環境多米諾效應概念及其實例研究

孫佳佳

（江蘇省安全生產科學研究院，江蘇 南京 210042）

近幾年，隨著國家推進企業入園進區，企業分布呈現區域集中式，更加規模化和集中化。但也正因如此，園區企業密度增加，企業的突發事故更容易對本企業和周邊企業產生聯鎖事故，發生特大安全事故，從而引發特大突發性環境污染事件。2013年8月13日天津港爆炸事故正是由于硝化棉燃燒引發的硝酸銨等129種危險化學物質的聯鎖爆炸事故，對局部區域的大氣環境、水環境和土壤環境造成了不同程度的污染[1]。一些學者曾經提出突發性事故的多米諾效應，但在目前的環境風險評價中，多米諾效應很少被提及，處于被忽視的地位。本文通過石化倉儲企業的安全及環境特點，探討環境風險多米諾效應的實際應用，希望對環境風險評價工作提出有益的幫助。

1 環境多米諾效應

1.1 環境多米諾效應概念

Cozzanid等在2005年對相關的文獻做過詳細的總結，提出相對完整的多米諾效應的定義，即由初始時間發生，引發鄰近一個或多個設備發生事故，從而導致總事故后果比初始事故后果更加嚴重的現象為多米諾效應[2]。

在化工企業或石化倉儲企業中，若一個工藝或存儲設備、單元發生事故時，可能會伴隨其它工藝或存儲設備、單元的破壞，從而引發二次、三次甚至更為嚴重的事故。當突發性事故多米諾事故對環境產生危害時，即為環境風險多米諾事故。

環境風險多米諾效應是指一定區域內存在多個環境風險源，由某些風險因素影響引發初始事故，當初始事故釋放足夠能量或物質后，與外界環境因素共同作用，使鄰近的環境風險源受到影響而發生事故，兩個或多個環境風險事故相互作用，連鎖發生，造成有毒有害物質大量進入周圍環境。

1.2 多米諾效應發生條件

一般來說，多米諾事故的發生必須具備以下條件。

（1）距離條件：初始事故的影響范圍內需存在敏感單元；

（2）能量條件：初始事故的破壞效應，即能量足夠大能夠導致影響范圍內的敏感單元被破壞；

（3）概率條件：初始事故以及所引發的二次事故的發生破壞概率應當足夠大，即為可能發生事故。

當上述三個條件同時滿足時，才會觸發多米諾效應。

1.3 多米諾效應作用機理及閾值研究

觸發多米諾效應的事故主要有三種形式，分別為泄露、火災及爆炸。其中泄露引發的機理主要為有毒有害物質泄漏導致操作人員中毒，使操作人員神志不清，現場設備無人看管等情況，從而無法進行正常操作，引發多米諾效應。由于該情況主觀因素較大，無法進行定量判定，故本文重點分析火災及爆炸這兩種形式。

1.3.1 火災機理及閾值研究

火災一般分為池火和火球兩種事故類型。造成多米諾事故一般有兩種方式：一是火焰直接接觸，二是熱輻射造成設備失效。

池火是易燃液體泄露，在地面形成液池，液池被點燃形成火災。當形成的池火完全包圍目標設備，與設備直接接觸時，較易引發多米諾事故。當池火距離目標設備存在一定距離，無法直接接觸目標設備時，可能會通過熱輻射破壞目標設備。

熱輻射造成設備失效需要兩個條件：熱輻射通量和時間。Valerio Cozzani等研究人員考慮目標設備類型和火災持續時間，對熱輻射的多米諾效應進行數值模擬，并與相關文獻進行對比分析，總結出若火災持續時間在10 min以上，對于常壓容器的破壞閾值為15 kW/m2，高壓容器破壞閾值為50 kW/m2[3]。

1.3.2 爆炸機理及閾值研究

當企業發生蒸汽云爆炸或沸騰液體擴散蒸汽爆炸（BLEVE）事故時，會產生沖擊波及拋射碎片等能量載體。這些能量載體與目標設備相互作用，可能造成目標設備的破壞。

沖擊波破壞效應可根據沖擊波超壓破壞閾值進行定量評估。Valerio Cozzani和Ernesto Salzano[3]兩位學者在經過文獻資料分析比較的基礎上，對超壓引發多米諾效應進行研究。他們將設備分為常壓容器、壓力容器、加長容器、小容器四類，并針對不同容器確定破壞閾值。具體見表1。

