液氨罐泄漏事故模拟以及风险对策分析

白波,刘志学,刘维维,王军,赵欢,李开旺

(陕煤集团榆林化学有限责任公司,陕西 榆林 719000)

Aloha(Areal Location of Hazardous Atmosphere)是一种用于综合评估危险化学品泄漏事故对周边环境影响的软件[1],主要通过计算危险化学品在空间的泄漏、扩散过程,得到物料泄漏后在大气中的分布以及潜在事故的影响范围,有助于化工企业进行风险辨识和评价,制定环境风险管理体系,建立突发应急预案。液氨作为装置产品,浓度大于99.8%,储存于生产运行装置现场的液氨循环罐中。根据能量意外释放理论,液氨属于第一类危险源,其自身有较大的危险性,一旦发生泄漏,对企业作业人员、设备实施、周边地区将会造成不可估量的影响,因此根据“将隐患提到事故前”的理念,对泄漏事故进行模拟,预先提出风险管控措施,为事故预防和应急救援提供指导,对企业的安全生产具有重要意义。

1 液氨循环罐泄漏事件树

事件树分析是一种逻辑归纳法,是从给定一个初始事件的原因开始,按时间进程采用追踪方法,对构成系统各要素(事件)的状态(成功或失败)逐项进行二者择一的逻辑分析[2]。分析初始条件的事故原因可能导致的结果,从而定性或定量地评价系统的安全性,其基本过程就是从一个初始事件开始按照事故发展过程中事件发生或者不发生,交替考虑成功与失败两种可能的结果,直到分析出最后结果为止。事件树分析既可以进行定性分析,也可定量分析,容易找出不安全因素造成的后果。液氨泄漏事件树分析如图1所示。

图1 液氨循环罐泄漏事件树

2 氨气的理化性质及危害性

2.1 氨气的理化性质

常温常压条件下,氨气的密度为0.771 kg/m3,自燃点为51 ℃,爆炸极限为15.5%～27%,氨气质量浓度达到500～700 mg/m3时,呼吸道会严重中毒,达到3 500～7 500 mg/m3时,可出现“闪电式”死亡,基本理化性质见表1。

表1 氨气主要理化性质

2.2 氨气的危害性

2.2.1 毒害性

在没有明火、高温炽热表面或热源的情况下,氨气发生泄漏、扩散后的混合气体与人体接触时会造成急性中毒和灼伤,主要通过皮肤、呼吸道及消化道进入人体:低浓度氨气会刺激人体眼部和呼吸道黏膜;高浓度氨气会导致呼吸困难、胸闷、头晕等症状,严重时导致心跳和脉搏停止。

2.2.2 火灾危险性

氨气为易燃物质,引燃温度为650 ℃,为乙级火灾,爆炸极限为15.7%～27.4%,氨气泄漏后易发生火灾。

2.2.3 爆炸危险性

氨气具有可燃可爆性,当浓度在17%时,遇到明火或者高温热源会立即发生燃烧或者爆炸。另外,当泄漏源处于封闭空间内,经过一定时间泄漏会形成蒸气云爆炸,而且液氨储罐是一种压力容器,也有爆炸碎片破坏造成的冲击波对周围设备设施、建筑物造成二次破坏。

3 液氨循环罐泄漏事故模拟

原料酸性水通过汽提产生的氨气,经过洗涤、结晶、脱硫、压缩、换热后进入到液氨循环罐中,合格的液氨产品输送至液氨储罐中。液氨循环罐中的部分液氨通过管道回流至洗涤塔、脱硫塔进行重复处理,储罐中的废水等不合格品将输送至地下管网内。液氨循环罐内含介质为浓度99.8%以上的液氨,工作温度在40 ℃左右,操作压力为2 MPa,罐体使用材质为Q245R钢,保温材料使用30 cm厚的阻燃性泡沫聚氨酯。该罐分别设置现场液位计和远传液位计各一个、现场压力表和远传压力表各一个、现场温度计一个、放空导淋两个。另外,还设置一条管道通往火炬气管网,且该通往火炬气管道上设置有两个安全阀。液氨循环罐如图2所示。

图2 液氨循环罐

根据数据显示,化工行业较多泄漏性事故的主要原因包括法兰和阀门密封失效、管道断裂、安全附件失效等[3]。因此,根据该液氨循环罐所附硬件设施,并参考装置运行工况条件,本文在模拟计算过程中,将法兰与阀门密封失效发生泄漏事件作为主要的研究对象,为利于模拟和计算,在分析过程中可以将泄漏点等效为一定直径的孔洞[4]。氨气在常压下为气相,泄漏以后在室外环境下将会直接扩散,形成具有毒害性和爆炸可能性的危险区域。

根据当地实际气象情况,设置风向为北偏西15°,距离地面3 m高度的风速为5 m/s,周围环境属于开阔区域,万里无云,气温为25 ℃,较为干燥。液氨循环罐为卧式罐,长度为2 m,直径为1 m,容积约为1.9 m3,介质温度为40 ℃,内存介质0.8 t,泄漏点孔洞为3 cm,泄漏孔距离罐底部为0.5 m,介质泄漏后接触地面为水泥地面。

