丁烯球罐泄漏事故后果定量模拟分析

张振宇

（湖南化工设计院有限公司，湖南长沙 410007）

1 概述

1-丁烯又名正丁烯，是工业制丁二烯、异戊二烯和合成橡胶原料之一，还可用于标准气及配制特种标准混合气，是重要的基础化工原料之一。常温常压下为无色、可燃性气体，具有易燃、易爆的危险特性，具有轻度的麻醉性和刺激性，吸入高浓度1-丁烯，会感到窒息、昏迷，出现黏膜刺激、血压稍升高、心率增快，空气中长时间接触以1-丁烯为主的混合性气体，会有头痛、困乏、易激动、感到疲倦、浑身无力、智商减退等症状。通常为了便于储存和运输，将其加压液化后储存在球形储罐内。一旦储罐由于操作或腐蚀等原因损坏，1-丁烯泄漏至环境中，与周围空气混合形成爆炸性混合物，如果环境温度达到着火点，则会引起火灾和爆炸，爆炸产生的冲击波破坏和伤害作用极大。根据以往发生过的类似事故经验[1]，1-丁烯泄漏的主要事故后果是蒸汽云爆炸（UVCE）和沸腾液体扩展蒸汽云爆炸（BLEVE）。前者属于爆炸型，其破坏效应主要是冲击波的超压—冲量破坏和损伤；后者属于火灾型，它能产生巨大火球以向四周辐射热量是其主要危害。

2 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）和沸腾液体扩展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果定量模拟过程分析

2.1 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）危害后果计算模型

蒸汽云爆炸，是指可燃气体或可燃液体蒸气与空气混合形成以 “预混云”形式扩散遇到点火源引发火灾爆炸，蒸汽云爆炸需要满足两个条件：①适当的温度和压力；②扩散并形成达到爆炸浓度的足够大的云团。1-丁烯球罐泄漏后，1-丁烯蒸气与周围的空气预混形成预混云，遇明火或高热能就会引起爆炸。蒸汽云爆炸发生后的危害主要是爆炸产生高速气浪对人员、建筑物和生产设施等的伤害、破坏。蒸汽云爆炸危害后果计算采用TNT当量法[2]。

2.1.1 1-丁烯蒸汽云爆炸TNT当量的计算

假定一定百分比的1-丁烯蒸汽云参与了爆炸，可以用TNT 当量WTNT来表示蒸汽云爆炸的后果，计算公式为：

式中：A为1-丁烯蒸汽云的TNT当量系数，统计平均值为4%；

WTNT为1-丁烯蒸汽云爆炸的TNT当量，kg；

Wf为蒸汽云中1-丁烯的总质量，kg；

Qf为1-丁烯的燃烧热，kJ/kg；

α为地面爆炸系数，取1.8；

QTNT为TNT的爆热，取4 520kJ/kg。

2.1.2 1-丁烯蒸汽云爆炸的死亡半径

1-丁烯发生蒸汽云爆炸，死亡区的半径为死亡半径，死亡区内人员死亡率为50%，死亡区内径为零，外半径记为R0.5，表示外圆周处人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5，它主要取决于参与爆炸的1-丁烯蒸汽云的质量大小，即1-丁烯蒸汽云爆炸的TNT当量，与爆炸TNT当量间的关系由下式确定：

2.1.3 1-丁烯蒸汽云爆炸的重伤半径

1-丁烯蒸汽云爆炸的破坏伤害作用主要取决于冲击波峰值超压的大小，重伤区的半径为重伤半径，重伤区内径为死亡区半径R0.5，当边界冲击波峰值超压Δp0.5为44 000Pa时，边界处人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为0.5，即为重伤外径，记做Rd0.5。Rd0.5由下列方程式求解：

式中：Rd0.5为人发生重伤到爆炸源的水平距离，即重伤区外径，m；

E为1-丁烯爆炸产生的全部能量，J；

p0为大气压力，取101 300Pa。

2.1.4 1-丁烯蒸汽云爆炸的轻伤半径

1-丁烯蒸汽云爆炸的轻伤区的半径为轻伤半径，轻伤区内径为重伤区的外径Rd0.5，当外边界处冲击波峰值超压Δp0.01为17 000Pa时，边界处人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为0.01，即为轻伤外径，记做Rd0.01。计算Rd0.01仍用方程式（3）、（4）、（5）进行求解。

2.1.5 1-丁烯蒸汽云爆炸的财产损失半径

1-丁烯蒸汽云爆炸造成财产损失的半径为财产损失半径，对于爆炸性破坏，财产损失半径R财的计算公式为：

式中：K2为二级破坏系数，取4.6。

2.2 1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸（BLEVE）危害后果计算 模型

沸腾液体扩展蒸汽云爆炸，是指丁烯因地面池火灾或者其他火灾的长时间烘烤，产生了沸腾液体扩散为蒸汽爆炸，产生巨大的火球，造成热辐射伤害，BLEVE产生的碎片和冲击波虽然也有一定伤害，但与爆炸产生的火球热辐射相比，其危害可以忽略。

1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸火球的特征可用国际劳工组织（ILO）建议的沸腾液体扩展为蒸汽云爆炸模型[3]来估计。

2.2.1 1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸火球半径的计算

1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸火球半径R和可燃物质1-丁烯质量W的立方根成正比，火球半径的计算公式为：

