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1、 南 京 理 工 大 学科研训练结题报告 作 者:陈举豪 向军历 杨毅坚学院(系):化工学院专 业:安全工程题 目:丙烯管道泄漏爆燃事故的定量风险评估讲师饶国宁指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2015 年 9 月1 研究背景及意义2010 年7 月28 日10 时10 分，南京某施工队在南京市栖霞区迈皋桥街道万寿村15号的南京塑料四厂地块拆除工地挖掘地下废旧管道时，挖掘机将穿越该地块的南京金陵塑胶化工有限公司地下159 丙烯管道挖穿，导致丙烯泄漏并迅速扩散与空气形成爆炸性混合物，遇点火源后引发爆燃事故。事故最终共造成10 余人死亡，10 余人重伤
2、(包括抢救无效死亡的3 人)，以及周边近两平方公里范围内的3000 多户居民住房及部分商店玻璃、门窗不同程度破碎，建筑物外立面受损，少数钢架大棚坍塌，直接经济损失4784 万元1。这次事故在南京产生了巨大的影响，时至今日仍然有着深刻的教育意义，所以本项目以“7.28”事故为背景，采用ALOHA软件对该事故进行重建，给出定量风险评价结论。通过模拟得到爆炸的相关数据，为易燃气体（蒸气）管道泄漏事故的预测和应急救援提供理论依据。2 研究工具和方法2.1 ALOHA软件介绍本项目研究采用有害大气空中定位软件（Areal Locations of Hazardous Atmospheres，ALOHA）
3、，该程序是美国环境保护署和美国海洋和大气管理局专门为化学品泄漏事故应急人员及规划和培训人员共同开发设计的CAMEO软件中的一个风险模拟程序2。其包括一个近1000种常用化学品的数据库，这个数据库的信息包括化学品类型、意外事故位置、天气情况（温度、风速和风向）和泄漏源情况（存储物料、泄漏孔尺寸、存储压力）等。利用它能够模拟毒性、可燃性、热辐射和超压等与化学品泄漏而导致毒性气体扩散、火灾或爆炸相关的主要危害，可以快速预测出对人体产生立即健康影响的毒气浓度范围以及可燃性气体爆炸所能波及的范围。ALOHA采用的数学模型有：高斯模型、DEGADIS重气扩散模型、蒸气云爆炸模型、BLEVE火球模型等。目前
4、，ALOHA已经成为危险化学品事故应急救援、规划、培训及学术研究的重要工具，广泛应用于风险评价和应急辅助决策等领域，但我国应用该软件进行应急辅助决策比较少。2.2 场景构建 事故发生于南京市栖霞区迈皋桥街道万寿村15号的南京塑料四厂工地 图1 爆燃前建构筑物图 图2 泄漏点卫星图事故管道，自金陵石化公司烷基苯厂中转车间输往塑胶公司。该管道直径159mm，输送距离约5km，压力2.2MPa，流量50L/s。该管道原设计与金陵石化公司炼油区域输往塑胶公司89 管道并行铺设，2001 年施工时因故进行了设计变更，将原设计从沿四厂南大门内东西向道路的南侧埋地，距南大门往西275m 处拐弯向北偏西走向，
5、改为距南大门往西160m 处拐弯向北偏西走向。事故发生前，该管道处于停输状态，管道静压力2.0MPa。根据现场勘查，事故后159 管道着火点的位置，确定沿四厂南大门内东西向道路的南侧埋地，距南大门往西160m 处拐弯向北偏西走向、距拐弯点55m 处，为事故泄漏点。根据对认证的询问，董某某在159 管道挖穿未堵住后即电话告知邵某某的通话时间（7 月28 日952），以及四厂发现泄漏后报警时间（7 月28 日954），159 管道泄漏点开始泄漏的时间为7 月28 日950 左右。根据南京市地震局提供的证明材料，发生爆燃的时间为7 月28 日101013。根据事故泄漏点得知，事故管道为穿越四厂向塑胶
6、公司输送丙烯的159 管道因而认定泄漏物为加压液化的丙烯。该管道直径159mm，实际压力2MPa（表压），泄漏20min。管道在外力作用下损坏壁面形成近似椭圆形，长轴约7cm，短轴约4cm，面积约22cm2的缺口，造成液化丙烯从小孔连续泄漏，小口缺口如下图所示。 图3 丙烯管道泄漏缺口图事故发生时，东南风向，10 m高处平均风速约为5.5 m/s，环境温度为30 ，空气相对湿度约为50 %。2.3丙烯物质危险性分析丙烯常温下为无色、稍带有甜味的气体。易燃，爆炸极限为2%11%。不溶于水，溶于有机溶剂，是一种属低毒类物质。丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生产聚丙烯、丙烯腈、异丙醇、丙酮和环
7、氧丙烷等3。 健康危害：丙烯为单纯窒息剂及轻度麻醉剂。急性中毒：人吸入丙烯可引起意识丧失，当浓度为15%时，需30分钟；24%时，需3分钟；35%40%时，需20秒钟；40%以上时，仅需6秒钟，并引起呕吐。慢性影响：长期接触可引起头昏、乏力、全身不适、思维不集中。个别人胃肠道功能发生紊乱。环境危害：对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。燃爆危险：丙烯易燃。3 事故模拟与分析利用ALOHA 5.4.3模拟软件，对丙烯瞬时泄漏和连续泄漏两种场景下发生丙烯蒸气扩散和蒸气云爆炸的影响范围分别进行模拟和定量分析。3.1 关注水平关注水平（Levels of Concern,LOC）是根据影响程度的
