泄漏孔径对液氨储罐泄漏事故后果影响规律分析

郭晓晓 汤 杨

(重庆文理学院土木工程学院，重庆，402160)

液氨是非常重要的化工原料，用于冷库、制造炸药、合成纤维、塑料和化肥制造等行业，为了运输和储存方便，通常通过加压或冷却得到液氨，储存于储罐或管道中。在日常运行过程中如果由于设备失效、人为因素等导致液氨泄漏，将会对人民生命财产安全造成极大的危害。氨气属于易燃、易爆、有毒气体，可能会发生火灾、爆炸、中毒等事故，再加上与周边防护距离不够更会加重事故后果。例如，2002年聊城“7·8”液氨泄漏事故，液氨罐区与周边村落安全防护距离不足，造成惨重伤亡。深入研究液氨储罐泄漏事故后果影响范围并分析其变化规律变得十分重要。文章以泄漏孔径作为自变量，采用PHAST 软件模拟不用泄漏孔径对事故后果的影响，模拟、分析变化规律，希望能够为事故预防与应急救援提供科学有效的方法。

1 液氨泄漏扩散事故模式

当液氨发生连续泄漏时，可能产生以下几种事故模式：①由于储罐压力高于大气压，如果液氨在泄漏出口处被立即点燃，会形成喷射火[2]；②当液氨未在泄漏处被立即点燃，而是发生延迟点火，在开放空间内则会形成闪火或池火；③如果在爆炸极限内被点燃则会发生蒸气云爆炸；④当液氨泄漏后未遇到点火源，则会在大气中发生扩散，可能导致中毒事故。图1为液氨连续泄漏扩散事件树图[1]。

图1 液氨储罐泄漏扩散事件树

基于液氨泄漏的几种事故模式，文章选择研究不同泄漏孔径条件下喷射火、蒸气云爆炸、中毒三种事故模式的一般规律。

2 数据模拟分析

2.1 PHAST软件简介

DNV PHAST软件是由挪威DNV石油开采运输公司开发的，已在全世界许多国家得到应用[3]。该软件内有多种事故模型，如泄漏、扩散、喷射火、池火、闪火、火球、晚期蒸气云爆炸和沸腾液体扩展为蒸气云爆炸等，通过对模型的计算能够确定危险事件影响区域，能方便地对各种事故进行定量计算，计算结果与实验数据也较为吻合[3]。该软件的计算结果还可以以报表、图形的方式显示，更加直观、形象[3]。随着对安全评价的日益重视，该软件得到了更广泛的应用，许多研究者也致力于该软件的应用研究并得到了可靠的模拟结果。

2.2 参数选择

某厂区液氨储罐操作压力为2.3MPa、储罐内温度为2.2℃、储罐为球形、体积1000m3、充装系数90%、泄漏高度为1m；厂区地形平坦，风速为1.5m/s；大气稳定度为D(中度稳定、阴、大风或微风)；气温为9.85℃，最高气温达43℃，最低气温-5℃。

液氨泄漏多发生在罐体或管道上的孔洞和裂隙或附件上的法兰和阀口等处[1]，按照泄漏孔径的大小来划分，可以分为小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏以及完全破裂几种类型[2]。小孔泄漏的孔径一般在0—5mm，发生频率约为4×10-5/年；中孔泄漏的孔径一般在5—50mm，发生频率约为1×10-4/年；大孔泄漏的孔径一般在50—150mm，发生频率约为1×10-5/年；完全破裂常指孔径大于150mm的泄漏或者处于完全破裂的情况，发生频率约为6×10-6/年[1]。由此可以看出，发生概率较高的泄漏情形是泄漏孔径在5—50mm的情况。因此本文选取泄漏孔径20mm、40mm、60mm、80mm四种泄漏孔径情境进行探讨，研究液氨泄漏发生喷射火、蒸气云爆炸、中毒三种事故时的一般影响规律。通过前期勘查和数据采集，分析整合液氨泄漏模拟数据，列出模拟参数，模拟参数见表1。

表1 液氨泄漏模拟参数表

2.3 喷射火事故后果模拟分析

喷射火的伤害形式主要是热辐射。一般通过热辐射通量来描述热辐射对人体的伤害，热辐射通量不同，人体受到的伤害程度不同。图2为热辐射值对人体的伤害情况。

图2 热辐射值对人体的伤害情况[4]

当储罐运行压力为2.3MPa、运行温度为2.2℃、风速为1m/s、泄漏孔径分别为20、40、60、80 mm时，不同泄漏孔径下喷射火的热辐射强度影响范围计算结果见表2，喷射火的影响范围随泄漏孔径的变化规律见图3。

