秦華禮

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819)

2 000 m3乙烯球罐泄漏后果模擬分析

秦華禮

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819)

分析了球罐泄漏事故的原因，在總結(jié)泄漏特點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)定球罐的泄漏場(chǎng)景，運(yùn)用DNV PHAST軟件對(duì)某廠區(qū)全壓力罐區(qū)的乙烯球罐進(jìn)行泄漏擴(kuò)散以及燃爆事故的模擬。本文研究了不同孔徑和風(fēng)速下，可燃?xì)怏w的泄漏擴(kuò)散規(guī)律、蒸汽云爆炸影響范圍以及災(zāi)難性破壞時(shí)沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸(BLEVE)事故的影響范圍，定量分析事故危險(xiǎn)性，從而有利于企業(yè)罐區(qū)的事故預(yù)防以及應(yīng)急救援。

乙烯球罐；DNV PHAST；泄漏擴(kuò)散；蒸汽云爆炸；BLEVE

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.010

在現(xiàn)代化工生產(chǎn)中，乙烯裂解裝置的使用逐漸增多，而乙烯球罐作為乙烯裂解裝置中關(guān)鍵的存儲(chǔ)設(shè)備，使用時(shí)若操作壓力大、溫度低、儲(chǔ)存量大，就會(huì)成為重大危險(xiǎn)源，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)造成火災(zāi)、爆炸、人員傷亡等嚴(yán)重后果。在球罐運(yùn)行過程中，球罐及安全附件等設(shè)備的不合理設(shè)計(jì)、制造和施工過程的本身質(zhì)量、外界惡劣工作環(huán)境、低周疲勞失效和安全人為管理等問題，均會(huì)導(dǎo)致球罐超壓或泄漏，引發(fā)爆炸事故。

歷史上曾多次發(fā)生由于球罐破壞而引發(fā)的災(zāi)難。根據(jù)事故案例分析可以發(fā)現(xiàn)，球罐事故發(fā)生的原因有多種，包括超壓本體破裂；安全閥、壓力表、溫度測(cè)量?jī)x等安全裝置的損壞；進(jìn)出口閥門、法蘭等處的斷裂或損壞；工作人員的誤開啟等引發(fā)的泄漏爆炸。

1 軟件模型介紹

DNV PHAST軟件是典型的后果模型軟件，在技術(shù)評(píng)價(jià)與安全管理的領(lǐng)域具有權(quán)威性，其包含全面的危險(xiǎn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和一系列事故模型，適用范圍廣泛。DNV PHAST軟件主要用于定量風(fēng)險(xiǎn)分析和后果分析，對(duì)物質(zhì)泄漏、擴(kuò)散過程、火災(zāi)爆炸和毒性的模擬計(jì)算，給出可燃有毒云團(tuán)的擴(kuò)散范圍、可燃物質(zhì)的熱輻射范圍、爆炸沖擊波影響范圍等風(fēng)險(xiǎn)值，可實(shí)現(xiàn)后果的定量風(fēng)險(xiǎn)分析，為事故發(fā)生后的現(xiàn)場(chǎng)控制采取相應(yīng)的安全對(duì)策措施等提供了科學(xué)的依據(jù)。PHAST軟件鑲嵌有泄漏模塊、擴(kuò)散模塊、燃燒爆炸模塊。

1.1 泄漏模塊

泄漏模塊是用來計(jì)算物料泄漏到大氣環(huán)境中的流速和狀態(tài)的軟件。該軟件的泄漏計(jì)算考慮了多種可能的情況，包括有：液相、氣相或者氣液兩相泄漏；純物質(zhì)或者混合物的泄漏；穩(wěn)定的泄漏或隨時(shí)間變化的泄漏；室內(nèi)泄漏；長(zhǎng)輸管道泄漏。

當(dāng)泄漏發(fā)生在液相區(qū)時(shí)，例如儲(chǔ)罐罐底接管等處的泄漏，其泄漏速率根據(jù)流體力學(xué)的伯努利方程[3]進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為液體泄漏質(zhì)量流量，k g/s；C1為液體泄漏系數(shù)，模型中按圓形口泄漏；A為泄漏口面積，m；ρ為液體密度，kg/m3；P為罐內(nèi)或管道壓力，Pa；P0為環(huán)境壓力，1.01×105Pa；g為重力加速度，9.8 m/s；h為泄漏口以上液位高度，m。

