氯乙烯球罐的火灾爆炸事故风险分析

３．事故后果定量计算
假设某 Ｐ Ｖ Ｃ 工厂扩建工程新增一个 Ｖ Ｃ Ｍ 球罐， 此氯乙烯球罐直径φ ２２．８５ｍ，容积为 ６２４６．８ｍ３，充 装系数为 ０．８５，ＶＣＭ 球罐设计压力为 ０．８Ｍｐａ，其工 作压力 ０．５Ｍｐａ。分析泄漏后可能产生的后果。
３．１ 泄漏量的计算 假设球罐泄漏为与罐体相连的管路的法兰，也可
２００５年８月号总第二期 08, 2005, No.02
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氯乙烯球罐的火灾 爆炸事故风险分析
刘佳 １ 王伟娜 ２ （１上海交通大学，上海 ２０００３０；２ 南开大学，天津 ３０００７１）
氯乙烯泄漏会引发急性中毒事故。氯乙烯球罐储
中。最近几年全国有大量氯乙烯球罐在全国生产厂家 存过程中，当检修人员在罐顶巡查及罐内外检修时，
普遍建设起来，而球罐容积趋于大型化。由于氯乙烯 还可能发生高处坠落和机械伤害等事故。由于本文集
本身易燃易爆的特性，因此给球罐储存带来很多困难。 中讨论氯乙烯储罐的火灾、爆炸风险，因此这些事故
球罐泄漏事故发生时容易发生火灾、爆炸及中毒事故
－７８℃，燃点是４７２℃，爆炸极限为３．６～３３（Ｖ％）【２】。 等。
氯乙烯和空气混合，一定浓度下可形成爆炸气体。
用事件树（图 １）分析氯乙烯球罐泄漏可能的引
泄漏的液态氯乙烯在常压常温的环境下，迅速气 发的事故类型，除了无事故发生的泄漏外，产生严重
化，当扩散浓度达到爆炸极限范围时遇到点火源便可 后果的事故分别可能是球罐的沸腾液体扩展蒸气爆炸
quantityofleakageofthechloroethylene,theinjureconsequenceoftheflarefire,thevaporcloudexplosion,the
BLEVEfiresphereandBLEVEin onechemicalplant£¬providinggist fortheplantsafetymeasures.
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ρ ＋２ｇｈ］１／２＝１３．９９ｋｇ／ｓ。
则流速 ｖ＝Ｑ／（Ａ ρ）＝ ２１．７２ｍ／ｓ，查资料得，氯
乙烯液体在 ７０℃时的动力粘度μ＝ ０．１１ｍＰａ．ｓ，核对
雷诺数：此时 Ｒｅ＝ ρ ｖｄ／ μ＝ ３．３ × １０６＞１００。所以
由于某些原因造成容器破裂，使所盛液体突然泄 漏，并因为环境温度高于其沸点而急剧汽化，作为汽 液两相的可燃性物质，立即遇到点火源，紧跟着会产 生火球，即 ＢＬＥＶＥ 火球，而容器破裂的瞬间还会产生 冲击波超压。所以沸腾液体扩展蒸气爆炸可以产生两 种危害后果：冲击波超压、热辐射，造成人员伤害及 财产破坏。
如何防止球罐泄漏及其引起的各种火灾、爆炸、中毒 伤害不在此进行讨论。
等事故是当前氯乙烯生产的重要安全问题。
２． 球罐泄漏的事故类型分析
１．氯乙烯储罐的主要风险因素
目前，ＰＶＣ 生产工艺采用氯乙烯直接聚合生成聚
１．１ 氯乙烯的物质危险性
氯乙烯，由于物料氯乙烯易燃、易爆、有毒的特性使
氯乙烯气体易燃易爆，沸点为－１３．４℃，闪点为
０．６０ ０．４５
０．５５ ０．４０
假设氯乙烯存储温度为２０℃，则此时氯乙烯密度 ρ＝ ９１１Ｋｇ／ｍ３，则球罐中氯乙烯总量 ４．８４ × １０６Ｋｇ， 球罐高度为 ｈ ＝ Ｖ／Ｓ ＝ １５．２３ｍ。因为充装系数为 ０．
０
８５，所以液面高度为１２．９５ｍ，假设裂口高度为０．６８ｍ， 则裂口上方液面高度 １２．２７ｍ。
不同事故形态，如 Ｖ Ｃ Ｍ 扩展蒸汽爆炸的火球、闪火 和蒸气云爆炸。
图 １ 事件树分析
（２）球罐的沸腾液体扩展蒸气爆炸（物理爆炸）：
由于球罐破损或操作失误引起泄漏，大量易燃、
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能是罐体本身如人孔、观测孔等密封连接处泄漏，泄 漏孔可能是不规则的，但仍为小孔泄漏，其当量直径 ｄ 为 ３ｃｍ。
液体泄漏速度可用流体力学的柏努利方程计算， 其泄漏速度为：
Q=CdA[2(P-P0)/p+2gh]1/2 式中：Ｑ —液体泄漏速度，ｋｇ／ｓ；Ｃ —液体泄漏
ｄ
系数，按表 １ 选取；Ａ —裂口面积，ｍ２；ρ—泄漏液
