儲油條件下拱頂油罐的油氣爆炸實(shí)驗(yàn)*

韋世豪，杜　揚(yáng)，王世茂，李國慶，齊　圣，李　蒙

(中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 火災(zāi)與爆炸安全防護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401311)

0　引言

拱頂油罐是石油儲存、煉制、加工業(yè)上的重要工業(yè)設(shè)施，由于其所儲存的油料具有易燃易爆的特性，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，會造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。2015年英國邦斯菲爾德油庫發(fā)生爆炸，造成42人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8.94億英鎊。

Atkinson G[2]通過數(shù)值模擬分析邦斯菲爾德事故，發(fā)現(xiàn)爆炸中出現(xiàn)二次爆炸，最大爆炸超壓達(dá)到1.013 MPa以上；趙衡陽[3]通過模擬油罐爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在空罐狀態(tài)下發(fā)生爆炸時最危險；許光[4]研究了埋地儲罐的油氣爆炸特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)油罐發(fā)生爆炸時，罐內(nèi)油氣呈連續(xù)爆炸態(tài)勢，并且爆炸產(chǎn)生的熱輻射是對生物產(chǎn)生殺傷的主要原因；Planas E[5]通過分析LNG儲罐爆炸事故，發(fā)現(xiàn)LNG儲罐發(fā)生BLEVE(Boiling liquid expanding vapour explosion)順序?yàn)槠鸹稹怏w擴(kuò)散、火焰破壞保護(hù)壁、發(fā)生爆炸，另外，儲油油罐油氣爆炸可以近似看成受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸；Thomas[6]在裝水容器中進(jìn)行了乙炔-氧氣爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爆炸會在整個空間產(chǎn)生均勻的壓力分布，且實(shí)驗(yàn)測得的壓力數(shù)值小于理論計(jì)算值；齊圣[7]通過可視化系統(tǒng)進(jìn)行受限空間在不同濃度下發(fā)生油氣爆炸實(shí)驗(yàn)，提出受限空間油氣爆燃存在3種火焰形態(tài)，即光滑球形火焰、褶皺球形火焰和卷曲絮狀火焰；王世茂[8]、杜揚(yáng)等[9]在局部開口受限空間內(nèi)進(jìn)行了油氣爆燃的實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果顯示最大超壓所對應(yīng)初始油氣體積分?jǐn)?shù)大約在1.81%～1.88%。

當(dāng)前，已有的研究多針對于純氣體條件下可燃?xì)怏w爆炸特征，但是在實(shí)際工程中，油罐大多儲存有一定量的油品。由于油品的蒸發(fā)作用，罐內(nèi)油氣濃度大多偏高，這使得儲油條件下油罐內(nèi)油氣爆炸與空罐條件下油罐內(nèi)油氣爆炸具有本質(zhì)的區(qū)別[10]。因此，針對儲油條件下油罐內(nèi)油氣爆炸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以便完善油氣及可燃?xì)怏w爆炸研究體系，同時為油罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和油罐火災(zāi)爆炸應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M油罐高550 mm，內(nèi)徑為800 mm，最大可承受壓力20 MPa。拱頂和罐體采用弱連接結(jié)構(gòu)，破壞壓力為5 kPa。罐體一側(cè)設(shè)立3個長300 mm，寬100 mm的可視化窗口，便于觀察發(fā)生爆炸時罐內(nèi)火焰的發(fā)展和形態(tài)變化。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。利用TEST 6300瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合ZXP-660型壓力傳感器(pressure sensor，PT)，其中P0位于模擬油罐罐體頂端，P1，P2位于罐外，P1距離罐體0.2 m，P2距離罐體0.4 m，實(shí)現(xiàn)對爆燃超壓的采集，采樣頻率為20 kHz，傳感器量程為20 kPa，精度為±0.1%。利用火焰強(qiáng)度傳感器采集受限空間內(nèi)的火焰強(qiáng)度，火焰強(qiáng)度傳感器(F0)探測波長為400～700 nm，響應(yīng)照度10～10 000 Lux，響應(yīng)時間0.3 ms，采樣頻率為20 kHz。利用自制的配氣系統(tǒng)，采用高速氣流吹掃液態(tài)汽油產(chǎn)生氣泡加速汽油揮發(fā)的方式進(jìn)行配氣，同時利用GXH-1050型CH體積分?jǐn)?shù)測試儀對容器中油氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時測量。利用FASTCAM-Ultima 512型高速攝影儀對火焰發(fā)展變化過程進(jìn)行捕捉，拍攝頻率設(shè)置為1 000幀/s。用高能無干擾電火花發(fā)生裝置作為點(diǎn)火器對預(yù)混油氣進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火電壓為1 500 V，點(diǎn)火能范圍為0～15 J，誤差小于0.1 J。利用同步控制器實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火激發(fā)、壓力測量、高速攝影的同步控制。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1　Scheme of experimental system

