基于ALOHA软件对液氨管道泄漏事故模拟与分析

徐建航 刘冰心 于立富 任克京 张福群 王天枢

（1.沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁 沈阳 110142；2.辽宁省安全科学研究院，辽宁 沈阳 110142）

0 引言

冷库输氨管道如果一直保持高压运转工作，且年久失修，往往会因固件松动、腐蚀穿孔以及法兰接头损坏等因素导致发生泄漏[1]。而液氨存在有毒及易燃易爆性质，若出现泄漏，将会对附近的环境和工作人员带来无法挽回的经济损失和影响。如2007年6月9日，在新疆乌鲁木齐经济技术开发区伊利食品公司生产车间，氨气管道泄漏导致1人遇难，另23人中毒。2020年6月17日，马鞍山市马钢化学能源技术公司生产车间输氨管道爆裂，导致3人中毒，2人遇难。氨气泄漏不但可能会造成人身伤害，还会严重污染环境，因此对氨气泄漏事故应当引起一定的重视[2]。

近年来，很多国内外学者利用ALOHA（有害大气区域定位Areal Locations of Hazardous Atmospheres）将危险化学品在空气中扩散路径模拟出来，同时通过计算气体浓度确定事故影响范围。在突发事故中用ALOHA开展分析，对指导事故现场紧急抢救和采取相应措施以降低事件伤亡意义很大[3]。2000年起，国内外研究者开始引入ALOHA的软件方法，如：梁虎使用ALOHA软件进行了估计危险化学物质在大气环境中的扩散形状和影响区域面积，并以图像的形式描述出扩散的物质浓度、影响区域面积以及其他信息[4]。黄浩祎等人利用ALOHA软件，对某化工厂进行的有毒气体扩散范围、蒸气云爆炸和沸腾液体扩散的事故危害范围进行了定性分析[5]。N.S.Anjana等利用ALOHA软件模拟氨泄漏事故的影响范围，并结合GIS数据库提出了具体的救援措施[6]。

本文以北京某冷库输氨管道为研究对象，针对其在一旦发生液氨泄漏时可能产生的四类事故，即有毒气体泄漏扩散、蒸气云爆炸热辐射、闪火、射火和BLEVE（Boiled Liquid Evaporate Vapor Explosion，蒸气爆炸）火球热辐射的影响进行研究，并利用卫星地图把泄漏危险范围在地图中展示出来，得到泄漏事件的影响范围。希望通过根据泄漏事件影响范围而提供的风险控制措施和意见，通过预测事件的范围增强风险控制的能力[7]。

1 液氨管道事故类型分析

氨气在常温下是一种无色气体，具有强烈的刺激性恶臭气味。氨沸点为-33.34 ℃（标准大汽压101.325 kPa），熔点为-77.73 ℃，自燃点为651.11℃，氨气密度系数小于空气(标准状况下为0.771 g/L)[8]。液氨密度为约0.639 g/cm3，易汽化，通过减小压强可迅速挥发，并吸收大量的热能[9]，按照GB5044—85《职业性接触食物中毒危害程度等级》，氨气隶属于ⅰ类轻度危害气体[10]，液氨是一个广泛应用于现代化工的关键单体，但由于每年化工领域中因氨气泄漏而造成的工业事故频发，对人员健康和环境所产生的影响也非常严峻[11]。

在本文选取的输氨管道位于所在化工厂罐区的东南隅，对此本研究运用事件树分析法对管道泄漏所造成的事件结果做作出了定性分析，如图1所示。

图1 输氨管道泄漏事件树分析

简单来说，由于输氨管道在物理、化学反应下进行的破坏，都可以引起泄漏事件[12]，或与空气混合产生的毒性蒸气云团，因此在未点火时可能会形成很大的毒害区，引起气体中毒事件；毒蒸气云如在有限空间内被引燃则会产生蒸气云爆炸事故，而在很大空间内被引燃，则会产生闪火事故；如果在液氨气泄漏后被迅速引燃，则可能会形成BELEVE火球或喷射火。

2 基于ALOHA软件的液氨管道泄漏模拟

ALOHA系统是一种在实践中被广泛应用的电脑辅助管理应急服务功能的系统应用软件。其主要目的是向应急人员提供与化学品溢出有关的一些常见危险的空间范围估计。ALOHA可以处理挥发性物质和易燃化学品短期意外排放的危险空间区域的评估。因此ALOHA软件模拟后果对企业应急管理以及政府规划都具有重大意义，目前ALOHA软件已逐渐成为工业危害与化学品事件的紧急救援、规划、培训和学术研究的主要工具。

2.1 参数设置

1）本研究主要根据研究对象的实际工况选择了泄漏事故的具体环境和建筑物类型。设定这个技术参数的目的是帮助ALOHA软件更好地分析危险化学废气渗漏到房间中的速度

2）对于气象参数，主要是根据最近5年的统计数据而设定，这个技术参数主要影响气体传播速度、方位、距离、含量等计算结果。

3）介质类型包括泄漏介质和泄漏项设置，本研究选取的是氨，状态类型为液化气。

具体数值如表1所示。

表1 泄漏事故模拟基本参数表（节选）

2.2模拟结果与讨论

2.2.1.中毒事故影响范围模拟

本文基于MIAO等人的研究，根据氨扩散时毒气对人员的伤害程度，将毒气浓度确定为为三个级别，由高到低分别为：AEGL-3（导致致命伤害），即达到或者超过此浓度，对应区域人员可能有生命威胁；AEGL-2（可能造成严重伤害），即达到或超过此浓度，会对相应区域人员健康产生长期且不可逆的影响；AEGL-1（可能造成轻度伤害），即达到或超过此浓度，会对相应区域人员健康产生短暂影响，但该过程可逆[13]。

