王小蓉, 楊　震, 王海波, 吳平霄

(1 廣東中聯(lián)興環(huán)保科技有限公司,廣東　廣州　510335；2 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東　廣州　510006)

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氯乙烯儲罐泄漏火災(zāi)爆炸事故后果分析

王小蓉1, 楊震1, 王海波1, 吳平霄2

(1 廣東中聯(lián)興環(huán)?？萍加邢薰?廣東廣州510335；2 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東廣州510006)

化學(xué)災(zāi)害事故中的有毒氣體泄漏事故嚴(yán)重危害公共安全。泄漏事故發(fā)生后，有毒氣體在單位時間內(nèi)的擴(kuò)散范圍受多種因素的影響。利用ALOHA 軟件可以模擬內(nèi)外因?qū)β纫蚁┬孤┦鹿市孤┓秶挠绊?，?nèi)因主要包括泄漏管徑、罐內(nèi)液體質(zhì)量、泄漏位置。外因主要有風(fēng)速、空氣溫度、濕度和穩(wěn)定度。模擬的主要思路是，控制其中一個變量的變化以觀察其對泄漏范圍的影響，為氯乙烯泄漏、火災(zāi)爆炸事故的警戒范圍的快速劃分和事故應(yīng)急處置提供參考。

氯乙烯；泄漏；火災(zāi)；爆炸；ALOHA

PVC是世界上常量最大的塑料產(chǎn)品的原材料之一具有料號的耐磨性、耐腐蝕性和電絕緣性，可做低頻絕緣材料，關(guān)鍵及泡沫制品等，因價格低廉性能優(yōu)越，因而深受市場歡迎近年來經(jīng)濟(jì)的[1]。在PVC樹脂生產(chǎn)過程中，氯乙烯單體(VCM)的生產(chǎn)至關(guān)重要。VCM是生產(chǎn)聚氯乙烯樹脂的主要原料，全世界99%的VCM產(chǎn)量用于生產(chǎn)聚氯乙烯[2]。從制備的方法來看我們能夠把PVC分成以下三種：高聚合度、交聯(lián)的、通用型。PVC單體能夠在催化劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)生成通用型的PVC樹脂；在PVC單體的反應(yīng)系統(tǒng)中加入一些特殊的物質(zhì)能夠使PVC發(fā)生聚合生成高聚合度的樹脂的；通過在C2H3Cl的單體中家兔一些交聯(lián)劑(必須包含有雙烯以及多烯)能夠生成交聯(lián)的樹脂[3]。氯乙烯是一種重要的工業(yè)原料，在許多化工企業(yè)中大量使用，其在常溫下為氣態(tài)，在化工企業(yè)中通常采用加壓液化儲存，氯乙烯爆炸極限為3.6～31%[4]。

化工業(yè)的迅速發(fā)展一定程度上導(dǎo)致了化學(xué)災(zāi)害事故的頻發(fā)，有毒氣體泄漏是化學(xué)災(zāi)害事故的一種類型，有毒氣體泄漏事故發(fā)生后容易造成嚴(yán)重的人員傷亡。但是，液化儲罐內(nèi)的液化氣都是高壓、低溫的液體，它們的沸點(diǎn)低，蒸汽壓高，非常易于蒸發(fā)，具有極大的爆炸及泄漏危險(xiǎn)。而且絕大多數(shù)液化氣的可燃蒸汽比空氣重，不易于擴(kuò)散，一旦發(fā)生泄漏事故，達(dá)到爆炸極限，遇到火源就將發(fā)生嚴(yán)重的燃燒爆炸事故，進(jìn)一步還有可能導(dǎo)致更大范圍的火災(zāi)[5]。國內(nèi)外曾多次發(fā)生氯乙烯火災(zāi)并引起連鎖爆炸的事故，造成慘重的損失[6]。

