重气体泄漏的扩散特征及应急处置要点

尹亮(天津市应急管理处置中心，天津 300220)

0 引言

气态或低沸点液态危险化学品发生泄漏事故后，多数以重气体云的形式在空气中扩散传播，对事故点周边的人员产生毒害，遇引火源易发生燃烧、爆炸，引发危险化学品事故，造成人员和财产的损失。文章对重气体的扩散行为进行分析总结，为危险化学品泄漏事故的应急救援处置、降低人员伤亡和财产损失提供参考。

1 研究的必要性

气体具有自由扩散的特点，因此气态危险化学品(包括储存在压力容器中的常温或低温液化气体，或低沸点、易挥发液体等)发生泄漏时，往往通过蒸发的形式生成气体云，扩散至事故地点周边环境中，威胁扩散区域内人员的健康和安全，处置不当易引发燃烧、爆炸、急性中毒等不良后果。因此是危险化学品泄漏事故救援处置中的重点和难点。

根据统计，建国以来至上世纪末，我国化工系统共发生52 起重(特)大典型泄漏事故。其中由泄漏导致的火灾、爆炸、中毒事故共计42起，涉及24 种化学品。从事故的发生次数上统计，前六名分别为液氨(15.69%)、液氯(13.73%)、氯乙烯(13.73%)、液化石油气(7.84%)、一氧化碳(7.84%)、苯(5.88%)，占比总数为64.6%。从造成的死伤人数上统计，前六名分别为液氯(49.82%)、一甲胺(21.61%)、液氨(11.00%)、液化石油气(8.93%)、苯(3.90%)和氯乙烯(3.32%)，占比总数高达98.58%。以上统计结果涉及的8种化学品中，除一氧化碳以外，都可归类为重气体泄漏事故[1]。

2020年6月13日下午，位于浙江温岭市的沈海高速公路温岭段温州方向，温岭西出口下匝道发生一起液化石油气槽罐车重大泄漏爆炸事故。事后查明，一辆装有25.36 t液化石油气的罐车在行驶至匝道时，由于超速导致罐车失控，与护栏发生猛烈碰撞，导致罐体破裂，罐内液化石油气迅速闪蒸为重气团，迅速扩散至周边并发生爆炸，引发民房及厂房倒塌，造成20 人死亡，176 人入院治疗(其中24 人重伤)，直接经济损失9 947万元[2]。

重气由于其自身特性，其泄漏后的闪蒸、扩散、滞留等过程与普通气体存在很大差异。若使用经典气体扩散模型预测其扩散行为，与实际情况存在很大误差。因此对重气扩散规律特点开展研究，从而更好预测重气体扩散的危害性，对危险化学品泄漏事故应急处置工作具有重要指导意义。

2 重气的概念及扩散特点

2.1 重气的定义和形成机理

所谓重气是指具有重气效应的气体。一种气体是否被认为是重质气体，通常是由其理查逊数(Richardsonnumber，缩写为Ri)来确定，Ri是无因次量，在大气流体力学研究中，代表大气净稳度与垂直风切变的比，计算公式如下(1)：

式中：Ri为理查逊数；Δρ为重气与空气的密度差；g为重力加速度；h为泄漏的垂直高度；ρ为重气体密度；u为气团初始速度。

理查逊数越大，重力势能对气体的影响越明显。当Ri大于一定数值时(一般取值为1～10之间)，通常可认为气体的扩散行为符合重气标准，受重气扩散规律支配。重气团的形成原因可分为下列4种：

(1)大分子量气体蒸气由容器或管路裂口喷出，形成高速喷流，迅速与空气混合形成气云；

(2)高蒸气压液体和低温液化气体以低于标准大气压下的沸点温度贮存，泄漏后在事故地点形成液池，因快速吸热蒸发产生蒸气，与空气混合形成气云；

(3)高压液化气体或两相流体由泄漏口或减压系统逸出，形成高速两相喷流，因空气动力原因分散成为气溶胶，与空气混合形成气云；

(4)气态物质与空气中的水蒸气反应形成重气云团[3]。

2.2 重气扩散的行为特点

“6·13”沈海高速温岭段液化石油气罐车爆炸事故发生之前，目击者对现场泄漏情况拍摄了照片，如图1所示。

图1 “6·13”沈海高速温岭段液化石油气罐车爆炸事故 爆炸前液化石油气的泄漏扩散照片

由照片可看到，泄漏出的液化石油气重气团与空气之间存在显著密度差异，气团首先因自重下沉，呈现重力坍塌状态，沿地面水平扩展，形成低而扁平的气云，容易积存于低洼地带或被地面植被阻碍，难以快速扩散稀释。因液化石油气爆炸下限较低(体积分数1.5%即可引发爆炸)，因此泄漏区域会长时间处于危险浓度范围，期间任何火源都可能将混合气体引爆，对泄漏点周边人员安全形成威胁。根据事故调查报告，事故罐车从发生罐体破裂导致液化石油气泄漏，到发生第二次剧烈爆炸，仅用时2 min[2]。

