氯乙烯儲罐泄漏火災爆炸事故后果分析

王小蓉, 楊　震, 王海波, 吳平霄

(1 廣東中聯興環保科技有限公司,廣東　廣州　510335；2 華南理工大學環境與能源學院，廣東　廣州　510006)

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氯乙烯儲罐泄漏火災爆炸事故后果分析

王小蓉1, 楊震1, 王海波1, 吳平霄2

(1 廣東中聯興環保科技有限公司,廣東廣州510335；2 華南理工大學環境與能源學院，廣東廣州510006)

化學災害事故中的有毒氣體泄漏事故嚴重危害公共安全。泄漏事故發生后，有毒氣體在單位時間內的擴散范圍受多種因素的影響。利用ALOHA 軟件可以模擬內外因對氯乙烯泄漏事故泄漏范圍的影響，內因主要包括泄漏管徑、罐內液體質量、泄漏位置。外因主要有風速、空氣溫度、濕度和穩定度。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、火災爆炸事故的警戒范圍的快速劃分和事故應急處置提供參考。

氯乙烯；泄漏；火災；爆炸；ALOHA

PVC是世界上常量最大的塑料產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，關鍵及泡沫制品等，因價格低廉性能優越，因而深受市場歡迎近年來經濟的[1]。在PVC樹脂生產過程中，氯乙烯單體(VCM)的生產至關重要。VCM是生產聚氯乙烯樹脂的主要原料，全世界99%的VCM產量用于生產聚氯乙烯[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、交聯的、通用型。PVC單體能夠在催化劑的作用下發生聚合反應生成通用型的PVC樹脂；在PVC單體的反應系統中加入一些特殊的物質能夠使PVC發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劑(必須包含有雙烯以及多烯)能夠生成交聯的樹脂[3]。氯乙烯是一種重要的工業原料，在許多化工企業中大量使用，其在常溫下為氣態，在化工企業中通常采用加壓液化儲存，氯乙烯爆炸極限為3.6～31%[4]。

化工業的迅速發展一定程度上導致了化學災害事故的頻發，有毒氣體泄漏是化學災害事故的一種類型，有毒氣體泄漏事故發生后容易造成嚴重的人員傷亡。但是，液化儲罐內的液化氣都是高壓、低溫的液體，它們的沸點低，蒸汽壓高，非常易于蒸發，具有極大的爆炸及泄漏危險。而且絕大多數液化氣的可燃蒸汽比空氣重，不易于擴散，一旦發生泄漏事故，達到爆炸極限，遇到火源就將發生嚴重的燃燒爆炸事故，進一步還有可能導致更大范圍的火災[5]。國內外曾多次發生氯乙烯火災并引起連鎖爆炸的事故，造成慘重的損失[6]。

關于易燃、易爆、有毒危險化學品泄漏擴散模擬軟件開發，國內外學者做了大量的工作，如ALOHA、SLAB、DEGADIS、SAFETYⅡ、化學品泄漏擴散仿真軟件等[7]。ALOHA經過多年的發展，功能逐漸強大，可以用來模擬危險化學品泄漏后的毒氣擴散、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

本物質為《企業突發環境事件風險評估指南》(試行，環辦[2014]34號)附錄B和《重點環境管理危險化學品名錄》中的化學品。無色、易液化氣體，沸點-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，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇火源會著火回燃。

1.2氯乙烯儲罐可能發生的主要事故

目前，PVC生產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的事故類型。氯乙烯儲罐可能會有池火、沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(BLEVE)、蒸氣云爆炸、噴射火、閃火和二次伴生氣體擴散等多種事故形態，由于噴射火和閃火對環境危險性較小，故氯乙烯儲罐事故后果常用的計算模型主要包括：(1)重氣擴散；(2)沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(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

氯乙烯儲罐管道發生破裂而引起泄漏20 min形成液池，部分蒸發形成易燃氣團，遇明火液池形成池火，易燃氣團發生蒸汽云爆炸，池火持續燃燒導致儲罐內部壓力增大發生BLEVE火球爆炸。

2　氯乙烯儲罐事故后果分析

近年來，運用不同的數學模型，用計算機編制了許多的氣體擴散軟件。這些軟件可以用來模擬危險化學品在空間的擴散過程，進而計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)是由美國環保署(EPA)化學制品突發事件和預備辦公室(CEPPO)和美國國家海洋和大氣管理(NOAA)響應和恢復辦公室共同開發的應用程序[11]。ALOHA經過多年發的展，功能逐漸強大，可以用來計算危險化學品泄漏后的毒氣擴散、火災、爆炸等產生的毒性、熱輻射和沖擊波等。ALOHA包括了一個近1000種常用化學品的數據庫。這個數據庫的信息包括化學品類型、意外事故的位置(市區或者郊區)、天氣情況(溫度，風速和風向)，還有意外事故變量(存儲物料，泄漏孔尺寸，存儲壓力)等[12]。ALOHA采用的數學模型有：高斯模型、DEGAGIS重氣擴散模型、蒸汽云爆炸、BLEVE火球等成熟的計算模型。本次計算使用到DEGAGIS重氣擴散模型、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。假設儲罐泄漏發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，分析其可能產生的后果。

