基于多事故模式的有毒易燃气体道路运输泄漏事故应急疏散范围研究*

王凌睿 周荣义,2 李丽 刘勇,2 崔燕,2

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院 湖南湘潭 411201；2.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室 湖南湘潭 411201)

0 引言

随着化学工业的快速发展，危险化学品的生产量和使用量不断增加，道路运输因其便捷、及时、经济等特点，成为危险化学品运输的主要方式之一。在危险化学品道路运输中，气体罐车运输占据了较大比重，给道路运输安全提出了严峻的挑战，尤其是有毒易燃气体在运输过程中一旦发生泄漏事故，极易导致燃烧、爆炸及毒气扩散，造成重大的人员伤亡和财产损失。例如，2014年3月1日，两辆危化品运输罐车在晋济高速岩后隧道发生追尾，导致前车甲醇泄漏，在司机处置过程中甲醇起火引发爆炸，造成31人死亡、9人失踪；2017年5月23日，一辆氯酸钠运输车在河北张石高速公路隧道内发生爆炸事故，造成13人死亡、3人重伤[1]。

有毒易燃气体道路运输若发生泄漏事故，需要快速组织周边人员进行疏散，但大量事故表明，有毒易燃气体泄漏事故发生后，由于未能有效地预测和判断次生灾害可能的演化模式，并由此科学地确定伤害范围，往往造成了事故地周围不必要的大量人员伤亡。因此，能否根据次生灾害的演化模式科学准确地确定应急疏散范围，对于降低人员伤亡、提高应急救援的效率和有效性具有重要意义。近年来许多专家和学者在这方面进行了深入的研究。CHAKRABARTI U K等[2]、赵江平等[3]、王健等[4]、冷源等[5]根据危险气体罐车泄漏的潜在事故后果，分析了中毒、火灾和爆炸等事故的演化发展模式；沈艳涛等[6]、葛巍巍等[7]根据气体泄漏扩散特点，分析了不同风速、大气稳定度下的气体泄漏扩散情况；MIZUTA Y等[8]设计了一个可以预测大气参数的毒气疏散区域计算模型，以便在改变大气条件时实现平稳疏散；ANJANA N S等[9]对4种不同大气条件下的氨气意外释放影响区域和需要立即疏散人口数量进行了估算；任常兴等[10]依据易燃易爆危险化学品运输道路的场所环境和事故场景特点，提出了火灾和爆炸事故的应急隔离区和疏散区的快速确定方法。

上述研究主要针对易燃易爆和有毒气体泄漏后可能发生的某种次生灾害讨论其伤害范围。在事故实际发生过程中，由于气体本身的多种危险特性，泄漏后次生灾害可能是中毒、火灾和爆炸等多事故模式中的一种或组合，但事先并不能准确判断何种次生灾害模式发生。因此，泄漏事故发生后，仅根据任何一种单一次生灾害模式进行伤害范围的确定，都不能为后续应急救援中合理确定应急疏散范围提供准确的决策依据。本文提出了考虑多事故模式的应急疏散范围综合确定方法，通过分析有毒易燃易爆气体泄漏后的次生灾害演化模式，利用相关事故后果预测理论模型，在获得各种可能的次生灾害事故模式伤害范围的基础上，采用图形叠加的方式综合确定应急疏散范围，以期为应急疏散提供更加精确和可靠的决策依据，最大限度地降低人员伤亡。

1 有毒易燃气体泄漏事故演化模式分析

常温常压下为气态的危险化学品，受道路运输条件的限制，多采用液化方式进行运输。液化方式主要分为加压液化和低温液化两种。在运输过程中，当发生碰撞、挤压等作用导致罐体破裂时，压力会急剧减小，罐体内的液体气化，导致危险化学品以气相的形式发生泄漏。根据罐体的破裂方式、气体是否被点燃及点燃时间，将有毒易燃气体泄漏后的事故类型分为4种：喷射火、蒸气云爆炸、闪火和中毒，其事故演化模式的点燃情况、事故特点和伤害范围划分依据如表1所示。

表1 有毒易燃气体泄漏事故演化模式分析

从理论上讲，有毒易燃易爆气体泄漏后，其应急疏散范围的确定应考虑上述每一种可能的次生事故模式伤害范围，但鉴于喷射火和闪火的火焰燃烧及其热辐射伤害与中毒和爆炸的伤害相比，事故波及范围较小，事故后果较轻(在不考虑气体燃烧可能产生有毒物质的情况下)。因此，在研究有毒易燃气体泄漏的应急疏散范围时，考虑事故后果严重的扩散中毒和蒸气云爆炸两种事故类型，不仅可以将喷射火和闪火的伤害范围包含于其中，而且可以简化事故后果的预测和计算过程，更快地对应急疏散范围作出预判。