3.1 储罐泄漏扩散引发中毒

在 Aloha 模型中,毒性浓度标准判断方式主要包括化学品保护措施指导浓度(PAC)、急性暴露指导浓度(AEGL)、应急响应计划指南(ERPG)、短期暴露限值(IDLH)。当人体暴露于化学品浓度超过临界阈值的环境中时,会对身体健康产生危害。本文采用更为严格的PAC标准来确定液氨循环罐泄漏的中毒影响区域,危害浓度阈值见表2。

表2 氨气毒性标准

当泄漏孔当量直径为1～5 cm时,其毒性的影响边界范围如图3所示,整体中毒区域范围随着泄漏孔径的增大而增加,当孔径小于3 cm时,泄漏中毒影响范围对泄漏孔径的增加比较敏感,当孔径大于3 cm时,随着孔径大小增加,泄漏中毒区域增加趋于平缓。

图3 泄漏孔径尺寸对中毒区域的影响

液氨循环罐的泄漏孔径当量为3 cm时,中毒影响区域分布见图4。从图4中可以看出,距离泄漏点下风向146 m范围内为一级致毒区(PAC-1),该区域在液氨泄漏60 min时,氨气浓度可以达到1 100 mg/m3,此浓度下人体呼吸道出现严重中毒症状,强烈刺激,属于重度危害浓度区间。距离泄漏点下风向401 m范围内为二级致毒区(PAC-2),该区域在液氨泄漏60 min时,氨气质量浓度可达到160 mg/m3,此浓度下造成人体鼻眼刺激、呼吸脉搏加速,属于中度危害区间。距离泄漏点下风向963 m内为三级致毒区(PAC-3),该区域在液氨泄漏60 min时,氨气质量浓度可达到30 mg/m3,此浓度下造成鼻咽部位有刺激感,属于轻度危害区间,图形最外圈为安全边界,此边界以外的区域属于安全区域,发生泄漏事故时,应当立即将人员疏散至此边界外。为进一步明确泄漏点坐标以及危害范围,采用Google Earth 与工艺平面布置图进行图像叠层的方法,在地图上明确液氨循环罐具体位置及坐标(北纬38°37′37.07″,东经110°05′20.80″)以及发生泄漏所辐射到周围的区域,如图5所示。根据现场周边设备实施距离进行判断,当发生泄漏时,影响的范围涉及东边的氢气压缩机厂房区域,酸性水装置正南方向上的洗涤塔、脱硫塔、结晶塔以及西侧的两台氨气压缩机,还有酚氨水装置的大部分区域。

图4 泄漏孔径为3 cm时的影响范围

图5 泄漏影响范围实况

3.2 储罐泄漏引发闪火

闪火是液氨泄漏后挥发出的蒸气与空气进行混合后,遇火星、高温炽热表面被点燃而发生的一种非爆炸性的燃烧过程。闪火的危害大小与液氨泄漏后形成的可燃云团密切相关,Aloha在计算过程中根据云团中氨气的浓度划分潜在风险区域等级,氨气的爆炸极限在16%～25%,根据可燃气体报警阈值将浓度等级划分为20%LEL、10%LEL、2%LEL,其中LEL为氨气的爆炸下限,其值为16%。泄漏孔径为3 cm时各风险区域等级划分如图6所示,距离泄漏点下风向方向22 m之内氨气浓度大于20%LEL,距离泄漏点下风向方向34 m之内氨气浓度大于10%LEL,距离泄漏点下风向方向100 m之内氨气浓度大于2%LEL。经进一步计算,距离泄漏点5 m范围内浓度将达到16%,属于爆炸危险区。

图6 氨气20%LEL、10%LEL、2%LEL分布区域图

采用Google Earth 与工艺技术图进行图像叠层得到的危害影响范围如图7所示。当蒸气云发生闪火时,闪火波及的范围涉及酸性水装置当时下风向的洗涤塔、脱硫塔、结晶塔以及酚氨水装置的大部分区域。

图7 氨气20%LEL、10%LEL、2%LEL分布区域实况

3.3 泄漏引发蒸气云爆炸

储罐泄漏释放出的氨气形成的可燃蒸气云被点燃,火焰速度加速到足够高时会发生超压现象,形成蒸气云爆炸。蒸气云爆炸的主要危害方式包括热辐射、冲击波、抛射碎片等,其中冲击波的危害最大。Aloha软件分别以55.158 kPa(8.0 psi,造成建筑物损毁)、24.132 kPa(3.5 psi,造成人员重伤)、6.895 kPa(1.0 psi,造成玻璃破碎)的强度来划分蒸气云爆炸后的危害区域等级[5]。经计算,在设定的外界环境和储罐内氨气的状态,不会发生造成建筑物损毁和人员重伤的蒸气云爆炸事故。在距离泄漏点下风向12 m、两侧5.5 m范围内会发生压力等级为6.895 kPa(1.0 psi)的事故,如图8所示。采用Google Earth与工艺技术图进行图像叠层得到的危害影响范围如图9所示。当发生爆炸时,冲击波的影响区域包括酸性水装置的洗涤塔、结晶塔。

