氯乙烯泄漏、蒸气云爆炸事故模型分析

王 伟，崔 鹏，高燕军

（陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司，陕西 榆林719319）

氯乙烯不仅是一种有毒物， 而且还是易燃易爆物质， 如果在工业生产或存储中因为管理不当或设备故障造成氯乙烯泄漏， 可能造成中毒或火灾爆炸事故。

在对氯乙烯储罐的破裂后果计算中， 主要分析中毒和蒸气云爆炸， 对该项目的氯乙烯储罐发生泄漏或爆炸事故进行模拟分析， 预测氯乙烯储罐可能发生的事故后果和影响区域。

建设某公司氯乙烯储罐基本情况：6 台VCM 卧式储罐， 储罐规格150 m3， 储存量130 m3， 重量约120 t（ρ＝0.911 t/m3），操作温度18 ℃。

1 氯乙烯储罐破裂后果计算

如果氯乙烯储罐在机械作用（撞击、打击）、化学作用（腐蚀）及压力作用下发生破坏，或者因操作人员不正确操作导致氯乙烯泄漏， 并与空气混合形成有毒气体云团，此气团具有毒性和易燃易爆的性质，会使扩散区域内人员中毒。

1.1 有毒液化气体容器破裂时的毒害区预测

毒性液化气体容器破裂时会泄漏出大量的气体，在没有遇到火源时会造成大面积的毒害区域。

在容器破裂时， 罐内压力降至标准状态下沸点t0，则其蒸发量W′为：W′＝WC（t-t0）/q

式中：W′—蒸发的气体质量，kg；

W—液化气体质量，kg；

C—液体平均比热，kJ/（kg·℃）；

t—容器破裂前介质温度，℃；

t0—物质标准沸点，℃；

q—液体的汽化热，kJ/kg。

蒸发后产生的蒸气体积Vg为：

若已知有毒物质的危险浓度， 则可求出其在危险浓度下的有毒空气体积为：V＝Vg/C′

假设这些有毒空气以半球型向地面扩散， 可以求出该有毒气体的扩散半径R为：

R＝（V/2.0944）1/3

1.2 氯乙烯储罐破裂时的毒害区计算过程

氯乙烯的沸点t0＝-13.4 ℃，这时平均比热容C＝1.23 kJ/（kg·℃），平均汽化热q＝330.25 kJ/kg。当一个氯乙烯储罐破裂时，其蒸发量为：

蒸发后产生的蒸气体积Vg为：

氯乙烯属中性毒物， 人在0.6%浓度下略有不适，在1.2%～1.6%下有头昏、呕吐等感觉。 麻醉阈浓度为7.1%。 气态VCM 对人体有麻醉性， 在20%～40%浓度下，会使人立即死亡。 在此，取麻醉阈浓度7.1%为使人麻醉的危险浓度，取20%为致死危险浓度。

则氯乙烯可以产生的使人麻醉的有毒空气体积为V＝Vg/C′＝4 782.8×100/7.1＝67 363.4（m3）

当空气中的VCM 浓度达到20%以上时会使人立即死亡，则使人致死的有毒空气体积为：

假设这些有毒空气以半球形向地面扩散， 则该有毒气体的扩散半径R＝（V/2.094 4）1/3（m）

氯乙烯储罐破裂时的毒害区域预测结果见表1。

1.3 氯乙烯储罐破裂时结果分析

容量为120 t 的氯乙烯储罐破裂时， 以储罐所在位置为中心，半径为31.8 m 的圆形区域内的人员如果没有及时疏散或采取防护措施，将会被麻醉；在22.5 m 的圆形区域内，将导致人员死亡。该有毒空气云还会继续随风飘向下风方向位置， 对厂内外更大范围的人员安全造成影响。

以上是针对一台储罐泄漏来计算的， 如果发生几台储罐的同时泄漏，事故后果将非常严重。

表1 毒害区域预测结果

2 氯乙烯储罐发生蒸气云爆炸事故后果计算

如果泄漏出来的氯乙烯形成的混合气体中氯乙烯的浓度在爆炸极限范围内， 并遇到延迟点火的情况，就会导致蒸气云爆炸的发生。蒸气云爆炸后的破坏作用包括爆炸冲击波和爆炸火球辐射热对周围人员、建筑物、储罐、设备的伤害和破坏等，其中以冲击波的危害为主。

2.1 蒸气云爆炸的事故模型

可燃液化气体泄漏后气化并与空气形成混合气体云，可燃混合气体遇火源突然燃烧，并在受限空间或无限空间转变为混合气体爆炸，即蒸气云爆炸。蒸气云爆炸以冲击波危害为主， 按超压准则确定人员伤亡区域及财产损失区域。 冲击波对人员的死亡半径及财产损失采用TNT 当量法， 按照相同能量的TNT 爆炸所产生的超压来确定。 1 000 kg 的TNT 炸药在空气中爆炸所产生的冲击波超压见表2， 冲击波超压对建筑物和人员的破坏与伤害情况见表3。

表2 1 000 kg的TNT炸药在空气中爆炸所产生的冲击波超压

表3 冲击波超压对建筑物和人员的破坏与伤害情况

2.1.1 蒸气云爆炸的TNT 当量

TNT 当量计算公式为：WTNT=1.8αWfQf/QTNT

式中：1.8—地面爆炸系数；

α—蒸气云当量系数，取α=0.04；

Wf—蒸汽云中燃料的总质量，kg；

Qf—氯乙烯的燃烧热；

QTNT—TNT 的爆热，取QTNT=4 500 kJ/kg。

2.1.2 蒸气云爆炸的人员伤亡及财产损失距离

蒸气云爆炸死亡半径R1的计算方法为：

蒸气云爆炸重伤、 轻伤以及财产损失半径的计算方法：实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果离爆炸中心的距离R之比与炸药量Q的3 次方根之比相等，则所产生的冲击波超压相同，用公式表示如下。

