液氨罐泄漏事故模擬以及風險對策分析

白波,劉志學,劉維維,王軍,趙歡,李開旺

(陜煤集團榆林化學有限責任公司,陜西 榆林 719000)

Aloha(Areal Location of Hazardous Atmosphere)是一種用于綜合評估危險化學品泄漏事故對周邊環境影響的軟件[1],主要通過計算危險化學品在空間的泄漏、擴散過程,得到物料泄漏后在大氣中的分布以及潛在事故的影響范圍,有助于化工企業進行風險辨識和評價,制定環境風險管理體系,建立突發應急預案。液氨作為裝置產品,濃度大于99.8%,儲存于生產運行裝置現場的液氨循環罐中。根據能量意外釋放理論,液氨屬于第一類危險源,其自身有較大的危險性,一旦發生泄漏,對企業作業人員、設備實施、周邊地區將會造成不可估量的影響,因此根據“將隱患提到事故前”的理念,對泄漏事故進行模擬,預先提出風險管控措施,為事故預防和應急救援提供指導,對企業的安全生產具有重要意義。

1 液氨循環罐泄漏事件樹

事件樹分析是一種邏輯歸納法,是從給定一個初始事件的原因開始,按時間進程采用追蹤方法,對構成系統各要素(事件)的狀態(成功或失敗)逐項進行二者擇一的邏輯分析[2]。分析初始條件的事故原因可能導致的結果,從而定性或定量地評價系統的安全性,其基本過程就是從一個初始事件開始按照事故發展過程中事件發生或者不發生,交替考慮成功與失敗兩種可能的結果,直到分析出最后結果為止。事件樹分析既可以進行定性分析,也可定量分析,容易找出不安全因素造成的后果。液氨泄漏事件樹分析如圖1所示。

圖1 液氨循環罐泄漏事件樹

2 氨氣的理化性質及危害性

2.1 氨氣的理化性質

常溫常壓條件下,氨氣的密度為0.771 kg/m3,自燃點為51 ℃,爆炸極限為15.5%～27%,氨氣質量濃度達到500～700 mg/m3時,呼吸道會嚴重中毒,達到3 500～7 500 mg/m3時,可出現“閃電式”死亡,基本理化性質見表1。

表1 氨氣主要理化性質

2.2 氨氣的危害性

2.2.1 毒害性

在沒有明火、高溫熾熱表面或熱源的情況下,氨氣發生泄漏、擴散后的混合氣體與人體接觸時會造成急性中毒和灼傷,主要通過皮膚、呼吸道及消化道進入人體:低濃度氨氣會刺激人體眼部和呼吸道黏膜;高濃度氨氣會導致呼吸困難、胸悶、頭暈等癥狀,嚴重時導致心跳和脈搏停止。

2.2.2 火災危險性

氨氣為易燃物質,引燃溫度為650 ℃,為乙級火災,爆炸極限為15.7%～27.4%,氨氣泄漏后易發生火災。

2.2.3 爆炸危險性

氨氣具有可燃可爆性,當濃度在17%時,遇到明火或者高溫熱源會立即發生燃燒或者爆炸。另外,當泄漏源處于封閉空間內,經過一定時間泄漏會形成蒸氣云爆炸,而且液氨儲罐是一種壓力容器,也有爆炸碎片破壞造成的沖擊波對周圍設備設施、建筑物造成二次破壞。

3 液氨循環罐泄漏事故模擬

原料酸性水通過汽提產生的氨氣,經過洗滌、結晶、脫硫、壓縮、換熱后進入到液氨循環罐中,合格的液氨產品輸送至液氨儲罐中。液氨循環罐中的部分液氨通過管道回流至洗滌塔、脫硫塔進行重復處理,儲罐中的廢水等不合格品將輸送至地下管網內。液氨循環罐內含介質為濃度99.8%以上的液氨,工作溫度在40 ℃左右,操作壓力為2 MPa,罐體使用材質為Q245R鋼,保溫材料使用30 cm厚的阻燃性泡沫聚氨酯。該罐分別設置現場液位計和遠傳液位計各一個、現場壓力表和遠傳壓力表各一個、現場溫度計一個、放空導淋兩個。另外,還設置一條管道通往火炬氣管網,且該通往火炬氣管道上設置有兩個安全閥。液氨循環罐如圖2所示。