表2 不同泄漏孔径下喷射火的热辐射强度影响范围/m

图3 喷射火的影响范围随泄漏孔径的变化规律

结果显示，当泄漏孔径为20mm时，4kW/m2热辐射强度(超过20秒引起疼痛)的影响范围为81.47m；当泄漏孔径为40mm时，4kW/m2热辐射强度的影响范围为151.24m；当泄漏孔径为60mm时，4kW/m2热辐射强度的影响范围为216.71m；当泄漏孔径为80mm时，4kW/m2热辐射强度的影响范围为279.55m，热辐射强度影响范围不断增大；当泄漏孔径为20、40、60mm时，12.5kW/m2(l分钟内10%的人死亡，10秒钟内l度烧伤)热辐射强度未达到；当泄漏孔径为80mm时，12.5kW/m2热辐射强度的影响范围为234.24m；当泄漏孔径为20、40、60、80mm时，37.5kW/m2热辐射强度未达到。

从表2和图3可以看出，泄漏孔径不断增大则喷射火的影响范围不断增大，且呈现类似线性的增长关系。这是因为泄漏孔径增大，在短时间内容器内的物质会大量释放出来，那么参与燃烧的云团量增多，导致出现上述结果。

2.4 蒸气云爆炸模拟分析

冲击波超压是蒸气云爆炸的主要破坏形式。常见的评价冲击波超压伤害的准则有：超压准则、冲量准则、压力-冲量准则等。文章采用冲击波超压准则，人员伤害超压准则见表3。一般将0.14MPa冲击波超压的影响范围作为死亡半径，将0.044MPa冲击波超压的影响范围作为重伤半径，将0.017MPa冲击波超压的影响范围作为轻伤半径。

表3 人员伤害超压准则[3]

当储罐运行压力为2.3MPa、运行温度为2.2℃、风速为1m/s、泄漏孔径分别为20、40、60、80 mm时，计算蒸气云爆炸冲击波超压的伤害半径。不同泄漏孔径蒸气云爆炸伤害半径见表4，蒸气云爆炸伤害半径随泄漏孔径的变化规律见图4。

表4 不同泄漏孔径蒸气云爆炸伤害半径/m

图4 蒸气云爆炸伤害半径随泄漏孔径的变化规律

结果显示，当泄漏孔径为20mm时，死亡半径为31.86m；当泄漏孔径为40mm时，死亡半径为64.53m；当泄漏孔径为60mm时，死亡半径为97.39m；当泄漏孔径为80mm时，死亡半径为119.39m；死亡半径随泄漏孔径的增大而增大。

当泄漏孔径为20mm时，重伤半径为32.81m；当泄漏孔径为40mm时，重伤半径为66.83m；当泄漏孔径为60mm时，重伤半径为101.16m；当泄漏孔径为80mm时，重伤半径为124.17m；重伤半径随泄漏孔径的增大而增大。

当泄漏孔径为20mm时，轻伤半径为35.11m；当泄漏孔径为40mm时，轻伤半径为72.40m；当泄漏孔径为60mm时，轻伤半径为110.25m；当泄漏孔径为80mm时，轻伤半径为135.73m；轻伤半径随泄漏孔径的增大而增大。

从表4和图4可以看出，泄漏孔径不断增大则伤害半径的范围不断增大，而且呈现近似线性的增长趋势。这是因为泄漏孔径增大导致液氨的泄漏量增多，参与蒸气云爆炸的云团的质量也增多，导致伤害半径明显增加。

2.5 毒性范围模拟分析

根据GBZ 2-2002《工作场所有害因素职业接触限值》的规定，工作场所氨的最高容许浓度(即MAC)为30mg/m3，因此关于毒性影响规律的研究重点关注氨浓度达到30mg/m3时的影响范围。采用UDM模型，模拟分析20mm、40mm、60mm、80mm四种泄漏孔径情境下，关注浓度(即MAC)的最远影响范围，计算结果见表5。

表5 不同泄漏孔径情景下氨气的最高容许浓度的影响范围

结果显示，当泄漏孔径为20mm时，关注浓度的影响区域为5846.68m；当泄漏孔径为40mm时，关注浓度的影响区域为13481.4m；当泄漏孔径为60mm时，关注浓度的影响区域为21817.7m；当泄漏孔径为80mm时，关注浓度的影响区域为27908.9m；泄漏孔径越大，关注浓度的影响范围越大。

不同泄漏孔径情景下氨气最高容许浓度的影响范围变化规律见图5。

图5 不同泄漏孔径情景下氨气最高容许浓度的影响范围变化规律

从表5和图5可以看出，随着泄漏孔径的增大，氨气的最高容许浓度的影响范围呈现递增趋势，且近似线性增长。这是因为泄漏孔径增大，参与泄漏的云团质量也增大，毒性后果更加严重。

3 结论

(1)随着泄漏孔径的不断增大，喷射火热辐射强度增强，呈现近似线性增长趋势。

(2)随着泄漏孔径的不断增大，轻伤半径、重伤半径、死亡半径均不断增大，且呈现近似线性增长趋势。

(3)随着泄漏孔径的不断增大，氨气的最高容许浓度最远达到的距离呈现递增趋势，近似线性。

(4)泄漏孔径的改变对事故后果有比较显著的影响，应定期检修设备，发现裂缝时要及时采取有效的堵漏措施，防止孔隙进一步变大。