夏冬季场景下环氧乙烷储罐泄漏事故后果模拟

成 诚，夏 天，庞奇志

(中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074)

环氧乙烷是一种常被用于制造杀菌剂的有毒的致癌物质，化学式为C2H4O，分子量为44.05，是一种有机化合物，因其特殊的性质被广泛应用于许多行业，如口罩的杀菌消毒。环氧乙烷具有非常活泼的化学性质，易燃易爆炸，爆炸极限为3%～100%，并能与许多化合物发生化学反应。环氧乙烷的熔点为-111℃，沸点为10.7℃，在低温下呈现为无色透明的液态，在常温下呈现为无色带有醚刺激性气味的气态，易溶于水，密度为0.882 g/cm3。

目前，化工储罐泄漏事故频发，且事故后果受环境因素的影响，急需对储罐泄漏事故后果以及环境因素对储罐泄漏事故后果的影响进行研究。

对于储罐泄漏事故造成的危害范围的模拟研究，相艳景等[1]利用ALOHA软件对环氧乙烷储罐泄漏事故进行了模拟，计算得出了事故的危害范围；朱云峰等[2]利用ALOHA软件模拟了环氧丙烷储罐泄漏事故造成的危害范围；田水承等[3]对氯乙烯储罐泄漏事故后果的影响范围进行模拟，得到了可能事故场景下氯乙烯毒气扩散区域、闪火可燃区域和蒸汽云爆炸超压冲击波影响区域。

对于环境因素对危化品泄漏事故后果的影响研究，孔大令[4]通过模拟不同环境条件下液氨泄漏扩散的警戒范围，分析了环境因素对液氨泄漏警戒范围的影响；胡秀甲[5]利用ALOHA软件模拟了内外因对液氯泄漏扩散范围的影响；钟岸等[6]利用FLUENT软件模拟了环氧乙烷随泄漏速率、自然风速和地面粗糙度的动态扩散规律；葛安然等[7]利用ALOHA软件对甲醇储罐泄漏后毒气扩散范围的影响因素进行了敏感性分析。

但是，目前现有研究中针对不同季节场景下环氧乙烷储罐泄漏事故后果的模拟研究相对较少。鉴于此，本文分别对夏季和冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散造成的中毒、池火灾和蒸气云爆炸事故后果进行了数值模拟研究，并对得出的事故危害范围进行了对比分析，以为环氧乙烷储罐泄漏事故的预防与控制提供依据。

1 事故情景假设

1.1 ALOHA参数设置

环氧乙烷泄漏后易发生气化，人体暴露于该环境中会造成人员中毒伤亡，若点火延迟时会发生闪火或蒸气云爆炸，未气化的液态部分遇火源会形成池火灾[2]。

本文选择某地某化工厂的环氧乙烷储罐进行数值模拟研究。环境因素会随着季节的不同发生改变，不同季节的平均温度不同，尤其是夏季与冬季的温差很大，除了温差外，平均风速、风向、相对湿度等环境因素也不相同。由于环氧乙烷储罐发生泄漏后造成的事故后果会受到环境因素的影响，所以有必要对夏季和冬季时环氧乙烷储罐泄漏事故分别进行模拟，模拟结果可以为环氧乙烷储罐不同季节的安全管理、事故预防和应急救援工作提供参考，具有一定的实际应用价值。

《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T 37243—2019)中规定10 cm孔径泄漏为大孔泄漏，本文选取1～10 cm泄漏孔径，利用ALOHA软件对夏冬季场景下环氧乙烷储罐不同孔径泄漏后可能产生的事故后果进行了仿真模拟。

该化工厂环氧乙烷储罐区位于东经114°04′、北纬30°38′，储罐为卧式，直径为2.75 m，长为8.4 m，储罐尺寸为50 m3，储存温度为5℃，储存压力为1.1 MPa，充装系数为69%。该地区夏季平均温度取最高月平均温度为29℃，平均风速取2.5 m/s，风向为东南风，相对湿度为80%；冬季平均温度取最低月平均温度为4℃，平均风速取2.6 m/s，风向为偏北风，相对湿度为75%。该储罐区为水泥地面，设定储罐底部距离地面为0.3 m处连接管破裂，并导致环氧乙烷连续性泄漏。表1为环氧乙烷储罐区的环境因素。

