李春燕

（太原工業(yè)學院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008）

07MnNiMoDR鋼制乙烯球罐泄漏事故后果研究

李春燕

（太原工業(yè)學院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008）

運用DNV PHAST軟件對某廠區(qū)全壓力罐區(qū)的乙烯球罐，進行泄漏擴散以及爆燃事故的計算模擬分析。研究不同孔徑和風速下，可燃氣體的泄漏擴散規(guī)律，蒸汽云爆炸影響范圍，以及災難性破壞時沸騰液體擴展蒸汽爆炸（BLEVE）事故影響范圍。定量分析事故危險性，為企業(yè)罐區(qū)的事故預防以及應急救援提供依據。

乙烯球罐；DNV PHAST；泄漏擴散；蒸汽云爆炸；BLEVE

球罐作為乙烯的關鍵存儲設備，使用時操作壓力大、溫度低、存儲量大，已構成重大危險源。球罐在運行過程中，球罐殼體及安全附件等設備的設計、制造和施工過程中的本身質量問題，外界惡劣的運行環(huán)境，低周疲勞失效和人為安全管理等問題[1]，一旦失效，將導致乙烯泄漏引發(fā)火災爆炸事故。本文結合一企業(yè)壓力罐區(qū)新引進2臺2 000 m3乙烯球罐（2400-T-0701A～D，2400-T-0702A～B），結合球罐存儲系統(tǒng)具體薄弱環(huán)節(jié)[2]，確定乙烯泄漏源，運用PHAST軟件對球罐泄漏擴散安全性研究，依據分析的事故后果，對企業(yè)日常維護和事故救援提供應急措施和技術支撐。

1 軟件簡介

DNV PHAST軟件是典型的后果模型軟件，在技術評價與安全管理領域具有權威性，包含全面的危險物質數據庫和一系列事故模型，適用范圍廣泛[3]。DNV PHAST軟件主要用于定量風險分析和后果分析，對物質泄漏、擴散過程、火災爆炸和毒性的模擬可計算可燃有毒云團的擴散范圍，可燃物質的熱輻射范圍，爆炸沖擊波影響范圍等風險值。實現(xiàn)后果的定量風險分析，為事故發(fā)生后的現(xiàn)場控制，采取相應的安全對策措施等提供科學的依據。DNV PHAST軟件鑲嵌有泄漏模塊、擴散模塊、燃燒爆炸模塊[4]。

2 球罐實例建模

建?；緮祿航橘|乙烯，體積2 000 m3；充裝系數0.9；貯量815 716.0 kg；工作溫度為-34℃，工作壓力為1.65 MPa。大氣溫度20℃；大氣壓力101 325 Pa；相對濕度80%；地表粗糙度系數0.1；風向為東北；穩(wěn)定度D；不同風速影響選取1.5 m/s，3 m/s。泄漏位置距離地面高度3 m處接管泄漏，8 m處殼體裂口；持續(xù)泄漏時間10 min。

3 模擬后果分析

3.1球罐泄漏擴散影響分析

液化乙烯泄漏擴散時，由于泄漏口徑溫度遠遠大于液體的沸點溫度，所以液化乙烯會在泄漏口處迅速閃蒸，在泄漏口初始噴射擴散時由于罐體中的壓力比大氣壓力大，初始擴散呈現(xiàn)湍流膨脹噴射，厚云不斷膨脹，隨著高濃度的擴散云層與空氣湍流混合，隨著初始動量的影響減小，直致云層出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)擴散[5]。

在DNV PHAST“容器/管道源”模型下可得到各種氣體擴散后果輸出，以泄漏源沿風向擴散的距離為軸線的接地云團寬度和沿下風向最大中心線濃度分布，分析危險有害區(qū)域[6]。

3.1.1罐底接管泄漏擴散

罐底3 m處，罐底接管泄漏孔徑20%及100%時水平泄漏擴散范圍：在罐底接管孔徑泄漏時，由于泄漏口的噴射動量的作用，罐內乙烯以液體形式噴射，部分液態(tài)乙烯瞬時閃蒸，由初始動量的影響，厚云夾帶的微滴不斷膨脹擴散，在30 m處氣云膨脹變大觸及地面，云團中夾帶的微滴在45 m處全部汽化。

由圖1可以看出乙烯氣體達到火災爆炸范圍為8～100 m，當管道泄漏孔徑達100%時，乙烯氣體達到火災爆炸范圍18～220 m，準火災爆炸危險區(qū)域分別為0～8 m，0～18 m。

圖1 孔徑20%泄漏擴散側視圖

圖2表示氣云在垂直高度方向為0時的俯視圖，即地表濃度俯視圖。在罐底接管孔徑100%泄漏時，火災爆炸危險區(qū)域寬度最大達到33 m。

最大火災爆炸區(qū)域的面積為4 344 m2；職業(yè)衛(wèi)生標準濃度的影響范圍達到490 m，面積達41 359 m2，是人員疏散的警戒區(qū)域；燃燒爆炸下限一半的影響范圍達到430 m，面積達到28 233 m2，是確定應急警戒區(qū)域的依據。

