氯乙烯泄漏、蒸氣云爆炸事故模型分析

王 偉，崔 鵬，高燕軍

（陜西北元化工集團股份有限公司化工分公司，陜西 榆林719319）

氯乙烯不僅是一種有毒物， 而且還是易燃易爆物質， 如果在工業生產或存儲中因為管理不當或設備故障造成氯乙烯泄漏， 可能造成中毒或火災爆炸事故。

在對氯乙烯儲罐的破裂后果計算中， 主要分析中毒和蒸氣云爆炸， 對該項目的氯乙烯儲罐發生泄漏或爆炸事故進行模擬分析， 預測氯乙烯儲罐可能發生的事故后果和影響區域。

建設某公司氯乙烯儲罐基本情況：6 臺VCM 臥式儲罐， 儲罐規格150 m3， 儲存量130 m3， 重量約120 t（ρ＝0.911 t/m3），操作溫度18 ℃。

1 氯乙烯儲罐破裂后果計算

如果氯乙烯儲罐在機械作用（撞擊、打擊）、化學作用（腐蝕）及壓力作用下發生破壞，或者因操作人員不正確操作導致氯乙烯泄漏， 并與空氣混合形成有毒氣體云團，此氣團具有毒性和易燃易爆的性質，會使擴散區域內人員中毒。

1.1 有毒液化氣體容器破裂時的毒害區預測

毒性液化氣體容器破裂時會泄漏出大量的氣體，在沒有遇到火源時會造成大面積的毒害區域。

在容器破裂時， 罐內壓力降至標準狀態下沸點t0，則其蒸發量W′為：W′＝WC（t-t0）/q

式中：W′—蒸發的氣體質量，kg；

W—液化氣體質量，kg；

C—液體平均比熱，kJ/（kg·℃）；

t—容器破裂前介質溫度，℃；

t0—物質標準沸點，℃；

q—液體的汽化熱，kJ/kg。

蒸發后產生的蒸氣體積Vg為：

若已知有毒物質的危險濃度， 則可求出其在危險濃度下的有毒空氣體積為：V＝Vg/C′

假設這些有毒空氣以半球型向地面擴散， 可以求出該有毒氣體的擴散半徑R為：

R＝（V/2.0944）1/3

1.2 氯乙烯儲罐破裂時的毒害區計算過程

氯乙烯的沸點t0＝-13.4 ℃，這時平均比熱容C＝1.23 kJ/（kg·℃），平均汽化熱q＝330.25 kJ/kg。當一個氯乙烯儲罐破裂時，其蒸發量為：

蒸發后產生的蒸氣體積Vg為：

氯乙烯屬中性毒物， 人在0.6%濃度下略有不適，在1.2%～1.6%下有頭昏、嘔吐等感覺。 麻醉閾濃度為7.1%。 氣態VCM 對人體有麻醉性， 在20%～40%濃度下，會使人立即死亡。 在此，取麻醉閾濃度7.1%為使人麻醉的危險濃度，取20%為致死危險濃度。

則氯乙烯可以產生的使人麻醉的有毒空氣體積為V＝Vg/C′＝4 782.8×100/7.1＝67 363.4（m3）

當空氣中的VCM 濃度達到20%以上時會使人立即死亡，則使人致死的有毒空氣體積為：

假設這些有毒空氣以半球形向地面擴散， 則該有毒氣體的擴散半徑R＝（V/2.094 4）1/3（m）

氯乙烯儲罐破裂時的毒害區域預測結果見表1。

1.3 氯乙烯儲罐破裂時結果分析

容量為120 t 的氯乙烯儲罐破裂時， 以儲罐所在位置為中心，半徑為31.8 m 的圓形區域內的人員如果沒有及時疏散或采取防護措施，將會被麻醉；在22.5 m 的圓形區域內，將導致人員死亡。該有毒空氣云還會繼續隨風飄向下風方向位置， 對廠內外更大范圍的人員安全造成影響。