表1 环氧乙烷储罐区的环境因素

1.2 DEGADIS重气扩散模型

ALOHA软件最初由美国环保署化学制品突发事件和预备办公室、美国国家海洋和大气管理局响应和恢复办公室共同开发,2000年起我国研究者开始引进[2]。ALOHA软件采用的数学模型有高斯模型、DEGADIS重气扩散模型等。

由于环氧乙烷的分子量大于空气的平均分子量，其相对空气密度为1.52，比空气重，因此环氧乙烷泄漏后扩散会形成重气云团，且能与空气混合形成大型薄雾云并扩散，故本次模拟时选用DEGADIS重气扩散模型。

DEGADIS重气扩散模型假设气体扩散浓度在侧风向上采用修正的高斯分布，而竖直方向上采用指数分布[2]，其数学表达式如下：

c(x，y，z)=

(1)

式中：c(x，y，z)为任一点处气体的质量浓度(kg/m3)；Cc(x)为在表面中心线处气体的质量浓度(kg/m3)；b(x)为水平中间范围的半宽(m)；Sy(x)为水平方向上气体扩散的浓度比率；Sz为垂直方向上气体扩散的浓度比率；n为风力常数；z0为水平方向和垂直方向风力图基准高度(m)；ux为x方向的风速(m/s)；u0为z0高度上的实际风速(m/s)。

2 环氧乙烷储罐泄漏扩散中毒事故后果模拟

在未遇到明火的情况下对环氧乙烷储罐泄漏扩散所造成的中毒事故的毒性影响区域范围进行了仿真模拟。并根据ALOHA软件自动引用的数据标准，即美国紧急响应计划指南(ERPG)中规定的ERPG-2、 ERPG-3标准浓度值来确定中毒事故的毒性影响区域，其中ERPG-2为50 ppm(1 ppm=10-6)，ERPG-3为500 ppm。当毒气浓度在50 ppm和500 ppm之间时，会严重影响人体健康，会对人体某些器官造成伤害；当毒气浓度达到500 ppm(ERPG-3)以上时，会对人体健康造成严重的影响并威胁生命[1]。本文利用ALOHA软件对环氧乙烷储罐泄漏扩散造成的中毒事故后果进行了模拟计算，并确定了中毒事故的毒性影响范围。

2.1 夏季环氧乙烷储罐泄漏扩散中毒事故后果模拟

选取夏季环境因素参数，通过ALOHA软件模拟得到夏季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的中毒事故的毒性危害距离以及发生大孔泄漏(10 cm)时的毒性影响范围，见表2和图1。

表2 夏季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的中毒事故毒性危害距离

图1 夏季环氧乙烷储罐发生大孔泄漏(10 cm)时中毒事 故的毒性影响范围Fig.1 Toxic influence range of large hole leakage(10 cm) of ethylene oxide storage tank in summer

由表2和图1可以看出，夏季场景下随着泄漏孔径的增大，环氧乙烷储罐发生泄漏扩散所造成的中毒事故的毒性危害距离也随之增大，且毒性危害距离随泄漏孔径增大的变化范围在环氧乙烷浓度为50 ppm时比500 ppm时大。

2.2 冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散中毒事故后果模拟

选取冬季环境因素参数，通过ALOHA软件模拟得到冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的中毒事故的毒性危害距离以及发生大孔泄漏(10 cm)时的毒性影响范围，见表3和图2。

表3 冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的中毒事故毒性危害距离

图2 冬季环氧乙烷储罐发生大孔泄漏(10 cm)时中 毒事故的毒性影响范围Fig.2 Toxic influence range of large hole leakage (10 cm) of ethylene oxide storage tank in winter

由表3和图2可以看出，冬季场景下随着泄漏孔径的增大，环氧乙烷储罐发生泄漏扩散所造成的中毒事故的毒性危害距离也随之增大，且毒性危害距离随泄漏孔径增大的变化范围在环氧乙烷浓度为50 ppm时比500 ppm时大。

2.3 夏季和冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散中毒事故后果模拟结果的对比

根据夏冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的中毒事故毒性危害距离的模拟结果(见表2和表3)，得到夏季和冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的中毒事故的毒性危害距离折线图，见图3。

图3 夏季和冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散 造成的中毒事故毒性危害距离折线图Fig.3 Toxic hazard distance caused by leakage and diffusion of different apertures of ethylene oxide storage tank in different seasons

