危险化学品实验室事故多米诺效应及防控策略

门金龙， 朱柏坚， 李 菲， 章鹏程， 蔡冲冲， 熊碧波，3

（1.广东石油化工学院能源与动力工程学院，广东茂名 525000；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000；3.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，昆明 650031）

0 引 言

在国家“双一流”学科建设、“新工科”建设等高校本科专业建设提升背景下，高校实验室得到快速发展，整体呈现出危化品数量及种类与日俱增、设备仪器大型化与智慧化等趋势，如某个实验环节出现问题，往往易引发连锁反应，导致更为严重的事故后果。据统计［1-2］，2001 ～2022 年我国共发生83 起高校化工类实验室事故，造成17 人死亡，94 人受伤，高校实验室的发展壮大同时给实验室安全与应急管理工作带来严峻挑战。为提升高校实验室安全管理水平，国内外学者先后开展大量研究工作。国外Steere［3］和Paterson［4］提出高校危险化学品实验室安全管理标准，以确保实验室安全；Malcolm［5］对实验室的安全进行了分析，结果表明实验室只能达到相对安全状态；文献［6-8］中分别通过事件报告分类系统和故障模式影响分析等方法评估实验室安全，以减少危害因素确保实验人员的安全；Cadwallader［9］论述了减轻实验室某些类型危害的方法和控制措施；Wiriyakraikul等［10］针对17 所学校的实验室进行安全实践整改研究，结果表明实验室的物理属性、设施设计以及安全设备等的改进是达到安全建筑标准的重要途径。国内李志红［2］对100 起典型实验室事故的类型、发生原因、危险物质类别等进行了统计分析；高玉坤等［11］人对高校实验室气瓶的致灾因子进行研究，并根据事故严重程度结合风险矩阵法建立高校实验室气瓶风险评估体系；Chen 等［12］采用24 Mode和5 Whys方法对某高校实验室爆炸事故进行分析；鄢曙光等［13］对高校实验室甲烷泄漏扩散过程进行数值模拟并针对性提出防控及应急措施；Men 等［14］采用数值模拟研究LPG储罐区多米诺事故效应，结果表明爆炸源数量与爆炸超压成正比、与爆炸间隔成反比。综上所述，国内外为提升实验室安全管理水平均在不断完善技术手段、管理办法及标准规范，却忽视了实验室内部危险化学品事故之间的连锁效应，无法做到进一步预防和控制实验室危险化学品多米诺事故。

本文以某高校危险化学品实验室为研究对象，采用理论计算、数值模拟结合的方法，研究实验室危险化学品多米诺事故效应影响，分析实验室安全管理工作的新特点、新方法。

1 危险源场景构建及分析

1.1 危险源场景构建

以某高校危化品实验室为原型构建实验室多米诺事故场景。该危化品实验室存在3 处危险源，即药品试剂柜1、药品试剂柜2 以及丙烷气瓶，其中丙烷气瓶储量40 L、压力2.2 MPa、密度1.83 kg／m3；药品试剂柜1 内有甲醇，常压储量25 L、密度为0.79 kg／cm3；药品试剂柜2 内有乙醇，常压储量25 L、密度为0.789 3 g／cm3。丙烷气瓶与甲醇相距5 m，甲醇与乙醇相邻，室内环境无风，温度为25 ℃，平面图详情见图1。

图1 某危险化学品实验室物理平面模型

1.2 爆炸模型理论

结合某高校危险化学品实验室丙烷气瓶基本情况建立蒸汽云爆炸模型，因此采用TNT等效模型计算：

式中：WTNT为等效TNT药量，kg；1.8 为地面爆炸系数；α为蒸汽云的TNT 当量系数，一般取4%；Wf为爆炸中燃料的总质量，kg；Qf为物体的燃烧热，单位kJ／kg；QTNT为可燃物爆炸热，取4 120 ～4 690 kJ／kg。

用比例距离Z来描述爆炸物和物体距离爆点的距离之间的关系，公式如下：

式中：Z为比例距离，m／kg1／3；R为测点到爆点之间的距离，m；WTNT为等效TNT药量，kg。

地面爆炸冲击波超压的公式为：

式中：Δp为冲击波峰值超压，MPa；WTNT为炸药的TNT当量，kg；R为测点到爆炸点的距离，m；为比例距离m／kg1／3［15-16］。根据经验公式，蒸汽云爆炸所产生的冲击波危害形式对周围人员的危害和破坏见表1。

