黃海波 涂相勇 劉 蓉 李 剛

（浙江泰達安全技術(shù)有限公司）

液氨儲罐長期暴露在潮濕的環(huán)境中易發(fā)生腐蝕，使其機械完整性被破壞而發(fā)生泄漏［1，2］。 液氨在常溫下容易揮發(fā)且毒性較強，在泄漏擴散過程中會對周邊的人員造成不同程度的傷害，研究液氨泄漏特性可為液氨擴散預測和防治方案的制定提供理論依據(jù)［3～5］。郝騰騰等以化工廠液氨儲罐為研究對象， 利用ALOHA 軟件研究了液氨泄漏后的擴散特性和對人員的傷害情況，發(fā)現(xiàn)采取治理措施和疏散人員的關(guān)鍵時間階段為泄漏后的前15 min［6］。駱強等采用PHAST 軟件研究了不同毒性濃度、氣候條件等因素對液氨泄漏擴散特性的影響，分析了液氨泄漏的影響范圍和擴散距離［7］。 羅振敏等利用PHAST 軟件研究了不同氣候、泄漏角度和地表粗糙度對液氨泄漏擴散特性的影響，發(fā)現(xiàn)泄漏擴散影響范圍隨著泄漏角度的增大而減小，地表粗糙度為0.25 m 時泄漏影響范圍最?。?］。 王孝贊設(shè)置了不同的泄漏形式，利用PHAST 軟件建立了液氨儲罐泄漏模型，得到了泄漏半徑、泄漏速度的變化規(guī)律［9］。潘東結(jié)合不同的氣候條件建立了液氨儲罐泄漏擴散模型，定量分析了液氨泄漏擴散的中毒區(qū)域面積，提出相應(yīng)的防治措施［10］。 邱衛(wèi)民等研究了不同大氣穩(wěn)定度、風速條件下LPG 儲罐的泄漏特性和事故后果［11］。王洪德和莫朝霞以高斯煙羽模型為基礎(chǔ)研究了大連某一化工園區(qū)內(nèi)液氨儲罐泄漏擴散等值曲線，分析了泄漏速度、地表粗糙度、風速及大氣穩(wěn)定程度等對擴散特性的影響［12］。

液氨壓力儲罐受到腐蝕機械完整性被破壞而發(fā)生泄漏時，泄漏擴散的基本特性主要與泄漏孔孔徑尺寸、孔徑高度、儲罐液位高度、壓力及環(huán)境風速等因素相關(guān)，筆者通過改變以上影響因素的數(shù)值大小，研究這些因素對泄漏特性的影響。

1 模型的建立

液氨儲罐機械完整性破壞類型為點蝕，設(shè)置泄漏形狀為圓孔狀， 在PHAST 軟件中建立液氨儲罐機械完整性破壞腐蝕泄漏模型，相關(guān)參數(shù)如下：

儲罐容積 80 m3

儲罐長度 11.866 m

儲罐直徑 3.610 m

儲罐溫度 -50～-19 ℃

液體密度 665 kg/m3

環(huán)境溫度 28 ℃

泄漏位置 儲罐側(cè)面

環(huán)境風速 2～10 m/s

儲罐壓力 0.8～1.6 MPa

孔徑尺寸 0.05～0.15 m

孔徑高度 0.2～1.0 m

液位高度 1.0～1.8 m

泄漏孔孔徑尺寸設(shè)置6 個梯度，變化范圍為0.05～0.15 m，變化步長為0.02 m；孔徑高度設(shè)置5個梯度，變化范圍為0.2 ～1.0 m，變化步長為0.2 m；液位高度設(shè)置5 個梯度，變化范圍為1.0～1.8 m， 變化步長為0.2 m； 儲罐壓力設(shè)置5 個梯度，變化范圍為0.8 ～1.6 MPa，變化步長為0.2 MPa；環(huán)境風速設(shè)置5 個梯度，變化范圍為2～10 m/s，變化步長為2 m/s。

