重氣體泄漏的擴散特征及應急處置要點

尹亮(天津市應急管理處置中心，天津 300220)

0 引言

氣態或低沸點液態危險化學品發生泄漏事故后，多數以重氣體云的形式在空氣中擴散傳播，對事故點周邊的人員產生毒害，遇引火源易發生燃燒、爆炸，引發危險化學品事故，造成人員和財產的損失。文章對重氣體的擴散行為進行分析總結，為危險化學品泄漏事故的應急救援處置、降低人員傷亡和財產損失提供參考。

1 研究的必要性

氣體具有自由擴散的特點，因此氣態危險化學品(包括儲存在壓力容器中的常溫或低溫液化氣體，或低沸點、易揮發液體等)發生泄漏時，往往通過蒸發的形式生成氣體云，擴散至事故地點周邊環境中，威脅擴散區域內人員的健康和安全，處置不當易引發燃燒、爆炸、急性中毒等不良后果。因此是危險化學品泄漏事故救援處置中的重點和難點。

根據統計，建國以來至上世紀末，我國化工系統共發生52 起重(特)大典型泄漏事故。其中由泄漏導致的火災、爆炸、中毒事故共計42起，涉及24 種化學品。從事故的發生次數上統計，前六名分別為液氨(15.69%)、液氯(13.73%)、氯乙烯(13.73%)、液化石油氣(7.84%)、一氧化碳(7.84%)、苯(5.88%)，占比總數為64.6%。從造成的死傷人數上統計，前六名分別為液氯(49.82%)、一甲胺(21.61%)、液氨(11.00%)、液化石油氣(8.93%)、苯(3.90%)和氯乙烯(3.32%)，占比總數高達98.58%。以上統計結果涉及的8種化學品中，除一氧化碳以外，都可歸類為重氣體泄漏事故[1]。

2020年6月13日下午，位于浙江溫嶺市的沈海高速公路溫嶺段溫州方向，溫嶺西出口下匝道發生一起液化石油氣槽罐車重大泄漏爆炸事故。事后查明，一輛裝有25.36 t液化石油氣的罐車在行駛至匝道時，由于超速導致罐車失控，與護欄發生猛烈碰撞，導致罐體破裂，罐內液化石油氣迅速閃蒸為重氣團，迅速擴散至周邊并發生爆炸，引發民房及廠房倒塌，造成20 人死亡，176 人入院治療(其中24 人重傷)，直接經濟損失9 947萬元[2]。

重氣由于其自身特性，其泄漏后的閃蒸、擴散、滯留等過程與普通氣體存在很大差異。若使用經典氣體擴散模型預測其擴散行為，與實際情況存在很大誤差。因此對重氣擴散規律特點開展研究，從而更好預測重氣體擴散的危害性，對危險化學品泄漏事故應急處置工作具有重要指導意義。

2 重氣的概念及擴散特點

2.1 重氣的定義和形成機理

所謂重氣是指具有重氣效應的氣體。一種氣體是否被認為是重質氣體，通常是由其理查遜數(Richardsonnumber，縮寫為Ri)來確定，Ri是無因次量，在大氣流體力學研究中，代表大氣凈穩度與垂直風切變的比，計算公式如下(1)：

式中：Ri為理查遜數；Δρ為重氣與空氣的密度差；g為重力加速度；h為泄漏的垂直高度；ρ為重氣體密度；u為氣團初始速度。

理查遜數越大，重力勢能對氣體的影響越明顯。當Ri大于一定數值時(一般取值為1～10之間)，通常可認為氣體的擴散行為符合重氣標準，受重氣擴散規律支配。重氣團的形成原因可分為下列4種：