针对中毒伤害区域，本研究运用ALOHA模拟软件计算后（如图2所示）将模拟结果导入卫星地图中，情况如图3。

图2 中毒范围模拟示意图

图3 中毒事故影响范围图

通过分析图2可以得出，泄漏点下风向氨毒性风险的致死区(即达到AEGL-3浓度的区域)1 h内氨的浓度超过1.1×10-3，扩散距离可至359.4 m，对此，相应的应急处置人员应根据影响范围，严禁人员进入此区域；重伤区(即达到AEGL-2浓度的范围)1 h内氨的浓度超过1.6×10-4，扩散距离至921.7 m，应急处置人员应根据影响范围，针对此区域进行人员出入管制，并及时救援事故区域内人员；轻伤区(即达到AEGL-2浓度的范围)1 h内氨的浓度超过3.0×10-5，扩散距离至1 931 m，影响面范围较大，应急处置人员应针对此区域设置警戒线，阻止无关人员靠近。

2.2.2闪火伤害后果模拟

本研究按照云团中危险物质的含量水平划分等级，将其浓度水平确定为LEL(爆炸下限)、60%LEL和10%LEL，根据ALOHA软件模拟的液氨闪火扩散图如图4所示。

根据图4可以得出，在风速4 m/s情形下，液氨蒸气云的扩散闪火伤害重伤区域(10%LEL，暴露浓度高于1.5 ×10-2)覆盖最远范围可达83.2 m。而该地区若存在点火源，泄漏发生后则可能导致火灾，所以，在泄漏产生后，包括公安与消防人员在内的应急处置人员应当杜绝该地区的任何火源，并且事故处理部门工作人员也必须穿着防静电服，并用防火花等工具作业。

图4 闪火伤害后果模拟图

2.2.3蒸汽云爆炸伤害后果模拟

本研究在ALOHA软件中，使用冲击波超压指数定义了液氨蒸气云的扩散闪火影响区域覆盖范围。在假定条件下，液氨蒸气云爆炸伤害后果模拟图如图5所示。风速为4 m/s时，液氨蒸气云扩散爆炸的影响会导致周围玻璃破裂，其压力值大于1.0 psi（约为6.89 kPa），最远影响范围约为26.5 m。因此，一旦发生氨泄漏，应急处置人员应基于影响范围，第一时间组织人员疏散，以避免造成人员伤害和财产损失。

图5 液氨泄漏蒸气云扩散爆炸伤害后果模拟图

2.2.4 射火和BLEVE火球热辐射影响

当液氨泄漏时，在泄漏口遇火源可能会发生喷射火事故，使周围一定范围内的人员受伤同时造成建筑物损坏。本研究利用ALOHA软件模拟的射火热辐射危害范围如图6所示。

通过对图6的分析可以得出，距泄漏口处10.1 m范围内属于致死区，在该区域内人员暴露60 s就可能致死；10.1 m至14.6 m范围内为重伤区，在该区域内人员暴露60 s就可能会造成二度烧伤；14.6 m至29.3 m范围内为轻伤区，在该区域内人员暴露60 s会使人感到剧烈疼痛；29.3 m以外为安全区。

图6 射火热辐射影响范围

通过分析液氨管道泄漏所发生的后果可发现，当火灾发生时，产生的热蒸气爆炸火球所产生的影响范围最大，且事故后果也最剧烈。本研究利用ALOHA软件模拟的BLEVE火球热辐射危害范围如图7所示。

图7 BLEVE热辐射影响范围

根据图7可以得出，离火源52.1 m范围内属于致死区，该区域内人员如果受到60 s火球热辐射则可能致死；52.1 m至75 m范围内为重伤区，该区域内人员受到60 s火球热辐射可引起二度烧伤；75 m至119 m范围内为轻伤区，该区域内人员受到60 s火球热辐射能使人感到剧烈疼痛;119 m范围以外为安全区。

3 结论

根据本研究的结果，液氨管道泄漏事件爆发后，所造成的中毒事件的危害范围最广，最远达到1 900 m，远远超出冷库范围；BLEVE火球热辐射事故所造成的后果最为严重，其次为射火、闪火、蒸气云。

尽管本研究仅以某冷库输氨管道作为研究对象，实践中其他液氨管道泄漏事故的影响范围可能会因各类参数不同而产生数量层面的不同，但可以肯定的是液氨泄漏扩散事件的影响区域范围较大，扩散的距离可至几千米。因此，在开展应急处置工作时，相关人员可通过对危险空间区域的评估，根据各类影响范围，有针对性地采取警戒措施、控制措施、救援措施等，以提升应急处置效率。