危險化學品實驗室事故多米諾效應及防控策略

門金龍， 朱柏堅， 李 菲， 章鵬程， 蔡沖沖， 熊碧波，3

（1.廣東石油化工學院能源與動力工程學院，廣東茂名 525000；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作 454000；3.昆明理工大學公共安全與應急管理學院，昆明 650031）

0 引 言

在國家“雙一流”學科建設、“新工科”建設等高校本科專業建設提升背景下，高校實驗室得到快速發展，整體呈現出?；窋盗考胺N類與日俱增、設備儀器大型化與智慧化等趨勢，如某個實驗環節出現問題，往往易引發連鎖反應，導致更為嚴重的事故后果。據統計［1-2］，2001 ～2022 年我國共發生83 起高?；ゎ悓嶒炇沂鹿?，造成17 人死亡，94 人受傷，高校實驗室的發展壯大同時給實驗室安全與應急管理工作帶來嚴峻挑戰。為提升高校實驗室安全管理水平，國內外學者先后開展大量研究工作。國外Steere［3］和Paterson［4］提出高校危險化學品實驗室安全管理標準，以確保實驗室安全；Malcolm［5］對實驗室的安全進行了分析，結果表明實驗室只能達到相對安全狀態；文獻［6-8］中分別通過事件報告分類系統和故障模式影響分析等方法評估實驗室安全，以減少危害因素確保實驗人員的安全；Cadwallader［9］論述了減輕實驗室某些類型危害的方法和控制措施；Wiriyakraikul等［10］針對17 所學校的實驗室進行安全實踐整改研究，結果表明實驗室的物理屬性、設施設計以及安全設備等的改進是達到安全建筑標準的重要途徑。國內李志紅［2］對100 起典型實驗室事故的類型、發生原因、危險物質類別等進行了統計分析；高玉坤等［11］人對高校實驗室氣瓶的致災因子進行研究，并根據事故嚴重程度結合風險矩陣法建立高校實驗室氣瓶風險評估體系；Chen 等［12］采用24 Mode和5 Whys方法對某高校實驗室爆炸事故進行分析；鄢曙光等［13］對高校實驗室甲烷泄漏擴散過程進行數值模擬并針對性提出防控及應急措施；Men 等［14］采用數值模擬研究LPG儲罐區多米諾事故效應，結果表明爆炸源數量與爆炸超壓成正比、與爆炸間隔成反比。綜上所述，國內外為提升實驗室安全管理水平均在不斷完善技術手段、管理辦法及標準規范，卻忽視了實驗室內部危險化學品事故之間的連鎖效應，無法做到進一步預防和控制實驗室危險化學品多米諾事故。

本文以某高校危險化學品實驗室為研究對象，采用理論計算、數值模擬結合的方法，研究實驗室危險化學品多米諾事故效應影響，分析實驗室安全管理工作的新特點、新方法。

1 危險源場景構建及分析

1.1 危險源場景構建

以某高校?；穼嶒炇覟樵蜆嫿▽嶒炇叶嗝字Z事故場景。該?；穼嶒炇掖嬖? 處危險源，即藥品試劑柜1、藥品試劑柜2 以及丙烷氣瓶，其中丙烷氣瓶儲量40 L、壓力2.2 MPa、密度1.83 kg／m3；藥品試劑柜1 內有甲醇，常壓儲量25 L、密度為0.79 kg／cm3；藥品試劑柜2 內有乙醇，常壓儲量25 L、密度為0.789 3 g／cm3。丙烷氣瓶與甲醇相距5 m，甲醇與乙醇相鄰，室內環境無風，溫度為25 ℃，平面圖詳情見圖1。

圖1 某危險化學品實驗室物理平面模型

1.2 爆炸模型理論

結合某高校危險化學品實驗室丙烷氣瓶基本情況建立蒸汽云爆炸模型，因此采用TNT等效模型計算：

式中：WTNT為等效TNT藥量，kg；1.8 為地面爆炸系數；α為蒸汽云的TNT 當量系數，一般取4%；Wf為爆炸中燃料的總質量，kg；Qf為物體的燃燒熱，單位kJ／kg；QTNT為可燃物爆炸熱，取4 120 ～4 690 kJ／kg。

用比例距離Z來描述爆炸物和物體距離爆點的距離之間的關系，公式如下：

式中：Z為比例距離，m／kg1／3；R為測點到爆點之間的距離，m；WTNT為等效TNT藥量，kg。

地面爆炸沖擊波超壓的公式為：

式中：Δp為沖擊波峰值超壓，MPa；WTNT為炸藥的TNT當量，kg；R為測點到爆炸點的距離，m；為比例距離m／kg1／3［15-16］。根據經驗公式，蒸汽云爆炸所產生的沖擊波危害形式對周圍人員的危害和破壞見表1。