表1 冲击波超压对人体的伤害作用

1.3 火灾模型理论分析

高校危化品实验室火灾类型主要为池火灾，故建立池火事故模型［17］。将丙烷气瓶、甲醇、乙醇视为危险源，因实验室未设防火堤，假定泄漏物质充分蔓延，则可计算最大池面积［18］：

式中：S为最大池面积，m2；ρ 为油品的密度，kg／m3；W为泄漏的液体量，kg；Hmin为最小油膜厚度，实验室取0.005 cm。

假定液池为圆形，其半径r为：

据Thomas经验公式可计算池火灾火焰高度：

式中：h为火焰高度，m；r为液池半径，m；v为单位液体面积可燃液体质量燃烧速率，kg／（m2·s）；ρ0为周围环境空气密度，kg／m3；g为重力加速度，取9.8 m／s。

则总热辐射通量：

式中：Q为总热辐射通量，kW；η 为效率因子，在0.13 ～0.35 之间；HC为罐内储存物质燃烧热，kJ／kg。

故距离池火灾中心距离X处热辐射通量，其储罐热辐射—距离曲线公式为：

式中：R为测点到池中心的距离，m；T为热辐射在空气路径的透过率，取1；I为热强度，kJ／m2。

液体池火灾产生危险形式主要为热辐射，可通过热通量准则判断人或物所处位置的受伤程度或设备损坏情况［19-21］，如表2 所示。

表2 不同热辐射入射通量所引起的损失

2 多米诺事故致因分析

2.1 冲击波超压和热辐射的伤害分析

（1）冲击波-距离曲线模拟及分析。丙烷气瓶爆炸主要表现形式为蒸汽云爆炸，对人体的伤害形式主要为冲击波，故在冲击波模拟中热辐射可忽略不计。根据丙烷物质特性与场景构建情况，取QTNT＝4 686 kJ／kg，Wf＝17.72 kg，Qf＝50 370 kJ／kg，α ＝4%，p0＝103 kPa，分别代入式（1）、（2）求得WTNT＝12.18 kg。代入式（3），其冲击波-距离曲线，见图2。

图2 丙烷气瓶的冲击波超压值-距离曲线

由图2 可知丙烷气瓶冲击波超压随距离增加而减小，9 m超压约0.1 MPa，造成大部人员死亡；11 m 超压约0.05 MPa，对人体造成严重伤害；15 m 处超压约0.03 MPa，对人体造成轻微损伤。

仪器设备的破坏不仅与爆炸冲击波波阵面的压力、冲量、作用时间等有关，而且与自身的材料特性等有关，一般以冲击波峰值超压、正相持续时间、正相冲量等表征冲击波对物体的破坏作用。基于Probit模型展开冲击波超压－距离－破坏概率等一系列定量模型研究，更准确地分析超压致因储罐失效效应概率，不同类型设备Probit模型见表3［22-23］。

表3 冲击波超压-距离-破坏概率的设备Probit模型

（2）热辐射-距离曲线模型构建。甲醇与乙醇的具体参数如表4 所示。

表4 甲醇、乙醇热辐射-距离曲线模型构建

根据式（7）得，其热辐射-距离模拟曲线见图3。

图3 甲醇、乙醇的热辐射-距离模拟曲线

由图3 知甲醇、乙醇的热辐射强度随着时间和距离的增加而减小，当测点与爆点距离分别小于2.6 m、4.3 m时，热辐射值≥37.5 kW／m2，该半径内所有设备都被破坏；当测点与爆点距离分别小于3.2 m、5.3 m时，热辐射值≥255 kW／m2，此时1 min 内所有人员100%死亡。

基于Probit模型展开热辐射-距离-破坏概率等一系列定量模型研究，更准确地分析热辐射致因容器失效概率，不同类型设备Probit模型见表5。

表5 设备热辐射致因失效模型［24］

2.2 超压及热辐射损坏概率曲线构建

（1）超压-损坏概率曲线。蒸汽云爆炸事故的主要破坏形式为冲击波，故研究甲醇、乙醇药品试剂柜在丙烷气瓶蒸汽云爆炸初级事故下的概率。由表3 的Probit模型可得：

可求得丙烷气瓶蒸汽云爆炸初级事故下甲醇和乙醇药品试剂柜的超压损坏概率，见图4。即在初级事故下甲醇、乙醇药品试剂柜的损坏概率：Y甲醇＝9.61%，Y乙醇＝9.28%。

