丁烯球罐泄漏事故后果定量模擬分析

張振宇

（湖南化工設計院有限公司，湖南長沙 410007）

1 概述

1-丁烯又名正丁烯，是工業制丁二烯、異戊二烯和合成橡膠原料之一，還可用于標準氣及配制特種標準混合氣，是重要的基礎化工原料之一。常溫常壓下為無色、可燃性氣體，具有易燃、易爆的危險特性，具有輕度的麻醉性和刺激性，吸入高濃度1-丁烯，會感到窒息、昏迷，出現黏膜刺激、血壓稍升高、心率增快，空氣中長時間接觸以1-丁烯為主的混合性氣體，會有頭痛、困乏、易激動、感到疲倦、渾身無力、智商減退等癥狀。通常為了便于儲存和運輸，將其加壓液化后儲存在球形儲罐內。一旦儲罐由于操作或腐蝕等原因損壞，1-丁烯泄漏至環境中，與周圍空氣混合形成爆炸性混合物，如果環境溫度達到著火點，則會引起火災和爆炸，爆炸產生的沖擊波破壞和傷害作用極大。根據以往發生過的類似事故經驗[1]，1-丁烯泄漏的主要事故后果是蒸汽云爆炸（UVCE）和沸騰液體擴展蒸汽云爆炸（BLEVE）。前者屬于爆炸型，其破壞效應主要是沖擊波的超壓—沖量破壞和損傷；后者屬于火災型，它能產生巨大火球以向四周輻射熱量是其主要危害。

2 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）和沸騰液體擴展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果定量模擬過程分析

2.1 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）危害后果計算模型

蒸汽云爆炸，是指可燃氣體或可燃液體蒸氣與空氣混合形成以 “預混云”形式擴散遇到點火源引發火災爆炸，蒸汽云爆炸需要滿足兩個條件：①適當的溫度和壓力；②擴散并形成達到爆炸濃度的足夠大的云團。1-丁烯球罐泄漏后，1-丁烯蒸氣與周圍的空氣預混形成預混云，遇明火或高熱能就會引起爆炸。蒸汽云爆炸發生后的危害主要是爆炸產生高速氣浪對人員、建筑物和生產設施等的傷害、破壞。蒸汽云爆炸危害后果計算采用TNT當量法[2]。

2.1.1 1-丁烯蒸汽云爆炸TNT當量的計算

假定一定百分比的1-丁烯蒸汽云參與了爆炸，可以用TNT 當量WTNT來表示蒸汽云爆炸的后果，計算公式為：

式中：A為1-丁烯蒸汽云的TNT當量系數，統計平均值為4%；

WTNT為1-丁烯蒸汽云爆炸的TNT當量，kg；

Wf為蒸汽云中1-丁烯的總質量，kg；

Qf為1-丁烯的燃燒熱，kJ/kg；

α為地面爆炸系數，取1.8；

QTNT為TNT的爆熱，取4 520kJ/kg。

2.1.2 1-丁烯蒸汽云爆炸的死亡半徑

1-丁烯發生蒸汽云爆炸，死亡區的半徑為死亡半徑，死亡區內人員死亡率為50%，死亡區內徑為零，外半徑記為R0.5，表示外圓周處人員因沖擊波作用導致肺出血而死亡的概率為0.5，它主要取決于參與爆炸的1-丁烯蒸汽云的質量大小，即1-丁烯蒸汽云爆炸的TNT當量，與爆炸TNT當量間的關系由下式確定：

2.1.3 1-丁烯蒸汽云爆炸的重傷半徑

1-丁烯蒸汽云爆炸的破壞傷害作用主要取決于沖擊波峰值超壓的大小，重傷區的半徑為重傷半徑，重傷區內徑為死亡區半徑R0.5，當邊界沖擊波峰值超壓Δp0.5為44 000Pa時，邊界處人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.5，即為重傷外徑，記做Rd0.5。Rd0.5由下列方程式求解：

式中：Rd0.5為人發生重傷到爆炸源的水平距離，即重傷區外徑，m；

E為1-丁烯爆炸產生的全部能量，J；

p0為大氣壓力，取101 300Pa。

2.1.4 1-丁烯蒸汽云爆炸的輕傷半徑

1-丁烯蒸汽云爆炸的輕傷區的半徑為輕傷半徑，輕傷區內徑為重傷區的外徑Rd0.5，當外邊界處沖擊波峰值超壓Δp0.01為17 000Pa時，邊界處人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.01，即為輕傷外徑，記做Rd0.01。計算Rd0.01仍用方程式（3）、（4）、（5）進行求解。

2.1.5 1-丁烯蒸汽云爆炸的財產損失半徑

1-丁烯蒸汽云爆炸造成財產損失的半徑為財產損失半徑，對于爆炸性破壞，財產損失半徑R財的計算公式為：

式中：K2為二級破壞系數，取4.6。

2.2 1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸（BLEVE）危害后果計算 模型

沸騰液體擴展蒸汽云爆炸，是指丁烯因地面池火災或者其他火災的長時間烘烤，產生了沸騰液體擴散為蒸汽爆炸，產生巨大的火球，造成熱輻射傷害，BLEVE產生的碎片和沖擊波雖然也有一定傷害，但與爆炸產生的火球熱輻射相比，其危害可以忽略。

1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸火球的特征可用國際勞工組織（ILO）建議的沸騰液體擴展為蒸汽云爆炸模型[3]來估計。

2.2.1 1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸火球半徑的計算

1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸火球半徑R和可燃物質1-丁烯質量W的立方根成正比，火球半徑的計算公式為：