式中：R—目标与爆炸中心距离，m；

R0—目标与基准爆炸中心距离，m；

Q0—基准爆炸能量，TNT 当量，Q0=1 000 kg；

QTNT—爆炸时产生冲击波所消耗的能量，TNT当量，kg；

ΔP—目标处的超压，MPa；

ΔP0—基准目标处的超压，MPa。

由表3 可知，取造成人员重伤、轻伤以及财产损失的超压ΔP值，又由2 取超压为ΔP处的R0（即当1 000 kg 的TNT 爆炸时， 在与基准中心距离为R0处的超压为ΔP）。 再由式R=R0（QTNT/Q0）1/3可求得损失半径。

2.2 氯乙烯蒸气云爆炸后果定量计算

（1）氯乙烯蒸气云爆炸的TNT 当量

120 t 氯乙烯储罐泄漏，假设有10%的气体参加蒸气云爆炸，其质量为Wf=120 000×10%=12 000 kg，氯乙烯的燃烧热为Q=18 568 kJ/kg。 可得氯乙烯储罐10%的气体泄漏后发生蒸气云爆炸的TNT 当量为3 565.1 kg。

（2）10%泄漏量的蒸气云爆炸死亡半径R1

（3）10%泄漏量的蒸气云爆炸重伤半径R2

取造成人员重伤的ΔP2=0.6×105Pa， 查表用插值法求得R0=29.77 m 处的超压为0.6×105Pa。

（4）10%泄漏量蒸气云爆炸轻伤半径R3

取造成人员轻伤的ΔP3=0.3×105Pa，查表得R0=44（m）处的超压为0.3×105Pa。（5）10%泄漏量的蒸气云爆炸财产损失半径R4

由于罐区周围建筑多是钢筋混凝土构造，因此，取钢筋混凝土破坏时的冲击波超压值。 取ΔP3=1.0×

同理，假设氯乙烯储罐泄漏后，有50%的气体参加蒸气云爆炸，其计算结果见表4。

表4 氯乙烯蒸气云爆炸人员伤亡及财产损失半径

2.3 氯乙烯蒸气云爆炸结果分析

当120 t 氯乙烯储罐10%（50%） 泄漏后发生蒸气云爆炸时，离火球中心半径为35.1 m（60.1 m）的圆形区域内的钢筋混凝土结构建筑物和设备遭到破坏； 离火球中心半径为45.5 m （77.8 m）~67.2 m（114.9 m）的圆环区域内人员大部分受轻伤；离火球中心半径为21.8 m（39.5 m）~45.5 m（77.8 m）的圆环区域内的人员大部分受重伤；离火球中心半径21.8 m（39.5 m）的圆形区域以内的人员大部分可能死亡。

以上是针对一台储罐来计算的， 如果发生几台储罐同时爆炸，事故后果将非常严重。

3 建议措施

3.1 工程技术措施

（1）氯乙烯球罐装置区须按照《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160-2018）要求设置防火间距、防火堤、事故池、事故放空及消防系统。

（2）氯乙烯球罐需设计液位计、温度计、压力表、安全阀以及高低液位报警和高高液位自动联锁切断进料措施等；并设置密闭的脱水系统，储罐根部设置紧急切断阀和泄漏紧急注水系统。

（3）氯乙烯储存量构成重大危险源，需设置温度、压力、液位、流量、组分等信息的不间断采集和监测系统， 以及可燃气体和有毒有害气体泄漏检测报警装置、视频监控系统，并具备信息远传、连续记录、事故预警、信息存储等功能；记录的电子数据的保存时间不少于30 d；构成一级或者二级重大危险源，需配备独立的安全仪表系统（SIS）。

（4）现场设备、仪表设施需符合国家有关防爆、防雷、防静电等标准和规范的要求，防雷装置需经防雷电部门检测合格。

3.2 安全管理措施

（1）配备便携式浓度检测设备、空气呼吸器、化学防护服、堵漏器材等应急器材和设备；涉及剧毒气体的重大危险源还应当配备两套以上气密型化学防护服及一定数量的便携式可燃气体检测设备。

（2）氯乙烯球罐装置操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程，熟练掌握操作技能，具备应急处置知识。

（3）作业人员应戴化学安全防护眼镜，穿防静电工作服，戴防化学品手套，工作场所浓度超标的，操作人员应该佩戴过滤式防毒面具。

（4）加强对自动控制及联锁系统、检测报警及监控系统、紧急停车系统等技术措施的检查和维护，并制定相应的仪表安全管理措施。

（5）加强准入管理，严格限制进入人员，建立氯乙烯球罐装置安全管理规定。 制定泄漏应急处置方案，定期组织演练，提高应急处置水平。

4 总结

从评价分析结果可以看出，要防止氯乙烯球罐泄漏发生火灾爆炸事故，应主要从防止氯乙烯泄漏和消除点火源两个方面入手，严格落实工程技术措施和安全管理措施，杜绝事故发生。同时，企业要加强安全文化创建、化工过程安全（PSM）建设、安全标准化达标等基础工作，积极开展全员安全技能和安全知识教育工作，牢固树立“一切风险皆可控制、一切事故皆可避免”的事故预防理念，从而实现企业安全发展。