基于社会风险曲线的液氯泄漏事故后果分析研究*

吴子科 刘晋 齐东川 吴进 王琦

(1.重庆市安全生产科学研究院 重庆 401331； 2.重庆科技学院 重庆 401331；3.重庆市航空应急救援总队 重庆 401331)

0 引言

由于化工生产装备多管道、多连接口的特性，“泄漏事故”是化工企业常见的安全事故之一[1-2]。一旦泄漏容易引发人员中毒，遇到明火或高温会引发火灾甚至爆炸等事故，是危害企业安全的主要因素，对化工企业造成了极大的困扰；对有毒有害气体在不同情况下的泄漏进行模拟，能够让企业了解各种生产状态下事故发生的后果以及概率，进而帮助企业找到生产与安全之间的平衡，使企业在追求生产效益的同时也能保障安全，具有突出的现实意义。

在各种企业风险评价的方法中，运用社会风险曲线(F-N)来衡量企业生产安全是主流的方式[3]。其原理是通过衡量某一事故发生群死群伤的概率是否在社会公众的可接受范围来确定该情况下生产是否合理。通常分为不可接受区、尽可能降低区以及可接受区，最理想的状态是社会风险在接受区范围内，表明系统的安全性较高。F-N曲线示意图如图1所示[4-5]。

图1 社会风险(F-N)曲线示意

1 某化工企业概况

2 事故后果模拟计算分析

2.1 模拟软件介绍及模拟参数选取

事故后果模拟计算采用挪威船级社PHAST软件。PHAST软件是由挪威船级社(DNV)开发的，是专门用于石油石化领域危险分析与安全计算的软件，已在许多国家广泛运用并获得认可[6-7]。

氯气(液氯)属于剧毒危险化学品，一旦发生泄漏事故，将会导致一定范围内的人员中毒、甚至死亡[8]。本文对厂区内的钢瓶、储罐的液氯泄漏导致的事故后果进行模拟计算。

(1)泄漏源参数的选取见表1。

表1 数值模拟计算选用参数

(2)泄漏场景及计算所用的设备失效频率选取《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T 37243—2019)中推荐的压力设备的失效频率值，其主要失效场景和设备失效频率值见表2。

表2 压力容器的失效频率

(3)气象参数，选取当地平均风速1.9 m/s，大气稳定度D(在此稳定度下，大气处于中度稳定状态，有相对较大的危险性)，同时根据项目所在地风玫瑰图考虑16个风向以及每个风向的风频。

2.2 事故后果定量计算结果

氯气泄漏后，扩散阶段主要分为在容器压力作用下的被动扩散和当云团压力达到大气压时的主动扩散。氯气密度比空气大，属于重气扩散，需采用UDM扩散模型进行模拟。采用PHAST软件将液氯钢瓶、液氯储罐作为压力容器进行建模计算，计算时间设置为3 600 s，关注高度为0 m。模拟了液氯钢瓶、液氯储罐在小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏、完全破裂4种事故情景下的氯气体扩散的影响范围。扩散时选择的关注体积分数分别为1×10-6、3×10-6、2×10-5、5×10-4。其中1×10-6、3×10-6、2×10-5为《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T 37243—2019)表G.1中氯气推荐的ERPGS影响阈值关注浓度，5×10-4为氯气致死体积分数。其基本含义为

①ERPG-1(氯气体积分数为1×10-6)：当人员暴露在该体积分数的环境中1 h时，除受到短暂的微弱不良健康影响，或恶劣气味之外，不会有更严重的不良影响。

②ERPG-2(氯气体积分数为3×10-6)：人员暴露在该体积分数的环境中1 h时，不会受到不可逆或严重健康影响，或者不会降低人员自身采取防护措施的能力。

矿区内一组NNW向的褶皱和张扭性断裂及伴生的近EW向张扭性断裂，是广西山字型构造前弧西翼的一部分，是区内最发育的一组构造形迹。其组合特征：由南至北，走向由NW逐渐转向NNW，再转向NW，总体呈似反“S”形，呈两个弧形分别稍向西和东突出。中部具有向NNW撒开，向南东逐渐收敛的趋势。表明五圩地区曾受到区域性顺时针扭力的作用[5]。五圩背斜核部中段箭猪坡一带发育了一组扭性断裂，这些断裂控制了五圩地区内生热液矿产的分布。