表1 沖擊波超壓對人體的傷害作用

1.3 火災模型理論分析

高校?；穼嶒炇一馂念愋椭饕獮槌鼗馂?，故建立池火事故模型［17］。將丙烷氣瓶、甲醇、乙醇視為危險源，因實驗室未設防火堤，假定泄漏物質充分蔓延，則可計算最大池面積［18］：

式中：S為最大池面積，m2；ρ 為油品的密度，kg／m3；W為泄漏的液體量，kg；Hmin為最小油膜厚度，實驗室取0.005 cm。

假定液池為圓形，其半徑r為：

據Thomas經驗公式可計算池火災火焰高度：

式中：h為火焰高度，m；r為液池半徑，m；v為單位液體面積可燃液體質量燃燒速率，kg／（m2·s）；ρ0為周圍環境空氣密度，kg／m3；g為重力加速度，取9.8 m／s。

則總熱輻射通量：

式中：Q為總熱輻射通量，kW；η 為效率因子，在0.13 ～0.35 之間；HC為罐內儲存物質燃燒熱，kJ／kg。

故距離池火災中心距離X處熱輻射通量，其儲罐熱輻射—距離曲線公式為：

式中：R為測點到池中心的距離，m；T為熱輻射在空氣路徑的透過率，取1；I為熱強度，kJ／m2。

液體池火災產生危險形式主要為熱輻射，可通過熱通量準則判斷人或物所處位置的受傷程度或設備損壞情況［19-21］，如表2 所示。

表2 不同熱輻射入射通量所引起的損失

2 多米諾事故致因分析

2.1 沖擊波超壓和熱輻射的傷害分析

（1）沖擊波-距離曲線模擬及分析。丙烷氣瓶爆炸主要表現形式為蒸汽云爆炸，對人體的傷害形式主要為沖擊波，故在沖擊波模擬中熱輻射可忽略不計。根據丙烷物質特性與場景構建情況，取QTNT＝4 686 kJ／kg，Wf＝17.72 kg，Qf＝50 370 kJ／kg，α ＝4%，p0＝103 kPa，分別代入式（1）、（2）求得WTNT＝12.18 kg。代入式（3），其沖擊波-距離曲線，見圖2。

圖2 丙烷氣瓶的沖擊波超壓值-距離曲線

由圖2 可知丙烷氣瓶沖擊波超壓隨距離增加而減小，9 m超壓約0.1 MPa，造成大部人員死亡；11 m 超壓約0.05 MPa，對人體造成嚴重傷害；15 m 處超壓約0.03 MPa，對人體造成輕微損傷。

儀器設備的破壞不僅與爆炸沖擊波波陣面的壓力、沖量、作用時間等有關，而且與自身的材料特性等有關，一般以沖擊波峰值超壓、正相持續時間、正相沖量等表征沖擊波對物體的破壞作用?；赑robit模型展開沖擊波超壓－距離－破壞概率等一系列定量模型研究，更準確地分析超壓致因儲罐失效效應概率，不同類型設備Probit模型見表3［22-23］。

表3 沖擊波超壓-距離-破壞概率的設備Probit模型

（2）熱輻射-距離曲線模型構建。甲醇與乙醇的具體參數如表4 所示。

表4 甲醇、乙醇熱輻射-距離曲線模型構建

根據式（7）得，其熱輻射-距離模擬曲線見圖3。

圖3 甲醇、乙醇的熱輻射-距離模擬曲線

由圖3 知甲醇、乙醇的熱輻射強度隨著時間和距離的增加而減小，當測點與爆點距離分別小于2.6 m、4.3 m時，熱輻射值≥37.5 kW／m2，該半徑內所有設備都被破壞；當測點與爆點距離分別小于3.2 m、5.3 m時，熱輻射值≥255 kW／m2，此時1 min 內所有人員100%死亡。

基于Probit模型展開熱輻射-距離-破壞概率等一系列定量模型研究，更準確地分析熱輻射致因容器失效概率，不同類型設備Probit模型見表5。

表5 設備熱輻射致因失效模型［24］

2.2 超壓及熱輻射損壞概率曲線構建

（1）超壓-損壞概率曲線。蒸汽云爆炸事故的主要破壞形式為沖擊波，故研究甲醇、乙醇藥品試劑柜在丙烷氣瓶蒸汽云爆炸初級事故下的概率。由表3 的Probit模型可得：

可求得丙烷氣瓶蒸汽云爆炸初級事故下甲醇和乙醇藥品試劑柜的超壓損壞概率，見圖4。即在初級事故下甲醇、乙醇藥品試劑柜的損壞概率：Y甲醇＝9.61%，Y乙醇＝9.28%。

