液氨槽罐车泄漏事故扩散模拟研究

陈亚雄，苏文彬，马江涛

（应急管理部消防救援局昆明训练总队，云南 昆明 650200）

1 前言

氨是一种重要的化学药剂，广泛应用于石油化工、保鲜冷藏等产业。通常通过加压或降温使其液化，利用罐车进行运输，其安全性是关注的重点。由于氨有毒性，交通事故或车辆老化等原因引发泄漏可造成大面积扩散，进而引发燃烧和爆炸。

国内外学者对危险化学品槽罐车事故进行了模拟和分析，西安科技大学安全科学与工程学院罗振敏等利用PHAST软件对液氨泄漏事故进行了模拟分析。中国石油大学郭家秀通过计算流体力学CFD-FLUENT软件对液氨储罐泄漏扩散进行数值模拟研究，得到不同风向影响下氨泄漏扩散浓度的时空分布规律。沈阳化工大学环境与安全工程学院徐建航等利用ALOHA对液氨的管道泄漏情况进行了模拟仿真，得到了氨气扩散、燃烧和爆炸情况下的危险区域。东北大学资源与土木工程学院杨德鑫等利用DEMATEL-ISM模型分析了液氨泄漏事故中的风险，为安全保护提供了依据。沈阳航空航天大学刘晓双开展了液氨泄漏事故应急救援虚拟演练与培训系统的研究。

上述研究和分析主要针对某一事故进行分析，分析事故的危害可能性，对于泄漏参数对于事故的影响程度研究相对较少。为此，本文以ALOHA软件分析模拟手段，在事件树定性分析的基础上，模拟和分析泄漏孔径、环境温度和风速对事故的影响。

2 研究对象

氨在运输过程中以液态存在，但氨气极易溶于水，同时汽化热大，是一种常用的、价格低廉的冷冻剂，广泛应用于保鲜储存、石油化工行业。当罐车在运输过程中发生液氨泄漏后，迅速发生汽化，产生大量无色且具有强烈的刺激性臭味的氨蒸气。氨蒸气具有强烈的腐蚀性，人畜吸入后可引起中毒。由于密度比空气小，汽化体积扩大，具有很强的扩散性。同时，燃烧浓度和爆炸极限低，容易引发燃烧和爆炸等事故。液氨的主要理化性质见表1所示。

表1 液氨的主要理化性质

作为液氨运输的常用工具，槽罐车大量使用。此类车普遍以燃油车为主，但随着新能源车辆的普及，挂车可能采用锂电池、氢燃料电池、油电混动、油气混动。车辆种类的增加，不仅可以节能减排，而且增加了运输的风险。

3 事故树定性分析

液氨作为剧毒物质，具有很大的危险性。由于采用压缩工艺，一旦发生泄漏，体积急剧汽化，呈现白色雾状，形成毒性蒸气云团并扩散迅速。一方面，造成视野受限，给现场救援带来不确定性，造成不便；另一方面，人畜吸入造成呼吸道损伤，引起浮肿，危险人身安全，同时对环境造成污染，造成植被死亡。氨气也是一种易燃易爆气体，燃烧浓度和爆炸极限低，在受限空间遇明火发生爆炸，在广阔空间燃烧，可形成火球或喷射火，热辐射大，造成重大财产损失和人员伤亡。

从上述分析可知，危险性来自液氨的危险性。通过事件树分析法，对液氨可能造成的风险分析如图1所示。

图1 液氨罐车事故分析

4 ALOHA模拟仿真分析

根据液氨槽罐车事故分析可知，主要的危险源主要集中在液氨罐体。当事故中出现液氨泄漏时，事故危险程度增加，因此，本文重点研究液氨罐车发生泄漏时的危险区域。本文模拟某液氨罐车在运输过程中发生事故，引起阀门管道破裂，利用ALOHA模拟。通过文献查阅，现场影响液氨扩散的主要因素是温度、风速和泄漏孔径，因此通过ALOHA软件模拟，得到上述参数与AEGL水平距离之间的关系。

在ALOHA软件的模拟体系中，AEGL共分为三个水平，其中AEGL-1代表中毒水平，即会引起身体不适、症状较轻，在模拟仿真时1小时内，空气中的氨气浓度可达到30ppm，这类反应是可逆的，为轻伤浓度。AEGL-2代表出现较为严重的身体反应，且多为不可逆，在模拟仿真时1小时内，空气中的氨气浓度可达到160ppm，影响程度深，为重伤区域。AEGL-3代表死亡威胁，在模拟仿真时1小时内，空气中的氨气浓度可达到1100ppm，即会引起人畜死亡，危及生命。AEGL各水平代表了扩散引起的影响程度。