綜上所述，根據模型計算所得，污染物源強計算表如表1所示。

表1　氯乙烯源強計算表Table 1　Vinyl chloride source strong

2.1泄漏后有毒氣體擴散后果分析

氯乙烯大量泄漏后與空氣混合形成大型的薄霧云并持續擴散屬于重氣擴散模式，因此采用重氣擴散模型。因此，采用軟件對氯乙烯泄漏事故后果進行模擬。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處理包括泄漏、災難性暴露等緊急情況所制定的急性暴露標準。AEGL-1是空氣中風險物質的濃度標準(以ppm或mg/m3表示)，超過該值般人群，包括敏感的個人，表現為明顯不適，憤怒、或某些癥狀，非感官效果。AEGL-2是空氣中風險物質的濃度標準(以ppm或mg/m3表示)，超過該值一般人群,包括敏感的個人，表現為不可逆轉的或其他嚴重的,長期持久的不良健康影響，或受損的逃生能力。AEGL-3是空氣中風險物質的濃度標準(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，取其氣象參數分別為穩定度B，風速1 m/s，穩定度D，風速2.2m/s進行模型分析計算，可知氯乙烯泄漏導致的影響區域如表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

如果氯乙烯儲罐發生泄漏，當破損管徑20%，氣象條件風速為1 m/s，穩定度為B時，AEGL-1為568 m，AEGL-2為267 m，AEGL-3為147 m，當破損管徑100%，氣象條件風速為2.2 m/s，穩定度為D時，AEGL-1為2700 m，AEGL-2為1200 m，AEGL-3為656 m。

氯乙烯泄漏產生氣體擴散將有可能影響周邊敏感點，現選取兩個敏感點作為代表，敏感點距離風險源分別為200 m和1000 m，經模型分析計算，氯乙烯泄漏擴散對其代表性敏感點如表3所示。

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

氯乙烯泄漏產生氣體擴散，如果敏感點距離事故源200 m時，當破損管徑20%，氣象條件風速為1 m/s，穩定度為B時，室內影響濃度869.12 mg/cm3，室外影響濃度5956.03 mg/cm3。當破損管徑100%，氣象條件風速為2 m/s，穩定度為D，室內影響濃度43456.03 mg/cm3，室外影響濃度198364 mg/cm3。

如果敏感點距離事故源100 m時，當破損管徑20%，氣象條件風速為1 m/s，穩定度為B時，室內影響濃度5 mg/cm3，室外影響濃度218.3 mg/cm3。當破損管徑100%，氣象條件風速為2 m/s，穩定度為D，室內影響濃度874.23 mg/cm3，室外影響濃度4907.98 mg/cm3。

2.2BLEVE火球爆炸后果分析

當儲罐發生破裂而氯乙烯泄漏后汽化，遇明火點燃，儲罐內液相氯乙烯被加熱升壓，一部分液相介質轉化為氣相，使儲罐內壓力急劇升高，從而使球罐承受超壓作用而發生沸騰液體擴展蒸汽爆炸(BLEVE)[14]。由于罐內為氣液兩相介質，通過模型分析計算，可知氯乙烯BLEVE爆炸導致的危害結果如表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生沸騰液體膨脹蒸汽云爆炸現象或立即引發大火，氯乙烯就會與空氣充分混合，在一定的范圍聚集起來，形成預混蒸汽云，如果在稍后的某一時刻遇火點燃，由于氣液兩相物質已經與空氣充分混合均勻，一經點燃其過程極為劇烈，會形成爆燃[15]。對蒸汽云覆蓋范圍內的建筑物及設備產生沖擊波破壞，危及人們的生命安全。通過模型分析計算，可知氯乙烯爆炸導致的危害結果如表5和圖4所示。

如果氯乙烯儲罐發生蒸氣云爆炸，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　論

(1)氯乙烯氣體易燃易爆，對人體存在毒害作用，泄漏的液態氯乙烯在常壓常溫的環境下，迅速氣化，當擴散濃度達到氯乙烯的爆炸極限范圍時遇到點火源便可能發生火災、爆炸事故，可能導致有毒氣體擴散、蒸汽云爆炸、BLEVE爆炸。因此在存儲過程中必須小心對待，嚴防泄漏，避免事故的產生。

(2)從軟件模擬結果可以看出，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，故發生泄漏時，應及時堵漏或在此儲罐附近應加強監測系統、切斷系統、減緩系統建設，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生火災、爆炸所造成的傷害與泄漏時間及泄漏量有很大關系，氯乙烯通常為加壓儲罐，在短時間內就能泄漏完，如果有較完善的監測系統、切斷系統、減緩系統則會減少傷害和破壞損失。

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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，碩士研究生學歷，主要從事環境應急領域研究。

X507

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1001-9677(2016)08-0237-04