2.3 重气扩散过程的物理变化

重气扩散与非重气扩散存在很大不同，在扩散初始阶段，云团主要受其自身重力坍塌作用影响，出现凹陷现象，引起云团高度减小，径向尺寸增大，由于重气云团内部的稳定分层作用，一定程度上抑制了空气的卷吸，云团体积的变化较小。随着空气的卷吸速率增加，云团被逐步稀释，重气效应逐渐消失，最终与大气完全混合。重气扩散过程受到多种因素影响，包括容器内泄漏物质的压力、温度和比重、环境温度、风速、风向等。此外，泄漏现场地表的坡度、粗糙度及障碍物尺寸也是影响重气云团扩散的关键因素，均会对泄漏物浓度空间分布情况造成影响。

3 重气扩散的模型和近期研究成果

3.1 重气扩散的模型

由于重气扩散行为的复杂性，自20世纪80年代开始，研究人员采用大型现场试验，或使用缩微模型模拟的方式开展研究。随着流体力学和计算机仿真技术的发展，近年来的研究主要以风洞模拟和计算机软件模拟为主。为更准确地描述重气泄漏扩散行为，研究人员在经典气体扩散模型的基础上，通过设定一定的初始附加条件，提出一些数学模型，用以模拟重气体扩散的行为。其中包括用于理论探索的研究模型(CFD，Monte-Carlo和FEM3等)和用于实际应用的工程应用模型(DEGADIS模型、SLAB模型、AFTOX模型、ALOHA模型等)。理论研究模型由于计算量大，适用面较窄，多数用于纯理论研究。工程模型由于对计算量要求不高，数据拟合程度基本达到要求，是化学品泄漏应急处置研究中的首选[4]。

3.2 近期国内研究成果

近年来，我国科研人员通过计算机模拟的方式，对重气扩散行为进行研究，取得了一定的成果。南京工业大学吴玉剑等研究发现，重气体经过宽大建筑时，会在建筑物迎风面形成气体积聚。气体经过高大建筑时，建筑两侧气体浓度会增加，建筑位于泄漏点附近的上风向时，重气体也会在建筑背风面形成积聚[5]。季一丹等的研究表明，氯气泄漏口大小与泄漏口附近的气体浓度成正比，泄漏位置周边植被对氯气扩散具有延缓迟滞作用，当风速大于2.5 m/s时，风流能够起到稀释氯气浓度作用[6]。黄琴利用计算流体力学技术(CFD)对经典重气扩散现场实验进行模拟计算，并与实测数据进行对比，证明了使用FLUNENT软件模拟的结果，与实测数据吻合程度更高。重气体扩散区域存在障碍物时，下风向背风处存在高浓度区。其他条件不变时，泄漏速度的增加对扩散范围影响不明显，只是同一点的浓度得到了提高。同时证实了重气体连续泄漏源在风速较低、泄漏速度较大的情况下，在近源处会出现气体分叉现象，这是重气扩散行为的一个特点[7]。

4 典型重气泄漏事故案例的计算与分析

现以“6·13”沈海高速温岭段液化石油气罐车爆炸事故为例，使用ALOHA软件进行危害区域模拟和分析说明。

4.1 ALOHA软件介绍

ALOHA是美国环保署为化学品泄漏事故开发的一款风险模拟软件，能够对因化学品泄漏而导致的有毒气体扩散、火灾或爆炸等危险事故的危害范围进行模拟。软件计算选项里提供根据重气体模型计算的选项，可以借该软件对比轻重气体扩散的特点。改变大气流动参数，可以对不同初始条件对重气扩散产生的影响进行模拟。

4.2 计算模拟分析

4.2.1 高斯模型与重气模型的扩散模拟图对比

在ALOHA软件的地点选项中建立事发地数据，事发地点为沈海高速通往温岭西收费站的互通桥匝道附近，根据百度地图反查该点坐标为北纬28 度29 分，东经 121度15分，事发地点为平原地区，取温岭地区典型海拔高度4 米作为海拔参考，国家为中国，时间偏差按照东八区为-8小时，时间采用非夏令时，如图2所示。