利用ALOHA软件进行模拟仿真，其中的主要环境参数如表2所示，环境温度和风速以及泄漏孔径为研究变量。

表2 事故现场的模拟参数

4.1 环境温度对液氨扩散范围分析

为研究环境温度对液氨泄漏扩散造成的影响，设置6个水平，分别是10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃，风速为5m/s，泄漏孔径为10cm，其余参数与表2保持一致，通过ALOHA软件进行模拟仿真得到图2所示的关系。

图2 AEGL水平与温度的关系

如图2所示，AEGL水平距离与环境温度呈现正相关性。在温度15℃以下，AEGL水平距离随着温度的升高，上升明显，特别是AEGL-1的距离，即中毒范围的扩散距离上升明显。在环境温度高于15℃后，虽然AEGL水平距离随着温度的上升依然升高，但上升趋势明显降低，呈现较为缓和的上升，显然这个阶段以后，温度已不再是引起AEGL水平距离提高的主要因素。随着环境温度的升高，扩散的液氨分子具有更大的能量，能扩散距离更大。

4.2 风速对液氨扩散范围分析

为研究风速对液氨泄漏扩散造成的影响，共设置6个水平，分别是2m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、12m/s，温度为25℃，泄漏孔径为5cm，其余参数与表2保持一致，通过ALOHA软件进行模拟仿真得到图3所示的关系。

图3 AEGL水平与风速的关系

如图3所示，AEGL水平距离与风速呈现负相关性。在模拟的环境中，AEGL水平距离随着风速的加大，呈现下降趋势明显，特别是AEGL-1的距离，即中毒范围的扩散距离更为明显，AEGL-2和AEGL-3呈现下降趋势，但下降幅度比AEGL-1水平要小。随着环境中风速的提高，氨气分子运动剧烈，但难以到达AEGL各水平的数值，风速在扩散过程中主要起到了稀释的作用，对现场救援和人员疏散有积极的意义，在现场处置中应充分利用风速、风向的有利条件开展救援，提高救援效率。

4.3 泄漏孔径对液氨扩散范围分析

为研究罐体泄漏孔径对液氨扩散造成的影响，共设置6个水平，分别是2cm、4cm、6cm、8cm、10cm、12cm，温度为25℃，风速为5m/s，其余参数与表2保持一致，通过ALOHA软件进行模拟仿真得到图4所示的关系。

图4 AEGL水平与泄漏孔径的关系

如图4所示，AEGL水平距离与罐体的泄漏孔径呈现正相关性。在模拟的环境中，AEGL水平距离随着泄漏孔径的逐步扩大，呈现明显的上升趋势，其中AEGL-1的距离变化趋势最为明显，即中毒范围的扩散距离显著，AEGL-2和AEGL-3上升较为缓和。随着泄漏孔径的不断增大，单位空间内的氨气分子显著增加。

5 液氨运输及泄漏处置注意事项

液氨罐车事故作为常见的危险化学品事故，由于液氨的特殊理化性质，扩散速度快，毒性强，且易燃易爆，不仅会对环境造成重大污染，还会对人员构成重大生命威胁，因此，做好运输和泄漏处置工作至关重要。

5.1 加强教育，减少事故发生概率

液氨槽罐车发生泄漏除少部分由于罐体或者车辆故障外，大部分都是由于发生交通事故后引发。因此，加强对驾驶员的安全教育显得尤为重要。液氨槽罐车作为特种车辆，需要对驾驶员开展定期培训，提高安全意识，从源头上减少事故的发生。

5.2 定期检修车辆，防止车辆事故

液氨槽罐车是一种牵引车，包括车头和罐体，作为特殊车辆，加强对车辆的检修和维护保养，可有效减少事故发生。除常规检查外，特别要加强对罐体的检测，如阀门、管道等特殊部位，防止车辆老化和结构缺陷造成事故。

5.3 稀释抑爆，防止液氨聚集

由于氨气极易溶于水，当发生液氨泄漏后，消防救援人员到场后通过水幕水带或者水幕水枪，及时稀释空气中的氨气含量。通过稀释抑爆，防止氨气聚集达到爆炸极限和燃烧极限，既减少人员中毒，也能防止剧烈的燃烧和猛烈的爆炸。

5.4 及时疏散，分等级警戒

液氨发生泄漏后，受环境温度、风速和泄漏孔径的影响，造成的危害程度不尽相同。在处置现场，应根据实际情况，划分不同的警戒区域，对于进出的人员及时洗消。按照处置规程，做好周围人员的疏散。

6 结语

本文以液氨槽罐车为研究对象，通过事件树分析法对液氨发生泄漏后可能造成的危害进行了详细分析，利用ALOHA软件对AEGL水平进行了模拟，得到了相关趋势并进行了分析。针对此类事故，提出了相应的建议。