2 液氨儲罐機械完整性破壞腐蝕泄漏特性

2.1 泄漏特性受孔徑尺寸變化的影響

改變泄漏孔徑尺寸，可得到不同孔徑尺寸下泄漏速度隨時間的變化情況（圖1）。 以人的平均身高1.7 m 為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風方向的變化情況，如圖2 所示。

圖1 不同孔徑尺寸下泄漏速度隨時間的變化

圖2 不同孔徑尺寸下液氨濃度隨下風距離的變化

由圖1 可知，隨著孔徑尺寸的增大，液氨泄漏速度明顯升高。 當泄漏孔徑由0.05 m 增大至0.15 m 時， 泄漏速度由50 kg/s 升高至450 kg/s。主要原因是， 泄漏孔徑的尺寸直接影響了液氨的流通面積，對泄漏速度影響較大，因此，在大孔徑泄漏下，液氨泄漏速度較高，事故發(fā)展較快，技術(shù)人員應(yīng)快速及時采取治理措施。 對于尺寸為0.05 m 的小孔徑泄漏， 泄漏速度隨時間的變化并不明顯，始終保持較為平均的速度，隨著孔徑尺寸的增加，泄漏速度隨時間的變化明顯下降。其主要原因是，對于大孔徑，泄漏速度主要受到罐內(nèi)壓力的影響，在泄漏后期壓力下降，泄漏速度隨之明顯下降；對于小孔徑，泄漏速度主要受到孔徑尺寸的影響，孔徑尺寸始終保持不變，泄漏后期雖然罐內(nèi)壓力下降，但泄漏速度下降并不明顯。

以人的平均身高為基準，研究此高度下液氨泄漏濃度隨下風距離的變化對判斷人員傷亡情況和制定逃離方案具有重要意義。 由圖2 可知，液氨泄漏濃度隨著下風距離的增加先急劇升高至最高點，而后緩慢下降至0ppm（1ppm=10-6）。隨著泄漏孔徑尺寸的增大， 液氨泄漏濃度峰值變大。 其主要原因是，泄漏孔徑越大，單位時間內(nèi)液氨的泄漏量越多，液氨的濃度相應(yīng)變大。 當孔徑尺寸為0.05 m 時， 液氨泄漏濃度峰值為183 486ppm；孔徑尺寸增大至0.15 m 時，液氨泄漏濃度峰值升高至432 084ppm。 當下風距離為450 m 時， 不同泄漏孔徑下液氨濃度均已降至較低水平。 因此，在不同泄漏孔徑下，液氨濃度降至較低水平所對應(yīng)的下風距離基本一致，在此距離處，人員受到毒氣傷害較小。

2.2 泄漏特性受孔徑高度變化的影響

改變孔徑高度，可得到不同孔徑高度下泄漏速度隨時間的變化情況，如圖3 所示。 以人的平均身高1.7 m 為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風方向的變化情況，如圖4 所示。

圖3 不同孔徑高度下泄漏速度隨時間的變化

圖4 不同孔徑高度下液氨濃度隨下風距離的變化

由圖3 可知，孔徑高度幾乎不會影響泄漏的速度。 由圖4 可知，隨著孔徑高度的升高，液氨泄漏濃度峰值明顯升高。當孔徑高度為0.2 m 時，液氨泄漏濃度峰值為194 353ppm； 當孔徑高度為1.0 m 時，液氨泄漏濃度峰值為542 945ppm。其主要原因是， 曲線為人體高度1.7m 處的液氨濃度變化，孔徑高度越高，泄漏處越接近人體高度，液氨濃度明顯升高。同時，孔徑高度由0.2 m 升高至1.0 m 的過程中， 液氨泄漏濃度峰值的升高量越來越明顯，但在下風距離大于50 m 的階段，液氨泄漏濃度的變化幾乎相同。

2.3 泄漏特性受液位高度變化的影響

改變罐內(nèi)液位高度，可得到不同液位高度下泄漏速度隨時間的變化情況，如圖5 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風方向的變化情況，如圖6 所示。

