丙烯腈装置有毒气体泄漏情景构建研究

姜春雨

(中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104)

0 前言

随着社会、经济的发展，危险化学品生产安全事故越来越受到社会关注，我国化工产业呈现园区化、集成化、复杂化的趋势，一旦发生火灾、爆炸、泄漏等事故，将严重影响人民的生命财产安全[1,2]，其中有毒气体泄漏事故具有影响范围广、伤亡人数高、疏散难度大等特点，例如“12·3”印度博帕尔有毒气体泄漏事故、“11·23”重庆开县井喷事故等[3]，所以针对化工企业开展有毒气体泄漏情景构建研究是很有必要的。

情景构建是一种针对重大事故的战略性思想工具，在风险分析和历史事故案例研究的基础上，“设计”一个“最坏可信”的情景，它不是对未来的必然预判，而是依据“情景-任务-能力”的工作思路，分析事故处置的关键要点，评估企业的现有能力是否满足应对该类事故的需求，从而指导企业在日常应急管理工作中完善准备工作[4,5]。

1 典型情景构建

1.1 背景信息

A市B石化公司化工二部丙烯腈联合装置的区域位置如图1所示，构成本危险化学品重大危险源的生产装置主要为Ⅰ丙烯腈单元、Ⅱ丙烯腈单元、新乙腈单元、原料罐组(丙烯球罐、液氨球罐)、丙烯腈中间罐组、丙烯腈产品罐组、乙腈罐组。

图1 化工二部丙烯腈联合装置区域位置

1.2 丙烯腈装置风险辨识

将B石化化工二部丙烯腈装置作为一个单独的评估单元进行风险辨识，评估装置的危险源等级，判断开展情景构建工作的必要性。

1.2.1 装置主要危险化学品

分析丙烯腈装置生产工艺数据，辨识装置所涉及危险化学品名称、物料量q，查阅国家标准GB18218—2018《危险化学品重大危险源辨识》得到各类化学品的临界量Q和校正系数β，如表1所示。

表1 丙烯腈联合装置危险化学品参数

1.2.2 周边人口分布

对丙烯腈装置周边500 m范围内其他车间、居民区、企业的人员分布情况进行排查，结果见表2，得到校正系数α值为2.0。

表2 丙烯腈装置周边人口分布统计

1.2.3 辨识结果

基于危险介质分析和周边人口统计，根据公式

(1)

计算得出重大危险源分级指标R=350.95>100，根据GB18218—2018该丙烯腈装置属于一级重大风险源，有必要针对未来可能发生的“最坏可信”[6]重大有毒气体泄漏事故开展情景构建工作。

1.3 情景设计

对丙烯腈装置有毒气体泄漏情景的事故演化过程、人员伤亡、财产损失、基础设施破坏、环境污染、疏散人口、次生衍生灾害进行设计。

a) 情景节点一： 某年7月29日 3时30分，化工二部丙烯腈联合装置原料罐区丙烯球罐(V701A)罐根阀因腐蚀发生泄漏，漏出的丙烯迅速气化。丙烯球罐(V701A)体积400 m3，事发时储量50%，罐内温度25 ℃、压力1.2 MPa。

b) 情景节点二：3时35分，空气中丙烯浓度达到爆炸极限(1.0%～15.0%)，遇静电火花(在泄漏过程中产生的静电)发生空间闪爆，泄漏的丙烯被点燃，形成稳定燃烧。

c) 情景节点三：3时50分，丙烯球罐(V-701A)发生爆炸，罐及其附属管线被炸成碎片。爆炸造成4名消防员受伤，并造成丙烯球罐(V-701B)、Ⅱ丙烯腈中间罐(V2121B)损坏，丙烯、丙烯腈泄漏、着火，形成多处火灾。爆炸碎片击中Ⅱ丙烯腈装置的氢氰酸外输管线，造成氢氰酸泄漏。氢氰酸外输管线直径40 mm，管线内温度0.5 ℃、压力0.95 MPa。

d) 情景节点四：泄漏的氢氰酸在西北偏西风作用下向厂区外扩散，影响厂区外下风向村庄、居民区的居民。4时20分，约300多人出现不同程度的中毒症状(呼吸短促、头痛、头晕等)。

e) 情景节点五：5时，一些网络自媒体上出现大量不实报道，舆情开始发酵。

5时50分，氢氰酸云团逐渐消散。

8时30分，部分中毒人员家属聚集、围堵公司大门，导致经四号路交通堵塞。

15时30分，最后一处火灾被扑灭。

19时30分，天降大雨，未及处理的消防废水外排，造成周边湖泊环境污染。

2 事故后果模拟计算

利用数值模拟软件对所设置的情景演化过程的关键节点进行计算，验证所设置情景节点发生的可能性和合理性，对事故后果进行定量描述，从而指导企业开展有针对性的应急响应行动。

