化学园区苯储罐泄漏风险分析

2023-10-12马鑫龙

中国特种设备安全 2023年9期

马鑫龙

(深圳市燃气集团股份有限公司深圳 518000）

随着我国化学工业的快速发展，危化品种类也随之迅速增多，如何保证危化品的安全使用、储存、运输逐渐成为热点问题。其中，苯在众多领域使用量较大，苯储罐也发生过泄漏火灾等事故。2014 年某集团苯储罐发生泄漏事故，导致2 人死亡；2018 年上海某公司苯储罐底板发生泄漏，并且造成爆炸事故，导致6 人死亡[1]。当苯储罐发生泄漏时，遇到热源或者明火，会发生火灾，甚至发生爆炸事故，造成严重财产损失、人员伤亡以及环境污染。因此，对苯储罐进行风险分析、后果模拟应该引起足够的重视。

近些年来，国内外学者不乏对储罐风险分析和后果模拟的研究。例如，巫志鹏等人使用了物理化学等理论方法对化工储罐进行风险评价研究[2]；林子淳利用风险评价方法对化工储罐进行研究[3]；王洪德等人针对化工装置的火灾爆炸事故进行风险网格矩阵叠加分析，从而揭示了火灾事故的危险程度[4]；马月鹏等人利用个人风险和社会风险的计算模型定量计算了储罐的风险[5]。目前国外已经研发了几个常用的火灾数值模拟软件，如ALOHA、DNV Phast、Fluent、FDS以及FLACS 等。Middha[6]对一些利用FLACS 软件模拟火灾的文献进行分析，利用FLACS 软件进行火灾模拟。

经以上分析，笔者通过事故树分析和贝叶斯网络来计算苯储罐泄漏发生的概率，根据实际工厂中苯储罐的场景进行模拟，通过统计分析结果确定点火概率，并对产生的池火模型计算热辐射值，转化成个人致死率，借助MATLAB 软件计算个人风险值，接着通过ALOHA 软件对单个储罐进行后果模拟，分析苯发生火灾和毒性事故的影响。

1 苯储罐泄漏事故概率计算

1.1 事故树模型构建

事故树分析法主要用在安全工程及可靠度工程领域，可用来了解系统失效的原因，能够对系统的危险性进行识别评估，既能定性分析，也能定量分析，自上而下，层层分析顶事件的发生原因，将造成顶事件发生的基本事件与中间事件连接起来，并形象地表达出其因果关系。

笔者采用事故树模型对苯储罐进行泄漏分析，依据历史资料归纳苯储罐泄漏的基本事件与中间事件见表1。根据基本事件、中间事件和顶上事件构建事故树如图1 所示。根据国内外事故统计，结合化工厂的地理位置、环境、员工素质及文献调研得到事故树中27 个基本事件的概率见表2。

图1 苯储罐泄漏事故树图

表1 苯储罐泄漏事件表

表2 基本事件的发生概率

1.2 贝叶斯网络模型

在分析储罐泄漏的原因后，进行泄漏概率的计算，这里采用贝叶斯网络进行计算。贝叶斯网络模型是基于贝叶斯定理的图形化模型，是事件概率与事件直接原因概率之间可逆的关系。在贝叶斯网络中，节点代表一个变量，箭头代表因果关系。一个节点可以连接到许多其他节点，要么是因为许多原因在该节点上有一个结果，要么是因为该节点在许多其他节点上有一个直接结果。贝叶斯网络中的概率采用贝叶斯规则计算。贝叶斯规则是推理论证的关键，允许计算一个原因(或一个结果)的概率，知道一些其他相关的事件已经发生。

根据事故树，利用GeNIe 软件建立贝叶斯网络模型如图2 所示。

图2 苯储罐泄漏贝叶斯网络模型

根据贝叶斯网络模型分析，输入各基本事件的发生概率，计算得到苯储罐的泄漏概率为0.000 22。

2 个人风险值计算

当苯储罐发生泄漏之后，流淌到地面形成液池，遇明火燃烧而形成池火。笔者应用池火模型计算苯储罐发生泄漏火灾事故后在周围产生的热辐射值，并转化为个人致死率，然后使用MATLAB 软件计算个人风险值。

2.1 热辐射值计算

苯（Benzene，C6H6）在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味，苯可燃、有毒，也是一种致癌物质，密度为0.88 g/mL，相对蒸气密度为2.77，熔点为5.51 ℃，沸点为80.1 ℃，苯的燃烧热为42 287.5 kJ/kg。储罐泄漏情景为：两储罐相隔30 m，泄漏位置在储罐最底部，泄漏孔分为小孔、中孔和大孔，孔径分别为7 mm、10 mm 和15 mm，其发生的概率占比分别为0.4、0.4 和0.2，在泄漏15 min 之内没有工作人员发现苯储罐发生泄漏，并假设点火概率为0.3，形成液池的液膜厚度为0.01 m，不考虑多米诺效应。