為真實(shí)模擬油罐在儲油條件下發(fā)生爆炸的工況，同時為了避免大量汽油的使用導(dǎo)致人為火災(zāi)的發(fā)生，本次實(shí)驗(yàn)使用油水分層液體來替代油品。實(shí)驗(yàn)油罐內(nèi)儲存的液體下層為水，高度為0.4 m；上層為92號汽油，高度為0.02 m，總儲液量為76%，這種搭配既保證了氣液交界面上全部鋪滿汽油，避免水蒸汽對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，又滿足了實(shí)際工程中額定儲油液位的要求。為最大限度還原油罐額定儲油條件下的高初始油氣濃度，實(shí)驗(yàn)中初始油氣體積分?jǐn)?shù)值分別取為1.8%，1.9%，2.0%，2.1%，2.2%[7-9]。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)論

2.1　油罐油氣爆炸內(nèi)場超壓隨時間變化過程分析

圖2為初始油氣體積分?jǐn)?shù)為1.9%時爆炸過程中內(nèi)場超壓隨時間變化的曲線，整個爆炸反應(yīng)的過程中超壓隨時間變化可分為5個階段。

圖2　爆炸超壓隨時間的變化Fig.2　Explosion overpressure

第一階段：點(diǎn)火后的壓力孕育階段(0～0.092 s)。該階段，壓力曲線未出現(xiàn)明顯變化，基本保持在0左右。圖3(a)給出了該階段油罐內(nèi)火焰的狀態(tài)。在圖中能看出，火焰成半球形向油罐另一側(cè)傳播，表面較光滑，未見明顯褶皺，火焰鋒面呈青色。當(dāng)油罐頂部點(diǎn)火器附近的油氣被點(diǎn)燃后，此時火焰還是保持層流燃燒狀態(tài)，只有處于點(diǎn)火器附近的油氣參與了反應(yīng)，因此對罐內(nèi)壓力沒有產(chǎn)生明顯影響。

圖3　反應(yīng)過程Fig.3　Pictures of explosion process

第二階段：壓力振蕩發(fā)展階段(0.092～0.497 s)。該階段，內(nèi)部超壓出現(xiàn)明顯的振蕩，并且與于0.25 s時達(dá)到第1個超壓峰值，大小約為2.5 kPa。圖3(b)、圖3(c)給出了該階段的火焰行為。從圖3中能看出火焰依舊是保持半球形向油罐另一側(cè)傳播，但是有部分火焰已經(jīng)破環(huán)罐頂?shù)娜踹B接傳播到外部空間。隨著罐內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ接凸蘖硪粋?cè)，破壞弱連接的火焰也向著油罐的另一側(cè)發(fā)展，直到全部弱連接被破環(huán)。在這個過程中，罐內(nèi)油氣燃燒產(chǎn)生的壓縮波和罐頂破裂泄放產(chǎn)生的稀疏波相互反射疊加，導(dǎo)致壓力呈現(xiàn)出正負(fù)壓交替振蕩上升趨勢(0.09～0.25 s)。當(dāng)罐頂?shù)娜踹B接被完全破壞后，壓力開始下降，但罐內(nèi)的油氣仍保持在燃燒的狀態(tài)，這使得壓力在下降過程中仍呈現(xiàn)出較明顯的振蕩(0.25～0.4 s)。隨著罐內(nèi)的空氣逐漸被消耗殆盡，剩余油氣因空氣過少無法繼續(xù)參與反應(yīng)，燃燒反應(yīng)開始減弱，對壓力的影響也越來越小，因此壓力振蕩的強(qiáng)度也逐漸衰弱(0.4～0.5 s)。