表1 超壓破壞閾值

并且，爆炸產生的拋射物也同樣能引發多米諾效應，李驍驊[4]對液化石油氣儲罐爆炸產生的碎片的破壞作用進行了研究，拋射物引發多米諾效應的參數包括穿透厚度、沖擊能、碰撞概率，研究中表明常見的拋射物拋射距離閾值為300 m。

1.4 多米諾環境風險計算

1.4.1 泄露污染源計算

當物料以液體形式泄漏到地面形成液池，在液池表面氣流運動作用下發生質量蒸發現象，從而擴散進入大氣。

根據《環境風險評價導則》1附錄A.2[5]，液體質量蒸發速率可以由下式計算得出：

式中：MW—質量蒸發速率，kg/s；

a，n—大氣穩定度系數；

Ps—液體表面蒸汽壓，Pa；

M—物質摩爾質量，g/mol；

R—通用氣體系數，J/（mol·k）；

Ta—周圍環境溫度，K；

u—風速，m/s；

r—液池半徑，m。

表2 大氣穩定度系數取值

1.4.2 影響預測模型

采用多煙團模式，計算公式：

式中：C（x，y，o）：下風向地面（x，y）坐標處的空氣中污染物濃度，mg/m3；

x0，y0，z0：煙團中心坐標；

Q：事故期間煙團的排放量；

σx，σy，σz：為 x、y、z方向的擴散參數，m。 常取σx=σy；

對于瞬時或短時間事故，可采用下述變天條件下多煙團模式：

Q'： 煙團排放量 （mg），Q'=Q·Δt為釋放率，mg/s； Δt為時段長度，s；

σx,eff，σy,eff，σz,eff：煙團在 w 時段沿 x、y 和 z方向的等效擴散參數（m），可由下式估算：

各個煙團對某個關心點t小時的濃度貢獻，按下式計算：

式中：n為需要跟蹤的煙團數，可由下式確定：

式中，f為小于1的系數，可根據計算要求確定。

2 案例研究

2.1 某公司基本情況

某石化倉儲企業位于東部沿海，企業建有38座地上立式鋼制儲罐，總罐容19.15×104m3，分為四個罐組，1號（9座儲罐）及2號罐組（12座儲罐）存儲易燃易爆液體，3號罐組（5座儲罐）存儲液化烴，4號罐組（12座儲罐）存儲有毒且易燃液體。

企業位于園區，周邊500 m范圍內無居民；東側為倉儲企業B，該企業儲罐中距評價企業儲罐最近為147 m，南側70 m為海域。

2.2 事故的風險源強

企業4個罐組的38座儲罐中，3號罐組主要存儲丁二烯、丙烯、環氧丙烷，為甲A類液化烴及閃點極低的甲B類易燃液體；4號罐組存儲苯及丙烯腈，屬于高毒化學品。相對1號及2號存儲甲B類易燃液體罐組，3號及4號罐組的危險性較大，且3號及4號罐組相鄰，較易發生多米諾事故，因此，本文選擇3號及4號罐組的儲罐進行風險源強分析。企業源強見表3，布置圖見圖1。

