论文总字数：27579字

摘 要

如今，液氨作为工业或者生产原料，市场需求大大增加。同时，由于道路运输成本低，操作便利，所以大多企业都选择槽罐车运输。对于液氨运输过程来说，泄漏扩散研究最关键的是危险气体运输风险分析及事故救援。目前，我国安全的形势不容乐观，槽罐车泄漏事故频频发生，因此，需要尽快展开对液氨槽罐车泄漏以及其扩散的浓度分布研究。一旦发生液氨泄漏事故，周边人员暴露在一定浓度的氨气下，会给身体带来某些程度上不可逆的损伤。

本设计首先运用事故树和FMEA两种方法，对液氨槽罐车道路运输的危险性特征进行分析，然后计算得出影响泄漏事故的基本事件的结构重要度，然后再运用高斯烟羽和高斯烟团模型模拟在三种风速下不同泄漏源的四个警戒区的平面距离，运用MATLAB编写可视图像程序，最后根据得到的平面浓度分布图，做安全距离疏散设计，编制现场处理方法。

关键词: 液氨槽罐车 泄漏分析 数值模拟 距离疏散

Safety evacuation design based on numerical simulation of liquid ammonia tank car leakage

Abstract

Nowadays,as a raw material for industry or production, liquid ammonia has greatly increased market demand.At the same time, due to the low cost of road transportation and convenient operation, most enterprises now choose tank trucks for transportation.For the transportation of liquid ammonia, the most critical research on leakage and diffusion is the risk analysis of hazardous gas transportation and accident rescue. At present, China's security situation is not optimistic, tank car leakage accidents occur frequently, so it is necessary to carry out the study on liquid ammonia tank car leakage and its diffusion concentration distribution as soon as possible.Once the occurrence of liquid ammonia leakage accident, the surrounding personnel exposed to a certain concentration of liquid ammonia, will bring some degree of irreversible damage to the body.

This design first uses two methods, accident tree and FMEA, to analyze the hazardous characteristics of liquid ammonia tanker road transportation, and then calculates the structural importance of the basic events that affect the leakage accident, and then uses Gaussian plume and Gaussian smoke model simulates the plane distance of four warning areas with different leakage sources under three wind speeds. MATLAB is used to compile a visual image program. Finally, based on the obtained plane concentration distribution map, a safe distance evacuation design is made and a field treatment method is compiled.

Key Word ：Ammonia tank truck; Leak analysis ;Numerical simulation evacuation distan

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3国内外数值研究模拟现状 2

第二章 运输过程危险性分析 4

2.1氨运输泄漏事故特征分析 4

2.2运输气体槽罐车 6

2.2.1结构特征 6

2.2.2槽罐车优点 7

2.2.3槽罐车冲装要求 7

2.3运输系统FMEA分析 8

2.4槽罐车运输事故树分析 10

2.4.1事故树分析 10

2.4.2结构重要度分析 13

2.5小结 15

第三章 泄漏扩散理论 16

3.1泄漏扩散影响因素 16

3.1.1泄漏扩散过程及影响因素 16

3.1.2扩散的影响因素 17

3.2泄漏源模型 18

3.2.1液相的泄漏 18

3.2.2气相泄漏 19

3.3高斯扩散模型 21

第四章 氨泄漏扩散模拟 21

4.1情景的设定 23

4.2瞬时泄漏扩散模拟 25

4.3连续液相泄漏模拟 33

4.4连续气相泄漏模拟 36

4.5小结 39

第五章 安全疏散设计 40

5.1安全距离疏散 40

5.2应急救援措施 42

5.2.1 预防工作 42

5.2.2现场处置方法 42

第六章 结论 、创新点以及展望 45

6.1 结论 45

6.2创新点及展望 45

附录1 49

附录2 50

致谢 51

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

如今社会工业进程在逐步加快，我们对气体危险品的需求日益增多，它们大多作为原料或生产加工辅料，因此运输的压力日益增大。比如，每年液氯的运输压力约是170多万吨，液氨每年运输压力约是90万吨不到一点，在这其中五分之四的流动量都是通过槽罐车陆路运输的^[1]。据蒋军成等统计，50多年来我国石油化工行业发生了约51起重大规模的危化品泄漏事故，其中作为化工行业的常用原料和制冷剂的液氨，在生产和使用中被广泛运用，其发生泄漏的事故频率和影响仅仅次于液氯^[2]。

而作为运输载体的的液化气体槽罐车，它是一种移动式的压力容器，由于其装载介质多为易燃、易爆、有毒、有害且运输情况的变量多,不确定性强,一旦发生事故造成的后果比一般设备要大,与此同时,若应急救援处理不及时，不合理,有可能演变成为灾难性事故。