第三階段：第2次爆炸階段(0.497～0.509 s)。該階段，壓力急速上升，達(dá)到了7.67 kPa。圖3(d)給出了發(fā)生爆炸瞬間油罐內(nèi)外的情況。在圖中能看出油罐內(nèi)部的燃燒反應(yīng)非常劇烈，發(fā)出耀眼的白光，火焰在罐內(nèi)巨大的壓力作用下，沿著弱連接的破口噴射到外部開敞空間。此時的爆燃火焰相比較第二階段的火焰顏色更深，形態(tài)更加不固定，向四周擴(kuò)散更加廣泛。在第二階段中，雖然空氣被大量消耗，剩下的空氣不足以繼續(xù)支撐燃燒反應(yīng)，但是弱連接的全部破環(huán)使得罐內(nèi)空氣能夠及時得到補(bǔ)充，并且和罐內(nèi)未燃油氣進(jìn)行充分反應(yīng)，使得超壓短時間內(nèi)急速上升，最終產(chǎn)生爆炸。

第四階段：第2次爆炸后的泄壓階段(0.509～0.567 s)。該階段壓力急速下降，達(dá)到最大負(fù)壓-11.69 kPa，隨后又開始回升。圖3(e)給出了爆炸之后，罐頂被掀開的圖像。當(dāng)罐頂被掀開后，罐內(nèi)油氣還在劇烈的燃燒；同時，罐頂?shù)南破鹗沟霉迌?nèi)未燃油氣可以與空氣充分接觸、混合，從而可以持續(xù)燃燒直到油氣消耗殆盡。罐內(nèi)的巨大爆炸壓力也在罐頂掀開之后，泄放到外部開敞空間，從而形成較大的負(fù)壓稀疏波[11]，而當(dāng)外部空氣補(bǔ)充進(jìn)罐內(nèi)后，罐內(nèi)壓力迅速回升，直到落下來的罐頂將油罐蓋住。

第五階段：泄壓后的慣性恢復(fù)階段(0.567～0.8 s)。該階段壓力仍然保持負(fù)壓，并且緩慢回升到零點(diǎn)。圖3(f)給出了該階段罐內(nèi)的火焰狀態(tài)：此時罐內(nèi)仍存在微弱的燃燒反應(yīng)，火焰范圍較小，亮度較低，并于一段時間后熄滅。此時壓力仍是保持負(fù)壓狀態(tài)，但由于外部的空氣從破壞口進(jìn)入油罐內(nèi)部，壓力開始緩慢回升并逐漸恢復(fù)至大氣壓強(qiáng)。

2.2　罐內(nèi)爆炸壓力隨初始油氣體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系

圖4給出了爆炸時最大壓力隨初始油氣濃度變化的擬合曲線，從圖中可以看出，當(dāng)初始油氣體積分?jǐn)?shù)大于1.8%時，最大的爆炸壓力是隨著初始油氣體積分?jǐn)?shù)的增大而降低，其關(guān)系符合二次曲線，擬合曲線為y=-93.1+116.76x-33.27x2。這與前文的分析相符，具體原因?yàn)椋寒?dāng)油氣濃度較高時，氧氣不能和烴類物質(zhì)發(fā)生完全反應(yīng)，此時的燃燒反應(yīng)為“貧氧燃燒”。一方面，不完全反應(yīng)使化學(xué)反應(yīng)過程中化學(xué)鍵的斷裂減少，釋放出的能量相應(yīng)變少；另一方面，多余的油氣可以阻礙傳熱傳質(zhì)的過程，使得反應(yīng)過程中的活化分子被銷毀概率大大提升，不利于爆炸波的強(qiáng)化。

圖4　初始濃度和爆炸超壓關(guān)系Fig.4　Relationship between initial gasoline vapor volume fractions and explosion overpressure

2.3　油罐外部超壓隨時間變化關(guān)系

外部超壓隨時間的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5　外場超壓曲線Fig.5　Curves of overpressure in outfield

圖5給出了1號和2號傳感器的超壓曲線，由圖可見:

1)2個測點(diǎn)壓力變化趨勢基本相同。首先經(jīng)歷了壓力的緩慢上升段，該階段對應(yīng)油罐的發(fā)展階段，罐內(nèi)的壓力被逐漸泄放出來。隨后在爆炸階段產(chǎn)生了泄流超壓峰值，這是由于罐內(nèi)發(fā)生爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力波和火焰波通過罐頂破口泄放到外部開敞空間，引發(fā)強(qiáng)泄流效應(yīng)，產(chǎn)生了泄流超壓峰值[12]。緊接著又出現(xiàn)外部爆燃超壓峰值[13]，這是因泄流作用泄放到罐外壓力波和火焰波泄流同時也驅(qū)使罐內(nèi)未燃油氣一起泄放到外部開敞空間和油氣混合，形成油氣-空氣混合氣體，被爆燃火焰點(diǎn)燃引起壓力迅速上升。