圖2 液氨循環罐

根據數據顯示,化工行業較多泄漏性事故的主要原因包括法蘭和閥門密封失效、管道斷裂、安全附件失效等[3]。因此,根據該液氨循環罐所附硬件設施,并參考裝置運行工況條件,本文在模擬計算過程中,將法蘭與閥門密封失效發生泄漏事件作為主要的研究對象,為利于模擬和計算,在分析過程中可以將泄漏點等效為一定直徑的孔洞[4]。氨氣在常壓下為氣相,泄漏以后在室外環境下將會直接擴散,形成具有毒害性和爆炸可能性的危險區域。

根據當地實際氣象情況,設置風向為北偏西15°,距離地面3 m高度的風速為5 m/s,周圍環境屬于開闊區域,萬里無云,氣溫為25 ℃,較為干燥。液氨循環罐為臥式罐,長度為2 m,直徑為1 m,容積約為1.9 m3,介質溫度為40 ℃,內存介質0.8 t,泄漏點孔洞為3 cm,泄漏孔距離罐底部為0.5 m,介質泄漏后接觸地面為水泥地面。

3.1 儲罐泄漏擴散引發中毒

在 Aloha 模型中,毒性濃度標準判斷方式主要包括化學品保護措施指導濃度(PAC)、急性暴露指導濃度(AEGL)、應急響應計劃指南(ERPG)、短期暴露限值(IDLH)。當人體暴露于化學品濃度超過臨界閾值的環境中時,會對身體健康產生危害。本文采用更為嚴格的PAC標準來確定液氨循環罐泄漏的中毒影響區域,危害濃度閾值見表2。

表2 氨氣毒性標準

當泄漏孔當量直徑為1～5 cm時,其毒性的影響邊界范圍如圖3所示,整體中毒區域范圍隨著泄漏孔徑的增大而增加,當孔徑小于3 cm時,泄漏中毒影響范圍對泄漏孔徑的增加比較敏感,當孔徑大于3 cm時,隨著孔徑大小增加,泄漏中毒區域增加趨于平緩。

圖3 泄漏孔徑尺寸對中毒區域的影響

液氨循環罐的泄漏孔徑當量為3 cm時,中毒影響區域分布見圖4。從圖4中可以看出,距離泄漏點下風向146 m范圍內為一級致毒區(PAC-1),該區域在液氨泄漏60 min時,氨氣濃度可以達到1 100 mg/m3,此濃度下人體呼吸道出現嚴重中毒癥狀,強烈刺激,屬于重度危害濃度區間。距離泄漏點下風向401 m范圍內為二級致毒區(PAC-2),該區域在液氨泄漏60 min時,氨氣質量濃度可達到160 mg/m3,此濃度下造成人體鼻眼刺激、呼吸脈搏加速,屬于中度危害區間。距離泄漏點下風向963 m內為三級致毒區(PAC-3),該區域在液氨泄漏60 min時,氨氣質量濃度可達到30 mg/m3,此濃度下造成鼻咽部位有刺激感,屬于輕度危害區間,圖形最外圈為安全邊界,此邊界以外的區域屬于安全區域,發生泄漏事故時,應當立即將人員疏散至此邊界外。為進一步明確泄漏點坐標以及危害范圍,采用Google Earth 與工藝平面布置圖進行圖像疊層的方法,在地圖上明確液氨循環罐具體位置及坐標(北緯38°37′37.07″,東經110°05′20.80″)以及發生泄漏所輻射到周圍的區域,如圖5所示。根據現場周邊設備實施距離進行判斷,當發生泄漏時,影響的范圍涉及東邊的氫氣壓縮機廠房區域,酸性水裝置正南方向上的洗滌塔、脫硫塔、結晶塔以及西側的兩臺氨氣壓縮機,還有酚氨水裝置的大部分區域。

