基于ALOHA的四氟乙烯计量槽爆炸后果分析

图1场景布局
表1目标装置相关参数
计量槽
聚合釜氢氟酸储槽
精馏塔
参数
ф1200×2400mm；m=3t；T=-35℃；p=3.92
压力容器
ф1700/1900×2900mm；压力容器
D3600×20000mm；压力容器
ф800mm；T≤100℃；p=1.0～2.0MPa；压力容器
2018YFC0808600）
010203040-10-20-30-40
-40
-20
02040距离/m
距离/m
0102030-10-20
-30-20
02040
距离/m
0102030-10-20
-30
-20
2040
距离/m
≥24.13 kPa (人员重伤区)
≥6.89 kPa (玻璃破损区)
风向置信线
（b ）3.0m/s
（c ）3.5m/s
不同风速下四氟乙烯连续泄漏蒸气云爆炸影响区域
四氟乙烯蒸气云爆炸对目标设备的冲击波超压
泄漏类型
连续泄漏瞬时泄漏瞬时泄漏目标设备冲击波超压/kPa 聚合釜19.306019.030218.754425.856324.132523.925722.822524.7531氢氟酸储槽7.30876.35725.964228.959015.169012.342111.376823.5120精馏塔4.3573.9713.7787.2396.3715.9025.8956.7220103050-30-10-50-40
-200
206040距离/m
距离/m
0103050-10
-30-50-60
-40-2002060
40010305070-10-50
-30
-70
-60
-40-20
02060
40距离/m
(玻璃破损区)
风向置信线
（c ）2.72t
010
305070-10
-30-50-70
-60-20
0206040-40
距离/m
距离/m
距离/m
0103050-10-30-50
-40
-20
02060
400103050-10-30-50-40
-200
2060
40≥55.16 kPa (建筑物毁灭区)
≥24.13 kPa (人员重伤区)
≥6.89 kPa （a ）2.5m/s
（b ）3.0m/s
不同风速下四氟乙烯瞬时泄漏蒸气云爆炸影响区域表3
不同风速下四氟乙烯瞬时泄漏蒸气云爆炸危害区域最大边界危害区域
人员重伤区/m 玻璃破损区/m
2.531.089652.1208
3.525.60322.2
泄漏量对蒸气云爆炸结果影响
在ALOHA 模拟软件中设置风速为接释放泄漏类型，的情况下，改变容器里化学品质量，最终计算出的泄漏量分别为量下四氟乙烯瞬时泄漏发生蒸气云爆炸的影响区域如图
修改时间：2021年01月12日12:49:47
下发生连续泄漏和瞬时泄漏以及不同泄漏量下发生瞬时
泄漏的场景下的蒸气云爆炸对目标设备的冲击波超压，具
体步骤如下：
（1）计算TNT当量。

假设泄漏的四氟乙烯全部参与
了蒸气云爆炸，四氟乙烯泄漏是重气泄漏，所以发生的爆
炸属于近地面爆炸，则计算公式见式（3）。

W TNT=1.8αWQ
Q TNT（3）
式中：W TNT为TNT当量，kg；α为四氟乙烯蒸气云爆炸效
率因子，为0.03；Q为四氟乙烯燃烧热，为7616kJ/kg；
Q TNT为TNT爆炸热，取4520kJ/kg。

（2）计算爆炸冲击波超压ΔP。

冲击波各种参数常通
过比例距离表达，见式（4）。

Z e=r
Q TNT1/3（4）
式中：r为测点与爆源间的距离，m。

发生在平坦地面上的TNT爆炸产生的爆炸超压峰值
与比例距离间的关系见式（5）。

∆P l(r) P0=
1616[1+æ
è
ç
ö
ø
÷
Z e
4.5
2
]
1+(
Z e
0.048)
21+(Z e
0.32)
21+(Z e
1.35)
2
（5）
式中：ΔP i（r）为r处的爆炸超压峰值，Pa；P0为周围环境压力，101325Pa。