以上是針對一臺儲罐泄漏來計算的， 如果發生幾臺儲罐的同時泄漏，事故后果將非常嚴重。

表1 毒害區域預測結果

2 氯乙烯儲罐發生蒸氣云爆炸事故后果計算

如果泄漏出來的氯乙烯形成的混合氣體中氯乙烯的濃度在爆炸極限范圍內， 并遇到延遲點火的情況，就會導致蒸氣云爆炸的發生。蒸氣云爆炸后的破壞作用包括爆炸沖擊波和爆炸火球輻射熱對周圍人員、建筑物、儲罐、設備的傷害和破壞等，其中以沖擊波的危害為主。

2.1 蒸氣云爆炸的事故模型

可燃液化氣體泄漏后氣化并與空氣形成混合氣體云，可燃混合氣體遇火源突然燃燒，并在受限空間或無限空間轉變為混合氣體爆炸，即蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸以沖擊波危害為主， 按超壓準則確定人員傷亡區域及財產損失區域。 沖擊波對人員的死亡半徑及財產損失采用TNT 當量法， 按照相同能量的TNT 爆炸所產生的超壓來確定。 1 000 kg 的TNT 炸藥在空氣中爆炸所產生的沖擊波超壓見表2， 沖擊波超壓對建筑物和人員的破壞與傷害情況見表3。

表2 1 000 kg的TNT炸藥在空氣中爆炸所產生的沖擊波超壓

表3 沖擊波超壓對建筑物和人員的破壞與傷害情況

2.1.1 蒸氣云爆炸的TNT 當量

TNT 當量計算公式為：WTNT=1.8αWfQf/QTNT

式中：1.8—地面爆炸系數；

α—蒸氣云當量系數，取α=0.04；

Wf—蒸汽云中燃料的總質量，kg；

Qf—氯乙烯的燃燒熱；

QTNT—TNT 的爆熱，取QTNT=4 500 kJ/kg。

2.1.2 蒸氣云爆炸的人員傷亡及財產損失距離

蒸氣云爆炸死亡半徑R1的計算方法為：

蒸氣云爆炸重傷、 輕傷以及財產損失半徑的計算方法：實驗數據表明，不同數量的同類炸藥發生爆炸時，如果離爆炸中心的距離R之比與炸藥量Q的3 次方根之比相等，則所產生的沖擊波超壓相同，用公式表示如下。

式中：R—目標與爆炸中心距離，m；

R0—目標與基準爆炸中心距離，m；

Q0—基準爆炸能量，TNT 當量，Q0=1 000 kg；

QTNT—爆炸時產生沖擊波所消耗的能量，TNT當量，kg；

ΔP—目標處的超壓，MPa；

ΔP0—基準目標處的超壓，MPa。

由表3 可知，取造成人員重傷、輕傷以及財產損失的超壓ΔP值，又由2 取超壓為ΔP處的R0（即當1 000 kg 的TNT 爆炸時， 在與基準中心距離為R0處的超壓為ΔP）。 再由式R=R0（QTNT/Q0）1/3可求得損失半徑。

2.2 氯乙烯蒸氣云爆炸后果定量計算

（1）氯乙烯蒸氣云爆炸的TNT 當量

120 t 氯乙烯儲罐泄漏，假設有10%的氣體參加蒸氣云爆炸，其質量為Wf=120 000×10%=12 000 kg，氯乙烯的燃燒熱為Q=18 568 kJ/kg。 可得氯乙烯儲罐10%的氣體泄漏后發生蒸氣云爆炸的TNT 當量為3 565.1 kg。

