LPG球罐BLEVE過程中超壓與熱耦合效應(yīng)模擬研究*

高玉格馬鑫關(guān)磊盧曉剛李鐵劉建(1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院北京100012；2.北京科技大學(xué)北京100083；3.青島中油華東院安全環(huán)保有限公司山東青島266071)0引言液化石油氣球罐泄漏可能發(fā)生沸騰液體擴(kuò)展蒸氣云爆炸(BoilingLiquidExpandingVaporExplosio，BLEVE)。LPG球罐發(fā)生BLEVE時(shí)，儲(chǔ)罐破裂釋放出巨大能量，除產(chǎn)生爆炸沖擊波外，同時(shí)產(chǎn)生巨大的火球和強(qiáng)烈的熱輻射[1]。1984年11月19日，墨西哥一家石油公司LPG球罐發(fā)生BLEVE，火球直徑達(dá)360m，爆炸沖擊波和熱輻射波及附近1200m范圍，約1400間民房遭毀壞，導(dǎo)致500多人死亡、7000多人受傷、3.1萬人無家可歸[2]。2015年7月16日，山東日照石大科技石化有限公司著火的LPG球罐發(fā)生BLEVE，先后發(fā)生4次爆炸，火焰蔓延了9個(gè)球罐。尚永龍[3]研究了室內(nèi)LPG爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下對(duì)鋼筋混凝土樓板的耦合效應(yīng)；黃濤[4]研究了儲(chǔ)氣倉庫內(nèi)可燃?xì)怏w發(fā)生爆轟，超壓波與溫度場(chǎng)對(duì)倉庫的破壞作用。關(guān)于LPG球罐發(fā)生BLEVE時(shí)爆炸沖擊波和熱輻射的耦合效應(yīng)對(duì)周圍建筑物的破壞作用，目前的文獻(xiàn)還不多。根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的軟件模擬結(jié)果，丙烯球罐發(fā)生BLEVE時(shí)后果最嚴(yán)重。本文嘗試模擬研究LPG球罐發(fā)生BLEVE過程中超壓與熱耦合效應(yīng)對(duì)抗爆控制室和避難所選址的影響。其中超壓沖擊波計(jì)算采用TNO(荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究院)多能法(Multi-EnergyMethod，MEM)[6-8]。熱效應(yīng)計(jì)算分為目標(biāo)在火球半徑內(nèi)和半徑外兩種，在火球半徑內(nèi)采用多點(diǎn)源計(jì)算方法[9-11]；在火球半徑外采用《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T37243—2019)[12]推薦的方法。1研究方法在LPG球罐發(fā)生BLEVE過程中，爆炸沖擊波的傳播速度、持續(xù)時(shí)間和火球的傳播速度、持續(xù)時(shí)間不同，爆炸沖擊波主要在燃料高速拋散的初期形成，之后基本與火球脫離，爆燃過程后期所釋放的能量對(duì)沖擊波能量貢獻(xiàn)不大[13]。研究目標(biāo)通常最先受到?jīng)_擊波超壓襲擊，接著是火球發(fā)出的持續(xù)熱輻射。本文采用經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型作用到抗爆控制室和避難所上，采用MATLAB計(jì)算沖擊波超壓和熱輻射，采用ANSYS模擬二者破壞效應(yīng)的耦合作用。1.1采用TNO多能法數(shù)學(xué)模型計(jì)算沖擊波超壓1.1.1爆炸能量的計(jì)算LPG儲(chǔ)罐發(fā)生BLEVE時(shí),爆炸的能量[11]為Eg=[(H1-H2)-(S1-S2)Tb]M(1)式中，Eg為L(zhǎng)PG儲(chǔ)罐發(fā)生蒸氣爆炸的總能量，kJ；H1為儲(chǔ)罐破裂前平均溫度下LPG的焓，kJ/kg；H2為大氣壓力下LPG的焓，kJ/kg；S1為儲(chǔ)罐破裂前平均溫度下LPG的熵，kJ/(kg·K)；S2為大氣壓力下LPG的熵，kJ/(kg·K)；Tb為大氣壓力下LPG的沸點(diǎn)，K；M為L(zhǎng)PG的質(zhì)量，kg。