汉市某郊区路段发生一起罐车连续泄漏事故，泄漏口位于罐车50%液面深度处，泄漏口孔径近似圆形，孔径为100 mm；风速测量高度为地面以上3 m,风速选取静风(1 m/s)和微风(4 m/s)两种情况，风向选取当地常年主导风向之一——南风；气温选取武汉市全年平均温度17℃，大气稳定度、光照、云层覆盖等其他气象条件以一般情况为准；在事故罐车下风方向100 m、侧风方向30 m处有一栋职工宿舍，房屋结构为双层建筑。

2.3 火灾热辐射伤害后果分析

本文选取的3种危险化学品(甲胺、乙醛、丙酮)遇火源发生火灾的燃烧类型主要为池火和喷射火。池火和喷射火通过辐射热的方式影响周围环境，ALOHA软件采取通用的入射热辐射强度指标来衡量火灾的危害后果。加压的甲胺泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。采用包括气流效应在内的喷射扩散模型[13]，可计算出喷射火的入射热辐射强度值。乙醛和丙酮泄漏后流到地面形成液池，遇到点火源燃烧而发生池火灾事故。池火模型由通用的Thomas池火灾标准经验公式确定，池火入射热辐射强度可依照前述公式(1)～(6)进行计算。

在静风(风速为1 m/s)与微风(风速为4 m/s)两种设定风速情况下，甲胺、乙醛和丙酮罐车泄漏发生火灾事故时的热辐射危害范围，见表6和图2。

表6 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下甲按、乙醛和丙酮罐车泄漏发生火灾事故时的热辐射伤害范围Table 6 Range of thermal radiation damage in the events of fire accidents caused by leakage in methyla- mine,acetaldehyde or acetone tank truck under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

图2 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下乙醛罐车泄漏 发生火灾事故时的热辐射伤害范围Fig.2 Heat radiation hazard in the event of a fire accident caused by leakage in an acetaldehyde tank truck under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

人体在10 kW/m2的热辐射强度作用下暴露60 s时可能会受到致命伤害，在5 kW/m2热辐射强度作用下暴露60 s时会造成二级灼伤，在2 kW/m2热辐射强度作用下暴露60 s时会有疼痛感。据此，ALOHA软件将人体暴露于热辐射强度分别为10 kW/m2、5 kW/m2、2 kW/m2且持续时间为60 s的火灾情景所对应的距离分别定义为一级、二级、三级热辐射伤害半径[18]。由表6和图2可知，风速越大，同等载重与介质的危险化学品罐车泄漏发生池火或喷射火的热辐射伤害区域也随之变大；在风速相同且入射热辐射强度值一定的条件下，火灾热辐射伤害范围由大到小的3种危险化学品排序为：甲胺>丙酮>乙醛。

2.4 可燃蒸气云扩散伤害后果分析

危险化学品蒸气泄漏于环境中，与空气混合后发生延迟着火现象，可燃物仅仅燃烧却不发生爆炸的火灾过程，称为闪火[19]。甲胺、乙醛和丙酮蒸发后的闪火影响区域，可运用高斯模型[20]来模拟计算可燃物质的气体扩散行为。运用ALOHA软件模拟两种设定风速条件下甲胺、乙醛和丙酮罐车泄漏产生可燃蒸气云扩散的伤害范围，见图3和表7。

图3 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下乙醛罐车泄漏产生可燃蒸气云扩散的伤害区域Fig.3 Combustible hazard of acetaldehyde vapor cloud in the event of a fire accident caused by leakage in an acetaldehyde tank truck under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

表7 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下甲胺、乙醛和丙酮罐车泄漏产生可燃蒸气云扩散的伤害范围Table 7 Range of combustible vapor damage in the events of fire accidents caused by leakage in methyla- mine,acetaldehyde or acetone tank truck under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

LEL为可燃气体的爆炸下限，ALOHA软件认为闪火的可燃气体危害可由LEL达到10%LEL边界。在结合试验数据经验的基础上，该软件将闪火可燃气体云危害的浓度阈值取值为LEL、60%LEL、10%LEL，并将这三个数值分别界定为可燃蒸气云发生闪火的死亡浓度、重伤浓度、轻伤浓度[21]。由图3和表7可知，甲胺蒸气云的可燃范围远高于乙醛和丙酮，闪火危害的影响程度最高；风力等级变高时，可燃气体向大气中扩散的速度加快，危险源附近的可燃化学物浓度随之变小。

2.5 毒气扩散伤害后果分析

可燃蒸气在扩散过程中若未遇到火源，生成有毒蒸气云，在空气中飘移、扩散，可能会造成严重的人员伤亡和环境污染。运用有毒液化气体容器破裂时的毒害区估算方法[13]，假设有毒空气以半球形状向地面扩散，可计算出有毒气体在不同危害程度下的扩散半径。距离泄漏源某位置处的有毒气体浓度随时间的变化情况可由高斯模型[20]求得。运用ALOHA软件模拟两种设定风速条件下甲胺、乙醛和丙酮罐车泄漏产生毒蒸气云扩散的危害范围，见表8和图4。

表8 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下甲胺、乙醛和丙酮罐车泄漏产生有毒蒸气云扩散的伤害范围Table 8 Range of toxic vapor cloud damage in the events of fire accidents caused by leakage in methyla- mine,acetaldehyde or acetone tank truck under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

图4 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下乙醛罐车泄漏 产生有毒蒸气云的伤害范围Fig.4 Acetaldehyde vapor cloud toxicity hazard in the event of a fire accident caused by leakage in a acetaldehyde tank truck under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

