李毅博　石必明,2　張雷林,2　李軍顯　湯靜

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院　安徽淮南 232001；　2.安徽理工大學(xué)煤炭安全高效開采省部共建教育部重點實驗室　安徽淮南 232001；　3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院　鄭州 451450)

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安全工程

池火災(zāi)評價法在環(huán)氧乙烷罐區(qū)的應(yīng)用研究*

李毅博1石必明1,2張雷林1,2李軍顯3湯靜1

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院安徽淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)煤炭安全高效開采省部共建教育部重點實驗室安徽淮南 232001；3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院鄭州 451450)

摘要以某石油化工廠區(qū)為工程應(yīng)用背景，通過對環(huán)氧乙烷儲罐區(qū)計算模型的建立，應(yīng)用池火災(zāi)評價法對環(huán)氧乙烷儲罐發(fā)生池火災(zāi)的熱輻射傷害區(qū)域進(jìn)行了定量計算，得出環(huán)氧乙烷罐區(qū)發(fā)生池火災(zāi)的各級影響半徑和造成的傷害程度。結(jié)果表明，只有當(dāng)人員撤離罐區(qū)67.35 m范圍外方可避免受到熱輻射傷害。從環(huán)氧乙烷罐區(qū)的整體安全性出發(fā)，提出了具體的防護(hù)措施和建議，為企業(yè)的安全管理工作提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞池火災(zāi)環(huán)氧乙烷影響半徑安全措施

0引言

石油化工儲罐區(qū)一般儲存有大量易燃易爆物質(zhì)，儲罐一旦發(fā)生泄漏引起火災(zāi)，就會迅速蔓延。儲罐發(fā)生火災(zāi)時，會嚴(yán)重威脅周圍的儲罐，產(chǎn)生的輻射熱往往會使周圍的儲罐損壞、坍塌，進(jìn)而燃燒、爆炸，災(zāi)害升級、撲救困難[1]。罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)事故時會伴有大量有毒有害氣體，危及周邊的人員，并給環(huán)境帶來污染[2]。本文采用池火災(zāi)評價法對環(huán)氧乙烷儲罐發(fā)生破裂時的各級影響半徑進(jìn)行了研究，并根據(jù)各級影響半徑提出了相應(yīng)的安全防護(hù)措施，供廣大讀者參考。

1環(huán)氧乙烷危險性分析

1.1易燃易爆性

環(huán)氧乙烷又稱惡烷，化學(xué)式為C2H4O，分子量為44，閃點-17.7 ℃，沸點10.4 ℃，燃點447 ℃，蒸發(fā)熱569.87 kJ/kg，燃燒熱1 262.8 kJ/mol。環(huán)氧乙烷是雜環(huán)類化合物，主要用于和水反應(yīng)生成乙二醇，用作各種生活及生產(chǎn)用劑[3]。環(huán)氧乙烷氣體的密度比空氣大，因此能夠在較低的地方沿著空氣流動方向傳播，造成人員中毒。其與空氣形成的混合物具有爆炸性，并且威力非凡，經(jīng)查閱資料，其爆炸強(qiáng)度是TNT炸藥的3～5倍，影響范圍為等量TNT爆炸的1.4倍，沖擊波持續(xù)的時間也比TNT長[4]。

1.2自聚性

環(huán)氧乙烷聚合的速度受溫度影響較大，在低溫下聚合較慢，其造成爆炸的可能性也較低。當(dāng)溫度升高后，環(huán)氧乙烷的自聚速度加快并釋放出大量的熱，從而造成爆炸危險性增大[5]。另外，環(huán)氧乙烷的自聚也會由酸、氯化物、金屬氧化物等引發(fā)。按照不同地區(qū)的條件狀況，環(huán)氧乙烷的儲存可采用壓縮和低溫兩種方式，因此可根據(jù)具體情況采用在常溫下加壓、低溫下加壓和低溫常壓等方法。采用降溫工藝時，為了降低儲存設(shè)備的設(shè)計壓力，可以將環(huán)氧乙烷妥善冷凍儲存，減少鋼材的使用量，以保證經(jīng)濟(jì)效益和安全性。