收稿日期：２００５－０６－０６ 作者简介：刘佳，男，上海交通大学机械与动力工程学院工业工程专业 ２００３级工程硕士研究生。
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国聚氯乙烯市场需求量将达约４Ｍｔ，市场潜力巨大。随 球罐是压力容器，当罐体及管道由于材质差、制造缺
着我国聚氯乙烯工业的发展，树脂生产能力在２０１０年 陷、腐蚀减薄等使强度下降；当超量灌装、环境温度
可突破 ３．５ Ｍｔ，【１】 但是氯乙烯气体易燃易爆，对人 升高，液体 Ｖ Ｃ Ｍ 大量汽化引起超压；当防爆膜、安
假设雷 Ａ ＝ ７．０７ × １０－４ｍ２；已知 Ｐ ＝ ０．５ＭＰａ；
Ｐ ＝ １．０１ × １０６Ｐａ；所以泄漏速度Ｑ ＝ Ｃ Ａ［２（Ｐ－Ｐ ）／
０
ｄ
０
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【摘 要】 目前我国聚氯乙烯使用和生产均处于快速发展时期，而由于原料氯乙烯气体易燃易爆，在储存过程中
如果管理不当，很容易引发火灾、爆炸等危险事故，从而造成财产损失、人员伤亡。本文应用一些火
灾爆炸定量计算模型针对氯乙烯储罐特定情况下发生泄漏，及由此可能引发的闪火、蒸气云爆炸、
ＢＬＥＶＥ 火球以及 ＢＬＥＶＥ（物理爆炸）的后果进行定量计算，可以作为 ＰＶＣ工厂安全决策的依据。
能发生火灾、爆炸事故。
（Ｂ Ｌ Ｅ Ｖ Ｅ ）和沸腾液体扩展蒸气爆炸（Ｂ Ｌ Ｅ Ｖ Ｅ ）的火
１．２ 球罐的危险性
球、蒸气云爆炸、闪火等事故。
（１ ）球罐的 Ｖ Ｃ Ｍ 泄漏引起的火灾爆炸：Ｖ Ｃ Ｍ 是
易燃易爆物质，若球罐及其管道由于长期使用因腐蚀
等原因或操作失误而出现泄漏，遇火源将发生火灾爆
炸，后果十分严重。ＶＣＭ 单体发生火灾爆炸可能产生
５ｍ
Ｈ ＝ Ｈｒ／ｂ＝Ｈ／０．５Ｗ＝２９．４２／２５．９４＝１．１３４ Ｘｒ ＝ Ｘ／ｂ ＝ Ｘ／０．５Ｗ ＝ １２３．５／２５．９４ ＝ ４．７６１
当 Ｘｒ 和 Ｈｒ 给定时，可以根据以下公式【４】 计算出
最大视角系数 Ｆｍａｘ 的值，可看作 Ｆ 值。
Ｆ ＝（Ｆ ２ ＋ Ｆ ）２ ０．５
ｍａｘ
ｈ
Ｖ
０／?
）２（ｗｒ２／（１
ａ
－ｗ）
３）］１／３
式中：Ｈ —焰可视高度，ｍ ；ｄ —团厚度，ｍ ；ｓ
—燃烧速度，ｍ／ｓ； ｇ —重力加速度，ｍ／ｓ２；?ａ —官气 密度，ｋｇ／ｍ３； ?０ —燃气混合物密度，ｋｇ／ｍ３；ｒ —理 想配比下空气与燃料的质量比；宽度系数 ｗ ＝ ０．０１９。
所以计算可得 Ｈ＝２９．４２ｍ
易爆、有毒压力储存的 Ｖ Ｃ Ｍ 的释放、蒸发汽化、扩 散过程中遇到火源将会导致火灾、爆炸等重大事故发 生。因此，事故后果分析时应由泄漏分析开始。而泄 漏的后果不仅与泄漏的数量、易燃易爆性和毒性有关， 而且与泄漏物质的相态、压力、温度等状态有关。
如果在泄漏后没有立即扩散掉或立即点燃，而是 泄漏物扩散到广阔的区域，形成弥漫相当大空间的云 状可燃性气体混合物，经过一段延滞时间后，可燃蒸气 云被点燃，接着发生闪火或蒸气云爆炸。闪火是可燃 性气体或蒸气泄漏到空气中，并与之混合后被点燃而 发生的一种非爆炸性的燃烧过程。由于闪火不是爆炸， 不产生具有显著破坏性的超压，因为只是燃烧，所以 有热辐射和火焰直接接触等伤害与破坏。闪火的形成 初始阶段与蒸气云爆炸非常相似甚至相同，所以常被 蒸气云爆炸所掩盖。事实上闪火灾害是一种完全独立 的火灾，发生频率很高，闪火的后果主要是造成大面 积的火灾而直接烧毁财产和对人的灼烧伤害。由于存 在某些特殊原因和条件，火焰传播被加速，产生危险 的爆炸冲击波超压。这就是蒸气云爆炸。一般要发生 带破坏性超压的蒸气云爆炸应具备以下几个条件 ： （１）泄漏物必须可燃且具备适当的温度和压力条件； （２）必须在点燃之前即扩散阶段形成一个足够大的云 团；（３）产生的足够数量的云团处于该物质的爆炸极 限范围内才能产生显著的超压【３】。
上述计算正确。
从堵漏技术可行性考虑，泄漏时间为 ｔ ＝ １５ｍｉｎ，
所以泄漏总量为 １２５９１Ｋｇ。
３．２ 闪火伤害后果的计算
计算步骤如下：
（１）计算火焰高度 Ｈ
已知泄漏总量为 １２５９１ｋｇ，氯乙烯密度为２．２ｋｇ／
ｍ３，设云团厚度为 ｄ ＝ １．５ｍ，所以云团直径 ７０ｍ 。
火焰高度
Ｈ＝
２０ｄ［（ｓ２／ｇｄ）（?