图8 蒸气云爆炸危害区域分布

图9 蒸气云爆炸危害区域分布实况

经三类事故的对比分析发现,当氨气泄漏浓度达到可燃气体报警仪报警值20%LEL时,其在空气中的浓度远远大于有毒气体报警仪设置的30 mg/m3,因此,在考虑氨气泄漏后发生的各类型事故中,应当重点关注氨气泄漏中毒事故,并提出相对应的事故风险管控措施[6]。

4 泄漏风险管控措施

4.1 生产管理

1)加强工艺信息安全管理。液氨循环罐内的液氨属于该装置产品,有本身不可替代性以及危险性不可消除的特点,所以应当建立完整的工艺安全信息,并严格管理。一般包括化学品危害信息,工艺技术信息和工艺设备信息。化学品危害信息至少包括毒性、允许暴露限值、物理参数、反应特性、腐蚀性数据、热稳定性、化学稳定性以及泄漏化学品的处置方法[7]。工艺技术信息应当包括工艺流程简图、物料存储最大量、安全操作温度、偏离正常工况的后果评估。以便对整个工艺系统的危害有全面清晰的认识,制定符合工艺安全的技术手册、操作规程,确保本质安全。

2)加强工艺过程安全操作。因储罐上游工艺条件或操作参数发生变化导致液氨温度和压力超过设计值,应当及时启动并更新管理程序,及时完善安全防控措施。并向上游酸性水汽提装置定期增加缓蚀剂和水,不合格产品应当密闭循环送入汽提装置二次处理,采样过程应采取自动或者密闭方式,建立良好的全面通风条件[8]。

4.2 设备管理

1)储罐设计、制造、安装。液氨循环罐属于压力容器,应当向符合国家规定的特种设备制造、安装单位进行招标采购,另外对制造过程应当进行监督检验,对制造、安装过程中涉及安全性能的项目严格把控[9],如焊接工艺、焊工资格、力学成分、化学成分、无损探伤、载荷试验等重要项目,对出厂技术资料进行确认,确保液氨循环罐制造安装过程符合标准规范。

2)储罐使用、维护。针对在液氨循环罐周围工作场所设置固定式氨气检测报警仪,并在氨气泄漏风险区域禁止使用易产生火花的机械设备和工具。对循环罐物料进出口管道弯头、阀门等易泄漏部位,以及安全阀、压力表、温度计等安全附件,应加强检测维护。

4.3 作业管理

1)在液氨循环罐工艺流程有关的检维修、施工作业前应当开展作业安全分析并办理作业许可手续,配备适用的防护器材,作业点应悬挂“当心中毒”等警示标识后,方可实施作业,并落实属地单位与作业单位双人监护[10]。

2)进入罐内的受限空间作业应严格执行GB 30871的要求,制定作业方案并进行技术交底、检维修作业时,应充分做好吹扫、置换清晰、钝化和低点排液,降至常温后方可打开储罐,涉及液氨循环罐的盲板抽堵、阀门及垫片更换、仪表拆检、清污等作业环节应采取配备正压式空气呼吸器、安全绳、便携式气体检测报警仪、通风设备、通信设备等应急防护措施,现场应至少备用一套正压呼吸设备。

4.4 警示与防护

在液氨循环罐泄漏风险区域等重点部位,设置醒目的警示标识,在装置出入口设置氨气危害告知牌,风向标按照高点、地点相结合的原则设置且位置醒目,高点风向表的高度及位置应便于观察,低点风向标应设置在外操室或其他人员密集处附近,且企业应当配备便携式气体检测报警仪、巡检防毒面罩等个体防护装备。

4.5 应急处置

企业应当制定涉及有毒气体泄漏事故应急处置方案并严格执行,应设置气防站,配备抢险急救、应急救援器材、有毒气体捕消设备,不明原因的泄漏或报警,现场人员应遵循生命至上原则,立即撤离到安全区域。应急处置应当采用工艺控制、通风、喷淋、洗消等适宜的手段及时消除现场氨气。

5 结论

1)使用Aloha软件对装置中液氨循环罐法兰或阀门发生泄漏中毒、闪火、蒸气云爆炸等三类事故进行模拟,通过对比不同泄漏孔径当量1～5 cm,发现泄漏危害范围随着储罐泄漏孔径的增大而增加,当孔径大于3 cm时,危害范围的增加幅度趋于平缓。

2)通过对中毒、闪火、蒸气云爆炸三类事故泄漏事故的氨气浓度对比分析,发现泄漏后造成人员中毒的风险和周边环境影响波及范围最大。

3)使用Google Earth与工艺装置分布图像叠层的方法对模拟画面进行处理,明确了该液氨循环罐的经纬坐标,进一步确定了事故的辐射范围和安全边界,对制定相应的应急预案和救援方案具有一定的指导意义[11]。

4)根据化工全过程安全管理原则,主要针对液氨循环罐泄漏中毒,对企业在工艺、设备、作业安全、警示与防护、应急处置等五个方面提出一定的风险管控措施。但是在实际过程中还需要进行不断地反馈改进,以符合本质化安全的要求。