1.3毒性

環(huán)氧乙烷可作為熏蒸劑用于糧食和食材的保存,但有不小的副作用，能使人的神經(jīng)麻痹。人吸入180 mg/m3的環(huán)氧乙烷后，會出現(xiàn)中毒癥狀，感到頭暈、惡心、嘔吐、流淚、嗆咳、胸悶、呼吸困難等; 吸入450 mg/m3的環(huán)氧乙烷會出現(xiàn)嚴(yán)重中毒癥狀,全身肌肉不受控制、語言能力出現(xiàn)問題、共濟(jì)失調(diào)、意識不清醒甚至昏厥。將環(huán)氧乙烷中毒人員從昏迷狀態(tài)搶救蘇醒后，患者可能會有暫時性的精神失常、失聲、偏癱等癥狀。若液態(tài)環(huán)氧乙烷進(jìn)入眼睛，會引起眼角膜燙傷，皮膚觸碰后會引起皮膚紅腫燒傷。如果人長時間地少量接觸,會產(chǎn)生神經(jīng)衰弱綜合癥[6]。

2池火災(zāi)評價法在環(huán)氧乙烷罐區(qū)的應(yīng)用

2.1環(huán)氧乙烷罐區(qū)概況

本次評價的環(huán)氧乙烷罐區(qū)位于某石化公司的廠區(qū)內(nèi)，車間現(xiàn)有員工110多人，罐區(qū)總投資1 700多萬元，采用立式儲罐，儲罐容量10 m3，儲罐公稱直徑1 800 mm，壁厚12 mm，設(shè)計壓力1.2 MPa，設(shè)計儲存溫度50 ℃。環(huán)氧乙烷儲量8 t，罐區(qū)面積500 m2。

2.2池火災(zāi)簡介

池火災(zāi)是指儲存罐里面著火抑或其內(nèi)能夠燃燒的液體泄漏到地上遇到火源而燃燒的現(xiàn)象。發(fā)達(dá)國家對池火災(zāi)已進(jìn)行了大量的研究，內(nèi)容包括池火災(zāi)的燃燒過程、放熱量大小、火焰高度等影響參數(shù)，并通過模擬實驗和實體實驗，得到了很多有價值的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式。

目前,池火災(zāi)評價多用于對容易起火或爆炸設(shè)備的安全分析。首先設(shè)定可能發(fā)生的事故，在一定的假設(shè)條件下運用池火災(zāi)模型預(yù)測事故可能造成的損害程度和影響半徑。

熱輻射是池火災(zāi)對周圍設(shè)備和人員能造成的主要傷害。若容器受到熱輻射,特別是液化氣體的容器，其內(nèi)部壓力的熱輻射效應(yīng)將迅速增加，導(dǎo)致容器和設(shè)備損壞。若影響到可燃材料，其會被引燃。若人員遭受影響，將導(dǎo)致燒傷甚至死亡[7]。

為了研究池火災(zāi)評價模型，需作以下假設(shè)：

(1) 池火災(zāi)火焰為圓柱形火焰；

(2) 在火焰區(qū)內(nèi)，因為炭黑粒子比氣體輻射嚴(yán)重，氣體輻射被堆積在固體顆粒的輻射上；

(3) 認(rèn)為火焰所形成的幾何體對四周的輻射就是其對四周的影響；

(4) 火是池火的穩(wěn)定狀態(tài)，研究區(qū)的外圍是炭黑粒子；

(5) 設(shè)定為單罐燃燒,罐內(nèi)的液體可完全泄漏到防火堤內(nèi)。

2.3池火災(zāi)影響半徑計算

環(huán)氧乙烷罐區(qū)布置在廠區(qū)的東側(cè)，罐區(qū)占地面積約500 m2，設(shè)置有防火堤，是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防火堤高度1 m,寬度0.2 m。其內(nèi)露天安置環(huán)氧乙烷儲罐，容積10 m3，罐體材料用鋼襯塑。