池火直径计算见式（1）、式（2），计算结果见表3。

表3 池火面积计算结果

式中：

S——液池面积；

Cd——泄漏系数，取0.65；

A——裂口面积；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

h——裂口之上液位高度，m；

d——液膜厚度；

T——温度，℃；

D——池火半径。

热辐射值计算见式（3）～式（5）。

式中：

E——固体火焰模型的表面发射功率；

F12——视觉系数；

q′′——热辐射值；

Es——火焰表面的热辐射比；

Emax——火焰表面最大处的热辐射比；

F12，H——泄漏处的视觉因子；

F12，V——池火的视觉因子；

τ——空气折射率。

2.2 个人致死率计算

将热辐射值转化成个人致死率，计算见式（6）～式（8）。

式中：

I——热辐射强度；

u——距离因子，m；

ts——暴露时间，取20 s。

2.3 个人风险值计算

个人风险是衡量储罐装置风险的一个重要指标。一般地，个人风险是指因危险化学品生产、储存装置的各种潜在的火灾、爆炸、有毒气体泄漏事故造成区域内某一固定位置人员的个体死亡概率，即单位时间内（通常为1 年）的个体死亡率。通常用个人风险等值线表示。

笔者在本文中使用MATLAB 软件计算个人风险值，计算见式（9），计算结果见图3。

图3 个人风险计算结果

从图3 中可以得到，个人风险值大致呈圆环形分布，且距离储罐越近，个人风险值越大。根据我国个人可接受风险标准值，在居住类高密度场所和公众聚集类高密度场所（30 人≤人数＜100 人），新建装置的个人可接受风险标准为3×10-6；在高敏感场所、重要目标和特殊高密度场所（人数≥100 人），新建装置的个人可接受风险标准为3×10-7。在距离储罐12 m 左右的位置，风险值为4.75×10-6，超出了个人可接受风险标准，应该采取相应措施，减小个人风险值。比如，在苯罐区安置移动式灭火器、固定式雨淋喷水灭火系统、固定式低倍数泡沫灭火系统等；做好气体检测报警系统的设置，对泄漏情况实施全天不间断的监测；合理控制罐区建筑物间的距离。

3 ALOHA 仿真

3.1 ALOHA 软件基本情况

ALOHA (Areal Locations of Hazardous Atmospheres，有害大气空中定位软件)是由美国环保署 (EPA) 化学制品突发事件和预备办公室(CEPPO)和美国国家海洋和大气管理 (NOAA) 响应和恢复办公室共同开发的应用程序[7]。该软件累积集成了1 000 多种常见的危险化学品的理化性质，可以用来计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等。目前，ALOHA 已广泛应用于风险评估和应急辅助决策等领域。

3.2 甲苯泄漏事故后果分析

●3.2.1 案例分析

2019 年3 月21 日，位于江苏省的某工业园区内的苯储罐发生泄漏并引发爆炸事故，本次江苏响水“3.21”爆炸事故造成死亡44 人，危重32 人，重伤58 人，还有部分群众受轻伤[8]。事故发生时的具体环境参数及苯储罐的泄漏参数见表4。

表4 泄漏参数表

●3.2.2 毒性

苯储罐在发生泄漏之后，由于苯具有易挥发、有毒等特性，根据AHLOHA 中的AEGL 指标(Acute Exposure Guideline Level，急性暴露指导浓度)描述苯在泄漏挥发以后毒性伤害的区域范围。

根据AEGL 标准，危险化学品毒性危害区域划分为3 个区域，红区代表AEGL-3，个体在此浓度之上将会遭受生命危险甚至死亡。橙区代表AEGL-2，个体在此浓度之上将会丧失逃生能力，且遭受不可逆的、严重的不良健康影响。黄区代表AEGL-1，个体在此浓度之上将会感到不舒服、刺激，但这些影响都是暂时性的并且可逆的。

ALOHA 模拟结果如图4 所示，苯毒性区域中的重伤区域（AEGL-2，60 min 内暴露超过800 mg/L）的最远距离为120 m，轻伤区域（AEGL-1，60 min内暴露超过52 mg/L）的最远距离为650 m。

图4 苯挥发扩散后毒性区域分布图

●3.2.3 蒸汽云闪火区域

可燃区域是蒸气云浓度在燃爆下限（Lower Explosive Limits，LEL）和燃爆上限（Upper Explosive Limits，UEL）之间的区域。ALOHA 使用60% LEL作为可燃等级红区，10% LEL 作为可燃等级黄区。

经过ALOHA 模拟分析，在3 m/s 风速下，苯挥发后蒸汽云扩散闪火伤害重伤区域（10% LEL，暴露浓度高于1 200 mg/L）的最远覆盖区域为98.6 m，如图5 所示。

图5 蒸汽云闪火区域分布图

●3.2.4 池火热辐射

在ALOHA 软件中，应用热辐射指标描述苯喷射火辐射伤害区域范围。在假设情境下苯火焰的模拟扩散如图6 所示，在3 m/s 风速下，苯泄漏喷射火伤害致死区域（热辐射高于10.0 kW/m2）的最远覆盖区域为14.8 m，苯泄漏喷射火伤害致死区域(热辐射高于5.0 kW/m2)的最远覆盖区域为19.7 m，苯泄漏喷射火伤害致死区域（热辐射高于2.0 kW/m2）的最远覆盖区域为27.9 m。