1.2 擴(kuò)散模塊

PHAST軟件氣體泄漏擴(kuò)散部分的計(jì)算一般運(yùn)用UDM模型。UDM是一種將多種模型結(jié)合起來的復(fù)合模型，也存在一定的缺陷，對(duì)于純凈物發(fā)生泄漏后的擴(kuò)散模擬精度較高，而對(duì)于混合物泄漏的模擬精度較低。UDM模型通過計(jì)算在某一時(shí)刻物質(zhì)泄漏擴(kuò)散的濃度分布連接等濃度點(diǎn)繪制成等濃度線，通過等濃度線來描述云團(tuán)此時(shí)的高度、寬度、下風(fēng)距離，模型比較復(fù)雜，其以時(shí)間和距離作為關(guān)鍵變量，通過一系列代數(shù)方程來描述擴(kuò)散的云團(tuán)，對(duì)于瞬時(shí)和連續(xù)釋放通過不同的方程來描述并考慮了整個(gè)擴(kuò)散狀態(tài)(噴射、云團(tuán)密度、自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流等)[4]。UDM所用的基本方程為：

其中：ζ=z-zcld(t)，R(x)=R(y)

式中：x為下風(fēng)向水平距離，xcld為下風(fēng)向云團(tuán)水平中心位置，y為橫風(fēng)向距離，ζ為煙羽中心線距離，t為釋放前行的時(shí)間，z為地面之上垂直高度，Zcld為云團(tuán)中心線距地面高度，C為濃度，Co為中心線濃度，F(xiàn)h(x)為濃度水平方向的分布，m為濃度水平分布指數(shù)，Ry為橫風(fēng)濃度擴(kuò)散系數(shù)，Rz為垂直濃度擴(kuò)散系數(shù)。

通過對(duì)上述方程的不斷迭代和修正，可以求出氣體濃度與時(shí)間、距離的關(guān)系，UDM可以很好地模擬出各種狀態(tài)下氣體泄漏擴(kuò)散。UDM模型包含4種情況的泄漏，分別有穩(wěn)態(tài)泄漏、瞬時(shí)泄漏、有限時(shí)間泄漏和隨時(shí)間變化的泄漏。

1.3 火災(zāi)爆炸模塊

在本軟件中可以計(jì)算得到以下可能的可燃性后果：沸騰液體膨脹蒸汽云爆炸(BLEVE)和火球、噴射火、池火、閃火和蒸汽云爆炸。

PHAST包含的火球模型有HSE(UK)，TNO“YellowBook”和DNV推薦模型：HSE(UK)沒有考慮火球的抬升過程，這個(gè)結(jié)果偏于保守；TNO“YellowBook”考慮了火球的抬升問題[5]；DNV推薦模型是運(yùn)用TNO模型模擬火球的半徑、火球持續(xù)時(shí)間和抬升的高度，并運(yùn)用了HSE方法計(jì)算輻射通量。

PHAST軟件包含有4個(gè)獨(dú)立的爆炸模型：TNT模型、TNOMulti-Energy模型、Baker-Strehlow模型和BLEVE Blast模型。TNT模型是最簡(jiǎn)單的，是PHAST軟件早期版本默認(rèn)使用的爆炸模型。Multi -Energy模型是最為復(fù)雜的，需要大量周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。Baker Strehlow模型的復(fù)雜程度介于前兩者之間[6]。

