夏冬季場景下環氧乙烷儲罐泄漏事故后果模擬

成 誠，夏 天，龐奇志

(中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074)

環氧乙烷是一種常被用于制造殺菌劑的有毒的致癌物質，化學式為C2H4O，分子量為44.05，是一種有機化合物，因其特殊的性質被廣泛應用于許多行業，如口罩的殺菌消毒。環氧乙烷具有非常活潑的化學性質，易燃易爆炸，爆炸極限為3%～100%，并能與許多化合物發生化學反應。環氧乙烷的熔點為-111℃，沸點為10.7℃，在低溫下呈現為無色透明的液態，在常溫下呈現為無色帶有醚刺激性氣味的氣態，易溶于水，密度為0.882 g/cm3。

目前，化工儲罐泄漏事故頻發，且事故后果受環境因素的影響，急需對儲罐泄漏事故后果以及環境因素對儲罐泄漏事故后果的影響進行研究。

對于儲罐泄漏事故造成的危害范圍的模擬研究，相艷景等[1]利用ALOHA軟件對環氧乙烷儲罐泄漏事故進行了模擬，計算得出了事故的危害范圍；朱云峰等[2]利用ALOHA軟件模擬了環氧丙烷儲罐泄漏事故造成的危害范圍；田水承等[3]對氯乙烯儲罐泄漏事故后果的影響范圍進行模擬，得到了可能事故場景下氯乙烯毒氣擴散區域、閃火可燃區域和蒸汽云爆炸超壓沖擊波影響區域。

對于環境因素對危化品泄漏事故后果的影響研究，孔大令[4]通過模擬不同環境條件下液氨泄漏擴散的警戒范圍，分析了環境因素對液氨泄漏警戒范圍的影響；胡秀甲[5]利用ALOHA軟件模擬了內外因對液氯泄漏擴散范圍的影響；鐘岸等[6]利用FLUENT軟件模擬了環氧乙烷隨泄漏速率、自然風速和地面粗糙度的動態擴散規律；葛安然等[7]利用ALOHA軟件對甲醇儲罐泄漏后毒氣擴散范圍的影響因素進行了敏感性分析。

但是，目前現有研究中針對不同季節場景下環氧乙烷儲罐泄漏事故后果的模擬研究相對較少。鑒于此，本文分別對夏季和冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散造成的中毒、池火災和蒸氣云爆炸事故后果進行了數值模擬研究，并對得出的事故危害范圍進行了對比分析，以為環氧乙烷儲罐泄漏事故的預防與控制提供依據。

1 事故情景假設

1.1 ALOHA參數設置

環氧乙烷泄漏后易發生氣化，人體暴露于該環境中會造成人員中毒傷亡，若點火延遲時會發生閃火或蒸氣云爆炸，未氣化的液態部分遇火源會形成池火災[2]。

本文選擇某地某化工廠的環氧乙烷儲罐進行數值模擬研究。環境因素會隨著季節的不同發生改變，不同季節的平均溫度不同，尤其是夏季與冬季的溫差很大，除了溫差外，平均風速、風向、相對濕度等環境因素也不相同。由于環氧乙烷儲罐發生泄漏后造成的事故后果會受到環境因素的影響，所以有必要對夏季和冬季時環氧乙烷儲罐泄漏事故分別進行模擬，模擬結果可以為環氧乙烷儲罐不同季節的安全管理、事故預防和應急救援工作提供參考，具有一定的實際應用價值。

《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》(GB/T 37243—2019)中規定10 cm孔徑泄漏為大孔泄漏，本文選取1～10 cm泄漏孔徑，利用ALOHA軟件對夏冬季場景下環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏后可能產生的事故后果進行了仿真模擬。

該化工廠環氧乙烷儲罐區位于東經114°04′、北緯30°38′，儲罐為臥式，直徑為2.75 m，長為8.4 m，儲罐尺寸為50 m3，儲存溫度為5℃，儲存壓力為1.1 MPa，充裝系數為69%。該地區夏季平均溫度取最高月平均溫度為29℃，平均風速取2.5 m/s，風向為東南風，相對濕度為80%；冬季平均溫度取最低月平均溫度為4℃，平均風速取2.6 m/s，風向為偏北風，相對濕度為75%。該儲罐區為水泥地面，設定儲罐底部距離地面為0.3 m處連接管破裂，并導致環氧乙烷連續性泄漏。表1為環氧乙烷儲罐區的環境因素。