2.1 丙烯球罐爆炸数值模拟

2.1.1 爆炸后果计算方法

已知液化气体和高温饱和水的爆炸能量计算公式如下：

E=[(H1-H2)-(S1-S2)T1]W

(2)

式中:E——过热状态下液体的爆炸能量，kJ；

H1——爆炸前液化气体的焓，kJ/kg；

H2——在大气压力下饱和液体的焓，kJ/kg；

S1——爆炸前饱和液体的熵，kJ/(kg·K)；

S2——在大气压力下饱和液体的熵，kJ/(kg·K)；

T1——介质在大气压力下的沸点，K；

W——饱和液体的质量，kg。

压力容器发生爆炸后，对周围产生的超压可由以下步骤计算：

a) 首先根据式(2)计算出其爆破能量E。

b) 将爆破能量转换成TNT当量，其中1 kgTNT爆破能(qTNT)取平均4 500 kJ/kg。

q=E/qTNT=E/4 500

(3)

c) 爆炸模拟比α由式(4)求出。

(4)

d) 利用公式R0=R/α求出在爆炸试验中，R0为1 000 kgTNT的当量距离，找出距离为R0处的超压ΔP0，即为R处的超压。

2.1.2 丙烯腈球罐爆炸后果计算

已知，V701A球罐体积400 m3，工作温度25 ℃，压力1.2 MPa。罐内丙烯存量占储罐50%，大约200 t。大气压力下，丙烯焓值718 kJ/kg，熵值3.3 kJ/(kg·K)；爆炸前，丙烯焓值850 kJ/kg，熵值3.15 kJ/(kg·K)。丙烯沸点温度-44.7 ℃。

根据公式(2)，储罐内丙烯可以产生的能量为：

E=((850-718)-(3.15-3.3))×

(273-44.7)×200 000=6.03×109kJ

根据公式(3)，爆炸能转变成TNT当量为6.03×109/4500=1 340 882 kg。

根据公式(4)，爆炸模拟比为α=(1 340 882/1 000)1/3≈11。

根据1 000 kgTNT的当量计算：超压200 kPa的影响范围半径为176 m，超压50 kPa的影响范围半径为330 m，超压20 kPa的影响范围半径为605 m，超压13 kPa的影响范围半径为825 m。不同超压影响区域如图2所示。

图2 不同爆炸超压影响区域示意

2.1.3 丙烯腈球罐爆炸后果分析

不同爆炸冲击波超压对建筑物和人体的伤害程度见表3、表4。

护理前两组血糖空腹指标、餐后两小时指标的监测结果接近（P＞0.05）；护理后全面化针对性护理干预组血糖空腹指标、餐后2 h指标的监测结果的改善幅度更大（P＜0.05）。见表 2。

表3 爆炸冲击波超压对建筑物伤害对照

表4 爆炸冲击波超压对人体的伤害对照

由上述可见，在爆炸超压200 kPa影响的176 m半径范围内，球罐周边装置、罐区的钢架结构均会遭到不同程度的破坏，爆炸碎片飞出击中管廊是完全有可能发生的；另外在爆炸超压20 kPa影响的605 m半径范围内，人员有可能受冲击波影响而死亡或受伤，所以在丙烯球罐着火的第一时间应立刻疏散装置周边人员，现场指挥部也应设置在距泄漏点605 m范围之外。

2.2 氢氰酸泄漏数值模拟

2.2.1 氢氰酸毒性分析

氢氰酸为剧毒危化品，轻度中毒主要表现为胸闷、心悸、心率加快、头痛、恶心、呕吐、视物模糊。重度中毒主要表现呈深昏迷状态，呼吸浅快，阵发性抽搐，甚至强直性痉挛。不同标准规定的氢氰酸接触限值浓度见表5(ERPG(应急响应计划指南)2为暴露1 h，产生轻微健康影响浓度；ERGP3为暴露1 h，产生严重健康影响浓度；IDLH为立即威胁生命和健康浓度)。

表5 氢氰酸接触限值浓度

2.2.2 氢氰酸泄漏后果计算

丙烯储罐爆炸后，产生大量碎片，击中了附近的氢氰酸输送管线，造成管线断裂，氢氰酸发生泄漏。已知管道断裂口径40 mm，管线内氢氰酸温度0.5 ℃，管线内压力0.95 MPa。管线内氢氰酸总量(最大估算)：按照1 000 m折算，密度0.69 kg/m3，总量866 kg。