圖2 孔徑100%泄漏擴散最大濃度俯視圖

3.1.2罐體裂口泄漏擴散

同情況以此模擬應力集中區(qū)域泄漏，即距離地面8 m處，不同孔徑和不同風速下擴散距離、云團寬度距離和云團最大影響面積。模擬結果，見圖3。

由圖3可知，在相同氣象條件下，火災爆炸區(qū)域距離泄漏點擴散的距離及云層擴散的寬度隨著孔徑的增大成直線上升，達到職業(yè)衛(wèi)生標準濃度11500ppm的影響云層的面積隨孔徑的增大成指數上升。這是因為直至達到穩(wěn)定擴散狀態(tài)，泄漏孔徑越大，同等條件下的泄漏量越多，閃蒸的氣云量越多。其次，在相同孔徑下，風速的大小對氣體擴散作用顯著，風速越小，厚云達到爆炸云團的時間越長，距離泄漏點的擴散距離越遠，云團的寬度越大，形成的火災爆炸區(qū)域越大。在孔徑100 mm，風速1.5 m/s時，直至穩(wěn)定狀態(tài)爆炸性濃度的氣云需要71.28 s，擴散至185 m。由此可以推測下風向的擴散，風速起著支配作用。這是因為：第一，風速的大小影響了氣云的平流輸送作用，風速對氣云有沿下風向輸送的作用，風速越大，輸送作用越顯著，使下風向處的氣體濃度降低；第二，風速增大引起脈動速度增大，易使泄漏氣體發(fā)生湍流，使氣體更容易被稀釋；第三，湍流運動的加劇也使得氣云與周圍環(huán)境的熱交換變得劇烈，使擴散的過冷氣體溫度迅速上升，氣體云密度下降，從而導致氣體云濃度下降。因此，高的風速有利于氣體的擴散，使危害程度降低。

圖3 罐體裂口泄漏擴散分布圖

在相同大氣條件下，隨風速的增加，乙烯擴散直線距離及擴散觸底面積不斷增加，云團沿側風向膨脹寬度幅度減小?？讖?00 mm時，最大面積達41 359 m2，是人員疏散的警戒區(qū)域，且為確定應急警戒區(qū)域的依據。該數據是開放空間的計算結果，當飄散的氣云遇到阻礙可能使某一區(qū)域氣云積聚而達到爆炸極限，遇到明火發(fā)生火災爆炸。所以此區(qū)域內的任何設施或者建筑物都加強預警，一旦泄漏，迅速組織人員及時疏散并在此區(qū)域內嚴謹明火，采用防爆電器等。

通過對球罐底部泄漏與球罐與托板連接處泄漏的對比，可知在罐底泄漏，擴散沿下風向距離達220 m；在罐體中間泄漏，乙烯擴散沿下風向距離達185 m，此時的燃燒爆炸危險性比在罐體中部泄漏的要大。因為泄漏源靠近地面，乙烯的擴散近地層流效應明顯，乙烯產生堆積并沿地面擴散，即對人的生命威脅也增大。

3.2乙烯球罐蒸汽云爆炸后果分析

泄漏出的液化乙烯，若在泄漏口處未遇到點火源，氣態(tài)其自身噴射動量和氣象條件下，閃蒸并與空氣預混、擴散，在不利的稀釋和擴散條件下，可能形成爆炸性云團。下面估算在管底接管和罐體破裂情況下爆炸造成的人員傷亡情況。

罐底進出口管線水平泄漏孔徑20%、100%爆炸沖擊波的影響范圍，見表1。

由表1可知，在罐底接管兩種不同泄漏孔徑，其他條件相同情況下，泄漏孔徑越大爆炸影響半徑越大。從表可以看出，破裂面積為100%時爆炸影響半徑最大，最遠可爆云團爆炸沖擊波影響距離為220 m。在爆炸區(qū)域內爆炸后的死亡半徑為30.88 m，重傷半徑49.25 m，輕傷半徑為87.81 m；影響半徑增加幅度大約是20%泄漏孔徑的2倍。當罐體乙烯發(fā)生大孔泄漏時，在廠區(qū)287.81 m范圍內是乙烯蒸汽云爆炸的安全距離。