LPG的質(zhì)量為M=nkvρ(2)式中，M為L(zhǎng)PG的質(zhì)量，kg；n為L(zhǎng)PG儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)，取1；k為L(zhǎng)PG儲(chǔ)罐充裝系數(shù)，取0.9；v為L(zhǎng)PG儲(chǔ)罐體積，m3；ρ為儲(chǔ)罐中液相LPG的密度，kg/m3。對(duì)產(chǎn)生沖擊波超壓貢獻(xiàn)的能量為E=a·Eg(3)式中，E為對(duì)產(chǎn)生沖擊波超壓貢獻(xiàn)的能量，kJ；Eg為L(zhǎng)PG儲(chǔ)罐發(fā)生蒸氣爆炸的總能量，kJ；a為對(duì)產(chǎn)生沖擊波超壓貢獻(xiàn)的能量系數(shù)，取0.4。1.1.2沖擊波超壓的計(jì)算本文選用TNO多能模型計(jì)算沖擊波超壓。TNO多能模型是以半球形氣云為模型，假定中心點(diǎn)火，火焰以恒定速度傳播，經(jīng)模擬計(jì)算得到不同火焰?zhèn)鞑ニ俣认碌臍庠票◤?qiáng)度，獲得了一組氣云爆炸沖擊波的峰值超壓及正相壓力持續(xù)時(shí)間與無量綱距離之間的關(guān)系曲線[14-15]，如圖1和圖2所示。圖1無量綱峰值超壓與無量綱距離的關(guān)系圖2無量綱正壓持續(xù)時(shí)間與無量綱距離的關(guān)系其中：(4)(5)(6)(7)式中，△Pmax為沖擊波的峰值超壓，MPa；P0為大氣壓力，取0.1MPa；L為目標(biāo)與爆炸源的實(shí)際距離，m；Eg為L(zhǎng)PG儲(chǔ)罐發(fā)生蒸氣爆炸的總能量，MJ；E為對(duì)產(chǎn)生沖擊波超壓貢獻(xiàn)的能量，MJ；t+為正相壓力持續(xù)時(shí)間，s；c0為空氣中的聲速，通常取340m/s；I為沖擊波的沖量，MPa·s。TNO多能模型在工程實(shí)例應(yīng)用中的關(guān)鍵步驟之一是準(zhǔn)確選取爆炸特征曲線數(shù)字[14]，其中爆炸強(qiáng)度分為12個(gè)類別，根據(jù)物質(zhì)點(diǎn)火能大小分為高和低兩種情況，約束分為存在約束和不存在約束兩種情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)阻塞程度分為高阻塞度、低阻塞度和無阻塞3種情況，強(qiáng)度分為10個(gè)等級(jí)。基于以上原則可判斷LPG球罐發(fā)生BLEVE事故的爆炸能量高、阻塞度低、存在約束(球罐底部)，故選取爆炸強(qiáng)度等級(jí)5～7，按照最不利情況處理，爆炸特征曲線選擇數(shù)字7。1.2采用多源數(shù)學(xué)模型計(jì)算火球熱輻射火球的性質(zhì)參數(shù)主要包括火球高度、持續(xù)時(shí)間和最大直徑。其中，對(duì)于最大直徑和持續(xù)時(shí)間的計(jì)算比較統(tǒng)一，采用國際勞工組織建議的沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸熱輻射模型[12]。MARTINSENWE等[16]研究了火球上升的高度，他們從美國消防協(xié)會(huì)錄制的3個(gè)BLEVE視頻中發(fā)現(xiàn)，火球達(dá)到最大尺寸的時(shí)間和升空的時(shí)間大致相等，此時(shí)火球的中心上升到3倍于火球最大半徑的高度。GB/T37243—2019[12]中給出了熱輻射模型及適用條件：目標(biāo)到火球中心的距離大于火球直徑。以抗爆控制室和避難所為目標(biāo)，經(jīng)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)距離小于火球直徑，無法使用標(biāo)準(zhǔn)里推薦的熱輻射模型。BIRKAM等[9]給出了火球熱輻射視覺系數(shù)的計(jì)算模型，李玉等[10]采用CFD模擬給出了多點(diǎn)源計(jì)算方法，本文采用多源熱輻射計(jì)算模型進(jìn)行模擬計(jì)算。假設(shè)火球半徑為R，控制點(diǎn)等分間距為d，i、j、k分別為軸向、徑向、環(huán)向方向的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，火球的離散方程為軸向方向:r=0+i×d(0≤i<p>(8)徑向方向:φ=0+π×j/3(0≤j<2π)(9)其中：0≤φ<2π。