由图3可见,夏季环氧乙烷储罐泄漏扩散所造成的中毒事故的毒性危害距离均大于冬季环氧乙烷储罐泄漏，且毒性危害距离的变化范围在环氧乙烷浓度为50 ppm时比500 ppm时更明显。

3 环氧乙烷储罐泄漏扩散池火灾事故后果模拟

环氧乙烷储罐泄漏后的液态成分遇点火源会形成池火灾，泄漏孔径大小不同，形成的池火灾的热辐射强度也不相同[1]。由于池火灾的主要危害是热辐射对人体的伤害，故在火灾事故后果分析中，以热辐射强度来划分危害区域。假设受到热辐射影响的时间为1 min，当热辐射强度等级为3级，即2 kW/m2时，会导致人体疼痛；当热辐射强度等级为2级，即5 kW/m2时，会导致人体烧伤；当热辐射强度等级为1级，即10 kW/m2时，会导致人体死亡。本文采用这三个热辐射强度来划分夏季和冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散造成的池火灾事故的热辐射影响范围。

3.1 夏季环氧乙烷储罐泄漏扩散池火灾事故后果模拟

选取夏季环境因素参数，通过ALOHA软件模拟得到夏季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的池火灾事故的热辐射危害距离以及发生大孔泄漏(10 cm)时池火灾事故的热辐射影响范围，见表4和图4。

表4 夏季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的池火灾事故热辐射危害距离

图4 夏季环氧乙烷储罐发生大孔泄漏(10 cm)时池 火灾事故的热辐射影响范围Fig.4 Influence range of pool fire in case of large hole leakage(10 cm) of ethylene oxide storage tank in summer

由表4和图4可以看出，夏季场景下随着泄漏孔径的增大，环氧乙烷储罐发生泄漏扩散所造成的池火灾事故的热辐射危害距离也随之增大，且池火灾事故的热辐射危害距离在不同热辐射强度(10 kW/m2、5 kW/m2、2 kW/m2)下随泄漏孔径增大的变化范围也依次增大。

3.2 冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散池火灾事故后果模拟

选取冬季环境因素参数，通过ALOHA软件模拟得到冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的池火灾事故的热辐射危害距离以及发生大孔泄漏(10 cm)时的池火灾事故的热辐射影响范围，见表5和图5。

表5 冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的池火灾事故热辐射危害距离

图5 冬季环氧乙烷储罐发生大孔泄漏(10 cm)时池火 灾事故的热辐射影响范围Fig.5 Influence range of pool fire in case of large hole leakage(10 cm) of ethlene oxide storage tank in winter

由表5和图5可以看出，冬季场景下随着泄漏孔径的增大，环氧乙烷储罐发生泄漏扩散所造成的池火灾事故的热辐射危害距离也随之增大，且热辐射危害距离在不同热辐射强度(10 kW/m2、5 kW/m2、2 kW/m2)下随泄漏孔径增大的变化范围也依次增大。

3.3 夏季和冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散池火灾事故后果模拟结果的对比

根据夏、冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的池火灾事故热辐射危害距离的模拟结果(见表4和表5)，得到夏季和冬季场景下环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成池火灾事故的热辐射危害距离折线图，见图6。

图6 夏季和冬季场景下环氧乙烷储罐不同孔径泄 漏扩散造成的池火灾事故热辐射危害距离Fig.6 Heat radiation hazard distance of pool fire caused by leakage and diffusion of different apertures of ethylene oxide storage tank in different seasons

由图6可见：冬季环氧乙烷储罐泄漏所造成的池火灾事故的热辐射危害距离略微大于夏季环氧乙烷储罐泄漏。

池火灾是环氧乙烷泄漏后的液态成分遇点火源形成的，且环氧乙烷的沸点为10.7℃，平时以液态储存在储罐中，但当发生环氧乙烷储罐泄漏时，冬季储罐泄漏后汽化的环氧乙烷相比于夏季较少。