圖4 泄漏孔徑為3 cm時的影響范圍

圖5 泄漏影響范圍實況

3.2 儲罐泄漏引發閃火

閃火是液氨泄漏后揮發出的蒸氣與空氣進行混合后,遇火星、高溫熾熱表面被點燃而發生的一種非爆炸性的燃燒過程。閃火的危害大小與液氨泄漏后形成的可燃云團密切相關,Aloha在計算過程中根據云團中氨氣的濃度劃分潛在風險區域等級,氨氣的爆炸極限在16%～25%,根據可燃氣體報警閾值將濃度等級劃分為20%LEL、10%LEL、2%LEL,其中LEL為氨氣的爆炸下限,其值為16%。泄漏孔徑為3 cm時各風險區域等級劃分如圖6所示,距離泄漏點下風向方向22 m之內氨氣濃度大于20%LEL,距離泄漏點下風向方向34 m之內氨氣濃度大于10%LEL,距離泄漏點下風向方向100 m之內氨氣濃度大于2%LEL。經進一步計算,距離泄漏點5 m范圍內濃度將達到16%,屬于爆炸危險區。

圖6 氨氣20%LEL、10%LEL、2%LEL分布區域圖

采用Google Earth 與工藝技術圖進行圖像疊層得到的危害影響范圍如圖7所示。當蒸氣云發生閃火時,閃火波及的范圍涉及酸性水裝置當時下風向的洗滌塔、脫硫塔、結晶塔以及酚氨水裝置的大部分區域。

圖7 氨氣20%LEL、10%LEL、2%LEL分布區域實況

3.3 泄漏引發蒸氣云爆炸

儲罐泄漏釋放出的氨氣形成的可燃蒸氣云被點燃,火焰速度加速到足夠高時會發生超壓現象,形成蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸的主要危害方式包括熱輻射、沖擊波、拋射碎片等,其中沖擊波的危害最大。Aloha軟件分別以55.158 kPa(8.0 psi,造成建筑物損毀)、24.132 kPa(3.5 psi,造成人員重傷)、6.895 kPa(1.0 psi,造成玻璃破碎)的強度來劃分蒸氣云爆炸后的危害區域等級[5]。經計算,在設定的外界環境和儲罐內氨氣的狀態,不會發生造成建筑物損毀和人員重傷的蒸氣云爆炸事故。在距離泄漏點下風向12 m、兩側5.5 m范圍內會發生壓力等級為6.895 kPa(1.0 psi)的事故,如圖8所示。采用Google Earth與工藝技術圖進行圖像疊層得到的危害影響范圍如圖9所示。當發生爆炸時,沖擊波的影響區域包括酸性水裝置的洗滌塔、結晶塔。

圖8 蒸氣云爆炸危害區域分布

圖9 蒸氣云爆炸危害區域分布實況

經三類事故的對比分析發現,當氨氣泄漏濃度達到可燃氣體報警儀報警值20%LEL時,其在空氣中的濃度遠遠大于有毒氣體報警儀設置的30 mg/m3,因此,在考慮氨氣泄漏后發生的各類型事故中,應當重點關注氨氣泄漏中毒事故,并提出相對應的事故風險管控措施[6]。

4 泄漏風險管控措施

4.1 生產管理

1)加強工藝信息安全管理。液氨循環罐內的液氨屬于該裝置產品,有本身不可替代性以及危險性不可消除的特點,所以應當建立完整的工藝安全信息,并嚴格管理。一般包括化學品危害信息,工藝技術信息和工藝設備信息。化學品危害信息至少包括毒性、允許暴露限值、物理參數、反應特性、腐蝕性數據、熱穩定性、化學穩定性以及泄漏化學品的處置方法[7]。工藝技術信息應當包括工藝流程簡圖、物料存儲最大量、安全操作溫度、偏離正常工況的后果評估。以便對整個工藝系統的危害有全面清晰的認識,制定符合工藝安全的技術手冊、操作規程,確保本質安全。