(1)大分子量氣體蒸氣由容器或管路裂口噴出，形成高速噴流，迅速與空氣混合形成氣云；

(2)高蒸氣壓液體和低溫液化氣體以低于標準大氣壓下的沸點溫度貯存，泄漏后在事故地點形成液池，因快速吸熱蒸發產生蒸氣，與空氣混合形成氣云；

(3)高壓液化氣體或兩相流體由泄漏口或減壓系統逸出，形成高速兩相噴流，因空氣動力原因分散成為氣溶膠，與空氣混合形成氣云；

(4)氣態物質與空氣中的水蒸氣反應形成重氣云團[3]。

2.2 重氣擴散的行為特點

“6·13”沈海高速溫嶺段液化石油氣罐車爆炸事故發生之前，目擊者對現場泄漏情況拍攝了照片，如圖1所示。

圖1 “6·13”沈海高速溫嶺段液化石油氣罐車爆炸事故 爆炸前液化石油氣的泄漏擴散照片

由照片可看到，泄漏出的液化石油氣重氣團與空氣之間存在顯著密度差異，氣團首先因自重下沉，呈現重力坍塌狀態，沿地面水平擴展，形成低而扁平的氣云，容易積存于低洼地帶或被地面植被阻礙，難以快速擴散稀釋。因液化石油氣爆炸下限較低(體積分數1.5%即可引發爆炸)，因此泄漏區域會長時間處于危險濃度范圍，期間任何火源都可能將混合氣體引爆，對泄漏點周邊人員安全形成威脅。根據事故調查報告，事故罐車從發生罐體破裂導致液化石油氣泄漏，到發生第二次劇烈爆炸，僅用時2 min[2]。

2.3 重氣擴散過程的物理變化

重氣擴散與非重氣擴散存在很大不同，在擴散初始階段，云團主要受其自身重力坍塌作用影響，出現凹陷現象，引起云團高度減小，徑向尺寸增大，由于重氣云團內部的穩定分層作用，一定程度上抑制了空氣的卷吸，云團體積的變化較小。隨著空氣的卷吸速率增加，云團被逐步稀釋，重氣效應逐漸消失，最終與大氣完全混合。重氣擴散過程受到多種因素影響，包括容器內泄漏物質的壓力、溫度和比重、環境溫度、風速、風向等。此外，泄漏現場地表的坡度、粗糙度及障礙物尺寸也是影響重氣云團擴散的關鍵因素，均會對泄漏物濃度空間分布情況造成影響。

3 重氣擴散的模型和近期研究成果

3.1 重氣擴散的模型

由于重氣擴散行為的復雜性，自20世紀80年代開始，研究人員采用大型現場試驗，或使用縮微模型模擬的方式開展研究。隨著流體力學和計算機仿真技術的發展，近年來的研究主要以風洞模擬和計算機軟件模擬為主。為更準確地描述重氣泄漏擴散行為，研究人員在經典氣體擴散模型的基礎上，通過設定一定的初始附加條件，提出一些數學模型，用以模擬重氣體擴散的行為。其中包括用于理論探索的研究模型(CFD，Monte-Carlo和FEM3等)和用于實際應用的工程應用模型(DEGADIS模型、SLAB模型、AFTOX模型、ALOHA模型等)。理論研究模型由于計算量大，適用面較窄，多數用于純理論研究。工程模型由于對計算量要求不高，數據擬合程度基本達到要求，是化學品泄漏應急處置研究中的首選[4]。

3.2 近期國內研究成果

近年來，我國科研人員通過計算機模擬的方式，對重氣擴散行為進行研究，取得了一定的成果。南京工業大學吳玉劍等研究發現，重氣體經過寬大建筑時，會在建筑物迎風面形成氣體積聚。氣體經過高大建筑時，建筑兩側氣體濃度會增加，建筑位于泄漏點附近的上風向時，重氣體也會在建筑背風面形成積聚[5]。季一丹等的研究表明，氯氣泄漏口大小與泄漏口附近的氣體濃度成正比，泄漏位置周邊植被對氯氣擴散具有延緩遲滯作用，當風速大于2.5 m/s時，風流能夠起到稀釋氯氣濃度作用[6]。黃琴利用計算流體力學技術(CFD)對經典重氣擴散現場實驗進行模擬計算，并與實測數據進行對比，證明了使用FLUNENT軟件模擬的結果，與實測數據吻合程度更高。重氣體擴散區域存在障礙物時，下風向背風處存在高濃度區。其他條件不變時，泄漏速度的增加對擴散范圍影響不明顯，只是同一點的濃度得到了提高。同時證實了重氣體連續泄漏源在風速較低、泄漏速度較大的情況下，在近源處會出現氣體分叉現象，這是重氣擴散行為的一個特點[7]。

