黃海波 涂相勇 劉 蓉 李 剛
(浙江泰達安全技術(shù)有限公司)
液氨儲罐長期暴露在潮濕的環(huán)境中易發(fā)生腐蝕,使其機械完整性被破壞而發(fā)生泄漏[1,2]。 液氨在常溫下容易揮發(fā)且毒性較強,在泄漏擴散過程中會對周邊的人員造成不同程度的傷害,研究液氨泄漏特性可為液氨擴散預(yù)測和防治方案的制定提供理論依據(jù)[3~5]。郝騰騰等以化工廠液氨儲罐為研究對象, 利用ALOHA 軟件研究了液氨泄漏后的擴散特性和對人員的傷害情況,發(fā)現(xiàn)采取治理措施和疏散人員的關(guān)鍵時間階段為泄漏后的前15 min[6]。駱強等采用PHAST 軟件研究了不同毒性濃度、氣候條件等因素對液氨泄漏擴散特性的影響,分析了液氨泄漏的影響范圍和擴散距離[7]。 羅振敏等利用PHAST 軟件研究了不同氣候、泄漏角度和地表粗糙度對液氨泄漏擴散特性的影響,發(fā)現(xiàn)泄漏擴散影響范圍隨著泄漏角度的增大而減小,地表粗糙度為0.25 m 時泄漏影響范圍最?。?]。 王孝贊設(shè)置了不同的泄漏形式,利用PHAST 軟件建立了液氨儲罐泄漏模型,得到了泄漏半徑、泄漏速度的變化規(guī)律[9]。潘東結(jié)合不同的氣候條件建立了液氨儲罐泄漏擴散模型,定量分析了液氨泄漏擴散的中毒區(qū)域面積,提出相應(yīng)的防治措施[10]。 邱衛(wèi)民等研究了不同大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速條件下LPG 儲罐的泄漏特性和事故后果[11]。王洪德和莫朝霞以高斯煙羽模型為基礎(chǔ)研究了大連某一化工園區(qū)內(nèi)液氨儲罐泄漏擴散等值曲線,分析了泄漏速度、地表粗糙度、風(fēng)速及大氣穩(wěn)定程度等對擴散特性的影響[12]。
液氨壓力儲罐受到腐蝕機械完整性被破壞而發(fā)生泄漏時,泄漏擴散的基本特性主要與泄漏孔孔徑尺寸、孔徑高度、儲罐液位高度、壓力及環(huán)境風(fēng)速等因素相關(guān),筆者通過改變以上影響因素的數(shù)值大小,研究這些因素對泄漏特性的影響。
液氨儲罐機械完整性破壞類型為點蝕,設(shè)置泄漏形狀為圓孔狀, 在PHAST 軟件中建立液氨儲罐機械完整性破壞腐蝕泄漏模型,相關(guān)參數(shù)如下:
儲罐容積 80 m3
儲罐長度 11.866 m
儲罐直徑 3.610 m
儲罐溫度 -50~-19 ℃
液體密度 665 kg/m3
環(huán)境溫度 28 ℃
泄漏位置 儲罐側(cè)面
環(huán)境風(fēng)速 2~10 m/s
儲罐壓力 0.8~1.6 MPa
孔徑尺寸 0.05~0.15 m
孔徑高度 0.2~1.0 m
液位高度 1.0~1.8 m
泄漏孔孔徑尺寸設(shè)置6 個梯度,變化范圍為0.05~0.15 m,變化步長為0.02 m;孔徑高度設(shè)置5個梯度,變化范圍為0.2 ~1.0 m,變化步長為0.2 m;液位高度設(shè)置5 個梯度,變化范圍為1.0~1.8 m, 變化步長為0.2 m; 儲罐壓力設(shè)置5 個梯度,變化范圍為0.8 ~1.6 MPa,變化步長為0.2 MPa;環(huán)境風(fēng)速設(shè)置5 個梯度,變化范圍為2~10 m/s,變化步長為2 m/s。
改變泄漏孔徑尺寸,可得到不同孔徑尺寸下泄漏速度隨時間的變化情況(圖1)。 以人的平均身高1.7 m 為基準, 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況,如圖2 所示。
圖1 不同孔徑尺寸下泄漏速度隨時間的變化