8、不同对事故发生后的影响区域进行分区以确定不同应急措施的临界值。该水平是人为规定的阈限值，人体暴露于大于这个水平的环境中就会对健康构成危害。对于毒性气体扩散，其主要危害是毒性气体对人体的致毒作用。本文选用美国工业卫生协会针对毒性化学物质制定的应急响应规划指导浓度ERPGs值确定毒性影响区域。根据毒性物质的允许暴露程度可分为3种：ERPG-1是人员暴露于有毒气体环境约1h，除了短暂的不良健康效应或不良气味之外，不会有其他不良影响的最大容许浓度；ERPG-2是人员暴露于有毒气体环境中约1h，不会对身体造成不可恢复的伤害的最大容许浓度；ERPG-3是人员暴露于有毒气体环境中约1h，而不致对生命造成威胁
9、的最大容许浓度。对于闪火，其主要危害来自直接接触火焰和热辐射，可燃物云团的大小决定了可能造成直接火焰接触危害的面积。ALOHA根据云团中丙烯的浓度水平划分可燃区域，浓度水平分别为LEL、60% LEL 和10% LEL。蒸气云爆炸的主要危害是冲击波超压，ALOHA用建筑物毁坏、人员重伤和玻璃破碎3种后果程度的超压强度，即55150.0Pa、24132.5Pa和6895.0Pa 来划分蒸气云爆炸超压影响区域。3.2 构建事故 打开ALOHA输入事故地址： 图4 地址选择界面 但由于候选地址界面全为美国的城市，需要自行添加南京。于是选择Add键。 图5 地址添加界面输入事故发生地的海拔72ft以及
10、经纬度等，一切结束后回到回到选择界面重新选择南京市。 图6 地址选择界面在时间设定界面设定事故发生时间。手动输入2010年7月28日10时10分为爆炸时间。 图7 添加时间界面选择建筑类型，因为爆炸场所为旧的拆迁工厂，所以选择单层建筑，周围未被遮蔽。添加化学物质，选择纯净的丙烯。 图8 化学物质选择界面选择建筑类型，因为爆炸场所为旧的拆迁工厂，所以选择单层建筑，周围未被遮蔽。 图9 建筑选择界面 输入当时的天气条件，包括风力风向，温度和湿度等等3。 图10 天气输入界面（一）图11 天气输入界面（二）建立释放源模型，选择气体管线模型。 图12 模型建立界面但是按照当时爆炸条件进行建模后，系统提
11、示模型无法建立，提示选择水箱模型或者直接释放。 图13报错界面但是当我们再次建立水箱模型时，系统又再次提示我们管道直径必须大于0.2m，而我们所需建立的则是0.159m，所以水箱模型也无法建立。图14 水箱报错界面故我们只能建立直接释放来源的模型，这样会有一些不准确。3.3 瞬时泄漏 首先建立瞬时泄漏的模型。 图15 直接来源模型建立根据资料所查数据5，进行一系列计算已知丙烯气体密度1.88kg/m，丙烯液体的密度504kg/m，丙烯的定压比热容2.42kJ/kgk，常温下沸点225.43K。蒸发潜热为438kJ/kg，由闪蒸率公式得到 由于，可以认为不会形成液池。丙烯气液两相流的密度： 两相
12、流泄漏的流量： 两相流泄漏的质量： 最终得出瞬时爆炸时泄漏丙烯量约为6120kg，选择瞬时来源释放，释放高度为地面0m。图16 系统提示 系统提示丙烯可能为两相泄漏，这与我们根据资料所查的一致。图17 瞬时泄露蒸汽云可燃区域 图18 瞬时泄露蒸汽云可燃区域谷歌模拟地图可以看出丙烯蒸汽扩散危险区域最远在248码，这个内若遇明火则发生爆炸，而在778码内，人员也应及时撤离。而通过导入谷歌地图，也很明显的看出可燃气体的扩散方向。建立爆炸模型，确认点火条件。图19 点火条件确认图20 爆炸范围 图21 爆炸范围具体数值 图22 爆炸范围谷歌模拟地图很容易看出215码内建筑全部毁坏，也是爆炸的重灾区，而
13、近300码范围内会有不同程度破坏及伤亡，近600码内玻璃基本破碎。处于爆炸中心的人员基本无生还可能，600码不同程度受伤。3.4 连续泄漏同样的我们建立连续泄漏的模型。 选择连续泄漏类型，同样根据计算，得出一系列数据。以63.8kg/s的速度泄漏50.7min，泄漏高度为0m。图23 连续泄漏模型建立同样的，系统提示我们为两相泄漏。 图24 系统提示图25 连续泄漏丙烯蒸汽泄漏范围图26 连续泄露蒸汽云可燃区域谷歌模拟地图根据图示可看出蒸汽云危险泄漏范围最远在194码处，若有明火直接爆炸。点火时间大约在释放丙烯20min时，建立点火条件。 图27 连续泄漏点火条件设置图28 连续泄漏丙烯爆炸范围影响区域图29 爆炸范围具体数值图30 连续泄漏丙烯爆炸范围谷歌模拟地图同样的，我们得到爆炸影响范围的数据，151码之内的建筑全部毁坏，472码之内的玻璃全部破碎。爆炸中心人员很难生存，近500码内人员不同程度受伤6。 图31 两种情况下可燃蒸汽云扩散区域对比情况图32 两种情况下爆炸影响范围对比情况 在两张对比图之中，瞬时泄漏的影响范围很明显比连续泄漏影响范围大，所以，瞬时泄漏更加危险，我们要采取更多合理的措施来
