乙醇儲罐密閉性失效分析與安全管理

夏寒玉，張禮敬，陶 剛

(南京工業大學 江蘇省危險化學品本質安全與控制技術重點實驗室，江蘇 南京210009)

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乙醇儲罐密閉性失效分析與安全管理

夏寒玉，張禮敬，陶 剛

(南京工業大學 江蘇省危險化學品本質安全與控制技術重點實驗室，江蘇 南京210009)

近年來，國內外發生多起乙醇儲罐爆炸事故，造成了人員傷亡與財產損失。結合某制冷公司發生的乙醇罐爆炸事故，對事故經過及人員傷亡原因進行深入研究，通過沖擊波傷害的定量評估技術，得出人員傷亡的最主要原因是爆炸后乙醇泄漏燃燒引起的火災。運用領結圖法對乙醇儲罐爆炸火災事故進行風險分析，為乙醇生產、儲存等相關企業提出直觀、簡單實用的安全管理方法。

乙醇儲罐 爆炸 火災領結圖 安全風險分析

近年來，國內外已發生了多起由于乙醇泄漏引起的工業火災事故，所幸由于涉及乙醇量較小未造成嚴重人員傷亡[1]。但這些事故對企業造成了巨大的經濟損失，對人民的生命財產安全構成了重大威脅。結合某制冷公司乙醇罐爆炸事故案例對乙醇罐爆炸事故的原因及安全對策措施進行更深入的探究。

1 事故概況

2013年9月9日上午9點15分左右，南京某制冷公司，兩名工人在進行設備制冷效果測試準備過程中焊接配管時引發乙醇罐爆炸，引起火災，造成車間嚴重損毀，造成4人死亡、1人重傷。其中焓熵試驗區、超低溫試驗區、保溫材料裁剪區過火最嚴重，過火最嚴重區域平面布置見圖1。

圖1 過火最嚴重區域示意

2 事故傷害分析

為研究人員傷亡原因，就爆炸沖擊波對現場人員的傷害作用進行定量評估，判斷其是否對現場人員具有致命傷害。

2.1 沖擊波傷害

通過估算參與爆炸的乙醇蒸氣的量，將其換算成TNT當量，由此推算爆炸時死者所處的點的沖擊波超壓值，進而判斷爆炸沖擊波對人員的傷害作用。

(1)估算參與爆炸的乙醇蒸氣的質量。乙醇儲罐示意圖見圖2，最后一次檢測，罐中乙醇液位高度為總高度的40%，罐上部氣體的體積為罐體積的60%，罐體積為2.52 m3，可估算上部體積為60%×2.52 m3=1.51 m3。

圖2 乙醇罐示意

乙醇的爆炸極限為3.3%～19.0%，罐內為常壓，假設罐內乙醇蒸氣達飽和，則乙醇蒸氣達飽和蒸氣壓時的體積分數計算如下。

25℃，0.1 MPa，氣體摩爾體積為24.5 L/mol，乙醇飽和蒸氣壓為7.80 kPa，乙醇蒸氣密度1.869 kg/m3。

(1)罐內乙醇蒸氣的物質的量為：

式中：M為物質的相對分子質量，g/mol；V為氣體體積，m3；Vm為氣體摩爾體積，L/mol；T取273 ℃；t為物質的溫度，℃；P為液體飽和蒸氣壓，kPa；P0為大氣壓，kPa。

(2)罐內乙醇蒸氣的質量為：

m=M·n=0.200 kg

(3)罐內乙醇蒸氣的體積為：

V=n·Vm=0.107 m3

(4)罐內上部空間乙醇蒸氣的體積分數為：

參與爆炸的混合氣體中乙醇的體積分數應在3.3%～7.1%。

(5)參與爆炸的乙醇蒸氣的最小質量為：

mmin=φρV=0.093 kg

故參與爆炸的乙醇蒸氣的質量在0.093～0.200 kg。

(6)將乙醇蒸氣的質量轉化為(TNT)當量，其公式為[2]：

(1)

式中：η為經驗爆炸效率，乙醇蒸氣的經驗爆炸效率為 3%；m為蒸氣云中可燃物的質量，kg；ΔHC為可燃氣體的爆炸能/燃燒熱，kJ/kg；乙醇的燃燒熱為3.07×104kJ/kg；ETNT為TNT的爆炸能，kJ/kg(取4686 kJ/kg)。