2 球罐實(shí)例建模

根據(jù)某化工工業(yè)園物料貯運(yùn)區(qū)2000 m3乙烯球罐作為實(shí)例，分析持續(xù)泄漏后火災(zāi)爆炸后果。

泄漏源不同，其發(fā)生的事故類型不同。對(duì)于液化乙烯，若持續(xù)小口徑泄漏，如連接法蘭，根據(jù)點(diǎn)火時(shí)間地點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件的不同，發(fā)生火災(zāi)爆炸的后果不同，在泄漏點(diǎn)立即點(diǎn)燃會(huì)形成噴射火，延遲點(diǎn)火則容易形成閃火或蒸汽云爆炸；若發(fā)生持續(xù)中型或大型孔徑的泄漏，如罐體、接管等，則容易發(fā)生池火或蒸汽云爆炸，其中以蒸汽云爆炸為主。若在外界火場(chǎng)環(huán)境或機(jī)械撞擊作用下，罐體則會(huì)發(fā)生BLEVE火球或蒸汽云的爆炸，這是災(zāi)難性破壞。

基本數(shù)據(jù)如下：介質(zhì)乙烯，體積為2 000 m3；充裝系數(shù)為0.9；貯量為815 716.0 kg；工作溫度為-34℃；工作壓力為1.65 MPa；大氣溫度為20℃；大氣壓力為101 325 Pa；相對(duì)濕度為80%；地表粗糙度系數(shù)為0.1；風(fēng)向?yàn)闁|北；穩(wěn)定度為D，不同風(fēng)速選取了1.5 m/s，3 m/s，5 m/s；泄漏位置距離地面高度為3 m，8 m，持續(xù)泄漏時(shí)間為10 min。

3 模擬后果分析

3.1 球罐泄漏擴(kuò)散影響范圍

液化乙烯的泄漏擴(kuò)散時(shí)，由于泄漏口徑溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體的沸點(diǎn)溫度，所以液化乙烯會(huì)在泄漏口處迅速閃蒸，在泄漏口初始噴射擴(kuò)散時(shí)，由于罐體中的壓力比大氣壓力大，初始擴(kuò)散呈現(xiàn)湍流膨脹噴射，厚云不斷膨脹，隨著高濃度的擴(kuò)散云層與空氣湍流混合，初始動(dòng)量的影響減小，直致云層出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。

在PHAST“容器/管道源”模型下可得到各種氣體擴(kuò)散后果的輸出，有以泄漏源沿風(fēng)向擴(kuò)散的距離為軸線的接地云團(tuán)寬度和沿下風(fēng)向最大中心線濃度分布，分析危險(xiǎn)有害區(qū)域。

(1)圖1和圖2為罐底進(jìn)出口管線泄漏孔徑50 mm處的水平泄漏擴(kuò)散圖。

圖1 罐底接管50 mm孔徑泄漏擴(kuò)散側(cè)視圖

圖2 罐底接管50 mm孔徑泄漏擴(kuò)散最大濃度俯視圖

在罐底接管孔徑50 mm泄漏時(shí)，由泄漏口的噴射動(dòng)量的作用，罐內(nèi)乙烯以液體形式噴射，部分液態(tài)乙烯瞬時(shí)閃蒸，由于初始動(dòng)量的影響，厚云夾帶的微滴不斷膨脹擴(kuò)散，在30.71 m處氣云膨脹變大觸及地面，云團(tuán)中夾帶的微滴在42.99 m處全部汽化。

在圖1濃度側(cè)視圖中可以看出，乙烯氣體的爆炸上限360000 mg/m3，在8 m處，爆炸下限27 000 mg/m3，在100 m處，0～8 m處為準(zhǔn)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，8～100 m為火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖2表示氣云在垂直高度方向?yàn)?時(shí)的俯視圖，即地表濃度俯視圖。由圖可知火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域?qū)挾茸畲筮_(dá)到10m。爆炸區(qū)域的面積為485 m2。職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)濃度11 500 mg/m3的影響范圍為250 m，面積達(dá)8 277 m2，燃燒爆炸達(dá)到下限27 000 mg/m3的一半，即13 500 mg/m3，影響范圍達(dá)到210 m，面積達(dá)到5 229 m2，是確定應(yīng)急警戒區(qū)域的依據(jù)，因?yàn)樵摂?shù)據(jù)是開放空間的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)飄散的氣云遇到阻礙時(shí)可能使某一區(qū)域氣云積聚而達(dá)到爆炸極限，遇到明火爆炸。