近年来，我国在液氨运输方面也的确面临着严峻的形势。2014年02月17日一辆装载量为25t的液氨槽罐车，在行驶到306省道某路段时不慎翻车，大量的液氨从槽罐车内泄漏出来，消防员紧急疏散周边的大批量民众；2016年4月6日，一辆载有液氨的槽罐车罐体安全阀出现故障，发生液氨泄漏事故；2017年6月26日下午在甬台温高速宁海往台州方向1580公里处，一辆装载24吨的液氨槽罐车突然发生泄漏事故，周边4千米以外就可以闻到难闻刺鼻的氨气；2019年7月22日下午13时许，在四川广安华蓥市一道路由于天气原因，暴雨导致行驶路面十分容易打滑，一辆轿车在行驶途中与一辆载有23吨氨的槽罐车相撞，造成液氨大量泄露，随时有爆炸的危险。

1.2国内外研究现状

目前，国内对于氨气泄漏的事故后果研究较多，比如张杰，赵明^[3]运用DNV的SAFETI软件，模拟了液氨储罐发生连续泄漏的场景，并通过模拟建立了泄漏风险评价模型，以该模型来对发生的泄漏事故可能造成的破坏以及伤害做定量的分析和评价；郑杨炜，谢殿荣^[4]利用MATLAB软件，对液氨储罐的一系列生产和运输过程进行模拟，同时改变环境参数以及泄漏速度，通过模拟的结果，划定警戒区；吴洁^[5]通过改变泄漏孔径的大小以及泄漏高度，利用ALOHA模拟不同参数下的浓度分布，以此作为依据，划定警戒范围；潘旭海，蒋军成^[6]通过对液氨储罐的泄漏的过程分析，在液相气相同时泄漏的基础上，模拟了两种泄漏过程，分别是低温稍加压力和常温加压两种储存模式，同时分析了这两种模式下的潜在有害因素。上述提到的国内研究对本文的开展都有较大的指导与参考意义。

一般来说，在以下两种情况时，我们可以把该气体称为重气云。第一种是气体本身密度就大于空气；还有一种是气体本身密度小于空气，但是在泄漏后气体中夹带液滴，导致气体和液滴形成的混合物密度大于空气。还有一种气体，它本身密度接近空气，或者是泄漏后夹带液滴的混合密度接近空气的，此时重力下沉作用和浮力上飘作用都不明显，泄漏后的介质扩散很大程度上取决于当下大气的湍流程度，此时可以利用非重气云扩散模型。

国外已经提出了很多气体扩散的模型，也进行了许多液化天然气、液氯、氟利昂等气体及其他液化气体的扩散试验。尤其是在一些欧美等发达国家，他们在气体泄漏事故的研究方面做了很多的工作，也获得了不错的成效，方便了学者日后在危化气体泄漏模型的恰当选择和运用。

在国内，很多研究人员对国外气体介质扩散模拟的研究进行了许多文献综述，然而，从1990年开始，我国才逐渐着手危险气体泄漏模型的研究，国外比国内领先近20年。因此，国内在研究有毒介质泄漏扩散的研究还处于低水平阶段。对于重气的扩散，一般的根据模型的相关难易程度，主要可分为唯象模型、箱及相似模型、三维模型^[7]，其中唯象模型适合用于简单的模型筛选，但是不可用于喷射和两相流。

1.3国内外数值研究模拟现状

现在，有许多研究者都用数值模拟的方法做瞬时泄漏的研究，为此开发了许多相关的模拟程序，如 ALOHA、SLAB、DE-GADIS 等。美国在这方面做的比较好，在1970s就取得了不错的成果，在后来10年内，为了进一步探寻危险气体的泄漏扩散机理，进一步完善泄漏扩散数值模型，Coyote，Burro，Thorney，Island等学者做了大规模的实验，模拟现场泄漏事故，取得了不错的进展，为当时的企业提供了一定的科学理论依据，降低了事故发生的概率，一定程度上保证了企业的安全生产。美国NOAH研究开发的ALOHA软件，模拟了有毒气体的泄漏扩散，并对其模拟结果进行分析研究^[9]。ALOHA可以对开放的存储池，或者是有破损的管道以及钢瓶泄漏后有毒气体扩散的浓度分布模拟，但是该模型的缺点是研究物质比较单一，仅考虑纯净物的泄漏，不适用于两种及两种以上的气体泄漏，同时，模型的另一个不足在于，不适应于易燃气体泄漏周围存在火源的情况，因此研究的场景较为简单，假设条件较多^[10]。

同时代的荷兰对于危险气体泄漏的研究也是比较早的。从1986年起，荷兰采用XENVIS对加压液化的有毒气体运输过程进行风险评估，随着科技不断进步，体系日趋完善，如今国家一级GIS与多个相互关联的数据库都已经被XENVIS所集合^[8]。XENVIS被大量应用在危险货物的风险评价。而法国紧急救援部门以及消防部门对于各种危险气体泄漏扩散的数值模拟采用的是另外一个软件OSIRIS。追随时代的脚步，信息科技的发展越来越迅速，大量的危险化学品运输的分析研究侧重于应用现代信息技术，GPS系统也常常被用来与大气扩散系统动态连接。

2006年以后，我国逐渐开始重视学习并引进国外比较成熟的软件应用于危险气体介质扩散研究上。总的来说，国内外有关危险气体的泄漏扩散模型方面还在不断地更新和完善当中，进程中形成了许多的扩散计算模型，也进行了很多的实验，取得了较为进步的成绩。