经计算，氰化氢(液态)的泄漏速率为26.67 kg/s，发生泄漏2 min后，关闭紧急切断阀，泄漏总量为26.67×120+866=4 066.4 kg。泄漏的氢氰酸在水泥地面上会形成液池，液体的最后厚度为0.005 m(不考虑液体黏度等因素，理想状况下)，按照地面上液池最小厚度计算，泄漏的氰化氢可形成最大液池直径为38.7 m。

假设事故时间为凌晨，环境温度为当天最低温度27 ℃，氢氰酸泄漏会发生沸腾蒸发，经计算蒸发速率为1.47 kg/s，全部蒸发完大约46 min。

表6 氢氰酸接触限值浓度影响距离

在距泄漏点下风向3 951 m范围内，居民无法长久居住，可以考虑关闭门窗就地避险；2 565 m范围内，居民会出现咳嗽、头晕等不适症状，受到不可恢复的健康影响，需要组织有序疏散；1 787 m范围内，居民的生命健康受到严重威胁，存在立即死亡的可能，需要启动企地联动机制[7]立即疏散居民。

3 应急任务分析

通过情景设计和模拟计算，详细表述了丙烯腈装置有毒气体泄漏事故的演化过程和后果，为A市政府、B石化公司提供了具体的应急准备目标。为开展科学救援、减少事故损失，需围绕情景开展应急任务分析，明确各单位、部门的应急职责，分析问题，指导后续应急能力提升工作。

a) 信息上报与通知。由于事故情景发生在夜间，A市应急局、B石化公司、化工二部、装置各层级应急指挥人员均在家休息，事故发现人如何第一时间将事故信息告知主要领导并及时上报，是决定事故处置及时性的关键，随着时间的延后，事故处置的难度和后果严重程度将很快上升。

b) 道路警戒与交通协调。在重大事故发生后，一方面，各方救援力量将持续增援事故现场，大量的应急救援车辆将在厂区内部及周边聚集，如何有效地管理各方车辆，形成统一的指挥，并将关键的核心救援力量派赴现场施救，将考验企业和政府的道路警戒与交通协调能力；另一方面，管制无关车辆和居民进入事故现场，下风向居民大量疏散撤离同样考验这项能力。

c) 大规模人员疏散与避险。在丙烯腈装置下风向分布着十数个居民区，约上万名居民，需要第一时间通知并组织还在家中熟睡的居民尽快撤离事故影响区域，同时对撤离出来的居民有足够的场所收容安置，并解决这些居民在事故完全处置完成前的生活起居问题，A市政府需要提前准备和规划应急能力[8]。

d) 中毒人员救治。所设有毒气体泄漏情景的泄漏介质为氢氰酸，该物质具有很强的毒性和腐蚀性，且不是常见有毒物质，需要特效解毒剂进行医治，政府是否储备足够的特效解毒剂，医院是否能建立有效应急机制，第一时间提供足够多的床位和医疗资源尤为关键。

e) 次生环境事件处置。B石化附近区域有湖泊、河流，事故处置产生的消防有毒废水极有可能随市政污水管网造成环境污染，甚至影响主干河流，将考验政府、企业的环境监测和污染治理能力。

f) 舆情应对能力。有毒气体泄漏事故由于影响范围很大，必然造成极坏的社会影响，可能出现网络不实谣言、群众聚集上访等事件的发生，考验政府、企业的危机公关和新闻发布等能力[9]。

g) 同时处置危化品泄漏、火灾爆炸事故。所设有毒气体泄漏事故情景由丙烯球罐爆炸引发，在对氢氰酸管线造成破坏的同时，还可能对周边罐区、装置造成类似的破坏，极有可能造成多灾种的耦合叠加使事故进一步升级，这将考验企业是否能够第一时间有效布置消防力量、优化战术战法，并及时向兄弟企业、地方政府求援，将事故造成的损失降到最低。

h) 政企、企企联动。重大危化品事故往往仅凭事故企业的应急力量是无法处理的，这要求企业在日常的应急管理工作中建立起成熟的企地、企企联动长效机制，在应急预案修订过程中找到对应接口，打通信息渠道，签订联动协议，加强日常交流与演练，做到在面对重大事故灾难时，能够协同配合、统筹协调[2]。

4 结语

本文通过情景构建的方法，开展了针对B石化丙烯腈联合装置的应急准备完善和应急建设规划。情景构建是推进应急体系建设、提升应急准备能力的抓手性工具，首先对丙烯腈装置的生产状况和风险特点开展调查分析，深入辨识主要危险物质和风险点，确认开展情景构建的必要性，然后结合历史事故案例和周边环境情况设计情景节点，科学表述了典型突发事件的演化规律与特点，并通过事故后果模拟计算，一方面验证情景设计的客观性，另一方面实现对事故后果的定量展示，最后针对情景开展应急任务分析，明确了下一步应急体系建设规划的重点建设方向。