氯乙烯储罐泄漏火灾爆炸事故后果分析

王小蓉, 杨　震, 王海波, 吴平霄

(1 广东中联兴环保科技有限公司,广东　广州　510335；2 华南理工大学环境与能源学院，广东　广州　510006)



氯乙烯储罐泄漏火灾爆炸事故后果分析

王小蓉1, 杨震1, 王海波1, 吴平霄2

(1 广东中联兴环保科技有限公司,广东广州510335；2 华南理工大学环境与能源学院，广东广州510006)

化学灾害事故中的有毒气体泄漏事故严重危害公共安全。泄漏事故发生后，有毒气体在单位时间内的扩散范围受多种因素的影响。利用ALOHA 软件可以模拟内外因对氯乙烯泄漏事故泄漏范围的影响，内因主要包括泄漏管径、罐内液体质量、泄漏位置。外因主要有风速、空气温度、湿度和稳定度。模拟的主要思路是，控制其中一个变量的变化以观察其对泄漏范围的影响，为氯乙烯泄漏、火灾爆炸事故的警戒范围的快速划分和事故应急处置提供参考。

氯乙烯；泄漏；火灾；爆炸；ALOHA

PVC是世界上常量最大的塑料产品的原材料之一具有料号的耐磨性、耐腐蚀性和电绝缘性，可做低频绝缘材料，关键及泡沫制品等，因价格低廉性能优越，因而深受市场欢迎近年来经济的[1]。在PVC树脂生产过程中，氯乙烯单体(VCM)的生产至关重要。VCM是生产聚氯乙烯树脂的主要原料，全世界99%的VCM产量用于生产聚氯乙烯[2]。从制备的方法来看我们能够把PVC分成以下三种：高聚合度、交联的、通用型。PVC单体能够在催化剂的作用下发生聚合反应生成通用型的PVC树脂；在PVC单体的反应系统中加入一些特殊的物质能够使PVC发生聚合生成高聚合度的树脂的；通过在C2H3Cl的单体中家兔一些交联剂(必须包含有双烯以及多烯)能够生成交联的树脂[3]。氯乙烯是一种重要的工业原料，在许多化工企业中大量使用，其在常温下为气态，在化工企业中通常采用加压液化储存，氯乙烯爆炸极限为3.6～31%[4]。

化工业的迅速发展一定程度上导致了化学灾害事故的频发，有毒气体泄漏是化学灾害事故的一种类型，有毒气体泄漏事故发生后容易造成严重的人员伤亡。但是，液化储罐内的液化气都是高压、低温的液体，它们的沸点低，蒸汽压高，非常易于蒸发，具有极大的爆炸及泄漏危险。而且绝大多数液化气的可燃蒸汽比空气重，不易于扩散，一旦发生泄漏事故，达到爆炸极限，遇到火源就将发生严重的燃烧爆炸事故，进一步还有可能导致更大范围的火灾[5]。国内外曾多次发生氯乙烯火灾并引起连锁爆炸的事故，造成惨重的损失[6]。

关于易燃、易爆、有毒危险化学品泄漏扩散模拟软件开发，国内外学者做了大量的工作，如ALOHA、SLAB、DEGADIS、SAFETYⅡ、化学品泄漏扩散仿真软件等[7]。ALOHA经过多年的发展，功能逐渐强大，可以用来模拟危险化学品泄漏后的毒气扩散、闪燃、火池、火球等模型[8]。

1　氯乙烯主要事故类型

1.1氯乙烯性质

本物质为《企业突发环境事件风险评估指南》(试行，环办[2014]34号)附录B和《重点环境管理危险化学品名录》中的化学品。无色、易液化气体，沸点-13.9 ℃，临界温度142 ℃，临界压力5.22 MPa。有毒，易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。

1.2氯乙烯储罐可能发生的主要事故

目前，PVC生产工艺采用氯乙烯直接聚合生成聚氯乙烯[9]，用事件树(图1)分析氯乙烯储罐泄漏可能引发的事故类型。氯乙烯储罐可能会有池火、沸腾液体扩展蒸气云爆炸(BLEVE)、蒸气云爆炸、喷射火、闪火和二次伴生气体扩散等多种事故形态，由于喷射火和闪火对环境危险性较小，故氯乙烯储罐事故后果常用的计算模型主要包括：(1)重气扩散；(2)沸腾液体扩展蒸气云爆炸(BLEVE)；(3)蒸气云爆炸(VCE)。