圖5 不同液位高度下泄漏速度隨時間的變化

圖6 不同液位高度下液氨濃度隨下風距離的變化

由圖5、6 可知，儲罐液位對泄漏速度和液氨泄漏濃度的變化并無明顯影響。 隨著儲罐液位的增加，泄漏速度變化所持續(xù)的時間變長，主要原因是液位增加表明液氨儲量增大，泄漏所需的時間變長。 同時，儲罐液位增加，液氨濃度所影響到的下風距離更遠，其主要原因是液位增加導致液氨儲量變多，泄漏持續(xù)的時間變長，更多的液氨被風吹至更遠的下風處。

2.4 泄漏特性受儲罐壓力變化的影響

改變儲罐壓力，可得到不同儲罐壓力下泄漏速度隨時間的變化情況，如圖7 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風方向的變化情況，如圖8 所示。

圖7 不同儲罐壓力下泄漏速度隨時間的變化

圖8 不同儲罐壓力下液氨濃度隨下風距離的變化

由圖7 可知，隨著儲罐壓力的增加，液氨泄漏速度明顯升高。 主要原因是在孔徑尺寸一定的情況下，儲罐壓力越大，提供給液氨泄漏的動力就越大，泄漏速度隨之變大。 同時，儲罐壓力升高，泄漏速度隨時間的降低幅值變大。 由圖8 可知，儲罐壓力對液氨泄漏濃度變化影響很小。 隨著儲罐壓力的增大， 液氨泄漏濃度峰值略有升高。 主要原因是，儲罐壓力升高，泄漏速度隨之升高，單位時間內(nèi)液氨的泄漏量變大，液氨的濃度隨之增大。

2.5 泄漏特性受環(huán)境風速變化的影響

改變環(huán)境風速，可得到不同環(huán)境風速下泄漏速度隨時間的變化情況，如圖9 所示。 以人的平均身高1.7 m 高度為基準， 可得到此高度下液氨泄漏濃度在下風方向的變化情況，如圖10 所示。

圖9 不同環(huán)境風速下泄漏速度隨時間的變化

圖10 不同環(huán)境風速下液氨濃度隨下風距離的變化

由圖9 可知， 環(huán)境風速對泄漏速度沒有影響。 由圖10 可知，環(huán)境風速對液氨濃度變化影響很小。 隨著環(huán)境風速的增加，液氨泄漏濃度峰值略微下降，其主要原因是更高的風速快速將液氨吹散至下風向，使液氨分布更加均勻，液氨濃度峰值隨之下降。

3 結(jié)論

3.1 隨著泄漏孔孔徑尺寸、 儲罐壓力的增大，液氨泄漏速度明顯升高。 在大孔徑、高壓力泄漏下，液氨泄漏速度較高，事故發(fā)展較快，技術(shù)人員應(yīng)快速及時采取治理措施。 孔徑高度、液位高度、環(huán)境風速對液氨泄漏速度無明顯影響。

3.2 液氨泄漏濃度隨著下風距離的增加先急劇升高至最高點，而后緩慢下降至0ppm。

3.3 隨著泄漏孔徑尺寸、孔徑高度的增加，液氨泄漏濃度峰值隨之變大，環(huán)境風速、液位高度、儲罐壓力對液氨濃度變化影響很小。

3.4 當下風距離為450 m 時， 不同泄漏孔徑下液氨濃度均已降至較低水平。 因此，在不同泄漏孔徑下，液氨濃度降至較低水平所對應(yīng)的下風距離基本一致，在此距離處，人員受到毒氣傷害較小。

3.5 隨著泄漏孔徑高度的升高，液氨泄漏濃度峰值明顯升高。 其主要原因是，孔徑高度越高，泄漏處越接近人體高度，液氨濃度明顯升高。 孔徑高度由0.2 m 升高至1.0 m 的過程， 液氨泄漏峰值的升高量越來越明顯，但下風距離大于50 m 時，液氨泄漏濃度變化幾乎相同。