典型化工機械液氨罐爆炸后果計算與泄漏擴散模擬

安廣海

摘 要：分別采用TNT當量法、ALOHA模擬法計算典型承壓類化工機械設備液氨儲罐爆炸后果危險性、液氨泄漏擴散影響范圍，分析氨罐爆炸后對周邊環境的影響和泄漏波及區域情況，提出事故應急對策措施，為承壓類化工機械設備事故應急救援與處置提供理論和方法支持。

關鍵詞：承壓類;化工機械;氨罐;爆炸危險性;泄漏擴散

中圖分類號：X937 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0098-03

0 引言

液氨儲罐承受著較高壓力，屬于承壓類特種設備，作為一類化工機械設備因氨的用途廣泛而在化工生產中得到經常性應用。對液氨儲罐的危險有害分析，具有典型的現實意義，因為氨不僅具有火災爆炸危險性還具有較強的毒性，液氨儲罐泄漏遵循兩相流模型，不僅有壓縮后液體還有氣化后的氣體，為此本文試圖通過計算液氨儲罐爆炸后果危險性和氨泄漏擴散分析，深入發掘和辨識承壓類化工機械設備危險有害因素，從而采取有針對性防范措施，將其風險控制到可接受程度，以做到防患于未然。

1 氨罐參數

選取1臺單罐容積為80m3的臥式液氨儲罐為計算對象，直徑4m，長度6.37m，充裝系數為85%，液氨密度為0.617t/m3。液氨儲存量為80×85%×0.617=42t。

2 TNT當量法爆炸后果計算

2.1 TNT當量法爆炸模型

2.1.1 容器爆破能量計算

當壓力容器中介質為壓縮氣體，即以氣態形式存在而發生物理爆炸時，其釋放的爆破能量為：

式中Eg：氣體的爆破能量，kJ;

P：儲罐內氣體的絕對壓力，MPa;

V：儲罐容積，m3;

K：氣體絕熱指數，液氨為1.32。

2.1.2 爆炸沖擊波的傷害、破壞作用

爆炸沖擊波超壓對人身傷害和對周邊建筑損壞情況見表1和表2。

2.1.3 沖擊波超壓計算

沖擊波的超壓與爆炸中心距離的關系為：

Δp=∝R-n

式中：Δp—— 沖擊波波陣面上的超壓，MPa;

R—— 距爆炸中心的距離，m;

n—— 衰減系數。

研究表明，不同數量的同類炸藥發生爆炸時，如果R與R0之比的三次方根相等，則所產生的沖擊波超壓相同，用公式表示為：

若

則Δp=Δp0

式中：R—— 目標與爆炸中心的距離，m;

R0—— 目標與基準爆炸中心的相當距離，m;

q0—— 基準炸藥量，TNT，t;

q—— 爆炸時產生沖擊波所消耗的炸藥量，TNT，t;

Δp—— 目標處的超壓，MPa;

Δp0—— 基準目標處的超壓，MPa;

α—— 炸藥爆炸試驗的模擬比。

上式也可以寫成：Δp（R）=Δp0（R/α）

表3是1t TNT炸藥在空氣中爆炸時所產生的沖擊波超壓。

2.2 爆炸后果計算

2.2.1 液氨儲罐破裂

液氨儲罐發生爆炸時的爆炸能量Eg：

≈450715kJ

TNT當量q=Eg/4500≈91.27kg

爆炸的模擬比α=0.1q1/3=0.1×91.27/3≈3.04

分別計算出超壓Δp0為0.005MPa、0.006MPa、0.015MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.05MPa、0.07MPa、0.10MPa、0.20MPa和0.30MPa時的1tTNT爆炸試驗中的相當距離R0分別為106m、102m、68m、56m、43m、38m、27m、23m、17m、15m。

根據液氨儲罐爆炸的模擬比α、表4中的R0值，以及公式R0=R/α，可計算液氨儲罐爆炸所產生的沖擊波超壓Δp為0.005MPa、0.006MPa、0.015MPa、0.02MPa、0.03MPa、 0.05MPa、0.07MPa、0.10MPa、0.20MPa和0.30MPa時對應的距離R分別為26.5m、25.5m、17m、14m、10.75m、9.5m、6.75m、5.75m、4.25m、3.75m。結合表1和表2，可知液氨儲罐發生爆炸時在不同范圍內的人員或建筑受到傷害或破壞的程度，具體見表4、表5。

2.2.2 結果分析

液氨儲罐爆炸可能發生的事故類型主要為火災爆炸，危險等級為Ⅲ級。通過采用爆炸模型進行定量評價可知，在一個液氨儲罐發生物理爆炸的情況下，由于沖擊波的破壞作用，可能導致人員聽覺器官損傷或骨折以上嚴重程度的傷害半徑為10.75m;導致建筑物磚墻倒塌以上嚴重程度的破壞半徑為5.75m。因此，在設計時除應確保儲罐與其他建筑物之間的安全距離滿足要求外，重點應從源頭上采取措施，防止發生液氨罐爆炸事故。

3 ALOHA泄漏擴散模擬分析

3.1 參數設置

采用ALOHA軟件對液氨泄漏后毒物擴散情況進行預測計算。選取某地區夏季和冬季兩種天氣分別計算。參數設置見表6。

3.2 計算結果

根據《工作場所有害因素職業接觸限值》可知，環境中氨的時間加權平均容許濃度值為20mg/m3，短時間接觸平均容許濃度值為30mg/m3。模擬結果如圖1和2所示。

圖中紅線所示橢圓范圍內的區域，氨的濃度>=30mg/m3;黃色區域氨的濃度介于20mg/m3和30mg/m3之間;黃色區域以外的區域，氨的濃度<20mg/m3。

當泄漏發生在夏季，風速取值2.8m/s時，時間加權平均容許濃度值>=20mg/m3的點最遠達到距泄漏點下風側2.5km處，短時間接觸平均容許濃度值>=30mg/m3的點最遠達到距泄漏點下風側3.3km處;當泄漏發生在夏季，風速取值1m/s時（近似靜風條件），時間加權平均容許濃度值>=20mg/m3的點最遠達到距泄漏點下風側2.9km處，短時間接觸平均容許濃度值>=30mg/m3的點最遠達到距泄漏點下風側3.7km處;當泄漏發生在冬季，風速取值4.6m/s時，時間加權平均容許濃度值>=20mg/m3的點最遠達到距泄漏點下風側730m處，短時間接觸平均容許濃度值>=30mg/m3的點最遠達到距泄漏點下風側907m處;當泄漏發生在冬季，風速取值1m/s時（近似靜風條件），時間加權平均容許濃度值>=20mg/m3的點最遠達到距泄漏點下風側1.2km處，短時間接觸平均容許濃度值>=30mg/m3的點最遠達到距泄漏點下風側1.5km處。模擬結果說明，發生液氨泄漏時，夏季比冬季影響范圍大;靜風天氣比有風天氣影響范圍大，為此，在液氨儲罐設計時均設有遮陽棚和水噴淋系統。

4 結語

綜上，液氨不僅具有火災爆炸危險性還具有毒性，其毒性受外界溫度影響較大，當氨罐發生爆炸或者泄漏事故時，企業應加強應急處置，做好人員疏散和救援工作。此外，本文研究成果可供其他承壓類化工機械設備危險有害因素分析參考。

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