(2)圖3和圖4是罐底3 m處，罐底進(jìn)出口管線泄漏孔徑100 mm處的水平泄漏擴(kuò)散圖。

圖3 罐底接管100mm孔徑泄漏擴(kuò)散側(cè)視圖

圖4 罐底接管100mm孔徑泄漏擴(kuò)散最大濃度俯視圖

罐底接管孔徑100 mm泄漏時(shí)，33.78 m處氣云膨脹變大觸及地面，云團(tuán)中夾帶的微滴在74.74 m處全部汽化。

在圖3濃度側(cè)視圖可以看出，乙烯氣體的爆炸上限為360000 mg/m3，在18 m處，爆炸下限為27000 mg/m3，在220 m處，0～18m為準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域，18～220 m為火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)區(qū)域。

由圖4可知火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域?qū)挾茸畲筮_(dá)到30 m。爆炸區(qū)域的面積為4 344 m2；職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)濃度11 500 mg/m3的影響范圍達(dá)到490 m，面積達(dá)41 359 m2，是人員疏散的警戒區(qū)域；燃燒爆炸下限一半(即13 500 mg/m3)的影響范圍達(dá)到430 m，面積達(dá)到28 233 m2，是確定應(yīng)急警戒區(qū)域的依據(jù)。

(3)圖5和圖6是球罐罐體距地面8 m處，罐體裂口孔徑100 mm時(shí)水平泄漏擴(kuò)散圖。

圖5 罐體裂口孔徑100 mm孔徑泄漏擴(kuò)散側(cè)視圖

圖6 罐體裂口孔徑100 mm泄漏擴(kuò)散最大濃度俯視圖

球罐在長(zhǎng)期使用情況下，罐體可能發(fā)生裂紋，在外力或者外界熱作用下，會(huì)發(fā)生應(yīng)力降低，發(fā)生裂紋擴(kuò)張。罐體發(fā)生裂口孔徑100 mm泄漏時(shí)，由報(bào)告中得知?dú)庀嘣茖釉?0.68 m處膨脹擴(kuò)大觸及地面；云團(tuán)中夾帶的乙烯液滴在106.4 m處后全部揮發(fā)。

在圖5濃度側(cè)視圖可以看出，乙烯氣體的爆炸上限360 000 mg/m3在14 m處，爆炸下限27 000 mg/m3達(dá)到在185 m處，0～14 m為準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域，14～185 m為火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖6表示氣云在垂直高度方向?yàn)?時(shí)的俯視圖，即地表濃度俯視圖。由圖可知，火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域?qū)挾茸畲筮_(dá)到20 m。爆炸區(qū)域的面積為1701.66 m2；職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)濃度11 500 mg/m3的影響范圍達(dá)到440 m，是人員疏散的警戒區(qū)域；燃燒爆炸下限一般13 500 mg/m3的影響范圍達(dá)到390 m。

(4)圖7是不同風(fēng)速下罐底進(jìn)出口管線泄漏孔徑50 mm處的最大濃度擴(kuò)散面積俯視圖。

圖7 不同風(fēng)速泄漏擴(kuò)散最大濃度俯視圖

圖7表示在罐底接管50 mm相同孔徑下的泄漏，并在同等大氣穩(wěn)定F條件下，研究比較了風(fēng)速1.5 m/s，3 m/s，5 m/s對(duì)乙烯氣體擴(kuò)散的影響。圖中表明，風(fēng)速的大小對(duì)氣體擴(kuò)散作用顯著，風(fēng)速越小，云團(tuán)的寬度越大，影響面積越大，爆炸危險(xiǎn)性越大。由此可以推測(cè)，在下風(fēng)向的擴(kuò)散中，風(fēng)速起著支配作用，這是因?yàn)轱L(fēng)速的大小影響了氣云的平流輸送作用，增大了氣體之間的湍流，使氣體更容易被稀釋，因此高的風(fēng)速有利于氣體的擴(kuò)散。