圖2 不同孔徑尺寸下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化
由圖1 可知,隨著孔徑尺寸的增大,液氨泄漏速度明顯升高。 當(dāng)泄漏孔徑由0.05 m 增大至0.15 m 時, 泄漏速度由50 kg/s 升高至450 kg/s。主要原因是, 泄漏孔徑的尺寸直接影響了液氨的流通面積,對泄漏速度影響較大,因此,在大孔徑泄漏下,液氨泄漏速度較高,事故發(fā)展較快,技術(shù)人員應(yīng)快速及時采取治理措施。 對于尺寸為0.05 m 的小孔徑泄漏, 泄漏速度隨時間的變化并不明顯,始終保持較為平均的速度,隨著孔徑尺寸的增加,泄漏速度隨時間的變化明顯下降。其主要原因是,對于大孔徑,泄漏速度主要受到罐內(nèi)壓力的影響,在泄漏后期壓力下降,泄漏速度隨之明顯下降;對于小孔徑,泄漏速度主要受到孔徑尺寸的影響,孔徑尺寸始終保持不變,泄漏后期雖然罐內(nèi)壓力下降,但泄漏速度下降并不明顯。
以人的平均身高為基準,研究此高度下液氨泄漏濃度隨下風(fēng)距離的變化對判斷人員傷亡情況和制定逃離方案具有重要意義。 由圖2 可知,液氨泄漏濃度隨著下風(fēng)距離的增加先急劇升高至最高點,而后緩慢下降至0ppm(1ppm=10-6)。隨著泄漏孔徑尺寸的增大, 液氨泄漏濃度峰值變大。 其主要原因是,泄漏孔徑越大,單位時間內(nèi)液氨的泄漏量越多,液氨的濃度相應(yīng)變大。 當(dāng)孔徑尺寸為0.05 m 時, 液氨泄漏濃度峰值為183 486ppm;孔徑尺寸增大至0.15 m 時,液氨泄漏濃度峰值升高至432 084ppm。 當(dāng)下風(fēng)距離為450 m 時, 不同泄漏孔徑下液氨濃度均已降至較低水平。 因此,在不同泄漏孔徑下,液氨濃度降至較低水平所對應(yīng)的下風(fēng)距離基本一致,在此距離處,人員受到毒氣傷害較小。
改變孔徑高度,可得到不同孔徑高度下泄漏速度隨時間的變化情況,如圖3 所示。 以人的平均身高1.7 m 為基準, 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況,如圖4 所示。
圖3 不同孔徑高度下泄漏速度隨時間的變化
圖4 不同孔徑高度下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化
由圖3 可知,孔徑高度幾乎不會影響泄漏的速度。 由圖4 可知,隨著孔徑高度的升高,液氨泄漏濃度峰值明顯升高。當(dāng)孔徑高度為0.2 m 時,液氨泄漏濃度峰值為194 353ppm; 當(dāng)孔徑高度為1.0 m 時,液氨泄漏濃度峰值為542 945ppm。其主要原因是, 曲線為人體高度1.7m 處的液氨濃度變化,孔徑高度越高,泄漏處越接近人體高度,液氨濃度明顯升高。同時,孔徑高度由0.2 m 升高至1.0 m 的過程中, 液氨泄漏濃度峰值的升高量越來越明顯,但在下風(fēng)距離大于50 m 的階段,液氨泄漏濃度的變化幾乎相同。
改變罐內(nèi)液位高度,可得到不同液位高度下泄漏速度隨時間的變化情況,如圖5 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準, 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況,如圖6 所示。
圖5 不同液位高度下泄漏速度隨時間的變化
圖6 不同液位高度下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化