將數據代入式(1)，計算得到參與爆炸的乙醇的TNT當量：mTNT=0.018 kg～0.039 kg。

(7)根據TNT當量估算爆炸時沖擊波超壓mTNT與r的比擬關系為

(2)

式中：Ze為比擬距離,m/kg；r為距離爆炸源點的距離,m。

地面上A,B和C點距爆炸源點的距離見圖3，分別為ra=1.7 m，rb=5 m和rc=1.9 m[2]。

(3)

式中：ΔP為沖擊波側向超壓峰值超壓，kPa；ρ0為周圍環境壓力，kPa。

將mTNT=0.018～0.039 kg代入式(2)和(3)計算得到的結果見表1。

表1 現場各位置爆炸沖擊波超壓值

表2 沖擊波超壓對人員的傷害作用[3]

根據計算結果，對照表2，推斷爆炸發生時，A和C點的沖擊波超壓均可導致“損傷人的聽覺器官或產生骨折”，不會致人死亡或重傷，而B點的沖擊波超壓不會造成人員傷亡。

2.2 火災傷害

爆炸發生時，乙醇儲罐內可燃氣體蒸氣云爆炸形成定向沖擊波，見圖3，爆炸瞬間桶身向上飛起，由于與回料管道相連接，桶體在向上飛出的過程中向北傾斜，儲罐中的乙醇向回料管所在方位泄漏，大量乙醇噴灑到儲罐附近及保溫材料裁剪區內的可燃物和操作人員身上，瞬間引起大火，大火對在場人員的傷害是致命的。

2.3 可燃物燃燒產生的煙霧及毒氣傷害

除沖擊波及火災對現場人員造成傷害，事故現場的可燃物有聚氨酯墻材、軟塑板、825膠水、大量的保溫材料等，這些物質燃燒都會迅速產生大量的煙霧及有毒氣體，對人體造成嚴重傷害。產生的有毒氣體的具體成分見表3。

圖3 儲罐爆炸時乙醇泄漏示意

物質主要成分燃燒釋放的氣體聚氨酯夾心材料聚氨基甲酸酯 CO,HCN和HCl,軟塑板聚氯乙烯HCHO和CO2等 825膠水氯丁橡膠保溫材料酚醛泡沫

CO吸入導致組織缺氧，急性中毒可致死；HCN有急性作用、劇毒而致命，可抑制呼吸酶的功能，人吸入后導致缺氧而窒息，還會麻醉神經系統；HCl有毒、對上呼吸道有強刺激，對眼、皮膚、黏膜有腐蝕性；HCHO對皮膚黏膜有強烈刺激，急性中毒可造成呼吸困難、肺水腫等；CO2本身無毒，但濃度過高時可使人缺氧而窒息。兩種致死性有毒氣體CO和HCN在火災煙霧中的毒性效應不是獨立的，相互之間有協同效應[4]。

3 人員傷亡原因分析

根據分析可知，保溫裁剪區內沖擊波超壓對于人的傷害很小，不會對人員造成致命傷害。即使爆炸時工作人員位于保溫材料裁剪區內距離爆炸源最近的地方(即圖1中C點)，爆炸瞬間產生的沖擊波超壓也只能使人受輕傷，不致使人死亡。由此推測，遇難者并非死于爆炸沖擊波超壓造成的傷害，而是死于泄漏的乙醇引起的大火。可燃物燃燒產生的大量煙霧及有毒氣體也能造成窒息或中毒。

4 領結圖法辨識乙醇儲罐風險及安全對策

領結圖可被分成6個基本部分，即關鍵事件、事件樹、故障樹、原因、后果和安全屏障。具體步驟如下[5-7]：

(1)確定頂上事件。事故的直接原因都是乙醇罐密閉性失效，故將乙醇罐密閉性失效確定為頂上事件。

(2)分析事故的原因構造事故樹。歸納造成乙醇儲罐密閉性失效的原因主要有材料錯誤、品質不符、強度不足、加工焊接組裝缺陷、裂紋擴展、結構缺陷、密封失效等結構缺陷[8]；儲罐內部/外部腐蝕；操作過程中的操作失誤或違章操作等缺陷；第三方的活動如蓄意破壞、偶然事件等；自然災害如地震、洪水、海嘯等不可抗力。