關(guān)于易燃、易爆、有毒危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模擬軟件開發(fā)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作，如ALOHA、SLAB、DEGADIS、SAFETYⅡ、化學(xué)品泄漏擴(kuò)散仿真軟件等[7]。ALOHA經(jīng)過多年的發(fā)展，功能逐漸強(qiáng)大，可以用來模擬危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏后的毒氣擴(kuò)散、閃燃、火池、火球等模型[8]。

1　氯乙烯主要事故類型

1.1氯乙烯性質(zhì)

本物質(zhì)為《企業(yè)突發(fā)環(huán)境事件風(fēng)險(xiǎn)評估指南》(試行，環(huán)辦[2014]34號)附錄B和《重點(diǎn)環(huán)境管理危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》中的化學(xué)品。無色、易液化氣體，沸點(diǎn)-13.9 ℃，臨界溫度142 ℃，臨界壓力5.22 MPa。有毒，易燃，與空氣混合能形成爆炸性混合物，其蒸氣比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，遇火源會著火回燃。

1.2氯乙烯儲罐可能發(fā)生的主要事故

目前，PVC生產(chǎn)工藝采用氯乙烯直接聚合生成聚氯乙烯[9]，用事件樹(圖1)分析氯乙烯儲罐泄漏可能引發(fā)的事故類型。氯乙烯儲罐可能會有池火、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣云爆炸(BLEVE)、蒸氣云爆炸、噴射火、閃火和二次伴生氣體擴(kuò)散等多種事故形態(tài)，由于噴射火和閃火對環(huán)境危險(xiǎn)性較小，故氯乙烯儲罐事故后果常用的計(jì)算模型主要包括：(1)重氣擴(kuò)散；(2)沸騰液體擴(kuò)展蒸氣云爆炸(BLEVE)；(3)蒸氣云爆炸(VCE)。

圖1　氯乙烯泄漏事件樹Fig.1　Vinyl chloride leak event tree

氯乙烯儲罐管道發(fā)生破裂而引起泄漏20 min形成液池，部分蒸發(fā)形成易燃?xì)鈭F(tuán)，遇明火液池形成池火，易燃?xì)鈭F(tuán)發(fā)生蒸汽云爆炸，池火持續(xù)燃燒導(dǎo)致儲罐內(nèi)部壓力增大發(fā)生BLEVE火球爆炸。

2　氯乙烯儲罐事故后果分析

近年來，運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)模型，用計(jì)算機(jī)編制了許多的氣體擴(kuò)散軟件。這些軟件可以用來模擬危險(xiǎn)化學(xué)品在空間的擴(kuò)散過程，進(jìn)而計(jì)算氣體的濃度和確定事故影響范圍。常見的軟件有SLAB、DEGADIS、ARCHIE和ALOHA等[10]。這些軟件使用不同的模型，各具特色，其中ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres，有害大氣空中定位軟件)是由美國環(huán)保署(EPA)化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室(CEPPO)和美國國家海洋和大氣管理(NOAA)響應(yīng)和恢復(fù)辦公室共同開發(fā)的應(yīng)用程序[11]。ALOHA經(jīng)過多年發(fā)的展，功能逐漸強(qiáng)大，可以用來計(jì)算危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏后的毒氣擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸等產(chǎn)生的毒性、熱輻射和沖擊波等。ALOHA包括了一個近1000種常用化學(xué)品的數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫的信息包括化學(xué)品類型、意外事故的位置(市區(qū)或者郊區(qū))、天氣情況(溫度，風(fēng)速和風(fēng)向)，還有意外事故變量(存儲物料，泄漏孔尺寸，存儲壓力)等[12]。ALOHA采用的數(shù)學(xué)模型有：高斯模型、DEGAGIS重氣擴(kuò)散模型、蒸汽云爆炸、BLEVE火球等成熟的計(jì)算模型。本次計(jì)算使用到DEGAGIS重氣擴(kuò)散模型、蒸汽云爆炸、BLEVE火球模型。