2)2個測點(diǎn)壓力變化并不是同時發(fā)生，壓力峰值大小也不同。具體表現(xiàn)為距離點(diǎn)火處近的測點(diǎn)P1，壓力先出現(xiàn)變化，其壓力峰值也較大，受爆炸后續(xù)壓力影響也越明顯；距離點(diǎn)火點(diǎn)處遠(yuǎn)的測點(diǎn)P2，壓力后出現(xiàn)變化，壓力峰值小于距離點(diǎn)火處近的測點(diǎn)，并且壓力數(shù)據(jù)受爆炸后續(xù)影響較小。

2.4　爆炸過程中罐內(nèi)超壓的細(xì)節(jié)變化特征

2.4.1爆炸過程中罐內(nèi)壓力荷載振蕩的細(xì)節(jié)規(guī)律

點(diǎn)火后內(nèi)部超壓上升過程中出現(xiàn)了長時間大幅度的振蕩，這在以往的實(shí)驗(yàn)研究中基本是沒有出現(xiàn)的[7-9]。按照超壓的變化規(guī)律，該階段的超壓變化可劃分為3個子階段，階段劃分如圖6所示。

圖6　第二階段超壓曲線Fig.6　Curves of overpressure in second stage

在A階段，超壓曲線是振蕩上升的形式。圖6中A階段對應(yīng)圖片給出了此時罐內(nèi)的火焰圖像，可以看出火焰鋒面已經(jīng)接觸到水面，根據(jù)半球形火焰的對稱性可以判斷豎直方向的火焰鋒面上部也和罐頂相互接觸。水面反射的壓力波和罐頂反射的壓力波互相疊加或抵消，使得壓力出現(xiàn)震蕩上升規(guī)律。

在B階段，超壓曲線是振蕩下降的形式。圖6中B階段對應(yīng)圖片給出了此時火焰?zhèn)鞑サ接凸尥獠块_敞空間的圖像。當(dāng)油罐的弱連接被破環(huán)，罐內(nèi)的壓力就會通過破口處泄放到油罐外部，罐內(nèi)壓力就會下降。隨后油罐內(nèi)的火焰繼續(xù)向油罐另一側(cè)傳播，傳播過程中不同位置的火焰產(chǎn)生的縱向壓力波經(jīng)過疊加，破環(huán)了對應(yīng)位置處的弱連接，弱連接部分受到的破壞越嚴(yán)重，壓力泄漏的也就越多，罐內(nèi)的壓力也就越小，繼而出現(xiàn)B階段壓力振蕩下降情況。

在C階段，超壓曲線表現(xiàn)出下降趨勢。為方便觀察超壓變化趨勢，以壓力的均值曲線為觀察對象。從圖6中可以看出，快速下降的均值曲線在進(jìn)入C階段之后出現(xiàn)緩和并且回升。隨著弱連接的破壞加劇，油罐外部開敞空間的空氣會在罐內(nèi)負(fù)壓的作用下，補(bǔ)充到油罐內(nèi)，罐內(nèi)的負(fù)壓就減小了。一方面罐內(nèi)爆燃火焰?zhèn)鞑グl(fā)展會產(chǎn)生巨大壓力，使罐內(nèi)壓力通過罐頂破口泄放到外部開敞空間產(chǎn)生負(fù)壓；另一方面罐內(nèi)外壓力的巨大不均衡使得外部空氣通過破口被吸入油罐，使壓力恢復(fù)。當(dāng)壓力產(chǎn)生和壓力泄放達(dá)到了動態(tài)平衡時，2個過程對壓力的影響可以相互抵消，罐內(nèi)的壓力就只會因?yàn)楣迌?nèi)外壓力不均衡使外部空氣進(jìn)入補(bǔ)充而趨向于0；于是出現(xiàn)了C階段的超壓變化情況，該曲線與阻尼振動的曲線非常相似。經(jīng)過對曲線的分析，發(fā)現(xiàn)C階段的超壓曲線振動也存在固有周期，為1.4 ms。

2.4.2儲油條件下油氣爆炸所形成的二次爆炸的細(xì)節(jié)特征

通過對數(shù)據(jù)和圖片的分析，能夠看出該次實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了階段分明的2次爆炸，但是和一般的油罐爆炸事故中發(fā)生2次爆炸的情況卻有所不同。一般油罐發(fā)生第1次爆炸之后拱頂已經(jīng)被破環(huán)，罐頂形成巨大開口，油品大量蒸發(fā)在油罐上空形成蒸氣云，被引爆后發(fā)生云爆炸。而本次實(shí)驗(yàn)的第2次爆炸是發(fā)生在油罐內(nèi)，和云爆炸相比，罐內(nèi)的二次爆炸因?yàn)槊荛]空間的憋壓作用使得壓力更大。表1列出了罐內(nèi)外2次爆炸最大壓力。