图4 常压容器的冲击波超压-概率损坏曲线

（2）热辐射-损坏概率曲线。甲醇或乙醇发生事故产生的热辐射将对丙烷气瓶及临近危险化学品造成影响，此时极易诱发三级事故。

甲醇二级事故对丙烷气瓶及乙醇热辐射-损坏概率、乙醇二级事故对丙烷气瓶及甲醇热辐射-损坏概率见图5。

图5 二级事故对容器的热辐射-损坏概率曲线

由图5 可知，当乙醇与丙烷气瓶相距5.5 m时，丙烷气瓶热辐射I丙烷2＝23.28 kW／m2，丙烷气瓶损坏概率Y丙烷2＝3.3%，此时乙醇易引起丙烷气瓶爆炸；当乙醇与甲醇相距2.5 m 时，甲醇药品试剂柜热辐射I甲醇1＝112.7 kW／m2，乙醇药品试剂柜损坏概率Y甲醇1＝4.1%，此时乙醇必然会引起甲醇燃烧爆炸。

2.3 个人死亡概率计算模型

某高校危化品实验室多米诺事故发生后，事故区域范围内的人员由于暴露在危险环境中存在死亡或受伤，具体情况如下：

（1）暴露强度阈值。蒸汽云爆炸主要伤害形式为冲击波超压，即轻伤范围（17 kPa）、重伤半径（44 kPa）以及致死；池火灾使用热辐射强度，致死（10 kW／m2）、二度烧伤（5 kW／m2）以及一度烧伤（2 kW／m2）。

（2）暴露剂量V。对于火灾暴露剂量由热辐射强度q和暴露时间t决定，V＝t×q4／3；对于爆炸，暴露剂量由超压p决定，V＝p；t为暴露时间（s），q为热辐射强度（W／m2），p为最大超压（Pa）。

（3）死亡概率D。概率函数法适用于不同暴露类型的计算，暴露剂量V和概率变量之间有如下关系：

式中，k1、k2是两个概率变量系数，取值如表6 所示。

表6 不同伤害类型k1 和k2 值

2.4 危险源的死亡概率矩阵

基于死亡概率计算模型建立笛卡尔距离矩阵［25］，用矩阵表示各元素到区域中心的距离，取15 ×15 m的区域进行死亡风险概率分析，建立距离网格矩阵P（11，11），步长为3 m，即将该危险化学品实验室划分为11 ×11 的网格，N＝11。每一个被划分出来的区域以每一个单元来表示，从单元中心到区域中心的这一短距离则以矩阵单元格数值来表示，该评价区域笛卡尔距离矩阵见表7。

表7 实验室P（11，11）笛卡尔距离

将丙烷气瓶初级事故、甲醇及乙醇二级事故相关数据代入式（9），丙烷k1取－46.1、k2取4.82，甲醇与乙醇k1取－37.23、k2取2.56，分别构建死亡风险概率矩阵，其中丙烷气瓶初级事故、甲醇二级事故、乙醇二级事故及三级事故死亡概率分别为D1、D2、D3、D4，与事故中心距离则分别为r1、r2、r3、r4，其死亡概率三维图如图6 所示。

图6 实验室危险化学品事故死亡概率图

（1）由图6（a）可知，与丙烷气瓶初级事故距离r1≤9 m 时死亡概率D1均100%；与丙烷气瓶初级事故距离r1≥15 m时，死亡概率D1骤减为14%。

（2）由图6（b）可知，与甲醇二级事故距离r2≤6 m时死亡概率D2均为100%；与甲醇二级事故距离r2≥12 m时，死亡概率D2骤减为2%。

（3）由图6（c）可知，与乙醇二级事故距离r3≤12 m时死亡概率D3均为100%；与乙醇二级事故距离r3≥15 m时，死亡概率D3降低为62%。

（4）由图6（d）可知，基于初级、二级事故影响，叠加得到三级事故，此时与三级事故距离r4≤15 m的死亡概率D4均100%；当r4＞15 m 时死亡概率快速下降，r4＝16.5 m处死亡概率降至17.66%，人员生还几率大幅提高。