2 有毒易燃气体泄漏事故伤害范围计算

2.1 中毒事故伤害范围

在重气扩散过程中，随着大气不断进入，气体密度逐渐接近空气密度，最终将转化为中性气体扩散。因此，本文针对中性气体扩散，假设在均匀湍流场的条件下，泄漏介质在扩散界面的浓度分布呈高斯分布，故采用高斯模型对泄漏气体扩散进行研究，从气体扩散状态是否达到稳态两种情况讨论泄漏气体的扩散情况。

(1)稳态下的烟羽扩散模型。有毒易燃气体在大气中的扩散，可用高斯扩散模型中连续点源的烟羽扩散模型计算其扩散范围，计算式[13]如下：

(1)

式中，x为下风向距离，m；y为侧风向距离，m；z为垂直方向距离，m；c(x,y,z)为坐标在(x,y,z)处的质量浓度，g/m3；σy为侧风向浓度的扩散系数；σz为垂直方向浓度的扩散系数；Qm为释放速率，kg/s；u为风速，m/s；Hr为释放源高度，m。

(2)非稳态下的烟团叠加模型。高斯烟羽模型的计算结果为烟羽扩散至稳态的浓度分布，并不能对扩散至任意时刻的泄漏气体浓度分布进行计算。将连续释放扩散的烟羽看作是有限个瞬时形成的烟团的叠加，即空间某点在任意时刻的浓度为许多烟团在该点共同叠加的结果[14-15]。假设有限时长泄漏扩散过程中的泄漏流量Qm保持不变，将扩散时间按相同时间间距△t等分为n份，由此扩散总时长t被划分为t1、t2、…、ti、…、tn共n个时间段，则其叠加式如下：

(2)

式中，△Q为△t时间内的气体泄漏量，kg；σx为下风向浓度的扩散系数；t为扩散时间，s。

本文仅考虑地面泄漏，且烟羽抬升高度忽略不计，故在式(1)、式(2)中，z=0，Hr=0。

(3)中毒事故伤害范围划分。计算出泄漏气体在大气中的扩散情况后，需要根据物质本身的毒性和浓度对人体的伤害程度划分中毒事故伤害范围，划分依据参考《紧急反应计划指南》(Emergency Response Planning Guidelines, ERPG)中制定的指导浓度值，其伤害范围划分如表2所示。

表2 中毒事故伤害范围划分依据

2.2 蒸气云爆炸事故伤害范围

蒸气云爆炸造成的危害主要来自于爆炸冲击波，为预测半球形蒸气云爆炸产生的冲击波效应，荷兰应用科学研究院(TNO)的研究人员提出了半球形蒸气云模型，即TNO模型。相对于点源模型(TNT模型)，TNO模型考虑了爆源的尺寸和形状，更适用于非瞬间释放且释放速率较低情况下的近场爆炸的冲击距离计算。故考虑用半球模型计算VCE冲击波的伤害半径，以确定其伤害范围。根据半球模型理论，将半球形蒸气云爆炸长度[16]定义为

(3)

比例超压为

(4)

超压半径为

(5)

式中，V0为气体体积，m3；E0为爆炸能量，E0=V△Hc，J；V为半球体积，m3；△Hc为体积燃烧热，J/m3；p0为环境压力，取1.01×105Pa；△p为实际爆炸时目标处的超压，kPa；R为冲击半径，m。

蒸气云爆炸冲击波伤害半径由经验常数C决定，蒸气云爆炸对人体破坏和损害程度的经验数据及其伤害范围划分如表3所示。

3 应急疏散范围综合确定过程

根据有毒易燃易爆气体泄漏次生灾害发展模式及其事故后果预测方法，其应急疏散范围的确定过程如图1所示。

图1 应急疏散范围综合确定过程

(1)研究气体扩散情况。依据气体的泄漏量和泄漏速度，以及事故发生位置的风向、风速、温度、太阳辐射等级等大气条件，研究泄漏气体的扩散情况。

(2)分析次生灾害模式。根据泄漏气体的危险特性，如毒性、爆炸极限、泄漏量及爆炸能量等，分析可能发生的事故模式，以事故后果较严重的中毒和蒸气云爆炸为对象，研究泄漏后次生灾害特点。