ALOHA软件采用应急响应规划指南(EPRG)和临时应急暴露限值(TEEL)两套有毒气体暴露限值浓度标准，将毒性气体毒性危害的浓度阈值划分为三个等级。三个等级的EPRG值和TEEL值反映了人员在有毒化学物环境中的暴露时间为1h或暴露时间为给定值时生命健康受到的不同影响[22]，其大小顺序为:ERPG-3>ERPG-2>ERPG-1，TEEL-3>TEEL-2>TEEL-1。由图4和表8可知，相同介质的罐车发生泄漏产生毒气扩散事故时，风力越大，毒性蒸气的影响程度越小；当外界风力等级为静风，25 t载重罐车装载的甲胺液体全部泄漏时，有毒甲胺蒸气扩散不会对周围民众造成毒性伤害的安全范围约为7 800 m；装载物质为乙醛时其安全范围约为4 500 m，装载物质为丙酮时其安全范围约为568 m。

此外，ALOHA软件还可预测危害区域内敏感点处有毒气体在60 min内的浓度变化趋势。在不同工况下，事故罐车的介质分别为甲胺、乙醛和丙酮时，位于泄漏源下风向100 m、侧风向30 m处职工宿舍的室内、室外有毒气体浓度的变化情况和有毒气体的最大浓度，见图5、图6、图7和表9。

图5 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下危害区域内 敏感点处甲胺气体浓度的变化情况Fig.5 Variation of methylamine gas concentration at sensitive points in the hazardous area under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

图6 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下危害区域内敏感点处乙醛气体浓度的变化情况Fig.6 Variation of acetaldehyde gas concentration at sensitive points in hazardous area under astatic wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

图7 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下危害区域内敏感点处丙酮气体浓度的变化情况Fig.7 Variation of acetone gas concentration at sensitive points in hazardous area under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

表9 静风(1 m/s)和微风(4 m/s)条件下危害区域内敏感点处有毒气体的最大浓度Table 9 Maximum concentration of toxic gas at sensitive points in the hazardous area under static wind (1 m/s) and breeze (4 m/s)

由图5和图7可知，60 min时间段内，静风、微风两种工况下的危害区域内敏感点处的室内、外甲醛气体浓度一直处于致死浓度范围内；而同样工况下的室内、外丙酮蒸气浓度始终低于致死浓度阈值。

由图6和表9可知，在静风条件下，室外乙醛气体浓度在第2 min时开始显著上升，并在第24 min时达到浓度峰值12 600 ppm，第33 min时浓度开始下降；60 min时间段内，室内的乙醛气体浓度一直呈缓慢上升趋势，并在第35 min时达到致死浓度边界，因此室内人员应在应急救援力量协助下，在事故发生后35 min内迅速撤离有毒气体的危害区域；在微风条件下，室外乙醛气体浓度在第47 min时已降至为0，但由于室外气体向室内的扩散飘移作用，此时室内乙醛气体浓度仍高于重伤浓度阈值，此时室内人员应打开门窗，让室内充分通风，并迅速转移到室外；外界风力越大，气团的飘移、扩散作用加强，室内、室外的有毒气体浓度明显下降。

3 结 论

(1) 针对市场上常见车型的石油运输罐车，运用Thomas经典理论计算公式研究了不同载重的液化石油气罐车和煤油罐车泄漏发生池火灾时的热辐射伤害区域；使用ALOHA风险建模程序，模拟了静风和微风两种条件下甲胺、乙醛和丙酮罐车泄漏发生火灾和中毒事故时的危害程度。

(2) 在无风情况下，5 t、20 t、40 t、53 t、63 t载重的液化石油气罐车泄漏的池火热辐射伤害死亡半径分别为18.45 m、33.68 m、45.56 m、51.51 m、55.55 m；同等泄漏场景下以上5种载重的煤油罐车泄漏的池火热辐射伤害死亡半径分别为7.95 m、14.57 m、19.75 m、22.35 m、24.12 m。对比以上两组数据可知，模拟工况完全相同时，液化石油气罐车泄漏发生池火灾的危害后果比煤油罐车大。

(3) 当石油产品运输罐车装载液体全部泄漏并在地面任意流淌时，其池火危害范围远远大于液池面积被固定在一定范围内的情况。

(4) 外界风速增大时，甲胺、乙醛和丙酮3种危险化学品的火灾热辐射伤害区域变大，但可燃蒸气和有毒云团扩散的影响范围随之减小。

(5) 同等模拟工况下，甲胺、乙醛和丙酮的火灾热辐射危害程度排序为甲胺>丙酮>乙醛，易燃蒸气的可燃危害程度排序为甲胺>乙醛>丙酮，有毒云团的毒性危害程度排序为甲胺>乙醛>丙酮。由以上排序可知，甲胺的火灾热辐射危害程度与毒性伤害范围都要高于乙醛和丙酮。

(6) 通过对危害区域内敏感点处有毒气体浓度变化趋势图分析可知，在1 m/s和4 m/s两种风况下，危害区域内敏感点处室内、外甲胺有毒气体浓度一直处于致死浓度范围内；而室内、外的丙酮有毒气体浓度始终低于致死浓度阈值。该模拟结果也验证了前述的甲胺气体毒性大于丙烷气体这一结果。

(7) 通过模拟危险化学品罐车火灾热辐射、蒸气可燃、毒气扩散3种事故后果的影响区域，可为事故救援小组合理划分危险隔离区提供科学依据，从而最大限度地减少人员伤亡和有效降低财产损失。