图1　氯乙烯泄漏事件树Fig.1　Vinyl chloride leak event tree

氯乙烯储罐管道发生破裂而引起泄漏20 min形成液池，部分蒸发形成易燃气团，遇明火液池形成池火，易燃气团发生蒸汽云爆炸，池火持续燃烧导致储罐内部压力增大发生BLEVE火球爆炸。

2　氯乙烯储罐事故后果分析

近年来，运用不同的数学模型，用计算机编制了许多的气体扩散软件。这些软件可以用来模拟危险化学品在空间的扩散过程，进而计算气体的浓度和确定事故影响范围。常见的软件有SLAB、DEGADIS、ARCHIE和ALOHA等[10]。这些软件使用不同的模型，各具特色，其中ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres，有害大气空中定位软件)是由美国环保署(EPA)化学制品突发事件和预备办公室(CEPPO)和美国国家海洋和大气管理(NOAA)响应和恢复办公室共同开发的应用程序[11]。ALOHA经过多年发的展，功能逐渐强大，可以用来计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等。ALOHA包括了一个近1000种常用化学品的数据库。这个数据库的信息包括化学品类型、意外事故的位置(市区或者郊区)、天气情况(温度，风速和风向)，还有意外事故变量(存储物料，泄漏孔尺寸，存储压力)等[12]。ALOHA采用的数学模型有：高斯模型、DEGAGIS重气扩散模型、蒸汽云爆炸、BLEVE火球等成熟的计算模型。本次计算使用到DEGAGIS重气扩散模型、蒸汽云爆炸、BLEVE火球模型。

某氯乙烯储罐储量1840吨，直径15700 mm×8061 mm，压力350000 Pa，围堰半径15.96 m。假设储罐泄漏发生在罐底相连管路的法兰处，管径为150 mm，取其20%、100%管径泄漏情况，泄漏时间均为20 min，分析其可能产生的后果。

综上所述，根据模型计算所得，污染物源强计算表如表1所示。

表1　氯乙烯源强计算表Table 1　Vinyl chloride source strong

2.1泄漏后有毒气体扩散后果分析

氯乙烯大量泄漏后与空气混合形成大型的薄雾云并持续扩散属于重气扩散模式，因此采用重气扩散模型。因此，采用软件对氯乙烯泄漏事故后果进行模拟。AEGLs是美国国家咨询委员会(National Advisory Committee, NAC)与国家研究委员会(National Research Council, NRC)针对国家、地方政府以及个人企业处理包括泄漏、灾难性暴露等紧急情况所制定的急性暴露标准。AEGL-1是空气中风险物质的浓度标准(以ppm或mg/m3表示)，超过该值般人群，包括敏感的个人，表现为明显不适，愤怒、或某些症状，非感官效果。AEGL-2是空气中风险物质的浓度标准(以ppm或mg/m3表示)，超过该值一般人群,包括敏感的个人，表现为不可逆转的或其他严重的,长期持久的不良健康影响，或受损的逃生能力。AEGL-3是空气中风险物质的浓度标准(以ppm或mg/m3表示)，超过该值一般民众，包括敏感的个人，能造成生命健康的影响或死亡[13]。

选取储罐20%管径和100%管径破裂，取其气象参数分别为稳定度B，风速1 m/s，稳定度D，风速2.2m/s进行模型分析计算，可知氯乙烯泄漏导致的影响区域如表2和图2所示。

表2　氯乙烯影响浓度范围Table 2　Vinyl chloride concentration range

图2　氯乙烯影响浓度范围Fig.2　Vinyl chloride concentration range

如果氯乙烯储罐发生泄漏，当破损管径20%，气象条件风速为1 m/s，稳定度为B时，AEGL-1为568 m，AEGL-2为267 m，AEGL-3为147 m，当破损管径100%，气象条件风速为2.2 m/s，稳定度为D时，AEGL-1为2700 m，AEGL-2为1200 m，AEGL-3为656 m。

氯乙烯泄漏产生气体扩散将有可能影响周边敏感点，现选取两个敏感点作为代表，敏感点距离风险源分别为200 m和1000 m，经模型分析计算，氯乙烯泄漏扩散对其代表性敏感点如表3所示。

表3　氯乙烯敏感点影响浓度Table 3　Vinyl chloride sensitive influence concentration

氯乙烯泄漏产生气体扩散，如果敏感点距离事故源200 m时，当破损管径20%，气象条件风速为1 m/s，稳定度为B时，室内影响浓度869.12 mg/cm3，室外影响浓度5956.03 mg/cm3。当破损管径100%，气象条件风速为2 m/s，稳定度为D，室内影响浓度43456.03 mg/cm3，室外影响浓度198364 mg/cm3。