4 环氧乙烷储罐泄漏扩散蒸气云爆炸事故后果模拟

蒸气云爆炸(VCE)是可燃性气体混合物经过一段延迟时间后，可燃蒸气云被点火源点燃发生着火或爆炸，产生了危险的冲击波超压。由于蒸气云爆炸的主要危害来自冲击波超压，故利用ALOHA软件对环氧乙烷储罐泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故后果进行了数值模拟计算。当冲击波超压强度为0.055 MPa时，会造成建筑物毁坏；当冲击波超压强度为0.024 MPa时，会造成人员重伤；当冲击波超压强度为0.007 MPa时，会造成玻璃破碎[1]。

4.1 夏季环氧乙烷储罐泄漏扩散蒸气云爆炸事故后果模拟

选取夏季环境因素参数，通过ALOHA软件模拟得到夏季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故产生的冲击波超压危害距离以及发生大孔泄漏(10 cm)时蒸气云爆炸事故产生的冲击波超压的影响范围，见表6和图7。

表6 夏季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故冲击波超压危害距离

图7 夏季环氧乙烷储罐发生大孔泄漏(10 cm)时 蒸气云爆炸事故产生的冲击波超压影响范围Fig.7 Influence range of overpressure of shock wave of vapor cloud explosion in case of large hole leakage (10 cm) of ethylene oxide storage tank in summer

由表6和图7可以看出，夏季场景下随着泄漏孔径的增大，环氧乙烷储罐发生泄漏扩散所造成的蒸气云爆炸事故的冲击波超压危害距离也随之增大，且冲击波超压危害距离在不同冲击波超压强度(0.055 MPa、0.024 MPa、0.007 MPa)下随泄漏孔径增大的变化范围也依次增大。

4.2 冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散蒸气云爆炸事故后果模拟

选取冬季环境因素参数，通过ALOHA模拟得到冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故产生的冲击波超压危害距离以及发生大孔泄漏(10 cm)时蒸气云爆炸事故产生的冲击波超压的影响范围，见表7和图8。

表7 冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故冲击波超压危害距离

图8 冬季环氧乙烷储罐发生大孔泄漏(10 cm)时 蒸气云爆炸事故产生的冲击波超压影响范围Fig.8 Influence range of overpressure of shock wave of vapor cloud explosion in case of large hole leakage (10 cm) of ethylene oxide storage tank in winter

由表7和图8可以看出，冬季场景下随着泄漏孔径的增大，环氧乙烷储罐发生泄漏扩散所造成的蒸气云爆炸事故的冲击波超压危害距离也随之增大，且冲击波超压危害距离在不同冲击波超压强度(0.055 MPa、0.024 MPa、0.007 MPa)下随泄漏孔径增大的变化范围也依次增大。

4.3 夏季和冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散蒸气云爆炸事故后果模拟结果的对比

根据夏、冬季环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故冲击波超压危害距离的模拟结果(见表6和表7)，得到夏季和冬季场景下环氧乙烷储罐不同孔径泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故产生的冲击波超压危害距离折线图，见图9。

图9 夏季和冬季场景下环氧乙烷储罐泄漏扩散造成的 蒸气云爆炸事故冲击波超压危害距离Fig.9 Hazard distance of vapor cloud explosion caused by leakage and diffusion of ehtylene oxide storagae tank in summer and winter

由图9可见，夏季环氧乙烷储罐泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故产生的冲击波超压危害距离均明显大于冬季环氧乙烷储罐泄漏，且冲击波超压危害距离的变化范围在冲击波超压强度为0.007 MPa时比0.024 MPa和0.055 MPa时更明显。

5 结 论

本文基于ALOHA软件对夏季和冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散造成的中毒、池火灾和蒸气云爆炸事故后果进行了数值模拟研究和对比分析，得出如下结论：

(1) 夏季环氧乙烷储罐泄漏扩散所造成的中毒事故的毒性危害距离均大于冬季环氧乙烷储罐泄漏，且毒性危害距离的变化范围在环氧乙烷浓度为50 ppm时比500 ppm时更明显。

(2) 夏季环氧乙烷储罐泄漏扩散造成的蒸气云爆炸事故所产生的冲击波超压危害距离均明显大于冬季环氧乙烷储罐泄漏，且冲击波超压危害距离的变化范围在冲击波超压强度为0.007 MPa时比0.024 MPa和0.055 MPa更明显。

(3) 模拟结果表明：不同于中毒事故和蒸气云爆炸事故，冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散所造成的池火灾事故的热辐射危害距离略微大于夏季环氧乙烷储罐泄漏。