圖4 常壓容器的沖擊波超壓-概率損壞曲線

（2）熱輻射-損壞概率曲線。甲醇或乙醇發生事故產生的熱輻射將對丙烷氣瓶及臨近危險化學品造成影響，此時極易誘發三級事故。

甲醇二級事故對丙烷氣瓶及乙醇熱輻射-損壞概率、乙醇二級事故對丙烷氣瓶及甲醇熱輻射-損壞概率見圖5。

圖5 二級事故對容器的熱輻射-損壞概率曲線

由圖5 可知，當乙醇與丙烷氣瓶相距5.5 m時，丙烷氣瓶熱輻射I丙烷2＝23.28 kW／m2，丙烷氣瓶損壞概率Y丙烷2＝3.3%，此時乙醇易引起丙烷氣瓶爆炸；當乙醇與甲醇相距2.5 m 時，甲醇藥品試劑柜熱輻射I甲醇1＝112.7 kW／m2，乙醇藥品試劑柜損壞概率Y甲醇1＝4.1%，此時乙醇必然會引起甲醇燃燒爆炸。

2.3 個人死亡概率計算模型

某高校?；穼嶒炇叶嗝字Z事故發生后，事故區域范圍內的人員由于暴露在危險環境中存在死亡或受傷，具體情況如下：

（1）暴露強度閾值。蒸汽云爆炸主要傷害形式為沖擊波超壓，即輕傷范圍（17 kPa）、重傷半徑（44 kPa）以及致死；池火災使用熱輻射強度，致死（10 kW／m2）、二度燒傷（5 kW／m2）以及一度燒傷（2 kW／m2）。

（2）暴露劑量V。對于火災暴露劑量由熱輻射強度q和暴露時間t決定，V＝t×q4／3；對于爆炸，暴露劑量由超壓p決定，V＝p；t為暴露時間（s），q為熱輻射強度（W／m2），p為最大超壓（Pa）。

（3）死亡概率D。概率函數法適用于不同暴露類型的計算，暴露劑量V和概率變量之間有如下關系：

式中，k1、k2是兩個概率變量系數，取值如表6 所示。

表6 不同傷害類型k1 和k2 值

2.4 危險源的死亡概率矩陣

基于死亡概率計算模型建立笛卡爾距離矩陣［25］，用矩陣表示各元素到區域中心的距離，取15 ×15 m的區域進行死亡風險概率分析，建立距離網格矩陣P（11，11），步長為3 m，即將該危險化學品實驗室劃分為11 ×11 的網格，N＝11。每一個被劃分出來的區域以每一個單元來表示，從單元中心到區域中心的這一短距離則以矩陣單元格數值來表示，該評價區域笛卡爾距離矩陣見表7。

表7 實驗室P（11，11）笛卡爾距離

將丙烷氣瓶初級事故、甲醇及乙醇二級事故相關數據代入式（9），丙烷k1?。?6.1、k2取4.82，甲醇與乙醇k1?。?7.23、k2取2.56，分別構建死亡風險概率矩陣，其中丙烷氣瓶初級事故、甲醇二級事故、乙醇二級事故及三級事故死亡概率分別為D1、D2、D3、D4，與事故中心距離則分別為r1、r2、r3、r4，其死亡概率三維圖如圖6 所示。

圖6 實驗室危險化學品事故死亡概率圖

（1）由圖6（a）可知，與丙烷氣瓶初級事故距離r1≤9 m 時死亡概率D1均100%；與丙烷氣瓶初級事故距離r1≥15 m時，死亡概率D1驟減為14%。

（2）由圖6（b）可知，與甲醇二級事故距離r2≤6 m時死亡概率D2均為100%；與甲醇二級事故距離r2≥12 m時，死亡概率D2驟減為2%。

（3）由圖6（c）可知，與乙醇二級事故距離r3≤12 m時死亡概率D3均為100%；與乙醇二級事故距離r3≥15 m時，死亡概率D3降低為62%。

（4）由圖6（d）可知，基于初級、二級事故影響，疊加得到三級事故，此時與三級事故距離r4≤15 m的死亡概率D4均100%；當r4＞15 m 時死亡概率快速下降，r4＝16.5 m處死亡概率降至17.66%，人員生還幾率大幅提高。

