液氨储罐机械完整性与泄漏特性研究

黄海波 涂相勇 刘 蓉 李 刚

（浙江泰达安全技术有限公司）

液氨储罐长期暴露在潮湿的环境中易发生腐蚀，使其机械完整性被破坏而发生泄漏［1，2］。 液氨在常温下容易挥发且毒性较强，在泄漏扩散过程中会对周边的人员造成不同程度的伤害，研究液氨泄漏特性可为液氨扩散预测和防治方案的制定提供理论依据［3～5］。郝腾腾等以化工厂液氨储罐为研究对象， 利用ALOHA 软件研究了液氨泄漏后的扩散特性和对人员的伤害情况，发现采取治理措施和疏散人员的关键时间阶段为泄漏后的前15 min［6］。骆强等采用PHAST 软件研究了不同毒性浓度、气候条件等因素对液氨泄漏扩散特性的影响，分析了液氨泄漏的影响范围和扩散距离［7］。 罗振敏等利用PHAST 软件研究了不同气候、泄漏角度和地表粗糙度对液氨泄漏扩散特性的影响，发现泄漏扩散影响范围随着泄漏角度的增大而减小，地表粗糙度为0.25 m 时泄漏影响范围最小［8］。 王孝赞设置了不同的泄漏形式，利用PHAST 软件建立了液氨储罐泄漏模型，得到了泄漏半径、泄漏速度的变化规律［9］。潘东结合不同的气候条件建立了液氨储罐泄漏扩散模型，定量分析了液氨泄漏扩散的中毒区域面积，提出相应的防治措施［10］。 邱卫民等研究了不同大气稳定度、风速条件下LPG 储罐的泄漏特性和事故后果［11］。王洪德和莫朝霞以高斯烟羽模型为基础研究了大连某一化工园区内液氨储罐泄漏扩散等值曲线，分析了泄漏速度、地表粗糙度、风速及大气稳定程度等对扩散特性的影响［12］。

液氨压力储罐受到腐蚀机械完整性被破坏而发生泄漏时，泄漏扩散的基本特性主要与泄漏孔孔径尺寸、孔径高度、储罐液位高度、压力及环境风速等因素相关，笔者通过改变以上影响因素的数值大小，研究这些因素对泄漏特性的影响。

1 模型的建立

液氨储罐机械完整性破坏类型为点蚀，设置泄漏形状为圆孔状， 在PHAST 软件中建立液氨储罐机械完整性破坏腐蚀泄漏模型，相关参数如下：

储罐容积 80 m3

储罐长度 11.866 m

储罐直径 3.610 m

储罐温度 -50～-19 ℃

液体密度 665 kg/m3

环境温度 28 ℃

泄漏位置 储罐侧面

环境风速 2～10 m/s

储罐压力 0.8～1.6 MPa

孔径尺寸 0.05～0.15 m

孔径高度 0.2～1.0 m

液位高度 1.0～1.8 m

泄漏孔孔径尺寸设置6 个梯度，变化范围为0.05～0.15 m，变化步长为0.02 m；孔径高度设置5个梯度，变化范围为0.2 ～1.0 m，变化步长为0.2 m；液位高度设置5 个梯度，变化范围为1.0～1.8 m， 变化步长为0.2 m； 储罐压力设置5 个梯度，变化范围为0.8 ～1.6 MPa，变化步长为0.2 MPa；环境风速设置5 个梯度，变化范围为2～10 m/s，变化步长为2 m/s。

2 液氨储罐机械完整性破坏腐蚀泄漏特性

2.1 泄漏特性受孔径尺寸变化的影响

改变泄漏孔径尺寸，可得到不同孔径尺寸下泄漏速度随时间的变化情况（图1）。 以人的平均身高1.7 m 为基准， 可得到此高度下液氨泄漏浓度在下风方向的变化情况，如图2 所示。

图1 不同孔径尺寸下泄漏速度随时间的变化

图2 不同孔径尺寸下液氨浓度随下风距离的变化

由图1 可知，随着孔径尺寸的增大，液氨泄漏速度明显升高。 当泄漏孔径由0.05 m 增大至0.15 m 时， 泄漏速度由50 kg/s 升高至450 kg/s。主要原因是， 泄漏孔径的尺寸直接影响了液氨的流通面积，对泄漏速度影响较大，因此，在大孔径泄漏下，液氨泄漏速度较高，事故发展较快，技术人员应快速及时采取治理措施。 对于尺寸为0.05 m 的小孔径泄漏， 泄漏速度随时间的变化并不明显，始终保持较为平均的速度，随着孔径尺寸的增加，泄漏速度随时间的变化明显下降。其主要原因是，对于大孔径，泄漏速度主要受到罐内压力的影响，在泄漏后期压力下降，泄漏速度随之明显下降；对于小孔径，泄漏速度主要受到孔径尺寸的影响，孔径尺寸始终保持不变，泄漏后期虽然罐内压力下降，但泄漏速度下降并不明显。

以人的平均身高为基准，研究此高度下液氨泄漏浓度随下风距离的变化对判断人员伤亡情况和制定逃离方案具有重要意义。 由图2 可知，液氨泄漏浓度随着下风距离的增加先急剧升高至最高点，而后缓慢下降至0ppm（1ppm=10-6）。随着泄漏孔径尺寸的增大， 液氨泄漏浓度峰值变大。 其主要原因是，泄漏孔径越大，单位时间内液氨的泄漏量越多，液氨的浓度相应变大。 当孔径尺寸为0.05 m 时， 液氨泄漏浓度峰值为183 486ppm；孔径尺寸增大至0.15 m 时，液氨泄漏浓度峰值升高至432 084ppm。 当下风距离为450 m 时， 不同泄漏孔径下液氨浓度均已降至较低水平。 因此，在不同泄漏孔径下，液氨浓度降至较低水平所对应的下风距离基本一致，在此距离处，人员受到毒气伤害较小。