③ERPG-3(氯气体积分数为2×10-5)：当人员暴露在该体积分数的环境中1 h时，不会产生危及生命健康的影响。

④致死浓度(氯气体积分数5×10-4)：当人员暴露在该体积分数的环境中5 min就会中毒死亡。

2.2.1 液氯钢瓶泄漏事故后果模拟分析

(1)不同泄漏场景事故状态下的影响距离。云团最大足迹反映了发生泄漏时，关注的4种浓度下的氯气能扩散影响的最大距离(顺风方向)，表3汇总了4种事故状态下，不同浓度的云团能波及的水平最远距离。由表看出，中孔泄漏波及距离最远，其体积分数1×10-6、3×10-6、2×10-5的云团扩散的距离均最大；大孔泄漏造成的死亡距离最大，为294 m。

表3 氯气钢瓶泄漏4种浓度下最远扩散距离 m

(2)不同泄漏场景事故状态下的影响高度。氯气云团扩散时会在高度上扩散，由云团扩散侧视图动态图像，可以看出4种事故情景下，云团可以扩散的最大高度，详细情况见表4。

表4 氯气钢瓶泄漏4种浓度下云团扩散最大高度 m

综合4种泄漏场景，发生泄漏事故时，体积分数1×10-6云团扩散能影响的最大高度为100 m，体积分数3×10-6云团扩散能影响的最大高度为62 m，场景均为中孔泄漏；体积分数2×10-5云团扩散能影响的最大高度为23 m，场景为大孔泄漏；体积分数5×10-4云团扩散能影响的最大高度为9.5 m，场景为灾难性破裂。

(3)不同泄漏场景事故状态下的影响范围。云团发生扩散时，不仅会顺着风向向前扩散，还会向左右两侧扩散，氯气泄漏在某一水平面上的影响范围，由两个方向云团扩散的距离综合决定[9]。

2.2.2 液氯储罐泄漏事故模拟分析

(1)影响距离。表5汇总了液氯储罐4中泄漏事故模型，氯气扩散产生的不同浓度可波及的水平最远距离。液氯储罐大孔泄漏波及距离最远，体积分数1×10-6、3×10-6、2×10-5、5×10-4的云团影响的距离均最大；体积分数1×10-6的云团影响水平距离可达3 826 m，体积分数3×10-6的云团影响水平距离可达1 299 m，体积分数2×10-5的云团影响水平距离可达1 086 m，体积分数5×10-4的云团影响水平距离可达412 m。

表5 液氯储罐4种泄漏模型的氯气扩散距离 m

(2)影响范围。当液氯储罐发生泄漏，云团扩散时，不仅会顺着风向向前扩散，还会向左右两侧扩散，氯气泄漏在同一水平面上的影响范围，由两个方向云团扩散距离决定。

(3)分析结论。由投射到地图上的致死体积分数5×10-4的云团影响范围可以看出，致死浓度主要影响区域为厂区，完全破裂时可能导致厂区外面的人员死亡，但在此影响范围内，没有居民区等防护目标。当大孔泄漏、完全破裂时，由体积分数2×10-5的云团投射到地图上影响范围可以看出，羊叉菁组、青杠园组、养猪场属于影响范围内，但羊叉菁组、青杠园组位于比厂区高出90 m的地方，结合云团最大影响高度，可知体积分数2×10-5云团扩散基本扩散不到该高度位置。因此体积分数2×10-5的云团主要影响该区域内的与厂区处于一个水平面上的人员。而大孔泄漏、完全破裂形成的体积分数1×10-6的云团会影响该地区的居民。

3 整体社会风险计算

本文针对某化工企业两处重大危险源(液氯钢瓶和液氯储罐区)采取了3种不同状态下的计算模型进行了社会风险模拟计算。由于搬迁周边居民的经济合理性差，当地自然条件(包括风向)不可控制，因此降低危险化学品最大储量，是降低企业整体社会风险的较好途径。为此本文选取了3种模型来模拟分析计算。