如果敏感点距离事故源100 m时，当破损管径20%，气象条件风速为1 m/s，稳定度为B时，室内影响浓度5 mg/cm3，室外影响浓度218.3 mg/cm3。当破损管径100%，气象条件风速为2 m/s，稳定度为D，室内影响浓度874.23 mg/cm3，室外影响浓度4907.98 mg/cm3。

2.2BLEVE火球爆炸后果分析

当储罐发生破裂而氯乙烯泄漏后汽化，遇明火点燃，储罐内液相氯乙烯被加热升压，一部分液相介质转化为气相，使储罐内压力急剧升高，从而使球罐承受超压作用而发生沸腾液体扩展蒸汽爆炸(BLEVE)[14]。由于罐内为气液两相介质，通过模型分析计算，可知氯乙烯BLEVE爆炸导致的危害结果如表4和图3所示。

表4　氯乙烯BLEVE爆炸人体伤害对照表Table 4　Vinyl chloride vapor cloud explosion of human body damage table

图3　氯乙烯BLEVE爆炸影响范围Fig.3　Vinyl chloride BLEVE explosion scope

如果氯乙烯储罐发生BLEVE爆炸，致命影响半径为732 m，二级烧伤影响半径为1100 m，产生疼痛影响半径为1700 m。

2.3蒸汽云爆炸后果分析

表5　氯乙烯蒸气云爆炸人体伤害对照表Table 5　Vinyl chloride vapor cloud explosion of human body damage

图4　氯乙烯蒸汽云爆炸影响范围Fig.4　Vinyl chloride vapor cloud explosion

泄漏的氯乙烯如果没有发生沸腾液体膨胀蒸汽云爆炸现象或立即引发大火，氯乙烯就会与空气充分混合，在一定的范围聚集起来，形成预混蒸汽云，如果在稍后的某一时刻遇火点燃，由于气液两相物质已经与空气充分混合均匀，一经点燃其过程极为剧烈，会形成爆燃[15]。对蒸汽云覆盖范围内的建筑物及设备产生冲击波破坏，危及人们的生命安全。通过模型分析计算，可知氯乙烯爆炸导致的危害结果如表5和图4所示。

如果氯乙烯储罐发生蒸气云爆炸，人员致死的临界量半径为287 m，对人可逆影响的上限半径为411 m。

3　结　论

(1)氯乙烯气体易燃易爆，对人体存在毒害作用，泄漏的液态氯乙烯在常压常温的环境下，迅速气化，当扩散浓度达到氯乙烯的爆炸极限范围时遇到点火源便可能发生火灾、爆炸事故，可能导致有毒气体扩散、蒸汽云爆炸、BLEVE爆炸。因此在存储过程中必须小心对待，严防泄漏，避免事故的产生。

(2)从软件模拟结果可以看出，孔径泄漏的大小对泄漏范围的影响较为明显，加压储罐泄漏时间较短，故发生泄漏时，应及时堵漏或在此储罐附近应加强监测系统、切断系统、减缓系统建设，防范于未然，最大程度减少对外界的不良影响。

综上所述，氯乙烯泄漏及遇明火发生火灾、爆炸所造成的伤害与泄漏时间及泄漏量有很大关系，氯乙烯通常为加压储罐，在短时间内就能泄漏完，如果有较完善的监测系统、切断系统、减缓系统则会减少伤害和破坏损失。

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Analysis of Vinyl Chloride Tank Leakage Fire Explosion Accident Consequence

WANGXiao-rong1,YANGZhen1,WANGHai-bo1,WUPing-xiao2

(1 Guangdong Sino-co-flourish Environmental Protection Technology Co., Ltd.,Guangdong Guangzhou, 510335; 2 College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006, China)

The leakage accidents of toxicant gases in chemical disasters seriously endanger public security. The diffusion range of toxicant gases depends on a variety of factors. The influence of internal and external factors to diffusion range of a vinyl chloride leakage could be simulated based on ALOHA software. Internal factors mainly include the aperture of leakage hole, liquid quality and leakage location. External factors mainly involve wind speed, air temperature, air humidity and atmospheric stability. The main idea of the simulation is to control one of the variable factors in order to observe the influence that brings to leakage range. The conclusion provides reference for the compartmentalization of diffusion range and emergency disposal of vinyl chloride leakage, fire and explosion accident by comparing the influencing trend of every factor to the size of the threaten area.

vinyl chloride；leak；fire；explosion；ALOHA

王小蓉(1987-)，女，工程师，硕士研究生学历，主要从事环境应急领域研究。

X507

B

1001-9677(2016)08-0237-04