(3)分析事故可能造成的后果構建事件樹。乙醇泄漏易與空氣形成爆炸性混合物，遇火源可能發生不同類型的爆炸(如空間氣云爆炸、沸騰液體蒸氣云爆炸等)。爆炸后，會引起各種類型的火災事故(如池火災、噴射火、閃火、儲罐火災)[9]。火災往往伴隨煙霧及有毒氣體的產生。

(4)針對事故原因及后果提出安全措施。通過以上對事故原因及可能發生的后果的分析，可以從增強設備的本質安全性(如嚴把儲罐質量關、采取防腐措施、定期維保、安裝保護裝置、安裝泄漏檢測及報警裝置、安裝噴淋裝置、設立防火禁區等)；提高操作人員的職業技能(如要求相關從業人員具有一定技能或持證上崗等)；加強安全管理(如嚴格操作規程、加強員工安全培訓教育等)；建立應急機制(如安裝應急裝置、制定應急救援預案等)幾方面采取安全措施。

(5)檢查完善領結圖。將不同的安全措施與造成事故的原因或結果對應，構建完整的領結圖，見圖4。

5 結 論

通過深入研究了一起典型的乙醇儲罐爆炸事故的原因、發生經過及人員傷亡原因，結合多起同類事故案例，運用領結圖風險分析方法分析了乙醇儲罐爆炸火災事故的發生原因、事故后果，并提出預防措施和應急處置措施，繪制了風險分析領結圖，降低了乙醇儲罐的事故風險，為相關企業提出直觀、簡單實用的安全管理方法。

圖4 乙醇儲罐密閉性失效風險分析領結示意

[1] 吳偉, 孫金香, 張欣, 等. 生物乙醇企業火災風險與安全管理措施探討[J]. 現代化工, 2012, 32(9): 8-11.

[2] Daniel A. Crowl, Joseph F. Louvar. Chemical process safety: fundamentals with applications [M]. New Jersey: Prentice Hall PTR, 2002：172-192.

[3] 傅智敏, 黃金印, 臧娜. 爆炸沖擊波傷害破壞作用定量分析[J]. 消防科學與技術, 2009, 28(6): 390-395.

[4] 趙杰. 氰化氫在火災煙霧中的致毒機理及救治措施研究[D]. 上海：第二軍醫大學, 2004.

[5] 石天雄.BTA技術分析在HEMP中的應用[J].石油化工安全環保技術,2010,26(3):19-26.

[6] 朱健剛,趙勇,穆波.領結圖分析法在組織變更中的應用[J].安全健康環境,2011,11(10):36-38.

[7] Badreddine A, Amor N B. A Bayesian approach to construct bow tie diagrams for risk evaluation[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2013, 91(3): 159-171.

[8] Ferdous R, Khan F, Sadiq R, et al. Analyzing system safety and risks under uncertainty using a bow-tie diagram: An innovative approach[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2013, 91(1): 1-18.

[9] 苗金明, 劉倩倩, 張憲金. 乙醇貯罐區事故后果定量模擬分析[J]. 北京勞動保障職業學院學報,2012,6(1):36-39．

(編輯 寇岱清)

Risk Analysis of Ethanol Tank Hermeticity Failure and Safety Management

XiaHanyu,ZhangLijing,TaoGang

(JiangsuKeyLaboratoryofUrbanandIndustrialSafety,NanjingTechUniversity,Jiangsu,Nanjing, 210009,China)

There have been many industrial fire accidents caused by leakage of ethanol at home and abroad in recent years, which caused heavy casualties and huge economic losses. Through a case study of an ethanol tank explosion in a refrigeration company, the causes of the accident and casualties were analyzed. By application of quantitative evaluation technology of the shock wave damage, it is concluded that the main cause of fatal injuries to people was the fire caused by the ethanol leakage. The risk analysis was performed for the fire explosion accident by using bow-tie risk analysis method. The intuitive simple and practical approaches for safety management of ethanol production and storage are presented.

ethanol tank, explosion, fire accident bow-tie, safety risk analysis

2016-05-15；修改稿收到日期：2016-06-28。

夏寒玉(1990-)，在讀碩士研究生，主要研究方向為安全評價技術研究、事故調查與分析研究。E-mail:810562002@qq.com