表1 環氧乙烷儲罐區的環境因素

1.2 DEGADIS重氣擴散模型

ALOHA軟件最初由美國環保署化學制品突發事件和預備辦公室、美國國家海洋和大氣管理局響應和恢復辦公室共同開發,2000年起我國研究者開始引進[2]。ALOHA軟件采用的數學模型有高斯模型、DEGADIS重氣擴散模型等。

由于環氧乙烷的分子量大于空氣的平均分子量，其相對空氣密度為1.52，比空氣重，因此環氧乙烷泄漏后擴散會形成重氣云團，且能與空氣混合形成大型薄霧云并擴散，故本次模擬時選用DEGADIS重氣擴散模型。

DEGADIS重氣擴散模型假設氣體擴散濃度在側風向上采用修正的高斯分布，而豎直方向上采用指數分布[2]，其數學表達式如下：

c(x，y，z)=

(1)

式中：c(x，y，z)為任一點處氣體的質量濃度(kg/m3)；Cc(x)為在表面中心線處氣體的質量濃度(kg/m3)；b(x)為水平中間范圍的半寬(m)；Sy(x)為水平方向上氣體擴散的濃度比率；Sz為垂直方向上氣體擴散的濃度比率；n為風力常數；z0為水平方向和垂直方向風力圖基準高度(m)；ux為x方向的風速(m/s)；u0為z0高度上的實際風速(m/s)。

2 環氧乙烷儲罐泄漏擴散中毒事故后果模擬

在未遇到明火的情況下對環氧乙烷儲罐泄漏擴散所造成的中毒事故的毒性影響區域范圍進行了仿真模擬。并根據ALOHA軟件自動引用的數據標準，即美國緊急響應計劃指南(ERPG)中規定的ERPG-2、 ERPG-3標準濃度值來確定中毒事故的毒性影響區域，其中ERPG-2為50 ppm(1 ppm=10-6)，ERPG-3為500 ppm。當毒氣濃度在50 ppm和500 ppm之間時，會嚴重影響人體健康，會對人體某些器官造成傷害；當毒氣濃度達到500 ppm(ERPG-3)以上時，會對人體健康造成嚴重的影響并威脅生命[1]。本文利用ALOHA軟件對環氧乙烷儲罐泄漏擴散造成的中毒事故后果進行了模擬計算，并確定了中毒事故的毒性影響范圍。

2.1 夏季環氧乙烷儲罐泄漏擴散中毒事故后果模擬

選取夏季環境因素參數，通過ALOHA軟件模擬得到夏季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的中毒事故的毒性危害距離以及發生大孔泄漏(10 cm)時的毒性影響范圍，見表2和圖1。

表2 夏季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的中毒事故毒性危害距離

圖1 夏季環氧乙烷儲罐發生大孔泄漏(10 cm)時中毒事 故的毒性影響范圍Fig.1 Toxic influence range of large hole leakage(10 cm) of ethylene oxide storage tank in summer

由表2和圖1可以看出，夏季場景下隨著泄漏孔徑的增大，環氧乙烷儲罐發生泄漏擴散所造成的中毒事故的毒性危害距離也隨之增大，且毒性危害距離隨泄漏孔徑增大的變化范圍在環氧乙烷濃度為50 ppm時比500 ppm時大。

2.2 冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散中毒事故后果模擬

選取冬季環境因素參數，通過ALOHA軟件模擬得到冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的中毒事故的毒性危害距離以及發生大孔泄漏(10 cm)時的毒性影響范圍，見表3和圖2。

表3 冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的中毒事故毒性危害距離

圖2 冬季環氧乙烷儲罐發生大孔泄漏(10 cm)時中 毒事故的毒性影響范圍Fig.2 Toxic influence range of large hole leakage (10 cm) of ethylene oxide storage tank in winter

由表3和圖2可以看出，冬季場景下隨著泄漏孔徑的增大，環氧乙烷儲罐發生泄漏擴散所造成的中毒事故的毒性危害距離也隨之增大，且毒性危害距離隨泄漏孔徑增大的變化范圍在環氧乙烷濃度為50 ppm時比500 ppm時大。

2.3 夏季和冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散中毒事故后果模擬結果的對比

根據夏冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的中毒事故毒性危害距離的模擬結果(見表2和表3)，得到夏季和冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的中毒事故的毒性危害距離折線圖，見圖3。

圖3 夏季和冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散 造成的中毒事故毒性危害距離折線圖Fig.3 Toxic hazard distance caused by leakage and diffusion of different apertures of ethylene oxide storage tank in different seasons