式中，1-丁烯為雙罐儲存。W計算體積值取罐容積的70%（單罐儲存，W取罐容積的50%；對于雙罐儲存，W取罐容積的70%；對于多罐儲存，W取罐容積的90%）

2.2.2 1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸火球持續時間計算

火球的持續時間t也和可燃物質1-丁烯質量W的立方根成正比，火球持續時間的計算公式為：

2.2.3 1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸目標接收到的熱輻射通量計算

當r＞R時，目標接收到的熱輻射通量按下式計算：

式中：q0為火球表面的輻射通量，W/m2。對于柱形罐取270kW/m2；對于球形罐取200kW/m2；r為目標到火球中心的水平距離，m。

2.2.4 1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸熱輻射對人員的影響

彼得森（Pietersen）在1990年用如下模型[4]來預測熱輻射的影響。

皮膚裸露時的死亡幾率為：

有衣服保護（20%皮膚裸露）時，二度燒傷（重傷）幾率為：

有衣服保護（20%皮膚裸露）時，一度燒傷（輕傷）幾率為：

式中：q1、q2、q3為人體接收到的熱通量，W/m2；

t為人體暴露于熱輻射的時間（火球持續時間），s；

pr為人員傷害幾率。

2.2.5 1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸財產燒毀熱通量

式中：q4為財產燒毀的熱通量，W/m2。

t為財產暴露于熱輻射的時間（火球持續時間），s。

3 1-丁烯蒸汽云爆炸（UVCE）和1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果定量計算

某企業原料罐區共有丁烯球罐2臺，容積均為3 000m3，其操作溫度為常溫，操作壓力為0.35MPa。

3.1 蒸汽云爆炸（UVCE）事故后果計算

若一臺丁烯球罐不慎發生破裂，其泄漏瞬時質量流率計算公式[3]如下：

式中：Qm為質量流率，kg/s；

p為儲罐內壓力，Pa；

p0為環境壓力，Pa；

C0為液體泄漏系數，取0.81；

g為重力加速度，9.8m/s2；

A為泄漏孔面積，m2；

ρ為液體密度，kg/m3；

hL為泄漏孔上方液體高度，m。

假設丁烯球罐出現全口徑泄漏，代表孔徑為200mm，泄漏孔上方液位高度取13.5m，環境大氣壓取0.1MPa，液體密度取581kg/m3，液體泄漏系數取0.81，代入公式（14）進行計算，得1-丁烯泄漏質量流率為494.69kg/s，取延時點火時間為5min，則泄漏量為：

根據蒸汽云爆炸（UVCE）危害后果計算模型，計算得表1：

表1 UVCE計算結果

3.2 1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸（BLEVE）事故后果計算

根據1-丁烯沸騰液體擴展蒸汽云爆炸（BLEVE）危害后果計算模型，計算得表2：

表2 BLEVE模型計算結果

4 結論

通過以上定量模擬分析可知，該企業原料罐區1-丁烯球罐一旦全口徑泄漏，如果沒有得到有效控制，發生蒸汽云爆炸的TNT當量為1.145 6×105kg，按照死亡區半徑、重傷區半徑、輕傷區半徑、財產損失半徑定義，離爆炸中心半徑為78.6m的圓形區域內的50%的人員死亡；離爆炸中心外徑為187.7m，內徑為78.6m的圓環區域內，人員大部分重傷；離爆炸中心外徑為337.01m，內徑為187.7m的圓環區域內，人員大部分輕傷。財產損失范圍為半徑222.4m的圓形區域。

計算死亡區半徑、重傷區半徑、輕傷區半徑、財產損失半徑的意義在于：

1）事前事故預防。已知1-丁烯球罐周邊的人員和財產分布情況，即可評價確定人員的傷亡數和直接財產損失大小，根據評價結果可以對丁烯球罐周邊的人員分布、設備設施布局做出安排，避免事故發生后造成不必要的傷亡和損失。

2）指導事故應急救援。發生1-丁烯火災爆炸事故時，應急救援人員需進出事故發生區域實施危險源控制、人員搜救和現場警戒等措施，應急指揮部需要在事故現場設立指揮部，事故涉及人員需要盡快撤離事故發生區域，根據應急救援的需要，應在事故現場設置危險區和安全區，并隔離危險區和安全區，應急救援人員由安全區進入危險區實施應急救援，應急救援后由危險區進入安全區，在安全區進行受傷人員和貴重物品的交接并進行洗消，應急指揮部設置在安全區，能夠在及時掌握事故現場情況的同時保障指揮部成員安全，事故現場涉及的人員應盡快撤離至安全區，避免事故波及，上述危險區和安全區的分界線可以根據計算結果得出，安全設置在離爆炸中心至少337.01m以外，從而能夠保證科學合理地實施應急救援。

如果蒸汽云爆炸事故發展無法得到控制，2臺1-丁烯球罐連鎖發生沸騰液體擴展蒸汽云爆炸，其火球半徑為390.43m，火球持續時間為60.58s，將發生導致近1 696m半徑范圍內人員傷亡的災難性后果，這就需要根據事故事態發展進一步調整安全區的位置。

3）指導化工裝置和儲存設施周邊用地規劃。

根據計算結果，在進行化工裝置和儲存設施周邊用地規劃時，應將醫院、學校、民宅設置在合理位置，避免受事故波及；在1-丁烯裝置周邊規劃工廠時，也應考慮合理的距離，避免1-丁烯球罐發生火災爆炸引起其周邊工廠發生衍生次生事故，產生多米諾效應。