某氯乙烯儲罐儲量1840噸，直徑15700 mm×8061 mm，壓力350000 Pa，圍堰半徑15.96 m。假設(shè)儲罐泄漏發(fā)生在罐底相連管路的法蘭處，管徑為150 mm，取其20%、100%管徑泄漏情況，泄漏時間均為20 min，分析其可能產(chǎn)生的后果。

綜上所述，根據(jù)模型計(jì)算所得，污染物源強(qiáng)計(jì)算表如表1所示。

表1　氯乙烯源強(qiáng)計(jì)算表Table 1　Vinyl chloride source strong

2.1泄漏后有毒氣體擴(kuò)散后果分析

氯乙烯大量泄漏后與空氣混合形成大型的薄霧云并持續(xù)擴(kuò)散屬于重氣擴(kuò)散模式，因此采用重氣擴(kuò)散模型。因此，采用軟件對氯乙烯泄漏事故后果進(jìn)行模擬。AEGLs是美國國家咨詢委員會(National Advisory Committee, NAC)與國家研究委員會(National Research Council, NRC)針對國家、地方政府以及個人企業(yè)處理包括泄漏、災(zāi)難性暴露等緊急情況所制定的急性暴露標(biāo)準(zhǔn)。AEGL-1是空氣中風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的濃度標(biāo)準(zhǔn)(以ppm或mg/m3表示)，超過該值般人群，包括敏感的個人，表現(xiàn)為明顯不適，憤怒、或某些癥狀，非感官效果。AEGL-2是空氣中風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的濃度標(biāo)準(zhǔn)(以ppm或mg/m3表示)，超過該值一般人群,包括敏感的個人，表現(xiàn)為不可逆轉(zhuǎn)的或其他嚴(yán)重的,長期持久的不良健康影響，或受損的逃生能力。AEGL-3是空氣中風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的濃度標(biāo)準(zhǔn)(以ppm或mg/m3表示)，超過該值一般民眾，包括敏感的個人，能造成生命健康的影響或死亡[13]。

選取儲罐20%管徑和100%管徑破裂，取其氣象參數(shù)分別為穩(wěn)定度B，風(fēng)速1 m/s，穩(wěn)定度D，風(fēng)速2.2m/s進(jìn)行模型分析計(jì)算，可知氯乙烯泄漏導(dǎo)致的影響區(qū)域如表2和圖2所示。

表2　氯乙烯影響濃度范圍Table 2　Vinyl chloride concentration range

圖2　氯乙烯影響濃度范圍Fig.2　Vinyl chloride concentration range

如果氯乙烯儲罐發(fā)生泄漏，當(dāng)破損管徑20%，氣象條件風(fēng)速為1 m/s，穩(wěn)定度為B時，AEGL-1為568 m，AEGL-2為267 m，AEGL-3為147 m，當(dāng)破損管徑100%，氣象條件風(fēng)速為2.2 m/s，穩(wěn)定度為D時，AEGL-1為2700 m，AEGL-2為1200 m，AEGL-3為656 m。

氯乙烯泄漏產(chǎn)生氣體擴(kuò)散將有可能影響周邊敏感點(diǎn)，現(xiàn)選取兩個敏感點(diǎn)作為代表，敏感點(diǎn)距離風(fēng)險(xiǎn)源分別為200 m和1000 m，經(jīng)模型分析計(jì)算，氯乙烯泄漏擴(kuò)散對其代表性敏感點(diǎn)如表3所示。

表3　氯乙烯敏感點(diǎn)影響濃度Table 3　Vinyl chloride sensitive influence concentration

氯乙烯泄漏產(chǎn)生氣體擴(kuò)散，如果敏感點(diǎn)距離事故源200 m時，當(dāng)破損管徑20%，氣象條件風(fēng)速為1 m/s，穩(wěn)定度為B時，室內(nèi)影響濃度869.12 mg/cm3，室外影響濃度5956.03 mg/cm3。當(dāng)破損管徑100%，氣象條件風(fēng)速為2 m/s，穩(wěn)定度為D，室內(nèi)影響濃度43456.03 mg/cm3，室外影響濃度198364 mg/cm3。