2)加強工藝過程安全操作。因儲罐上游工藝條件或操作參數發生變化導致液氨溫度和壓力超過設計值,應當及時啟動并更新管理程序,及時完善安全防控措施。并向上游酸性水汽提裝置定期增加緩蝕劑和水,不合格產品應當密閉循環送入汽提裝置二次處理,采樣過程應采取自動或者密閉方式,建立良好的全面通風條件[8]。

4.2 設備管理

1)儲罐設計、制造、安裝。液氨循環罐屬于壓力容器,應當向符合國家規定的特種設備制造、安裝單位進行招標采購,另外對制造過程應當進行監督檢驗,對制造、安裝過程中涉及安全性能的項目嚴格把控[9],如焊接工藝、焊工資格、力學成分、化學成分、無損探傷、載荷試驗等重要項目,對出廠技術資料進行確認,確保液氨循環罐制造安裝過程符合標準規范。

2)儲罐使用、維護。針對在液氨循環罐周圍工作場所設置固定式氨氣檢測報警儀,并在氨氣泄漏風險區域禁止使用易產生火花的機械設備和工具。對循環罐物料進出口管道彎頭、閥門等易泄漏部位,以及安全閥、壓力表、溫度計等安全附件,應加強檢測維護。

4.3 作業管理

1)在液氨循環罐工藝流程有關的檢維修、施工作業前應當開展作業安全分析并辦理作業許可手續,配備適用的防護器材,作業點應懸掛“當心中毒”等警示標識后,方可實施作業,并落實屬地單位與作業單位雙人監護[10]。

2)進入罐內的受限空間作業應嚴格執行GB 30871的要求,制定作業方案并進行技術交底、檢維修作業時,應充分做好吹掃、置換清晰、鈍化和低點排液,降至常溫后方可打開儲罐,涉及液氨循環罐的盲板抽堵、閥門及墊片更換、儀表拆檢、清污等作業環節應采取配備正壓式空氣呼吸器、安全繩、便攜式氣體檢測報警儀、通風設備、通信設備等應急防護措施,現場應至少備用一套正壓呼吸設備。

4.4 警示與防護

在液氨循環罐泄漏風險區域等重點部位,設置醒目的警示標識,在裝置出入口設置氨氣危害告知牌,風向標按照高點、地點相結合的原則設置且位置醒目,高點風向表的高度及位置應便于觀察,低點風向標應設置在外操室或其他人員密集處附近,且企業應當配備便攜式氣體檢測報警儀、巡檢防毒面罩等個體防護裝備。

4.5 應急處置

企業應當制定涉及有毒氣體泄漏事故應急處置方案并嚴格執行,應設置氣防站,配備搶險急救、應急救援器材、有毒氣體捕消設備,不明原因的泄漏或報警,現場人員應遵循生命至上原則,立即撤離到安全區域。應急處置應當采用工藝控制、通風、噴淋、洗消等適宜的手段及時消除現場氨氣。

5 結論

1)使用Aloha軟件對裝置中液氨循環罐法蘭或閥門發生泄漏中毒、閃火、蒸氣云爆炸等三類事故進行模擬,通過對比不同泄漏孔徑當量1～5 cm,發現泄漏危害范圍隨著儲罐泄漏孔徑的增大而增加,當孔徑大于3 cm時,危害范圍的增加幅度趨于平緩。

2)通過對中毒、閃火、蒸氣云爆炸三類事故泄漏事故的氨氣濃度對比分析,發現泄漏后造成人員中毒的風險和周邊環境影響波及范圍最大。

3)使用Google Earth與工藝裝置分布圖像疊層的方法對模擬畫面進行處理,明確了該液氨循環罐的經緯坐標,進一步確定了事故的輻射范圍和安全邊界,對制定相應的應急預案和救援方案具有一定的指導意義[11]。

4)根據化工全過程安全管理原則,主要針對液氨循環罐泄漏中毒,對企業在工藝、設備、作業安全、警示與防護、應急處置等五個方面提出一定的風險管控措施。但是在實際過程中還需要進行不斷地反饋改進,以符合本質化安全的要求。