最后得出TNT法计算计量槽内四氟乙烯在不同风速下发生连续泄漏和瞬时泄漏以及不同泄漏量下发生瞬时泄漏这3种场景下的蒸气云爆炸对目标设备的冲击波超压，如表6所示。

表6TNT法计算3种场景下四氟乙烯蒸气云爆炸对目标设备的
冲击波超压
参数
风速/m/s 泄漏量/t 2.5
3.0
3.5
2.5
3.0
3.5
1.81
2.27
2.72
泄漏类型
连续泄漏
瞬时泄漏
瞬时泄漏
目标设备冲击波超压/kPa
聚合釜
3248.9879
3248.9879
3248.9879
3263.9106
3263.9106
3263.9106
2461.1803
2878.0627
3263.9106
氢氟酸储槽
63.3317
63.3317
63.3317
63.5950
63.5950
63.5950
49.8341
56.8811
63.5950
精馏塔
48.0297
48.0297
48.0297
48.2153
48.2153
48.2153
38.4514
43.4695
48.2153
TNT当量法是把蒸气云爆炸的破坏作用转化成TNT爆炸的破坏作用，把蒸气云的量转化成TNT当量。

ALOHA软件是运用Baker-Strehlow模型对四氟乙烯蒸气云爆炸后果进行模拟。

Baker-Strehlow模型是由一组无量纲距离、无量纲峰值侧向超压的曲线组成，是根据火焰传播速度（马赫数）选取不同的爆炸波强度曲线，同时考虑到障碍物及燃料特性对爆炸波的影响。

TNT当量法具有易于求解、使用方便等优点，多次在危化品泄漏、火灾和爆炸事故分析的工程应用中使用，但在工程应用中尚存在一些不足之处，如TNT公式法的计算结果仅由化学品泄漏的量和泄漏化学品的燃烧热决定的，TNT爆炸时的爆源体积小得可以忽略，而蒸气云体积较大不能忽略，所以，用TNT当量法计算蒸气云爆炸近场超压与实际情况相比误差较大。

针对TNT公式法的不足之处，ALOHA软件计算可以进行相应的弥补，其优势在于软件本身不仅考虑到了爆源的体积，还考虑到了其他更详细的参数，如时间、地点、天气温度、湿度、设备类型、泄漏口大小、泄漏量、目标设备与爆源间的距离等。

表5和表6为ALOHA软件与TNT法分别得出的四氟乙烯计量槽泄漏爆炸对目标设备的冲击波超压的结果，明显可以看出TNT法的计算结果远大于模拟结果，并且距离越近，差异越大。

由于TNT 爆炸时的能量是瞬间释放的，爆炸过程形成的冲击波强度大，而蒸气云爆炸过程中能量的释放是有限的，因此，TNT 当量法夸大了爆炸近场处的超压。

所以，在氟化工爆炸危险性分析与评价的工程应用中，ALOHA软件计算出的结果相比TNT当量法更符合实际。

2.4多米诺效应概率计算
现有研究发现，100个与易燃易爆气体和液体有关的多米诺事故中，初始事故为蒸气云爆炸的事故占17%，其中蒸气云爆炸超压引发事故扩大的概率占94%，蒸气云爆炸碎片引发事故扩大的概率占6%。

所以，以计量槽内四氟乙烯泄漏造成的蒸气云爆炸为初始事故，研究其多米诺效应。

当爆炸的威力足够大时，就会对其事故后果影响范围内存在的其他危险装置产生危害，进而引发多米诺事故。

初始事件能否导致目标设备发生二次事故主要取决于目标设备的失效阈值和损坏概率。

Cozzani等基于历史事故数据给出了不同事故场景下目标设备的失效阈值，其中蒸气云爆炸冲击波对压力容器的失效阈值为20kPa。

根据图1的场景布局，首先计算出四氟乙烯计量槽蒸气云爆炸超压对四氟乙烯聚合釜、氢氟酸储槽、四氟乙烯精馏塔的损坏概率，然后利用各目标设备的失效阈值对蒸气云爆炸可能导致的二次事故进行辨识。

为了简化计算，只考虑初始事故触发二级事故，不考虑初始事故触发三级事故以及二级事故进一步触发三级事故。

目前，火灾、爆炸事故场景造成的目标设备损坏概率计算方法主要是采用Cozzani和Landucci等基于经验数据和试验验证给出的Probit模型，如式（6）所示。

P=1
2π
∫
-∞
Y-5
e
-x2
2d x（6）
式中：P为目标设备的损坏概率；x为积分变量；Y为目标设备失效概率的概率单位值，考虑我国事故统计数据和消防应急处置统计数据，可以得到受冲击波影响压力容器的概率单位值Y=-14.44+1.82ln(∆P)；ΔP（kPa）为爆炸事故作用于目标设备的静态超压峰值。