图2 通过地图反查事发地坐标，建立事发地位置数据

化学品选项中，为简化计算，以纯丙烷代替液化石油气作为泄漏化学品，如图3所示。

图3 化学品选择丙烷

大气选项中，由tianqi.2345.com网站查询温岭市历史气象信息，2020年6月13日，温岭市气温32～26 ℃，风速3级，风向为西南，三级风风速为3.4～5.4 m/s，取 4.0 m/s的中间值，地面情况选择开放地面。根据气象与事发当日现场照片，选择中度多云天气。事发时间为16时41分，根据当日气温，选择气温30 ℃，大气稳定度由软件根据风速和云量自动设置，湿度选择75%，如图4所示。

图4 建立泄漏区域大气数据

根据事故报告，罐车自16时41分因罐体撕裂开始迅速泄漏，16时42分发生第一次爆燃，16时43分发生剧烈爆炸，由罐体破裂到剧烈爆炸只经历了2 min。可认为罐内全部液化石油气瞬间被泄漏到大气中，泄漏量25.36 t。为简化计算，泄漏模式选择瞬时泄漏，根据泄漏现场航拍图，结合事发点桥下已出现桥洞，可以估算泄漏点距地面高度至少为2 m以上，取4 m的泄漏高度进行计算(图5)。

图5 建立事故点泄漏源数据

在计算选项中分别使用经典高斯扩散模型与重气扩散模型对以上数据进行计算(图6)。

图6 选择计算模式

可得以下模拟对比图(图7)。

图7 分别使用高斯模型和重气模型对泄漏扩散进行模拟(风速设定为4 m/s，其他条件不变)

将风速降低至1 m/s重复以上数据的计算，结果如图8所示。

图8 分别使用高斯模型和重气模型对泄漏扩散进行模拟(风速设定为1 m/s，其他条件不变)

由对比可知，对于重气扩散，由于气云重力坍塌效应，逆风向侧也存在部分重气体高浓度区域。在瞬时泄漏情况下，在1 m/s和4 m/s两种风速都是扩散到下风向500 m左右的范围。但在低风速下，下风向存在一个宽度很大，面积可观的燃烧爆炸危险区。只有风速超过一定数值之后，下风向扩散距离才会明显扩大，风力才会对重气扩散起到有效的稀释作用。

4.2.2 危险区的估算和范围确定

随着大数据时代与人工智能时代的到来，2016年，黄河科技学院新开设数据科学与大数据技术、智能科学与技术两个本科专业。其中数据科学与大数据技术专业全国仅有35所高校开设，在河南省高校中属于首开专业。大数据与智能技术学院拥有一支以中青年教师为主体、学术活力充沛的教学科研团队，包括教授3人，副教授9人，讲师18人，其中具有博士学位10人、硕士学位 20 人；学科带头人为国家杰出青年基金获得者。学院的人工智能研究所，专注于大数据和人工智能的理论、方法和技术发展前沿，凝聚了一批自动化、计算机、大数据等领域的优秀研究人员，承担专业课教学任务，并能为创新班学生提供研究指导和专业技术实践环境。

根据图1和高速出口收费站摄像头捕捉的爆炸瞬间监控图像，结合地图测量，重气云团在爆炸前扩散半径达到约176 m，第二次剧烈爆炸区域半径约254 m，如图9所示。

图9 根据监控视频估算爆炸半径

将扩散影响图与地图以事故发生地点为重合点进行叠加，可看到模拟的危险区范围在地图上的分布情况，如图10所示。

图10 将危害图与爆炸现场地图叠加，估算危险区域范围

浅色实线区域为可能存在燃烧爆炸危险的区域，深色区域为存在燃烧爆炸危险的区域，与现场估算的范围存在一定误差。误差产生的原因可归结为：

(1)现场实时风速和风向的影响；

(2)地面粗糙度和障碍物对于重气团的阻碍；

(3)由于罐体经历了撕裂并被弹出的过程，泄漏点位置与事故初始发生地点存在误差。

尽管以上模拟存在一定误差，但ALOHA软件对现场应急处置人员评估爆炸事故后果，及时疏散危险区人员仍具有很大的参考价值。

4.2.3 瞬时释放与连续释放的模拟对比

图11 液化石油气瞬时泄漏与连续泄漏对危险区模拟结果的影响

通过对比可以看出，缓慢泄漏有助于减小泄漏危害面积，降低污染区内气体浓度，对于发生大流量液化气体泄漏的移动式容器，可在保证操作人员安全的前提下，尽量将泄漏孔洞置于罐体的气相空间内，减缓液化气体的泄漏速度，为后续处置救援打下基础。

4.2.4 对泄漏区域室内外气体浓度进行比较

对4.2.1的泄漏情况，设定距事发点正下风向150 m处为观测点，通过软件模拟该点室内外可燃气体浓度变化。同时增加对照组，设定泄漏源为连续泄漏，泄漏速度为1.7 t/min(根据15 min泄漏25.26 t液化石油气近似估算)，其他条件不变，与瞬时泄漏的情况进行对比，如图12所示。