第二章 运输过程危险性分析

2.1氨运输泄漏事故特征分析

本文对这些年来发生的液氨槽罐车泄漏事故进行统计，列举了十例代表性的事故，如表2-1所示，发现导致液氨槽罐车泄漏的原因可归纳为以下四类^[11]：

1. 人为原因

道路危险货物运输发生事故，大部分都是由于人的不当操作所导致的。部分司机忽视规定，超载运行；在运输的途中，肆意超车；不熟悉操作而导致操作失误，马虎大意都是引发事故的原因。

（2）设备原因

液氨槽罐车整体可以分为槽罐车和罐体两个部分。许多企业为了省力，没有对槽罐车进行定期的检维修，罐内壁局部变薄，槽罐车超出使用年限，疲劳工作，部分零件老化。同时还有一部分企业为了减少成本，私自改装普通货车为液氨槽罐车等等，都大大增加了液氨槽罐车运输途中泄漏的风险。

（3）管理疏漏

部分企业没有设置专门的安全管理机构，也没有制定完善的安全操作规章，未对相关作业人员进行上路运输的安全运输教育，未做到凭借相关合格证件上岗操作，工人安全意识淡薄缺乏相关安全常识。

1. 环境因素

由于雨雪天气，路面能见度过低，驾驶人员误操作或者是操作不当，导致车辆事故；另一方面由于槽罐车本身的原因或者是在行驶过程中车与车之间，车与人之间，车与路边的固定障碍物之间发生碰撞与摩擦，罐车中充装的加压液体泄漏，不断扩散。一般来说，槽罐车陆路运输事故多为单车事故。

2.1.1单车事故

单车事故^[12]是指事故方仅一个，大多数的单车事故都是翻车和倾斜。而造成翻车和倾斜的原因一部分是由于运输的槽罐车体积大，重量大，高度也比较高，同时车轮之间的距离又相交来说较短。因此，在高速公路行驶途中，运输液体发生质心的偏移，导致车身稳定性能降低，同时速度过快，导致单车事故发生，罐体和车内安全设施损坏。

2.1.2双车事故

现如今发生两车相撞的事故较多，如两车迎面开，正面碰撞，十字路口处，垂直行驶的两车，正面与侧面碰撞，两车追尾事故，急转弯撞击事故。其中正面和侧面碰撞，槽罐车被追尾都是比较容易导致罐体出现破损的。因为槽罐车的薄弱位置人孔位于罐体尾部，同时还有法兰，接头等，上面两种事故会大概率损坏这些薄弱环节，导致大规模的泄漏。如果是槽罐车追尾其他车辆，则主要的伤害在车头，对罐体的损害较小，发生大型泄漏事故的可能也就比较小。

表2-1事故案例统计表

2.2运输气体槽罐车

2.2.1结构特征

槽罐车的主要装载部分是罐体，制造罐体的材质可以根据运输介质性能及需要选用含碳量为0.0218%~2.11%碳钢、铝罐、碳钢内衬等，要求比较低的甚至可以用塑料罐等^[13] 。槽罐车属于在陆路运输中较为常见的加压移动式装载体，罐体的主要组成部分如图2-1所示。由于罐体内存储压力比较大，因此罐体上一定要配备必要安全附件以及测量附件，具体如图2-2所示^[14]。

图2-1槽罐车外观图

图2-2 槽罐车内部结构图

2.2.2槽罐车优点

1.重量比较轻。钢的1/3才和铝合金比重一样,因此在罐车上运用了铝合金后,极大的减轻了槽罐车车身的自重。

2.耐腐蚀性比较强。铝合金的表层会与空气发生氧化反应，导致上层覆盖一层紧密的氧化膜（Al₂O₃）,正是由于这层紧密的氧化膜，加强了其抗腐蚀的能力,从而保证了液氨的清洁和槽罐车外观的清洁方便以及美观。

3.性价比较高。因为铝罐车相对的自重比较轻,所以不载重的时候燃油比价节省,而且可以减少轮胎的磨损程度；铝罐车的寿命的比较长，并且一旦发生损坏，修缮起来也比较方便。同时相对于钢瓶运输，相同的运输体积下，钢瓶需要的钢的材料更多，相对的表面积更大，因此，在相同大小的材料条件下，罐车要比钢瓶承载的介质量更多，增加了运输介质的重量，为企业减轻了运输成本的压力。

2.2.3槽罐车充装要求

首先，国家对槽罐车或者是钢瓶出台了两个相关规定，第一个是针对钢瓶的规程《气瓶安全监察规程》，另外一个是针对槽罐车的规程《压力容器安全监察规程》，因此，液氨槽罐车的性能和参数需要符合上述两个规定中的标准。

同时，由于液氨槽罐车属于陆路运输的压力容器，因此，上路时还需要满足交通部制定的《危险货物运输规则》，并按照规则中要求的安全执行表进行安全上路^[15]，如表2-2所示。

表2-2 安全执行表

2.3运输系统FMEA分析

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