3.2 球罐蒸汽云爆炸后果分析

表1是罐底進(jìn)出口管線水平泄漏孔徑50 mm，100 mm時(shí)爆炸沖擊波的影響范圍。

表1 三種不同壓力下的蒸汽云爆炸危險(xiǎn)危害定量分析結(jié)果

3.3 球罐BLEVE爆炸后果分析

當(dāng)乙烯球罐由于罐體腐蝕失效、受外界機(jī)械碰撞破壞、外部火焰烘烤的受熱狀態(tài)等原因，導(dǎo)致液態(tài)乙烯瞬時(shí)泄漏汽化，遇火源可能產(chǎn)生BLEVE火球，隨之產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻射會(huì)造成一定的人身傷害和建筑物破壞。圖8、圖9是運(yùn)用火球模型對(duì)乙烯球罐發(fā)生災(zāi)難性破壞時(shí)的事故后果進(jìn)行的模擬分析。表2是BLEVE的火球危害定量的分析結(jié)果，表3是BLEVE沖擊波危害定量的分析結(jié)果。

圖8 球罐災(zāi)難性破壞BLEVE火球輻射影響范圍

圖9 球罐災(zāi)難性破壞BLEVE爆炸沖擊波影響范圍

表2 BLEVE的火球危害定量分析結(jié)果

表3 BLEVE沖擊波危害定量分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過以上對(duì)乙烯球罐泄漏后果的模擬分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)孔徑不同擴(kuò)散影響范圍不同?？锥礊?0 mm泄漏時(shí)，乙烯氣體濃度(27 000，360 000 mg/m3)的火災(zāi)爆炸區(qū)域在8～100 m。在罐體裂口100 mm處泄漏擴(kuò)散，火災(zāi)爆炸區(qū)域在14～185 m?？锥丛酱螅孤┪镔|(zhì)越多，危險(xiǎn)區(qū)域越大。

(2)不同風(fēng)速下氣體泄漏擴(kuò)散所產(chǎn)生的易燃易爆區(qū)域的面積不同。風(fēng)速為5 m/s時(shí)，相對(duì)危害最輕，易燃易爆區(qū)域面積為179.684 m2；風(fēng)速為3 m/s時(shí)，泄漏危害程度居中，易燃易爆區(qū)域面積為286.585 m2；風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，泄漏危害程度最重，易燃易爆區(qū)域面積分別為408.553 m2?？梢娤嗤瑮l件下，風(fēng)速越大，下風(fēng)向的氣體濃度越小，危險(xiǎn)性越小。

(3)氣體泄漏擴(kuò)散引起的蒸汽云爆炸沖擊波會(huì)造成人員的傷害和設(shè)備的損壞。孔徑50 mm時(shí)，其安全距離為321 m，孔徑100 mm時(shí)，其安全距離為719 m。且孔徑越大，影響范圍越大。

(4)乙烯球罐內(nèi)乙烯全部泄漏后產(chǎn)生的火球在不同熱輻射通量下的影響半徑，以及不同超壓下對(duì)人員、財(cái)產(chǎn)的影響范圍，BLEVE的后果最為嚴(yán)重。因此在實(shí)際工作中要加強(qiáng)管理，減少事故發(fā)生條件。

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修改稿日期：2016-04-16

Simulation Analysis of Consequences of Leakage in 2 000m3Ethylene Spherical Tank

QIN Hua-li
(School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang Liaoning 110819 China)

This paper analyzes the causes of spherical tank leakage accidents.Based on the leakage characteristics，a leakage scene is set.Then DNV PHAST software is used to simulate the leakage diffusion and combustion and explosion accident for the full pressure tank of ethylene spherical tank in the entire factory.It also studies，under the conditions of different pore sizes and wind speeds，the leakage and diffusion pattern of flammable gases，the influence of vapor cloud explosion and the effect of boiling liquid expanding vapor explosion(BLEVE).The quantitative analysis of the accident risk is conducive to the accident prevention and emergency rescue in the tank area of enterprise.

ethylene spherical tank；DNV PHAST；leakage diffusion；vapor cloud explosion；BLEVE

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.010

TQ053.2

B

1004-8901(2016)05-0037-05

秦華禮(1964年-)，男，黑龍江佳木斯人，1994年畢業(yè)于東北大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)，碩士，副教授，現(xiàn)主要研究系統(tǒng)安全科學(xué)及工程。