由圖3可見,夏季環氧乙烷儲罐泄漏擴散所造成的中毒事故的毒性危害距離均大于冬季環氧乙烷儲罐泄漏，且毒性危害距離的變化范圍在環氧乙烷濃度為50 ppm時比500 ppm時更明顯。

3 環氧乙烷儲罐泄漏擴散池火災事故后果模擬

環氧乙烷儲罐泄漏后的液態成分遇點火源會形成池火災，泄漏孔徑大小不同，形成的池火災的熱輻射強度也不相同[1]。由于池火災的主要危害是熱輻射對人體的傷害，故在火災事故后果分析中，以熱輻射強度來劃分危害區域。假設受到熱輻射影響的時間為1 min，當熱輻射強度等級為3級，即2 kW/m2時，會導致人體疼痛；當熱輻射強度等級為2級，即5 kW/m2時，會導致人體燒傷；當熱輻射強度等級為1級，即10 kW/m2時，會導致人體死亡。本文采用這三個熱輻射強度來劃分夏季和冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散造成的池火災事故的熱輻射影響范圍。

3.1 夏季環氧乙烷儲罐泄漏擴散池火災事故后果模擬

選取夏季環境因素參數，通過ALOHA軟件模擬得到夏季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的池火災事故的熱輻射危害距離以及發生大孔泄漏(10 cm)時池火災事故的熱輻射影響范圍，見表4和圖4。

表4 夏季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的池火災事故熱輻射危害距離

圖4 夏季環氧乙烷儲罐發生大孔泄漏(10 cm)時池 火災事故的熱輻射影響范圍Fig.4 Influence range of pool fire in case of large hole leakage(10 cm) of ethylene oxide storage tank in summer

由表4和圖4可以看出，夏季場景下隨著泄漏孔徑的增大，環氧乙烷儲罐發生泄漏擴散所造成的池火災事故的熱輻射危害距離也隨之增大，且池火災事故的熱輻射危害距離在不同熱輻射強度(10 kW/m2、5 kW/m2、2 kW/m2)下隨泄漏孔徑增大的變化范圍也依次增大。

3.2 冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散池火災事故后果模擬

選取冬季環境因素參數，通過ALOHA軟件模擬得到冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的池火災事故的熱輻射危害距離以及發生大孔泄漏(10 cm)時的池火災事故的熱輻射影響范圍，見表5和圖5。

表5 冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的池火災事故熱輻射危害距離

圖5 冬季環氧乙烷儲罐發生大孔泄漏(10 cm)時池火 災事故的熱輻射影響范圍Fig.5 Influence range of pool fire in case of large hole leakage(10 cm) of ethlene oxide storage tank in winter

由表5和圖5可以看出，冬季場景下隨著泄漏孔徑的增大，環氧乙烷儲罐發生泄漏擴散所造成的池火災事故的熱輻射危害距離也隨之增大，且熱輻射危害距離在不同熱輻射強度(10 kW/m2、5 kW/m2、2 kW/m2)下隨泄漏孔徑增大的變化范圍也依次增大。

3.3 夏季和冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散池火災事故后果模擬結果的對比

根據夏、冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的池火災事故熱輻射危害距離的模擬結果(見表4和表5)，得到夏季和冬季場景下環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成池火災事故的熱輻射危害距離折線圖，見圖6。

圖6 夏季和冬季場景下環氧乙烷儲罐不同孔徑泄 漏擴散造成的池火災事故熱輻射危害距離Fig.6 Heat radiation hazard distance of pool fire caused by leakage and diffusion of different apertures of ethylene oxide storage tank in different seasons

由圖6可見：冬季環氧乙烷儲罐泄漏所造成的池火災事故的熱輻射危害距離略微大于夏季環氧乙烷儲罐泄漏。

池火災是環氧乙烷泄漏后的液態成分遇點火源形成的，且環氧乙烷的沸點為10.7℃，平時以液態儲存在儲罐中，但當發生環氧乙烷儲罐泄漏時，冬季儲罐泄漏后汽化的環氧乙烷相比于夏季較少。

4 環氧乙烷儲罐泄漏擴散蒸氣云爆炸事故后果模擬

蒸氣云爆炸(VCE)是可燃性氣體混合物經過一段延遲時間后，可燃蒸氣云被點火源點燃發生著火或爆炸，產生了危險的沖擊波超壓。由于蒸氣云爆炸的主要危害來自沖擊波超壓，故利用ALOHA軟件對環氧乙烷儲罐泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故后果進行了數值模擬計算。當沖擊波超壓強度為0.055 MPa時，會造成建筑物毀壞；當沖擊波超壓強度為0.024 MPa時，會造成人員重傷；當沖擊波超壓強度為0.007 MPa時，會造成玻璃破碎[1]。