4 典型重氣泄漏事故案例的計算與分析

現以“6·13”沈海高速溫嶺段液化石油氣罐車爆炸事故為例，使用ALOHA軟件進行危害區域模擬和分析說明。

4.1 ALOHA軟件介紹

ALOHA是美國環保署為化學品泄漏事故開發的一款風險模擬軟件，能夠對因化學品泄漏而導致的有毒氣體擴散、火災或爆炸等危險事故的危害范圍進行模擬。軟件計算選項里提供根據重氣體模型計算的選項，可以借該軟件對比輕重氣體擴散的特點。改變大氣流動參數，可以對不同初始條件對重氣擴散產生的影響進行模擬。

4.2 計算模擬分析

4.2.1 高斯模型與重氣模型的擴散模擬圖對比

在ALOHA軟件的地點選項中建立事發地數據，事發地點為沈海高速通往溫嶺西收費站的互通橋匝道附近，根據百度地圖反查該點坐標為北緯28 度29 分，東經 121度15分，事發地點為平原地區，取溫嶺地區典型海拔高度4 米作為海拔參考，國家為中國，時間偏差按照東八區為-8小時，時間采用非夏令時，如圖2所示。

圖2 通過地圖反查事發地坐標，建立事發地位置數據

化學品選項中，為簡化計算，以純丙烷代替液化石油氣作為泄漏化學品，如圖3所示。

圖3 化學品選擇丙烷

大氣選項中，由tianqi.2345.com網站查詢溫嶺市歷史氣象信息，2020年6月13日，溫嶺市氣溫32～26 ℃，風速3級，風向為西南，三級風風速為3.4～5.4 m/s，取 4.0 m/s的中間值，地面情況選擇開放地面。根據氣象與事發當日現場照片，選擇中度多云天氣。事發時間為16時41分，根據當日氣溫，選擇氣溫30 ℃，大氣穩定度由軟件根據風速和云量自動設置，濕度選擇75%，如圖4所示。

圖4 建立泄漏區域大氣數據

根據事故報告，罐車自16時41分因罐體撕裂開始迅速泄漏，16時42分發生第一次爆燃，16時43分發生劇烈爆炸，由罐體破裂到劇烈爆炸只經歷了2 min。可認為罐內全部液化石油氣瞬間被泄漏到大氣中，泄漏量25.36 t。為簡化計算，泄漏模式選擇瞬時泄漏，根據泄漏現場航拍圖，結合事發點橋下已出現橋洞，可以估算泄漏點距地面高度至少為2 m以上，取4 m的泄漏高度進行計算(圖5)。

圖5 建立事故點泄漏源數據

在計算選項中分別使用經典高斯擴散模型與重氣擴散模型對以上數據進行計算(圖6)。

圖6 選擇計算模式

可得以下模擬對比圖(圖7)。

圖7 分別使用高斯模型和重氣模型對泄漏擴散進行模擬(風速設定為4 m/s，其他條件不變)

將風速降低至1 m/s重復以上數據的計算，結果如圖8所示。

圖8 分別使用高斯模型和重氣模型對泄漏擴散進行模擬(風速設定為1 m/s，其他條件不變)

由對比可知，對于重氣擴散，由于氣云重力坍塌效應，逆風向側也存在部分重氣體高濃度區域。在瞬時泄漏情況下，在1 m/s和4 m/s兩種風速都是擴散到下風向500 m左右的范圍。但在低風速下，下風向存在一個寬度很大，面積可觀的燃燒爆炸危險區。只有風速超過一定數值之后，下風向擴散距離才會明顯擴大，風力才會對重氣擴散起到有效的稀釋作用。