（2）10%泄漏量的蒸氣云爆炸死亡半徑R1

（3）10%泄漏量的蒸氣云爆炸重傷半徑R2

取造成人員重傷的ΔP2=0.6×105Pa， 查表用插值法求得R0=29.77 m 處的超壓為0.6×105Pa。

（4）10%泄漏量蒸氣云爆炸輕傷半徑R3

取造成人員輕傷的ΔP3=0.3×105Pa，查表得R0=44（m）處的超壓為0.3×105Pa。（5）10%泄漏量的蒸氣云爆炸財產損失半徑R4

由于罐區周圍建筑多是鋼筋混凝土構造，因此，取鋼筋混凝土破壞時的沖擊波超壓值。 取ΔP3=1.0×

同理，假設氯乙烯儲罐泄漏后，有50%的氣體參加蒸氣云爆炸，其計算結果見表4。

表4 氯乙烯蒸氣云爆炸人員傷亡及財產損失半徑

2.3 氯乙烯蒸氣云爆炸結果分析

當120 t 氯乙烯儲罐10%（50%） 泄漏后發生蒸氣云爆炸時，離火球中心半徑為35.1 m（60.1 m）的圓形區域內的鋼筋混凝土結構建筑物和設備遭到破壞； 離火球中心半徑為45.5 m （77.8 m）~67.2 m（114.9 m）的圓環區域內人員大部分受輕傷；離火球中心半徑為21.8 m（39.5 m）~45.5 m（77.8 m）的圓環區域內的人員大部分受重傷；離火球中心半徑21.8 m（39.5 m）的圓形區域以內的人員大部分可能死亡。

以上是針對一臺儲罐來計算的， 如果發生幾臺儲罐同時爆炸，事故后果將非常嚴重。

3 建議措施

3.1 工程技術措施

（1）氯乙烯球罐裝置區須按照《石油化工企業設計防火規范》（GB 50160-2018）要求設置防火間距、防火堤、事故池、事故放空及消防系統。

（2）氯乙烯球罐需設計液位計、溫度計、壓力表、安全閥以及高低液位報警和高高液位自動聯鎖切斷進料措施等；并設置密閉的脫水系統，儲罐根部設置緊急切斷閥和泄漏緊急注水系統。

（3）氯乙烯儲存量構成重大危險源，需設置溫度、壓力、液位、流量、組分等信息的不間斷采集和監測系統， 以及可燃氣體和有毒有害氣體泄漏檢測報警裝置、視頻監控系統，并具備信息遠傳、連續記錄、事故預警、信息存儲等功能；記錄的電子數據的保存時間不少于30 d；構成一級或者二級重大危險源，需配備獨立的安全儀表系統（SIS）。

（4）現場設備、儀表設施需符合國家有關防爆、防雷、防靜電等標準和規范的要求，防雷裝置需經防雷電部門檢測合格。

3.2 安全管理措施

（1）配備便攜式濃度檢測設備、空氣呼吸器、化學防護服、堵漏器材等應急器材和設備；涉及劇毒氣體的重大危險源還應當配備兩套以上氣密型化學防護服及一定數量的便攜式可燃氣體檢測設備。

（2）氯乙烯球罐裝置操作人員必須經過專門培訓，嚴格遵守操作規程，熟練掌握操作技能，具備應急處置知識。

（3）作業人員應戴化學安全防護眼鏡，穿防靜電工作服，戴防化學品手套，工作場所濃度超標的，操作人員應該佩戴過濾式防毒面具。

（4）加強對自動控制及聯鎖系統、檢測報警及監控系統、緊急停車系統等技術措施的檢查和維護，并制定相應的儀表安全管理措施。

（5）加強準入管理，嚴格限制進入人員，建立氯乙烯球罐裝置安全管理規定。 制定泄漏應急處置方案，定期組織演練，提高應急處置水平。

4 總結

從評價分析結果可以看出，要防止氯乙烯球罐泄漏發生火災爆炸事故，應主要從防止氯乙烯泄漏和消除點火源兩個方面入手，嚴格落實工程技術措施和安全管理措施，杜絕事故發生。同時，企業要加強安全文化創建、化工過程安全（PSM）建設、安全標準化達標等基礎工作，積極開展全員安全技能和安全知識教育工作，牢固樹立“一切風險皆可控制、一切事故皆可避免”的事故預防理念，從而實現企業安全發展。