(3)模拟事故伤害范围。对事故后果较严重的中毒和蒸气云爆炸的伤害范围进行数值模拟，根据事故后果严重程度、人员伤亡情况，将伤害范围划分为致死区、重伤区和轻伤区。

(4)确定应急疏散范围。将中毒和蒸气云爆炸事故的轻伤区进行图形叠加，可以综合确定有毒易燃气体道路运输泄漏事故的应急疏散范围。

4 应用实例

假定在某高速公路上，一辆装有15 t液氨、罐体压力为2.4 MPa的槽罐车发生侧翻，罐体出现破损，压力急剧减小，罐体内的液氨急剧气化，以气相的形式发生泄漏，释放速率为2 kg/s。当前天气为阴天，风速为4 m/s，利用上述方法确定其应急疏散范围。

依据上述应急疏散范围综合确定过程，根据事故发生位置的大气情况，研究大气稳定度为D的情形下(白天日照较弱或中等，或夜晚多云)的泄漏气体扩散情况，利用MATLAB软件对中毒和蒸气云爆炸的伤害范围进行模拟，两种事故模式伤害范围及其应急疏散范围如下：

(1)中毒事故伤害范围。氨气的ERPG-1、ERPG-2、ERPG-3浓度分别为25、200、1 000 ppm，即质量浓度为139.06、139.06、695.30 mg/m3，假设坐标(0,0)处为泄漏源位置，泄漏5、10、15、20 min后的伤害范围如图2所示，泄漏达到稳态的伤害范围如图3所示。由图可知，气体泄漏到15 min时，伤害范围已不发生改变，由于未达到稳态的气体扩散情况是将烟羽看作瞬时形成的烟团的叠加，模拟结果的误差较大。因此，当用烟团叠加模型模拟得到的伤害范围不发生改变时，即气体扩散已达到稳态，用烟羽模型计算泄漏事故的伤害范围相对更加准确。达到稳态后的致死区、重伤区、轻伤区下风向距离分别为164、391、1 324 m，最大垂直距离分别为22、51、158 m，面积分别为2 623、14 564、155 190 m2。

(a)t=5 min

图3 泄漏达到稳态的中毒事故伤害范围

(2)蒸气云爆炸事故伤害范围。氨气在空气中的爆炸下限为15.7%，转换成质量浓度为121.0 mg/m3，假设坐标(0,0)处为泄漏源位置，其在大气稳定度为D、风速为4 m/s的环境下，爆炸极限区域如图4虚线部分所示。将爆炸极限区中心即坐标(253,0)处作为蒸气云爆炸中心，对氨气全部泄漏的最严重情况进行模拟，伤害范围的致死区、重伤区、轻伤区如图4实线部分所示。蒸气云爆炸事故的爆炸极限区下风向距离为423 m，垂直距离最大为54 m，面积为16 955 m2；致死区、重伤区、轻伤区半径分别为96、197、509 m，面积分别为28 939、121 860、813 514 m2。

图4 蒸气云爆炸事故伤害范围

(3)应急疏散范围。全部气体泄漏并达到稳态后，中毒和蒸气云爆炸的轻伤区的叠加区域为泄漏事故应当采取疏散措施的最小应急疏散范围，在该范围内的人群必须立即疏散，如图5所示。在蒸气云爆炸轻伤区的伤害范围内，应急疏散半径应大于509 m，应急疏散面积应大于813 514 m2；在中毒轻伤区的伤害范围内，下风向和垂直疏散距离应分别大于1 324、158 m，应急疏散面积应大于155 190 m2。显然，蒸气云爆炸事故的疏散半径、面积远大于中毒事故的垂直疏散距离、面积，但其疏散半径远小于中毒事故的下风向疏散距离，两者的应急疏散范围只有较小部分区域重叠，若只考虑中毒或蒸气云爆炸的单一事故伤害范围，将会有遗漏的区域可能出现人员伤亡。

图5 有毒易燃气体泄漏事故应急疏散范围

5 结论

(1)由于有毒易燃气体自身的多种危险特性，泄漏后次生灾害有中毒、火灾和爆炸等多种可能模式，仅根据单一次生灾害模式无法准确地确定应急疏散范围。因此，必须考虑多事故模式综合确定有毒易燃气体道路运输泄漏事故应急疏散范围，最大限度地降低人员伤亡。

(2)在研究有毒易燃气体泄漏的应急疏散范围时，将事故后果更严重、波及范围更广的中毒和蒸气云爆炸两种事故类型的轻伤区图形叠加，可以更加准确和快速地对应急疏散范围作出判断。

(3)实例表明，氨气的中毒和蒸气云爆炸事故的应急疏散范围相差较大，需要结合两种事故模式的事故特点，考虑泄漏量、风速和大气环境等条件，综合确定有毒易燃气体道路运输泄漏事故的应急疏散范围。