2.3.1火焰高度H的計算

由當(dāng)量半徑計算公式知，本罐區(qū)池當(dāng)量半徑R為

R=(S/π)0.5=(500/3.14)0.5=12.6 m

(1)

式中，S為罐區(qū)占地面積，m2。

環(huán)氧乙烷燃燒速率的計算公式為

(2)

式中，m′為燃料單位面積燃燒速率，kg/(m2·s);Hc為液體燃燒熱，J/kg;Cp為液體的定壓熱容，J/(kg·K)；Tb為液體的沸點，環(huán)氧乙烷沸點10.8 ℃；T0為環(huán)境溫度，K，取當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?.3 ℃；H為液體的氣化熱，J/kg。

用Thomas經(jīng)驗公式估算沒有風(fēng)的情況下火體高度為

(3)

式中，h為火焰高度，m；R為火焰的燃燒半徑，m；m′為單位液池面積環(huán)氧乙烷質(zhì)量燃燒速率，kg/(m2·s)；ρa(bǔ)為周圍環(huán)境空氣密度；g為重力加速度。

將式(1)得到的池當(dāng)量半徑和式(2)得到的燃燒速率代入式(3)，計算得

h=84×12.6×{0.050 4÷[1.293×(2×9.81×12.6)0.5]}0.61=27.25m

2.3.2池火災(zāi)總熱輻射通量計算

由斯特潘-玻爾茲曼定律知，池火災(zāi)總熱輻射通量的計算公式為

(4)

式中，Q為熱輻射總量，kW；η為效率因子，取0.12～0.34；Hc為環(huán)氧乙烷的燃燒熱，取8 610kJ/kg。

將式(1)、式(2)、式(3)得到的結(jié)果代入式(4)中，計算得

Q=[(3 014×12.62+2×3.14×12.6×27.25)×

0.050 4×8 610]/(72×0.050 40.61+1)

=91 166.68kW

2.3.3影響半徑r的計算

不同危害和損壞指標(biāo)距池中心的半徑r為

(5)

式中，r是物體到池中心的距離，m；T為空氣介質(zhì)下的熱輻射滲透率，取1；I為物體受到的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2。

熱輻射值的大小是評價池火災(zāi)危害程度的重要指標(biāo)。將總熱輻射通量Q和不同的熱輻射強(qiáng)度I代入式(5)，可得到距池中心不同距離池火災(zāi)造成的破壞，如表1所示。

表1　受害體距池體中心的不同距離受到的破壞

2.3.4評價結(jié)果分析

由表1可以看出，環(huán)氧乙烷罐區(qū)一旦泄漏發(fā)生池火災(zāi)，13.91 m半徑范圍內(nèi)，人員如停留10 s就有死亡危險，停留1 min則必定死亡，且該范圍內(nèi)機(jī)械設(shè)備將全部損壞。17.04 m半徑范圍內(nèi),人員如停留10 s會受到重大燒傷，停留1 min有10%的死亡可能，且該范圍內(nèi)木材類的設(shè)備會燃燒。24.1 m半徑范圍內(nèi)，人員如停留10 s則會Ⅰ度燒傷，停留1 min有死亡危險，且該范圍內(nèi)塑料類的設(shè)備有融化的危險。42.6 m范圍內(nèi)，人員如果滯留，雖然不會死亡，但會有疼痛的感覺。只有將人員撤離到距現(xiàn)場67.35 m范圍外才可避免受到熱輻射傷害。