2.2 泄漏特性受孔径高度变化的影响

改变孔径高度，可得到不同孔径高度下泄漏速度随时间的变化情况，如图3 所示。 以人的平均身高1.7 m 为基准， 可得到此高度下液氨泄漏浓度在下风方向的变化情况，如图4 所示。

图3 不同孔径高度下泄漏速度随时间的变化

图4 不同孔径高度下液氨浓度随下风距离的变化

由图3 可知，孔径高度几乎不会影响泄漏的速度。 由图4 可知，随着孔径高度的升高，液氨泄漏浓度峰值明显升高。当孔径高度为0.2 m 时，液氨泄漏浓度峰值为194 353ppm； 当孔径高度为1.0 m 时，液氨泄漏浓度峰值为542 945ppm。其主要原因是， 曲线为人体高度1.7m 处的液氨浓度变化，孔径高度越高，泄漏处越接近人体高度，液氨浓度明显升高。同时，孔径高度由0.2 m 升高至1.0 m 的过程中， 液氨泄漏浓度峰值的升高量越来越明显，但在下风距离大于50 m 的阶段，液氨泄漏浓度的变化几乎相同。

2.3 泄漏特性受液位高度变化的影响

改变罐内液位高度，可得到不同液位高度下泄漏速度随时间的变化情况，如图5 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度为基准， 可得到此高度下液氨泄漏浓度在下风方向的变化情况，如图6 所示。

图5 不同液位高度下泄漏速度随时间的变化

图6 不同液位高度下液氨浓度随下风距离的变化

由图5、6 可知，储罐液位对泄漏速度和液氨泄漏浓度的变化并无明显影响。 随着储罐液位的增加，泄漏速度变化所持续的时间变长，主要原因是液位增加表明液氨储量增大，泄漏所需的时间变长。 同时，储罐液位增加，液氨浓度所影响到的下风距离更远，其主要原因是液位增加导致液氨储量变多，泄漏持续的时间变长，更多的液氨被风吹至更远的下风处。

2.4 泄漏特性受储罐压力变化的影响

改变储罐压力，可得到不同储罐压力下泄漏速度随时间的变化情况，如图7 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度为基准， 可得到此高度下液氨泄漏浓度在下风方向的变化情况，如图8 所示。

图7 不同储罐压力下泄漏速度随时间的变化

图8 不同储罐压力下液氨浓度随下风距离的变化

由图7 可知，随着储罐压力的增加，液氨泄漏速度明显升高。 主要原因是在孔径尺寸一定的情况下，储罐压力越大，提供给液氨泄漏的动力就越大，泄漏速度随之变大。 同时，储罐压力升高，泄漏速度随时间的降低幅值变大。 由图8 可知，储罐压力对液氨泄漏浓度变化影响很小。 随着储罐压力的增大， 液氨泄漏浓度峰值略有升高。 主要原因是，储罐压力升高，泄漏速度随之升高，单位时间内液氨的泄漏量变大，液氨的浓度随之增大。

2.5 泄漏特性受环境风速变化的影响

改变环境风速，可得到不同环境风速下泄漏速度随时间的变化情况，如图9 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度为基准， 可得到此高度下液氨泄漏浓度在下风方向的变化情况，如图10 所示。

图9 不同环境风速下泄漏速度随时间的变化

图10 不同环境风速下液氨浓度随下风距离的变化

由图9 可知， 环境风速对泄漏速度没有影响。 由图10 可知，环境风速对液氨浓度变化影响很小。 随着环境风速的增加，液氨泄漏浓度峰值略微下降，其主要原因是更高的风速快速将液氨吹散至下风向，使液氨分布更加均匀，液氨浓度峰值随之下降。

3 结论

3.1 随着泄漏孔孔径尺寸、 储罐压力的增大，液氨泄漏速度明显升高。 在大孔径、高压力泄漏下，液氨泄漏速度较高，事故发展较快，技术人员应快速及时采取治理措施。 孔径高度、液位高度、环境风速对液氨泄漏速度无明显影响。

3.2 液氨泄漏浓度随着下风距离的增加先急剧升高至最高点，而后缓慢下降至0ppm。

3.3 随着泄漏孔径尺寸、孔径高度的增加，液氨泄漏浓度峰值随之变大，环境风速、液位高度、储罐压力对液氨浓度变化影响很小。

3.4 当下风距离为450 m 时， 不同泄漏孔径下液氨浓度均已降至较低水平。 因此，在不同泄漏孔径下，液氨浓度降至较低水平所对应的下风距离基本一致，在此距离处，人员受到毒气伤害较小。

3.5 随着泄漏孔径高度的升高，液氨泄漏浓度峰值明显升高。 其主要原因是，孔径高度越高，泄漏处越接近人体高度，液氨浓度明显升高。 孔径高度由0.2 m 升高至1.0 m 的过程， 液氨泄漏峰值的升高量越来越明显，但下风距离大于50 m 时，液氨泄漏浓度变化几乎相同。