修改时间：2021年01月12日12:49:47
最后通过计算得出计量槽内四氟乙烯泄漏造成的蒸气云爆炸超压对四氟乙烯聚合釜、氢氟酸储槽、四氟乙烯
精馏塔的损坏概率，见表7。

表7四氟乙烯蒸气云爆炸超压对目标设备的损坏概率
参数
风速/m/s 泄漏量/t 2.5
3.0
3.5
2.5
3.0
3.5
1.81
2.27
2.72
泄漏类型
连续泄漏
瞬时泄漏
瞬时泄漏
目标设备损坏概率
聚合釜
5.9265×10-42
1.0678×10-42
8.6080×10-43
2.6360×10-43
2.0104×10-42
5.9265×10-42
氢氟酸储槽
9.5834×10-41
5.5668×10-43
9.5834×10-41
精馏塔
由表7可以得出，不同风速下，四氟乙烯发生连续泄漏造成计量槽爆炸对聚合釜、氢氟酸储槽和精馏塔的设备损坏概率为0。

计量槽内四氟乙烯发生瞬时泄漏时，风速越大，爆炸对聚合釜的损坏概率越小；风速为3.0、3.5m/s 时，瞬时泄漏爆炸对氢氟酸储槽的影响概率为0；相同风速时，爆炸对下风向氢氟酸储槽的影响较高。

泄漏量不同时，计量槽内四氟乙烯发生瞬时泄漏时，泄漏量越大，爆炸对聚合釜和氢氟酸储槽的损坏概率越大；泄漏量相同时，设备离计量槽越近，爆炸对其的损坏概率也越大。

在模拟的3种爆炸场景下，精馏塔由于距离较远，几乎无影响。

3结论
（1）环境风速越低和四氟乙烯泄漏量越多对四氟乙烯蒸气云爆炸的影响越大，四氟乙烯泄漏量是控制蒸气云爆炸危害的关键因素。

（2）对比分析了TNT当量法和ALOHA模拟得到的四氟乙烯爆炸冲击波超压，体现了ALOHA方法在氟化工行业爆炸危险性分析的工程应用价值。

（3）运用多米诺事故后果分析的方法可以为事故预防和救援提供帮助，通过四氟乙烯蒸气云爆炸超压对目标设备的损坏概率进行计算，可为氟化工行业中爆源近距离设备和爆源下风向设备的防护工作提供指导。

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Explosion analysis of the tetrafluoroethylene metering tank based on ALOHA
LIU Hong,LI Chen-chen,CHEN Ming-yi,
XUE Miao-miao
(School of Environmental and Safety Engineering,Jiangsu University,Jiangsu Zhenjiang212000,China)
Abstract:Taking a tetrafluoroethylene metering tank leaking and exploding in a polymerization device of a fluorine chemical enterprise as an example,the consequences of tetrafluoroethyl-ene leakage and explosion in the metering tank were studied quantitatively,and the tetrafluoroethylene vapor cloud explo-sion consequences under3scenarios(continuous leakage，in-stantaneous leakage under different wind speed,and different leakage amounts)were analyzed.Then,the impact of the domi-no accidents was calculated and the probability of damage to the surrounding tetrafluoroethylene polymerizer,hydrofluoric acid storage tank,and tetrafluoroethylene rectification tower caused by the initial explosion was obtained.The results showed that leakage is the key factor affecting the hazard of a vapor cloud explosion,followed by environmental wind speed. The simulated shock wave overpressure result is smaller since the ALOHA simulation considers factors such as the volume of the explosion source,which is more in line with the actual situa-tion and has more engineering application value compared with the TNT method.
Key words:tetrafluoroethylene;ALOHA;vapor cloud explo-sion;Domino accidents
作者简介：刘宏（1968-），男，江苏镇江人，江苏大学环境与安全工程学院副院长，教授，博士，主要从事风险分析与评价、职业健康与安全管理等研究，江苏省镇江市京口区象山街道学府路301，212001。

收稿日期：2020-08-18。