4.1 夏季環氧乙烷儲罐泄漏擴散蒸氣云爆炸事故后果模擬

選取夏季環境因素參數，通過ALOHA軟件模擬得到夏季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故產生的沖擊波超壓危害距離以及發生大孔泄漏(10 cm)時蒸氣云爆炸事故產生的沖擊波超壓的影響范圍，見表6和圖7。

表6 夏季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故沖擊波超壓危害距離

圖7 夏季環氧乙烷儲罐發生大孔泄漏(10 cm)時 蒸氣云爆炸事故產生的沖擊波超壓影響范圍Fig.7 Influence range of overpressure of shock wave of vapor cloud explosion in case of large hole leakage (10 cm) of ethylene oxide storage tank in summer

由表6和圖7可以看出，夏季場景下隨著泄漏孔徑的增大，環氧乙烷儲罐發生泄漏擴散所造成的蒸氣云爆炸事故的沖擊波超壓危害距離也隨之增大，且沖擊波超壓危害距離在不同沖擊波超壓強度(0.055 MPa、0.024 MPa、0.007 MPa)下隨泄漏孔徑增大的變化范圍也依次增大。

4.2 冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散蒸氣云爆炸事故后果模擬

選取冬季環境因素參數，通過ALOHA模擬得到冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故產生的沖擊波超壓危害距離以及發生大孔泄漏(10 cm)時蒸氣云爆炸事故產生的沖擊波超壓的影響范圍，見表7和圖8。

表7 冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故沖擊波超壓危害距離

圖8 冬季環氧乙烷儲罐發生大孔泄漏(10 cm)時 蒸氣云爆炸事故產生的沖擊波超壓影響范圍Fig.8 Influence range of overpressure of shock wave of vapor cloud explosion in case of large hole leakage (10 cm) of ethylene oxide storage tank in winter

由表7和圖8可以看出，冬季場景下隨著泄漏孔徑的增大，環氧乙烷儲罐發生泄漏擴散所造成的蒸氣云爆炸事故的沖擊波超壓危害距離也隨之增大，且沖擊波超壓危害距離在不同沖擊波超壓強度(0.055 MPa、0.024 MPa、0.007 MPa)下隨泄漏孔徑增大的變化范圍也依次增大。

4.3 夏季和冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散蒸氣云爆炸事故后果模擬結果的對比

根據夏、冬季環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故沖擊波超壓危害距離的模擬結果(見表6和表7)，得到夏季和冬季場景下環氧乙烷儲罐不同孔徑泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故產生的沖擊波超壓危害距離折線圖，見圖9。

圖9 夏季和冬季場景下環氧乙烷儲罐泄漏擴散造成的 蒸氣云爆炸事故沖擊波超壓危害距離Fig.9 Hazard distance of vapor cloud explosion caused by leakage and diffusion of ehtylene oxide storagae tank in summer and winter

由圖9可見，夏季環氧乙烷儲罐泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故產生的沖擊波超壓危害距離均明顯大于冬季環氧乙烷儲罐泄漏，且沖擊波超壓危害距離的變化范圍在沖擊波超壓強度為0.007 MPa時比0.024 MPa和0.055 MPa時更明顯。

5 結 論

本文基于ALOHA軟件對夏季和冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散造成的中毒、池火災和蒸氣云爆炸事故后果進行了數值模擬研究和對比分析，得出如下結論：

(1) 夏季環氧乙烷儲罐泄漏擴散所造成的中毒事故的毒性危害距離均大于冬季環氧乙烷儲罐泄漏，且毒性危害距離的變化范圍在環氧乙烷濃度為50 ppm時比500 ppm時更明顯。

(2) 夏季環氧乙烷儲罐泄漏擴散造成的蒸氣云爆炸事故所產生的沖擊波超壓危害距離均明顯大于冬季環氧乙烷儲罐泄漏，且沖擊波超壓危害距離的變化范圍在沖擊波超壓強度為0.007 MPa時比0.024 MPa和0.055 MPa更明顯。

(3) 模擬結果表明：不同于中毒事故和蒸氣云爆炸事故，冬季環氧乙烷儲罐泄漏擴散所造成的池火災事故的熱輻射危害距離略微大于夏季環氧乙烷儲罐泄漏。