3 ?；穼嶒炇沂鹿识嗝字Z效應防控策略

危險化學品目標設備的破壞主要與設備間的安全距離、初始事故場所的致損因子強度以及設備防護措施有關。針對?；穼嶒炇叶嗝字Z事故突發性強、破壞性大、死亡概率高的特點，現從安全距離與布局優化、安全屏障、事故升級閾值及風險動態監測4 個方面優化?；穼嶒炇沂鹿识嗝字Z防控措施，其中丙烷氣瓶一級事故傷亡半徑從9 m 降至7.4 m，為進一步預防和控制高校?；穼嶒炇叶嗝字Z事故提供了參考，詳情見圖7、圖8。

圖7 某危險化學品實驗室優化前平面圖

圖8 某危險化學品實驗室布局優化后平面圖

（1）增加安全距離與優化布局。在遵循實驗室設計面積及安全閾值的準則下，根據多米諾事故場景概率及?；窡彷椛湟幝?，分別將丙烷氣瓶存放于實驗室東北角、甲醇與乙醇儲存柜間隔2 m存放于實驗室西南角，此時丙烷氣瓶與甲醇、乙醇試劑柜距離分別為10.30 m、12.08 m，以確保實現安全距離，杜絕擴展場景或多米諾效應的發生。

（2）設置安全屏障。為減輕爆炸沖擊波、熱輻射帶來的事故傷害，避免發生多米諾效應，在丙烷氣瓶區設置抗爆15 ～20 MPa 的鋼制防爆墻與智能溫感滅火球；設置具有防火防爆與環境參數監測的甲醇、乙醇智能儲柜，并分別在丙烷氣瓶區及危險化學品智能儲柜臨近墻體安裝智能水幕噴淋，進一步降低危險化學品實驗室事故風險。

（3）提高事故升級閾值。危險化學品事故擴展具有不確定性，未超過其閾值則認為設備未失效，此時不會發生事故升級。根據圖3 ～圖5 設備損壞概率情況，將丙烷氣瓶304 不銹鋼材質更換為性能較好的316不銹鋼材質；甲醇與乙醇試劑選取厚度≥1.2 mm、抗拉強度≥345 MPa 的鋼制智能儲柜，以提高危險源設備事故閾值，進而避免實驗室危險化學品事故升級，達到多米諾事故預防目的。

（4）設置風險動態監測?；?G 智能、物聯網等技術手段，結合危險化學品多米諾效應特點，嚴格落實危險化學品管理制度，設置設備二維碼信息（SDS、操作規程、人員使用等），建立丙烷氣瓶、甲醇、乙醇等危險區域溫度、壓力、濕度、空氣質量等關鍵參數的風險動態監測系統，實現危險源動態監控與風險預警，做到危險化學品實驗室事故超前干預，以提高實驗室安全管理水平。

4 結 語

本文采用理論計算與數值模擬的方法，研究廣東某高校危險化學品實驗室的丙烷、甲醇及乙醇火災爆炸的初級事故、二級事故及三級事故，得出以下結論與啟示：

（1）高校危險化學品實驗室多米諾效應事故場景構建。本文場景中危險源主要為丙烷氣瓶與甲醇、乙醇藥品，其中甲醇乙醇相鄰放置，距丙烷氣瓶分別為5 m、5.5 m；以40 L的丙烷氣瓶為爆炸研究對象，采用TNT當量法換算得出實際爆炸TNT當量為12.18 kg；甲醇、乙醇的事故危害主要表現為熱輻射，分別存儲有25 L。

（2）高校危險化學品實驗室多米諾致因分析。研究結果表明：①初級事故中Y甲醇＝9.61%、Y乙醇＝9.28%，r1≤9 m時死亡概率D1為100%；②甲醇二級事故易引起丙烷氣瓶與乙醇發生三級事故，r2≤6 m時死亡概率D2為100%；③乙醇二級事故必然引起甲醇發生三級事故，r3≤12 m 時死亡概率D3為100%；④三級事故中r4≤15 m時死亡概率D4為100%，距離事故中心16.5 m處死亡概率快速降為17.66%。

（3）?；穼嶒炇沂鹿识嗝字Z防控策略。從安全距離與布局優化、安全屏障、事故升級閾值以及風險動態監測4 個方面優化?；穼嶒炇沂鹿识嗝字Z防控措施，可進一步提升高校?；穼嶒炇野踩芾硭?。