環(huán)向方向:θ=0+π×k/4(0≤k<π)(10)其中：0≤θ<π。單個(gè)控制點(diǎn)的熱輻射釋放速率為q=(ηhcM0)/N(11)式中，η為燃燒效率，單罐取0.5，雙罐取0.7，多罐取0.9；hc為燃燒物的燃燒熱，kJ/kg;M0為可燃物總質(zhì)量，kg;N為控制點(diǎn)總個(gè)數(shù)，N=i×j×k。單個(gè)控制點(diǎn)對(duì)距離該點(diǎn)L處目標(biāo)的熱輻射通量為(12)火球?qū)δ繕?biāo)的總熱輻射通量為(13)式中，χ為輻射分?jǐn)?shù)，取1.0(保守值)；α為徑向方向夾角(目標(biāo)表面與控制點(diǎn)i之間)，°；L為目標(biāo)到控制點(diǎn)i的距離，m。cosα=D2/4(H2+L2)(14)式中，D為火球直徑，m；H為火球高度，m；L為目標(biāo)到控制點(diǎn)i的距離，m。1.3以丙烯球罐為例的模擬參數(shù)丙烯球罐材質(zhì)為Q370R，球罐體積為2000m3，操作壓力為1.1156MPa，儲(chǔ)存溫度為25℃，介質(zhì)為液氣兩相丙烯。2抗爆控制室模擬研究結(jié)果根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50779—2012)[17]要求，抗爆控制室對(duì)著球罐方向的抗爆墻可以承受沖擊波峰值入射超壓最大值為21kPa，采用TNO法公式計(jì)算當(dāng)1個(gè)丙烯球罐發(fā)生BLEVE時(shí)，21kPa超壓沖擊波最遠(yuǎn)可達(dá)距火球中心水平距離195.7m處。當(dāng)距離≤195.7m時(shí)，抗爆控制室將超過標(biāo)準(zhǔn)要求臨界值。如果在195.7m處建抗爆控制室，當(dāng)丙烯球罐發(fā)生BLEVE時(shí)，抗爆控制室先受到超壓沖擊波的襲擊，之后受到熱輻射襲擊，受到的熱輻射為59.06kW/m2，持續(xù)時(shí)間為77.28s，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。采用ANSYS的workbench模擬二者破壞效應(yīng)的耦合作用，發(fā)現(xiàn)抗爆控制室的墻最大溫升為163.46℃。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，墻體的最小厚度不小于200mm；根據(jù)文獻(xiàn)[19]，當(dāng)溫度超過400℃時(shí)，抗爆墻的強(qiáng)度急劇下降。環(huán)境溫度按照40℃計(jì)算，抗爆墻最高溫度為203℃，熱對(duì)墻的破壞作用不明顯。此時(shí)若抗爆控制室選址>195.7m，則超壓沖擊波和熱輻射耦合作用為0%；若抗爆控制室選址≤195.7m，則超壓沖擊波超過標(biāo)準(zhǔn)要求臨界值，導(dǎo)致抗爆控制室被超壓沖擊波破壞，即無需熱輻射的疊加作用就已經(jīng)被破壞了，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖4ANSYS模擬計(jì)算距離LPG球罐BLEVE火球中心189.1m處抗爆控制室墻體熱效應(yīng)結(jié)果3避難所模擬研究結(jié)果若將地面上避難所選擇在緊鄰球罐的防火堤外，假設(shè)避難所距離火球中心為20m，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示，沖擊波超壓值為101.3kPa，目標(biāo)熱輻射值為162.4kW/m2，避難所的墻最大溫升為392.32℃，環(huán)境溫度按照40℃計(jì)算，墻最高溫度為432.32℃，建在地面上的避難所將被完全摧毀。因此需將避難所設(shè)置在地面下，且人員應(yīng)在BLEVE發(fā)生前進(jìn)入避難所才能逃生，地面下的避難所應(yīng)具有抗震、防滲、防火、防中毒窒息等性能[20]。圖5MATLAB模擬計(jì)算距離LPG球罐BLEVE火球中心20m處結(jié)果圖6A