3 危化品实验室事故多米诺效应防控策略

危险化学品目标设备的破坏主要与设备间的安全距离、初始事故场所的致损因子强度以及设备防护措施有关。针对危化品实验室多米诺事故突发性强、破坏性大、死亡概率高的特点，现从安全距离与布局优化、安全屏障、事故升级阈值及风险动态监测4 个方面优化危化品实验室事故多米诺防控措施，其中丙烷气瓶一级事故伤亡半径从9 m 降至7.4 m，为进一步预防和控制高校危化品实验室多米诺事故提供了参考，详情见图7、图8。

图7 某危险化学品实验室优化前平面图

图8 某危险化学品实验室布局优化后平面图

（1）增加安全距离与优化布局。在遵循实验室设计面积及安全阈值的准则下，根据多米诺事故场景概率及危化品热辐射规律，分别将丙烷气瓶存放于实验室东北角、甲醇与乙醇储存柜间隔2 m存放于实验室西南角，此时丙烷气瓶与甲醇、乙醇试剂柜距离分别为10.30 m、12.08 m，以确保实现安全距离，杜绝扩展场景或多米诺效应的发生。

（2）设置安全屏障。为减轻爆炸冲击波、热辐射带来的事故伤害，避免发生多米诺效应，在丙烷气瓶区设置抗爆15 ～20 MPa 的钢制防爆墙与智能温感灭火球；设置具有防火防爆与环境参数监测的甲醇、乙醇智能储柜，并分别在丙烷气瓶区及危险化学品智能储柜临近墙体安装智能水幕喷淋，进一步降低危险化学品实验室事故风险。

（3）提高事故升级阈值。危险化学品事故扩展具有不确定性，未超过其阈值则认为设备未失效，此时不会发生事故升级。根据图3 ～图5 设备损坏概率情况，将丙烷气瓶304 不锈钢材质更换为性能较好的316不锈钢材质；甲醇与乙醇试剂选取厚度≥1.2 mm、抗拉强度≥345 MPa 的钢制智能储柜，以提高危险源设备事故阈值，进而避免实验室危险化学品事故升级，达到多米诺事故预防目的。

（4）设置风险动态监测。基于5G 智能、物联网等技术手段，结合危险化学品多米诺效应特点，严格落实危险化学品管理制度，设置设备二维码信息（SDS、操作规程、人员使用等），建立丙烷气瓶、甲醇、乙醇等危险区域温度、压力、湿度、空气质量等关键参数的风险动态监测系统，实现危险源动态监控与风险预警，做到危险化学品实验室事故超前干预，以提高实验室安全管理水平。

4 结 语

本文采用理论计算与数值模拟的方法，研究广东某高校危险化学品实验室的丙烷、甲醇及乙醇火灾爆炸的初级事故、二级事故及三级事故，得出以下结论与启示：

（1）高校危险化学品实验室多米诺效应事故场景构建。本文场景中危险源主要为丙烷气瓶与甲醇、乙醇药品，其中甲醇乙醇相邻放置，距丙烷气瓶分别为5 m、5.5 m；以40 L的丙烷气瓶为爆炸研究对象，采用TNT当量法换算得出实际爆炸TNT当量为12.18 kg；甲醇、乙醇的事故危害主要表现为热辐射，分别存储有25 L。

（2）高校危险化学品实验室多米诺致因分析。研究结果表明：①初级事故中Y甲醇＝9.61%、Y乙醇＝9.28%，r1≤9 m时死亡概率D1为100%；②甲醇二级事故易引起丙烷气瓶与乙醇发生三级事故，r2≤6 m时死亡概率D2为100%；③乙醇二级事故必然引起甲醇发生三级事故，r3≤12 m 时死亡概率D3为100%；④三级事故中r4≤15 m时死亡概率D4为100%，距离事故中心16.5 m处死亡概率快速降为17.66%。

（3）危化品实验室事故多米诺防控策略。从安全距离与布局优化、安全屏障、事故升级阈值以及风险动态监测4 个方面优化危化品实验室事故多米诺防控措施，可进一步提升高校危化品实验室安全管理水平。