(1)第一方案：300个液氯钢瓶、3个液氯储罐(55.5 m3)全部使用的情况。重大危险源社会整体风险计算首次计算综合考虑了企业存在的最大风险，即300个液氯钢瓶、3个液氯储罐(55.5 m3)的整体社会风险。第一方案的社会风险曲线如图2所示。

图2 使用300个液氯钢瓶和3个液氯储罐(55.5 m3)社会风险曲线

第一方案的重大危险源社会风险曲线位于尽可能降低区内，没有进入不可容许区，但需要尽可能采取安全措施，降低风险。一次性事故死10人累计频率大致为7×10-6，死100人累计频率大致为2×10-6，死400人的频率大致为5×10-7。死亡人员主要为厂区内工作人员，因此建议厂区内离钢瓶储存区与储罐区该两处重大危险源较近的工作场所工作人员应相应减少，且附近区域作业的工作人员必须采取个人防护措施；建议厂区外部安全防护距离内不再新建人员密集的企业和居民住宅；建议调整区域规划，逐步减少周边人口密度。

(2)第二方案：只使用20个液氯钢瓶、3个液氯储罐(55.5 m3)的情况。按照应急管理部门的要求，需要针对采取措施后的重大危险源整体社会风险进行计算。为此本文按照20个液氯钢瓶、3个液氯储罐(55.5 m3)作为第二方案来计算重大危险源社会风险。第二方案重大危险源的社会风险曲线如图3所示。

图3 只使用20个液氯钢瓶和3个液氯储罐(55.5 m3)的社会风险曲线

由图3可知，在只使用20个液氯钢瓶和3个液氯储罐(55.5 m3)下，一次性死亡1人的事故概率为5×10-4，该概率曲线位于F-N曲线图的尽可能降低区。一次性死亡2人及以上的事故概率为6×10-5，完全位于F-N曲线图的可容许区，因此企业在液氯储罐区和液氯钢瓶区采取了有毒气体检测报警控制和SIS独立仪表控制系统后，目前第二方案重大危险源社会风险较小，属于可控范围内。

(3)第三方案：只使用20个液氯钢瓶、1个液氯储罐(55.5 m3)的情况。只使用20个液氯钢瓶和1个液氯储罐(55.5 m3)的社会风险曲线见图4。

图4 只使用20个液氯钢瓶和1个液氯储罐(55.5 m3)的社会风险曲线

由图4可知，在只使用20个液氯钢瓶和1个液氯储罐(55.5 m3)下，该企业重大危险源社会风险概率全部位于F-N曲线图的可容许区，死亡1人的概率小于1×10-5。但是由于企业生产工艺要求使用3个液氯储罐，因此只使用单个液氯储罐不能满足企业生产需求。

(4)风险计算小结。由于第一种方案，重大危险源社会风险100人以内死亡概率均落入F-N曲线图的尽可能降低区，未进入不可接受区，但是社会风险很大。

而第三种方案，重大危险源社会风险很小，风险概率曲线全部位于F-N曲线图的可容许区，但是只使用单个液氯储罐不能满足生产工艺需求。

因此建议企业采取第二种方案，使用20个液氯钢瓶和3个液氯储罐(55.5 m3)，既满足生产需求，而且重大危险源社会风险较小，死亡2人以上风险属于可控范围内，企业可以承受该风险。社会风险曲线位于尽可能降低区是要求企业在经济技术许可时，尽量降低风险。目前，企业在液氯储罐区和液氯钢瓶区采取了有毒气体检测报警控制和SIS独立仪表控制系统，社会风险处于可接受状态。

4 结论

(1)通过对某使用液氯的化工企业事故后果模拟分析研究，设置了3个模型的计算，通过比较分析，并对企业的生产需求和整体风险统筹考虑，在不改变厂区周边居民分布的情况下，针对企业的安全生产提出了最优控制方案。

(2)通过风险计算，发现危险化学品的储存量、周边居民分布情况、当地自然条件(主要为风向)这3个因素均为影响化工企业社会整体风险的关键指标，通过关键指标的控制，可以降低化工企业整体社会风险。

(3)由于搬迁周边居民的经济合理性差，当地自然条件(包括风向)不可控制，因此降低危险化学品储量和提高危险化学品贮存系统的自动控制技术，是化工企业降低其风险的最佳途径。