图12 泄漏事故点下风方向150 m处室内外危险气体浓度比较 （细实线代表室外液化石油气浓度变化，虚线代表室内浓度变化情况）

对瞬时泄漏情况，位于正下风向150 m位置的户外，泄漏发生约1 min到3 min之间，室外气体浓度存在一个峰值，超过了爆炸下限，随后急速下降。根据公开的事故报告，温岭爆炸事故正也是在罐车泄漏2 min左右时发生的。而对于同一位置的室内空气环境而言，封闭空间内危险气体浓度变化很小。这一结果提示人们，对瞬时泄漏，事故点周边人员如无法迅速撤离，可利用封闭的室内空间应急避险，从而减轻有害气体燃烧爆炸或毒性对人员安全的威胁。

对大流量连续泄漏的持续，室外气体浓度随着扩散的进行不断上升，最终与扩散达到平衡，达到一个相对稳定的数值。同时室内危险气体浓度也将随时间不断上升，最终与室外气体浓度逐渐接近，如超过爆炸下限，将威胁室内人员安全。因此对于连续泄漏源，从事故发生开始，就应立即设法控制泄漏源，在降低泄漏速度的同时，尽快组织危险区域人员转移。

5 重气泄漏事故应急救援中注意事项

综合前人的研究成果，结合ALOHA软件对重气泄漏事故的计算模拟，本文对重气泄漏事故现场应急处置行动提出以下建议：

(1) 对重气体泄漏事故处置工作，其首要任务在于控制泄漏源，在条件允许的情况下，尽量减少泄漏量，降低泄漏速度对稳妥处置事故极为重要。

(2)对固定式液态或气态化学品存储装置，除按照《建筑设计防火规范》要求，根据企业所在地常年风向确定储罐在厂内位置，与周边保持安全距离之外，如存储易燃易爆化学品，可通过设立障碍物，加装导流装置等方式，引导泄漏后的化学品向空旷无人地带扩散，尽快稀释气体浓度，消除火灾爆炸隐患；对于有毒化学品，则应通过将化学品分瓶储存、放置于单独的密闭空间、加装喷淋吸收装置等形式，尽量抑制有毒物扩散，为疏散周边人们争取时间。

(3)对化学品罐车泄漏事故，液化气体快速蒸发的情况，救援人员首先应考虑尽快调整罐体，使泄漏口位于罐内气相空间，可以有效降低气体泄漏速度和产生的重气云规模，降低泄漏影响范围。

(4)由于重气的特殊性质，泄漏后气云的扩散范围和面积相比于轻质气体要大，在低风速和低大气扰动条件下，下风向大部分地区的室外均为火灾爆炸危险区，疏散人员时应注意扩大下风方向人员的疏散范围。由于重力塌陷原因，也要考虑对上风向潜在高浓度区域人员进行疏散。

(5)重气体云倾向于生成贴地的气团，并容易在粗糙地面、障碍物和大型建筑附近积聚滞留，处置过程中应注意对以上区域加强稀释和驱散。人员疏散时应注意远离障碍物和建筑物附近区域。

(6)对以瞬时泄漏为主的泄漏事故，靠近泄漏点附近的被困人员要综合判断形势，充分利用密闭空间进行避险，待室外有害气体浓度峰值过后再行疏散，盲目离开建筑物转移可能引起更大的伤亡。对于大流量连续泄漏型泄漏事故，则应在尽力控制泄漏源的前提下，由近及远，果断撤离污染区人员。

6 结语

文章以“6·13”沈海高速温岭段液化石油气罐车爆炸事故为案例，对重气体的扩散特性进行研究和模拟，并提出了相关事故救援中的一系列注意事项。温岭事故是在极端的条件下，罐体短时间出现灾难性破裂，内部的液化石油气瞬间释放造成短时间大量泄漏，导致泄漏救援未曾有效开展就发生严重爆炸。通常情况下，大部分重气体泄漏事故有一个事故逐步演变升级的过程，救援人员是有一定时间开展疏散和应急救援工作的，只要严格依据化学品救援规程进行操作，科学施救，大部分事故是可以有效救援的。

道路危化品运输过程中的泄漏事故是目前发生概率最高的危化品事故类型，由于发生地点的不确定性和事故地点周围情况的复杂性，难以总结出适合一切条件下的救援处置方案，应在专业人员的指挥下，根据泄漏危化品性质开展事故侦查、人员疏散、救援灭火、堵漏输转等行动，完善的预案体系、专业的处置人员和周密的指挥流程是保障事故救援成功的关键。