3安全防護(hù)措施及建議

根據(jù)池火災(zāi)評價法對環(huán)氧乙烷罐區(qū)的預(yù)測分析結(jié)果，提出以下防護(hù)建議：

(1)在儲罐42.6 m，24.1 m，17.04 m，13.91 m半徑范圍內(nèi)，設(shè)置Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ，Ⅰ級警示線，豎立警告牌提高人員的防范意識，安裝監(jiān)控裝置，對液面高低、可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)控，一旦達(dá)到危險指標(biāo)立即報警。

(2)當(dāng)環(huán)氧儲罐發(fā)生爆炸和著火時，為控制火勢的蔓延需要采取下列措施：①在儲罐的上端設(shè)置水噴淋裝置，噴淋流量為10.46～14.88 L /(min·m3)；②在儲罐周邊設(shè)置至少兩個消防水栓；③在罐區(qū)內(nèi)設(shè)計至少一個400 m3的消防蓄水池，為了防止罐區(qū)發(fā)生爆炸可能對其造成破壞，在其周圍建立23 m×19 m×1.8 m的圍墻，并在其上增加遮陽設(shè)施。

(3)在雷雨季節(jié)到來之前對防雷系統(tǒng)進(jìn)行檢查，查看連接部位是否松動、生銹，安裝是否牢固，引下線是否破損，避免因雷擊引發(fā)事故。

(4)罐區(qū)及周圍場地的枯枝雜葉應(yīng)定期清除，嚴(yán)禁可燃物堆積，安排專門人員負(fù)責(zé)管理，避免火災(zāi)發(fā)生時災(zāi)情進(jìn)一步擴(kuò)大。

(5)保證罐體完好無損，并在罐體內(nèi)外刷防火涂料，若罐體有凹陷、裂痕或體表涂料脫落、生銹時，應(yīng)及時處理。

(6)針對每臺環(huán)氧乙烷儲罐配置2個安全閥，在正常工作狀態(tài)下閥門為打開狀態(tài)，一旦某一安全閥發(fā)生故障，就可以關(guān)閉該安全閥，另一安全閥保證安全生產(chǎn)。

(7)儲罐用戶須健全倉儲管理系統(tǒng)，實施崗位責(zé)任制，設(shè)立專門的管理部門負(fù)責(zé)儲罐的綜合管理。

4結(jié)語

本文采用池火災(zāi)危險性評價法對某環(huán)氧乙烷罐區(qū)的池火災(zāi)事故進(jìn)行后果預(yù)測和分析，得出了罐區(qū)發(fā)生泄漏引發(fā)火災(zāi)時的各級影響半徑，根據(jù)各級影響半徑提出了相應(yīng)的防護(hù)措施及改進(jìn)方案，對石油化工儲罐區(qū)的安全防范和救援工作具有參考意義。

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Study on the Application of Pool Fire Evaluation Method in Epoxy Ethane Tank

LI Yibo1SHI Biming1,2ZHANG Leilin1,2LI Junxian3TANG Jing1

(1．SchoolofEnergyandSafety，AuhuiUniversityofScienceandTechnologyHuainan，Anhui232001)

AbstractA petrochemical plant is the background for engineering application . With the calculation model of epoxy ethane tank, this paper makes quantitative calculation for the radiation damage area of epoxy ethane tank when pool fires happened by using pool fires evaluation method, finding out the influential radius at all levels of pool fire around the ethylene oxide tank and the damage degree it may cause. The results show that only when workers evacuate tank area to a place where it is 67.35 m away, can the damage from radiation be avoided. Based on safety, this paper provides some specific measures and advices, which provides references for the safety management of enterprises.

Key Wordspool fireethylene oxideinfluence radiussafety measures

*基金項目：國家自然科學(xué)基金(51474010)，中國博士后科學(xué)基金(2015M571914)。

作者簡介李毅博, 男，1992年生，河南洛陽人，安徽理工大學(xué)碩士研究生。

(收稿日期：2015-08-21)