体存在毒害作用，在储存过程中如果管理不当，很容 全阀泄放装置失灵等意外情况时导致罐体发生超压，
易引发火灾、爆炸等危险事故，从而造成财产损失、人 在其薄弱处可能发生物理爆破；同时可能发生二次事
员伤亡。
故，Ｖ Ｃ Ｍ 的火灾爆炸或中毒事故。
由于日常广泛利用氯乙烯单体悬浮法聚合反应生
１．３ 其它事故伤害
产聚氯乙烯，因此大量的氯乙烯作为原料储存于球罐
（２）计算几何视角系数 Ｆ（假设厂房半径为１００ｍ）
火焰宽度 Ｗ 随时间变化关系为 Ｗ ＝ ２［３０２ －（３０
－２．３ｔ）２］１／２
因为持续时间ｔ＝７０／２．３＝３０．４３ｓ， 取闪火传播
５ 秒时刻计算几何视角因子如下：
Ｗ ＝ ２［３５－（３５－２．３ × ５）２］１／２＝５１．８７
目标物与火焰距离：Ｘ ＝ １３５ － ２．３ × ５ ＝ １２３．
KeyWord:chloroethylenetank; flarefire;vaporcloudexplosion ;BLEVEfiresphere;BLEVE(physicalblast)
【中图分类号】 S9012
【 文献标识码】 A
【 文章编号】 1672-2396 [2005] 08-06-06
Ｆ ＝ １／２ π［ｔａｎ－１（１／Ｘ ）－ ＡＸ ｔａｎ－１Ａ］
体密度，ｋｇ／ｍ３；Ｐ —容器内介质压力，Ｐａ；Ｐ —环 ０
境压力，Ｐａ；ｇ —重力加速度，ｇ ＝ ９．８ｍ／ｓ２；ｈ —裂
口上方的液面高度，ｍ 。
表 １ 液体泄漏系数Ｃｄ
裂 口 形 状
雷诺数 Ｒｅ 圆形（多边形）
三角形
长方形
＞１００ ≤１００
０．６５ ０．５０
【关键词】氯乙烯球罐 闪火 蒸气云爆炸 ＢＬＥＶＥ火球 ＢＬＥＶＥ（物理爆炸）
Abstrct: Atpresent,theuseandproducePVCaredevelopingfast,becauserawmaterialofchloroethyleneisincendiveand
explosive,sofireandexplodewilleasilyhappenifmisgoverningthechloroethylene.Thispapercalculatedthe
聚氯乙烯（ ＰＶＣ） 是五大通用合成树脂之一，由于 它具有优良的耐化学腐蚀性、电绝缘性、阻燃性，并 且质轻、强度高、成本低，因而广泛应用于工业、农 业、建筑业和人们日常生活的各个领域，是木材、钢 铁、玻璃、纸张等传统材料的良好代用品，因此在塑料 工业中具有举足轻重的地位。ＰＶＣ 开始生产于二十世
纪三十年代，到五六十年代开始大量生产和使用，其 后生产量逐渐增加，到 ２０００ 年，全世界每年生产 ２０００ 万吨 Ｐ Ｖ Ｃ 。在 Ｐ Ｖ Ｃ 树脂生产过程中， 氯乙烯单体 （ＶＣＭ） 的生产至关重要。氯乙烯单体（ＶＣＭ ） 是生 产聚氯乙烯（ＰＶＣ） 树脂的主要原料， 全世界 ９９％ 的 ＶＣＭ 产量用于生产聚氯乙烯。估计到 ２０１０ 年，我