4.2.2 危險區的估算和范圍確定

隨著大數據時代與人工智能時代的到來，2016年，黃河科技學院新開設數據科學與大數據技術、智能科學與技術兩個本科專業。其中數據科學與大數據技術專業全國僅有35所高校開設，在河南省高校中屬于首開專業。大數據與智能技術學院擁有一支以中青年教師為主體、學術活力充沛的教學科研團隊，包括教授3人，副教授9人，講師18人，其中具有博士學位10人、碩士學位 20 人；學科帶頭人為國家杰出青年基金獲得者。學院的人工智能研究所，專注于大數據和人工智能的理論、方法和技術發展前沿，凝聚了一批自動化、計算機、大數據等領域的優秀研究人員，承擔專業課教學任務，并能為創新班學生提供研究指導和專業技術實踐環境。

根據圖1和高速出口收費站攝像頭捕捉的爆炸瞬間監控圖像，結合地圖測量，重氣云團在爆炸前擴散半徑達到約176 m，第二次劇烈爆炸區域半徑約254 m，如圖9所示。

圖9 根據監控視頻估算爆炸半徑

將擴散影響圖與地圖以事故發生地點為重合點進行疊加，可看到模擬的危險區范圍在地圖上的分布情況，如圖10所示。

圖10 將危害圖與爆炸現場地圖疊加，估算危險區域范圍

淺色實線區域為可能存在燃燒爆炸危險的區域，深色區域為存在燃燒爆炸危險的區域，與現場估算的范圍存在一定誤差。誤差產生的原因可歸結為：

(1)現場實時風速和風向的影響；

(2)地面粗糙度和障礙物對于重氣團的阻礙；

(3)由于罐體經歷了撕裂并被彈出的過程，泄漏點位置與事故初始發生地點存在誤差。

盡管以上模擬存在一定誤差，但ALOHA軟件對現場應急處置人員評估爆炸事故后果，及時疏散危險區人員仍具有很大的參考價值。

4.2.3 瞬時釋放與連續釋放的模擬對比

圖11 液化石油氣瞬時泄漏與連續泄漏對危險區模擬結果的影響

通過對比可以看出，緩慢泄漏有助于減小泄漏危害面積，降低污染區內氣體濃度，對于發生大流量液化氣體泄漏的移動式容器，可在保證操作人員安全的前提下，盡量將泄漏孔洞置于罐體的氣相空間內，減緩液化氣體的泄漏速度，為后續處置救援打下基礎。

4.2.4 對泄漏區域室內外氣體濃度進行比較

對4.2.1的泄漏情況，設定距事發點正下風向150 m處為觀測點，通過軟件模擬該點室內外可燃氣體濃度變化。同時增加對照組，設定泄漏源為連續泄漏，泄漏速度為1.7 t/min(根據15 min泄漏25.26 t液化石油氣近似估算)，其他條件不變，與瞬時泄漏的情況進行對比，如圖12所示。

圖12 泄漏事故點下風方向150 m處室內外危險氣體濃度比較 （細實線代表室外液化石油氣濃度變化，虛線代表室內濃度變化情況）

對瞬時泄漏情況，位于正下風向150 m位置的戶外，泄漏發生約1 min到3 min之間，室外氣體濃度存在一個峰值，超過了爆炸下限，隨后急速下降。根據公開的事故報告，溫嶺爆炸事故正也是在罐車泄漏2 min左右時發生的。而對于同一位置的室內空氣環境而言，封閉空間內危險氣體濃度變化很小。這一結果提示人們，對瞬時泄漏，事故點周邊人員如無法迅速撤離，可利用封閉的室內空間應急避險，從而減輕有害氣體燃燒爆炸或毒性對人員安全的威脅。