式中，1-丁烯为双罐储存。W计算体积值取罐容积的70%（单罐储存，W取罐容积的50%；对于双罐储存，W取罐容积的70%；对于多罐储存，W取罐容积的90%）

2.2.2 1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸火球持续时间计算

火球的持续时间t也和可燃物质1-丁烯质量W的立方根成正比，火球持续时间的计算公式为：

2.2.3 1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸目标接收到的热辐射通量计算

当r＞R时，目标接收到的热辐射通量按下式计算：

式中：q0为火球表面的辐射通量，W/m2。对于柱形罐取270kW/m2；对于球形罐取200kW/m2；r为目标到火球中心的水平距离，m。

2.2.4 1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸热辐射对人员的影响

彼得森（Pietersen）在1990年用如下模型[4]来预测热辐射的影响。

皮肤裸露时的死亡几率为：

有衣服保护（20%皮肤裸露）时，二度烧伤（重伤）几率为：

有衣服保护（20%皮肤裸露）时，一度烧伤（轻伤）几率为：

式中：q1、q2、q3为人体接收到的热通量，W/m2；

t为人体暴露于热辐射的时间（火球持续时间），s；

pr为人员伤害几率。

2.2.5 1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸财产烧毁热通量

式中：q4为财产烧毁的热通量，W/m2。

t为财产暴露于热辐射的时间（火球持续时间），s。

3 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）和1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果定量计算

某企业原料罐区共有丁烯球罐2台，容积均为3 000m3，其操作温度为常温，操作压力为0.35MPa。

3.1 蒸汽云爆炸（UVCE）事故后果计算

若一台丁烯球罐不慎发生破裂，其泄漏瞬时质量流率计算公式[3]如下：

式中：Qm为质量流率，kg/s；

p为储罐内压力，Pa；

p0为环境压力，Pa；

C0为液体泄漏系数，取0.81；

g为重力加速度，9.8m/s2；

A为泄漏孔面积，m2；

ρ为液体密度，kg/m3；

hL为泄漏孔上方液体高度，m。

假设丁烯球罐出现全口径泄漏，代表孔径为200mm，泄漏孔上方液位高度取13.5m，环境大气压取0.1MPa，液体密度取581kg/m3，液体泄漏系数取0.81，代入公式（14）进行计算，得1-丁烯泄漏质量流率为494.69kg/s，取延时点火时间为5min，则泄漏量为：

根据蒸汽云爆炸（UVCE）危害后果计算模型，计算得表1：

表1 UVCE计算结果

3.2 1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果计算

根据1-丁烯沸腾液体扩展蒸汽云爆炸（BLEVE）危害后果计算模型，计算得表2：

表2 BLEVE模型计算结果

4 结论

通过以上定量模拟分析可知，该企业原料罐区1-丁烯球罐一旦全口径泄漏，如果没有得到有效控制，发生蒸汽云爆炸的TNT当量为1.145 6×105kg，按照死亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径、财产损失半径定义，离爆炸中心半径为78.6m的圆形区域内的50%的人员死亡；离爆炸中心外径为187.7m，内径为78.6m的圆环区域内，人员大部分重伤；离爆炸中心外径为337.01m，内径为187.7m的圆环区域内，人员大部分轻伤。财产损失范围为半径222.4m的圆形区域。

计算死亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径、财产损失半径的意义在于：

1）事前事故预防。已知1-丁烯球罐周边的人员和财产分布情况，即可评价确定人员的伤亡数和直接财产损失大小，根据评价结果可以对丁烯球罐周边的人员分布、设备设施布局做出安排，避免事故发生后造成不必要的伤亡和损失。

2）指导事故应急救援。发生1-丁烯火灾爆炸事故时，应急救援人员需进出事故发生区域实施危险源控制、人员搜救和现场警戒等措施，应急指挥部需要在事故现场设立指挥部，事故涉及人员需要尽快撤离事故发生区域，根据应急救援的需要，应在事故现场设置危险区和安全区，并隔离危险区和安全区，应急救援人员由安全区进入危险区实施应急救援，应急救援后由危险区进入安全区，在安全区进行受伤人员和贵重物品的交接并进行洗消，应急指挥部设置在安全区，能够在及时掌握事故现场情况的同时保障指挥部成员安全，事故现场涉及的人员应尽快撤离至安全区，避免事故波及，上述危险区和安全区的分界线可以根据计算结果得出，安全设置在离爆炸中心至少337.01m以外，从而能够保证科学合理地实施应急救援。

如果蒸汽云爆炸事故发展无法得到控制，2台1-丁烯球罐连锁发生沸腾液体扩展蒸汽云爆炸，其火球半径为390.43m，火球持续时间为60.58s，将发生导致近1 696m半径范围内人员伤亡的灾难性后果，这就需要根据事故事态发展进一步调整安全区的位置。

3）指导化工装置和储存设施周边用地规划。

根据计算结果，在进行化工装置和储存设施周边用地规划时，应将医院、学校、民宅设置在合理位置，避免受事故波及；在1-丁烯装置周边规划工厂时，也应考虑合理的距离，避免1-丁烯球罐发生火灾爆炸引起其周边工厂发生衍生次生事故，产生多米诺效应。