表3 企業源強表

圖1 庫區3號及4號罐組平面布置圖

2.3 風險計算

2.3.1 火災爆炸風險多米諾影響分析

根據企業源強及位置進行火災爆炸風險計算，計算模型如下。

2.3.1.1 蒸汽云爆炸計算模型

根據 《安全評價員實用手冊》第235頁8.2.2.3易燃氣體、液體泄漏蒸氣云爆炸事故模擬分析與評價（1）①中的計算公式。

①WTNT=αWfQf/QTNT

式中：WTNT——蒸氣云的TNT當量，kg

a——蒸氣云的TNT當量系數

Wf——蒸氣云爆炸中燃燒的總質量，kg

Qf——物質的燃燒熱，kJ/kg

QTNT——TNT的爆熱，kJ/kg

②N=WTNT/M

式中：N——蒸氣云的TNT摩爾量，mol

M——TNT的分子量，kg

（2）具有可燃性的化學品燃燒后放出的熱量計算公式

Q=QfW

式中：Q—物質燃燒后放出的熱量，kJ

Qf—物質的燃燒熱，kJ/kg

W—物質的質量，kg

2.3.1.2 池火災模擬計算

（1）確定火焰高度

計算池火焰高度的經驗公式如下：

式中：L 為火焰高度（m），D 為池直徑（m），為燃燒速率（kg/m2·s），ρ0為空氣密度（kg/m3），g 為引力常數。

（2）計算火焰表面熱通量

假定能量由圓柱形火焰側面和項部向周圍均勻輻射，用下式計算火焰表面的熱通量。

式中：q0——為火焰表面的熱通量，kw/m2；

△Hc——為燃燒熱，kJ/kg；

π——為圓周率；

f——為熱輻射系數（可取為0.15）；

mf——為燃燒速率，kg/（m2·s），其它符號同前。

（3）目標接收到的熱通量的計算

目標接收到的熱通量q（r）的計算公式為：

式中：q （r）為目標接收到的熱通量（kw/m2），q0為由式（3）計算的火焰表面的熱通量（kw/m2），r為目標到油區中心的水平距離 （m），V為視角泵數。

根據企業庫區存儲物質的特點，應用中國安全生產科學研究院定量風險評估軟件對庫區的火災爆炸進行預測計算，給出風險源多米諾事故影響范圍，具體見表4。

表4 多米諾事故影響半徑

通過表4可以看出，存儲丁二烯、丙烯的301、302、303、304儲罐管道破裂或容器破裂時會引發云爆，多米諾影響半徑在55 m以上；存儲苯的 401、402、406、407、408、409 儲罐管道破裂或容器破裂時會引發池火事故，多米諾影響半徑在20 m以上。3號罐組、4號罐組內相鄰儲罐均在多米諾半徑范圍內；3號罐組發生爆炸事故時也會影響到4號罐組。

從物質毒性分析，3號罐組內存放丙烯、丁二烯等液化烴類物質，泄露爆炸后產生的氣體為CO、CO2、非甲烷甲烴等，物質的毒性較小；4號罐組中存放的均為高毒物質，泄露后對環境有較大危害。企業在生產過程中采取火災報警、緊急切斷、降溫噴淋等一系列的風險控制及應急措施，儲罐發生二次、三次多米諾事故的概率極低，因此，本文主要分析對環境的危害性，選擇毒性較高、容量較大的402號苯儲罐發生池火事故產生的多米諾效應對環境產生的影響。

2.3.2 多米諾事故環境風險影響分析

402號苯儲罐發生容器整體破裂或管道完全破裂事故時，會發生池火事故，多米諾影響半徑在32 m，東側的401號苯儲罐、西側的403號丙烯腈儲罐、南側的407、408、409號苯儲罐均在其影響范圍內。因多米諾影響半徑內儲罐是否發生事故受風向、儲罐類型、儲罐安全裝置穩定性等多方面因素影響，影響范圍內的儲罐均發生事故的可能性極低，因此選擇影響范圍內毒性最大的403號丙烯腈儲罐發生事故進行預測。

根據泄露液體形成的液池面積、表面風速、環境溫度、大氣穩定度，物質飽和蒸汽壓、摩爾質量等參數，計算泄露的苯及丙烯腈的質量蒸發速率，根據質量蒸發速率計算污染物在大氣環境中的擴散情況。

液池面積選取儲罐質量蒸發速率見表5，事故發生后30 min時污染物下風向濃度見圖2及3，超標情況見表6。

表5 液體質量蒸發計算結果

圖2 苯（30 min）下風向濃度分布

圖3 丙烯腈（30 min）下風向濃度分布

表6 污染物下風向超標情況

從圖2、圖3及表6的可以看出，污染物對下風向的影響較大，最大落地濃度均超過半致死濃度數倍至數十倍，主要原因是本次預測選取了較為極端的最不利情況，即儲罐完全爆炸，泄露物料均在防火堤內，面源高度較低。從預測結果可以看出，在E-F穩定度條件下對環境的影響較大，苯的半致死濃度范圍為79.6 m，丙烯腈的半致死濃度范圍為983.7 m。

3 結論

目前，環境多米諾效應在環境風險評價中處于被忽視的地位，本文提供一個評價思路以供參考。從環境多米諾的研究現狀來看，缺乏一套系統的事故預測篩選機制，如何在可能發生的多米諾事故中選擇有代表性、實際預測意義的預測工況和預測因子，是我們目前可以研究的方向。建議在今后的研究中，制定一系列的標準規范，以篩選具有預測價值的多米諾事故。