如果敏感點(diǎn)距離事故源100 m時，當(dāng)破損管徑20%，氣象條件風(fēng)速為1 m/s，穩(wěn)定度為B時，室內(nèi)影響濃度5 mg/cm3，室外影響濃度218.3 mg/cm3。當(dāng)破損管徑100%，氣象條件風(fēng)速為2 m/s，穩(wěn)定度為D，室內(nèi)影響濃度874.23 mg/cm3，室外影響濃度4907.98 mg/cm3。

2.2BLEVE火球爆炸后果分析

當(dāng)儲罐發(fā)生破裂而氯乙烯泄漏后汽化，遇明火點(diǎn)燃，儲罐內(nèi)液相氯乙烯被加熱升壓，一部分液相介質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相，使儲罐內(nèi)壓力急劇升高，從而使球罐承受超壓作用而發(fā)生沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸(BLEVE)[14]。由于罐內(nèi)為氣液兩相介質(zhì)，通過模型分析計(jì)算，可知氯乙烯BLEVE爆炸導(dǎo)致的危害結(jié)果如表4和圖3所示。

表4　氯乙烯BLEVE爆炸人體傷害對照表Table 4　Vinyl chloride vapor cloud explosion of human body damage table

圖3　氯乙烯BLEVE爆炸影響范圍Fig.3　Vinyl chloride BLEVE explosion scope

如果氯乙烯儲罐發(fā)生BLEVE爆炸，致命影響半徑為732 m，二級燒傷影響半徑為1100 m，產(chǎn)生疼痛影響半徑為1700 m。

2.3蒸汽云爆炸后果分析

表5　氯乙烯蒸氣云爆炸人體傷害對照表Table 5　Vinyl chloride vapor cloud explosion of human body damage

圖4　氯乙烯蒸汽云爆炸影響范圍Fig.4　Vinyl chloride vapor cloud explosion

泄漏的氯乙烯如果沒有發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽云爆炸現(xiàn)象或立即引發(fā)大火，氯乙烯就會與空氣充分混合，在一定的范圍聚集起來，形成預(yù)混蒸汽云，如果在稍后的某一時刻遇火點(diǎn)燃，由于氣液兩相物質(zhì)已經(jīng)與空氣充分混合均勻，一經(jīng)點(diǎn)燃其過程極為劇烈，會形成爆燃[15]。對蒸汽云覆蓋范圍內(nèi)的建筑物及設(shè)備產(chǎn)生沖擊波破壞，危及人們的生命安全。通過模型分析計(jì)算，可知氯乙烯爆炸導(dǎo)致的危害結(jié)果如表5和圖4所示。

如果氯乙烯儲罐發(fā)生蒸氣云爆炸，人員致死的臨界量半徑為287 m，對人可逆影響的上限半徑為411 m。

3　結(jié)　論

(1)氯乙烯氣體易燃易爆，對人體存在毒害作用，泄漏的液態(tài)氯乙烯在常壓常溫的環(huán)境下，迅速氣化，當(dāng)擴(kuò)散濃度達(dá)到氯乙烯的爆炸極限范圍時遇到點(diǎn)火源便可能發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，可能導(dǎo)致有毒氣體擴(kuò)散、蒸汽云爆炸、BLEVE爆炸。因此在存儲過程中必須小心對待，嚴(yán)防泄漏，避免事故的產(chǎn)生。

(2)從軟件模擬結(jié)果可以看出，孔徑泄漏的大小對泄漏范圍的影響較為明顯，加壓儲罐泄漏時間較短，故發(fā)生泄漏時，應(yīng)及時堵漏或在此儲罐附近應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)、切斷系統(tǒng)、減緩系統(tǒng)建設(shè)，防范于未然，最大程度減少對外界的不良影響。