對大流量連續泄漏的持續，室外氣體濃度隨著擴散的進行不斷上升，最終與擴散達到平衡，達到一個相對穩定的數值。同時室內危險氣體濃度也將隨時間不斷上升，最終與室外氣體濃度逐漸接近，如超過爆炸下限，將威脅室內人員安全。因此對于連續泄漏源，從事故發生開始，就應立即設法控制泄漏源，在降低泄漏速度的同時，盡快組織危險區域人員轉移。

5 重氣泄漏事故應急救援中注意事項

綜合前人的研究成果，結合ALOHA軟件對重氣泄漏事故的計算模擬，本文對重氣泄漏事故現場應急處置行動提出以下建議：

(1) 對重氣體泄漏事故處置工作，其首要任務在于控制泄漏源，在條件允許的情況下，盡量減少泄漏量，降低泄漏速度對穩妥處置事故極為重要。

(2)對固定式液態或氣態化學品存儲裝置，除按照《建筑設計防火規范》要求，根據企業所在地常年風向確定儲罐在廠內位置，與周邊保持安全距離之外，如存儲易燃易爆化學品，可通過設立障礙物，加裝導流裝置等方式，引導泄漏后的化學品向空曠無人地帶擴散，盡快稀釋氣體濃度，消除火災爆炸隱患；對于有毒化學品，則應通過將化學品分瓶儲存、放置于單獨的密閉空間、加裝噴淋吸收裝置等形式，盡量抑制有毒物擴散，為疏散周邊人們爭取時間。

(3)對化學品罐車泄漏事故，液化氣體快速蒸發的情況，救援人員首先應考慮盡快調整罐體，使泄漏口位于罐內氣相空間，可以有效降低氣體泄漏速度和產生的重氣云規模，降低泄漏影響范圍。

(4)由于重氣的特殊性質，泄漏后氣云的擴散范圍和面積相比于輕質氣體要大，在低風速和低大氣擾動條件下，下風向大部分地區的室外均為火災爆炸危險區，疏散人員時應注意擴大下風方向人員的疏散范圍。由于重力塌陷原因，也要考慮對上風向潛在高濃度區域人員進行疏散。

(5)重氣體云傾向于生成貼地的氣團，并容易在粗糙地面、障礙物和大型建筑附近積聚滯留，處置過程中應注意對以上區域加強稀釋和驅散。人員疏散時應注意遠離障礙物和建筑物附近區域。

(6)對以瞬時泄漏為主的泄漏事故，靠近泄漏點附近的被困人員要綜合判斷形勢，充分利用密閉空間進行避險，待室外有害氣體濃度峰值過后再行疏散，盲目離開建筑物轉移可能引起更大的傷亡。對于大流量連續泄漏型泄漏事故，則應在盡力控制泄漏源的前提下，由近及遠，果斷撤離污染區人員。

6 結語

文章以“6·13”沈海高速溫嶺段液化石油氣罐車爆炸事故為案例，對重氣體的擴散特性進行研究和模擬，并提出了相關事故救援中的一系列注意事項。溫嶺事故是在極端的條件下，罐體短時間出現災難性破裂，內部的液化石油氣瞬間釋放造成短時間大量泄漏，導致泄漏救援未曾有效開展就發生嚴重爆炸。通常情況下，大部分重氣體泄漏事故有一個事故逐步演變升級的過程，救援人員是有一定時間開展疏散和應急救援工作的，只要嚴格依據化學品救援規程進行操作，科學施救，大部分事故是可以有效救援的。

道路危化品運輸過程中的泄漏事故是目前發生概率最高的危化品事故類型，由于發生地點的不確定性和事故地點周圍情況的復雜性，難以總結出適合一切條件下的救援處置方案，應在專業人員的指揮下，根據泄漏危化品性質開展事故偵查、人員疏散、救援滅火、堵漏輸轉等行動，完善的預案體系、專業的處置人員和周密的指揮流程是保障事故救援成功的關鍵。