從表1中能看出，罐內(nèi)第1次爆炸最大壓力為2.9 kPa，第2次爆炸最大壓力為7.67 kPa，第2次爆炸壓力是第1次爆炸壓力的2.64倍；外場1號測點(diǎn)的第1次爆炸最大壓力為0.12 kPa，第2次爆炸最大壓力1.94 kPa，升高了15.17倍。同樣2號測點(diǎn)的第2次爆炸最大壓力1.58 kPa比第1次爆炸最大壓力0.33 kPa升高了3.79倍。

表1　2次爆炸最大超壓比較Table 1　Comparison of maximum overpressurein two explosions

比較2次爆炸時罐內(nèi)外超壓變化，發(fā)現(xiàn)第1次爆炸外場最大爆炸超壓僅為內(nèi)場的4.1%，第2次爆炸時，外場最大爆炸超壓為內(nèi)場的25.3%。上述數(shù)據(jù)都表明，第2次爆炸的危險性高于第1次爆炸，并且出現(xiàn)第2次爆炸時，油罐外的壓力更大。在實(shí)際工程中，油罐發(fā)生第2次爆炸時，其對周圍的建筑和人的損傷將會更大。

2.5　油氣爆炸火焰強(qiáng)度特征

圖7給出了爆炸過程中火焰強(qiáng)度的變化曲線，從圖中可以看出，火焰強(qiáng)度隨時間變化的曲線可以分為4個階段。

圖7　火焰強(qiáng)度曲線Fig.7　Curves of flame intensity

階段1：在該階段，火焰強(qiáng)度幾乎沒有變化，曲線數(shù)值反應(yīng)的是自然光和微弱的火焰光的強(qiáng)度。此時，火焰還處于孕育階段，火焰鋒面較小、溫度較低、釋放能量較少，不足以使傳感器測量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯變化。

階段2：在該階段，火焰強(qiáng)度急劇上升然后振蕩，此時爆燃火焰已經(jīng)呈半球形從容器一側(cè)向另一側(cè)發(fā)展，直至充滿整個容器，并在火焰經(jīng)過傳感器時達(dá)到最大。在圖中可以看出，此階段的火焰強(qiáng)度曲線出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，這是由于：該階段出現(xiàn)多種顏色火焰，火焰的亮度不一樣導(dǎo)致傳感器測得的數(shù)值出現(xiàn)波動；液體的表面會對火焰的光產(chǎn)生折射，影響傳感器測得的數(shù)據(jù)；因?yàn)楸▔毫_擊水面使得空氣中出現(xiàn)水珠會對光產(chǎn)生反射[14-15]。

階段3：在該階段，火焰強(qiáng)度又出現(xiàn)急劇上升，達(dá)到最大值后急劇下降。由于第2階段的反應(yīng)，容器內(nèi)部溫度升高，油氣濃度基本能夠和空氣完全反應(yīng)；因此，該階段反應(yīng)的火焰更亮，釋放能量越多；隨著劇烈反應(yīng)的進(jìn)行，油氣大量消耗，燃燒反應(yīng)逐漸減弱，火焰強(qiáng)度也同步減弱。

階段4：在該階段，火焰強(qiáng)度基本恢復(fù)初始值。這是由于容器內(nèi)部油氣基本被消耗殆盡，火焰也完全熄滅，傳感器測得的數(shù)值就不再變化。

3　結(jié)論

1)油罐在高初始油氣體積分?jǐn)?shù)下發(fā)生爆炸，其最大壓力值隨著初始油氣體積分?jǐn)?shù)降低而升高，罐內(nèi)出現(xiàn)壓力振蕩，外部出現(xiàn)2個壓力峰值。

2)油罐在高初始油氣體積分?jǐn)?shù)下發(fā)生爆炸會產(chǎn)生二次爆炸，相比第1次爆炸，無論油罐內(nèi)部還是外部，第2次爆炸的持續(xù)時間更短，壓力更大；并且油罐出現(xiàn)第2次爆炸時的外部壓力升高相比內(nèi)場壓力升高更為明顯。

3)油罐在儲油條件下發(fā)生油氣爆炸時，第2次爆炸爆燃火焰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于第1次爆炸爆燃火焰強(qiáng)度。

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