表1 蒸汽云爆炸的危險危害定量分析

罐體裂口孔徑分別為20 mm，40 mm，50 mm，60 mm，80 mm，100 mm時泄漏蒸汽云爆炸的模擬計算結果，見表2。

由表2可知，在不同孔徑下泄漏時，最遠可爆云團爆炸沖擊波影響死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑均隨著孔徑的增大而增大，且增加幅度較大，即罐體破裂的面積越大，短時間內泄漏的量且泄漏速率越大，形成爆炸蒸汽云的面積越大，質量也就越大，影響半徑也就增大[7]。不同孔徑下的泄漏對蒸汽云爆炸后果影響較大，這是因為在相同大氣條件下，孔徑越大，泄漏量越大，擴散在空氣里的云層質量越多。鑒于蒸汽云爆炸事故的嚴重性，尤其是沿著下風向擴散的范圍，一旦發(fā)生泄漏事故，有方向的采取有效技術管理措施迅速啟動泄漏事故應急救援預案，驅散可燃蒸汽云，并控制好火源，以防止蒸汽云爆炸。

表2 蒸汽云爆炸的危險危害定量分析

3.3乙烯球罐BLEVE火球后果分析

目前BLEVE分為兩種類型，即火源引起的BLEVE和外部機械力引起的“冷”BLEVE。統(tǒng)計表明有85%的BLEVE是因為熱誘導，即儲罐發(fā)生噴射火或池火，在外界火焰烘烤下導致罐壁溫度升高同時，內部壓力增加致使容器的外殼及管壁強度降低，導致球罐發(fā)生災難性斷裂?！袄洹盉LEVE可能是由于材料缺陷或過度充裝導致儲罐發(fā)生災難性破裂，BLEVE火球產生的強烈熱輻射會造成一定的人身傷害和建筑物破壞[8]。后果模擬分析結果，見表3，表4。

表3 BLEVE的火球危害定量分析結果

表4 BLEVE沖擊波危害定量分析結果

由表3可知，在400 m范圍之內足夠引起設備全部損壞，暴漏時間超過1 min，人員全部死亡；在600 m范圍之內木材全部燃燒，部分設備會損壞，人員暴漏時間不能超過1 min；在950 m范圍之內木材會燃燒，有輕微燒傷，1 750 m為火球熱輻射的安全距離。

球罐發(fā)生爆燃沖擊波的死亡距離250 m，這次區(qū)域由于爆炸轟擊波作用，人員因爆炸沖擊波作用導致肺出血而死亡的概率為0.5。在250～380 m范圍之內在爆轟波作用下，該區(qū)內的人員耳膜破裂的概率為0.5，如果缺少防護措施，則絕大多數將遭受嚴重傷害，極少數人可能死亡或受輕傷。在380～700 m范圍內人員極少出現(xiàn)重傷，爆轟波致使耳膜破裂的概率為0.01，但在該區(qū)域乎所有人員將遭受輕微傷害。在距離球罐700 m之外，人員即使無防護，絕大多數人也不會受傷，死亡的概率幾乎為零。因此，球罐沖擊波安全距離在700 m。

4 結論

PHAST模擬計算輸出結果用圖表表示，可直觀地看出每種事故類型的危害范圍。針對乙烯球罐罐區(qū)的危險特性，利用PHAST軟件對某乙烯球罐區(qū)泄漏、爆炸事故后果進行模擬分析，在不同泄漏位置，不同孔徑和不同風速下建立了一套從泄漏到擴散再到蒸汽云爆炸的事故后果分析的連鎖響應。在球罐底部進出口接管泄漏時，建議在距離距離下風向220 m處，設置警戒，220 m范圍之內進行緊急人員疏散。并分析了球罐發(fā)生災難性破壞時BLEVE火球爆炸的熱輻射和沖擊波的影響范圍，分析表明球罐發(fā)生災難性破裂時主要危害來源于發(fā)生火球的熱輻射傷害。BLEVE的后果最為嚴重，其產生的沖擊波和罐體碎片會對人員安全造成很大的威脅。因此，在實際工作中，應加以重點控制和防范，必須采取有效措施，進行安全管理，減少事故發(fā)生的條件。

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Research of 07MnNiMoDR Steel Ethylene Spherical Tank Leakage Accident Consequence

LI Chun-yan
(Department of Environmental and Safety Engineering Department Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi,030008)

Using the DNV PHAST software on an ethylene spherical tank in the full pressure tank farm,the leakage diffusion and the deflagration accident simulation are calculated and analyzed.The combustible gas law of leakage diffusion,the scope of vapor cloud explosion and the accident influence scope of catastrophic damage when boiling liquid expanding vapor explosion(BLEVE)happened are researched in state of the different pore size and wind speed.Quantitative analysis of accident risk,it provides the basis for accident prevention and emergency rescue for the enterprise.

ethylene spherical tank;dnv phast;leakage diffusion;vapor cloud explosion;bleve

TD167

A

〔責任編輯 王東〕

1674-0874(2017)01-0071-04

2016-10-08

李春燕（1990-），女，山東濟南人，碩士，助教，研究方向：安全評價。