由圖5、6 可知,儲罐液位對泄漏速度和液氨泄漏濃度的變化并無明顯影響。 隨著儲罐液位的增加,泄漏速度變化所持續(xù)的時間變長,主要原因是液位增加表明液氨儲量增大,泄漏所需的時間變長。 同時,儲罐液位增加,液氨濃度所影響到的下風(fēng)距離更遠,其主要原因是液位增加導(dǎo)致液氨儲量變多,泄漏持續(xù)的時間變長,更多的液氨被風(fēng)吹至更遠的下風(fēng)處。
改變儲罐壓力,可得到不同儲罐壓力下泄漏速度隨時間的變化情況,如圖7 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準, 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況,如圖8 所示。
圖7 不同儲罐壓力下泄漏速度隨時間的變化
圖8 不同儲罐壓力下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化
由圖7 可知,隨著儲罐壓力的增加,液氨泄漏速度明顯升高。 主要原因是在孔徑尺寸一定的情況下,儲罐壓力越大,提供給液氨泄漏的動力就越大,泄漏速度隨之變大。 同時,儲罐壓力升高,泄漏速度隨時間的降低幅值變大。 由圖8 可知,儲罐壓力對液氨泄漏濃度變化影響很小。 隨著儲罐壓力的增大, 液氨泄漏濃度峰值略有升高。 主要原因是,儲罐壓力升高,泄漏速度隨之升高,單位時間內(nèi)液氨的泄漏量變大,液氨的濃度隨之增大。
改變環(huán)境風(fēng)速,可得到不同環(huán)境風(fēng)速下泄漏速度隨時間的變化情況,如圖9 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準, 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風(fēng)方向的變化情況,如圖10 所示。
圖9 不同環(huán)境風(fēng)速下泄漏速度隨時間的變化
圖10 不同環(huán)境風(fēng)速下液氨濃度隨下風(fēng)距離的變化
由圖9 可知, 環(huán)境風(fēng)速對泄漏速度沒有影響。 由圖10 可知,環(huán)境風(fēng)速對液氨濃度變化影響很小。 隨著環(huán)境風(fēng)速的增加,液氨泄漏濃度峰值略微下降,其主要原因是更高的風(fēng)速快速將液氨吹散至下風(fēng)向,使液氨分布更加均勻,液氨濃度峰值隨之下降。
3.1 隨著泄漏孔孔徑尺寸、 儲罐壓力的增大,液氨泄漏速度明顯升高。 在大孔徑、高壓力泄漏下,液氨泄漏速度較高,事故發(fā)展較快,技術(shù)人員應(yīng)快速及時采取治理措施。 孔徑高度、液位高度、環(huán)境風(fēng)速對液氨泄漏速度無明顯影響。
3.2 液氨泄漏濃度隨著下風(fēng)距離的增加先急劇升高至最高點,而后緩慢下降至0ppm。
3.3 隨著泄漏孔徑尺寸、孔徑高度的增加,液氨泄漏濃度峰值隨之變大,環(huán)境風(fēng)速、液位高度、儲罐壓力對液氨濃度變化影響很小。
3.4 當(dāng)下風(fēng)距離為450 m 時, 不同泄漏孔徑下液氨濃度均已降至較低水平。 因此,在不同泄漏孔徑下,液氨濃度降至較低水平所對應(yīng)的下風(fēng)距離基本一致,在此距離處,人員受到毒氣傷害較小。
3.5 隨著泄漏孔徑高度的升高,液氨泄漏濃度峰值明顯升高。 其主要原因是,孔徑高度越高,泄漏處越接近人體高度,液氨濃度明顯升高。 孔徑高度由0.2 m 升高至1.0 m 的過程, 液氨泄漏峰值的升高量越來越明顯,但下風(fēng)距離大于50 m 時,液氨泄漏濃度變化幾乎相同。