綜上所述，氯乙烯泄漏及遇明火發(fā)生火災(zāi)、爆炸所造成的傷害與泄漏時間及泄漏量有很大關(guān)系，氯乙烯通常為加壓儲罐，在短時間內(nèi)就能泄漏完，如果有較完善的監(jiān)測系統(tǒng)、切斷系統(tǒng)、減緩系統(tǒng)則會減少傷害和破壞損失。

[1]李剛.48 m3聚合釜溫度控制技術(shù)[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào),2009,25(2):45-47.

[2]魏彤彤.LNG儲罐泄漏火災(zāi)爆炸事故后果定量分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2013,39(8):56-59.

[3]藍(lán)鳳祥.世界聚氯乙烯工業(yè)技術(shù)進(jìn)展[J].聚氯乙烯,2001(03):23-26.

[4]崔克清,陶剛.化工工藝及安全[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:33-45.

[5]施虹.液化氣碼頭儲罐爆炸風(fēng)險(xiǎn)評價[J].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,23(2):71-75.

[6]嚴(yán)明亮.氯乙烯罐區(qū)安全技術(shù)分析[J].中國氯堿,2006(6):40-43.

[7]張禹海,李程,楊玉勝.危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏危害區(qū)域的數(shù)值模擬方法研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2011,11(4):197-201.

[8]孔大令.基于ALOHA軟件快速模擬液氨泄漏警戒范圍[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011,30(1):68-70.

[9]劉佳,王偉娜.氯乙烯球罐的火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)分析[J].城市公共安全,2005(2):19-27.

[10]楊玉勝.基于大氣擴(kuò)散模型的危險(xiǎn)化學(xué)品事故疏散模擬訓(xùn)練方法[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào),2009,25(2):51-53.

[11]U.S. Environmental Protection Agency, National Oceanic and atmospheric Administration. ALOHA: Area locations of hazardous atmospheres user’s manual[M].Washington:2006:86-93.

[12]唐少佳,王煒,劉茂.ALOHA在危險(xiǎn)品公路運(yùn)輸應(yīng)急決策支持系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2007,7(4):122-125.

[13]陳郁,楊鳳林,宋國寶等.化工企業(yè)突發(fā)大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(9):2310-2318.

[14]馬小明,吳曉曦.LNG儲罐火災(zāi)后果分析[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)論叢,2007,27(2):105-108.

[15]陶莉玲.液化石油氣儲罐泄漏火災(zāi)爆炸事故后果模擬分析[J]. 廣州化工,2012,40(13):208-210.

Analysis of Vinyl Chloride Tank Leakage Fire Explosion Accident Consequence

WANGXiao-rong1,YANGZhen1,WANGHai-bo1,WUPing-xiao2

(1 Guangdong Sino-co-flourish Environmental Protection Technology Co., Ltd.,Guangdong Guangzhou, 510335; 2 College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006, China)

The leakage accidents of toxicant gases in chemical disasters seriously endanger public security. The diffusion range of toxicant gases depends on a variety of factors. The influence of internal and external factors to diffusion range of a vinyl chloride leakage could be simulated based on ALOHA software. Internal factors mainly include the aperture of leakage hole, liquid quality and leakage location. External factors mainly involve wind speed, air temperature, air humidity and atmospheric stability. The main idea of the simulation is to control one of the variable factors in order to observe the influence that brings to leakage range. The conclusion provides reference for the compartmentalization of diffusion range and emergency disposal of vinyl chloride leakage, fire and explosion accident by comparing the influencing trend of every factor to the size of the threaten area.

vinyl chloride；leak；fire；explosion；ALOHA

王小蓉(1987-)，女，工程師，碩士研究生學(xué)歷，主要從事環(huán)境應(yīng)急領(lǐng)域研究。

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1001-9677(2016)08-0237-04