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火灾环境中LPG储罐失效的研究

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2006年第32卷第6期 June 2006 I》安 全 工业安全与环保 imlustrial Safety and Environmental Protection ・43・ 工口 程 令 火灾环境中LPG储罐失效的研究 李骁骅 王晶禹 (中北大学环境与安全工程系 太原03005I) 擒 薹 分别从实验和数值模拟研究两个方面对火灾环境中LPG储罐的失效进行探i .简要介绍了近年来国内外研究 现状和研究成果 从储罐内部和外部环境两个方面的 索,对火灾环境中IJ'G储罐失效的原因进行r简单分忻 提出了今 后的研究发展方向 关键词 液化石油气储罐 失效 数值模拟 The Research on LPG Tank Inactivation in Fire Hazard Environment I I Xiao hua WANG Jing—yu (Dept.oJ EnviornmentⅡ Safety Engineering,North University Chitni ?hiyuan 03005I) AbstI1lct In this paper exl ̄riment and numerical simulation research for LPG tank inactivation which is in fire hazard environment are discus ̄d.anti research devefopment and achievements are briefly intnMuced.The f!au ̄s of I.I'G tank inactivation which is in fire hazard environnlenl are simply analyzed in two as[mcts.inside and outside environnlent-The future research orientation in this field is put forwant. Keywords liquefied petndeum gas tank(I,PG tank) inactivation numerical simulation 液化石油气(LPG)具有低硫成分和高热值的优点,但是 它本身是一种属于易燃易爆物质的危险品。在我国,随着经 济的发展。液化石油气在}1常生活中的使用规模日益增大, 火焰包围下的热应力的断裂机理。往较低的装料高度对应 软小的断裂时问的前提下。实验数据表明初始温度和压力越 高,发生断裂的时『白J就越短.他们在1988年还对具有喷水装 置的储罐进行'广燃烧实验【 ,比较了具有未改进和改进后喷 水装置的容器在火灾环境下的抗断裂能力 英国健康与安全行政署(HSE)和壳体研究所(Shell 其制备、运输、储运和使用等各个环节的潜在危险越来越明 显地暴露出来。南于其储运和使用常常是在工业设备和生 活设施密集、人口稠密的地区,且液化石油气在很小的体积 内聚集丁大量的能量,如 采取有效的预防措施,一旦发生 事故,后果十分严重,可能造成重大人员伤亡和巨大财产损 失。 Research)合作进行了1个5 t没有保护装置的液化气储罐在 火焰包围环境下的实验研究l4 J 通过一系列实验所测取的 数据,可以得到液化气储罐内蒸汽区和液体区温度、压力和 罐壁温度等参数的变化情况.还可以看出由于喷水降低了火 焰温度,延长了阀门的打开时间,因此足够的喷水率可以防 止储罐断裂。同时又对火焰包围下5个不同填充避的5 t的 通过对近年来国内外相关研究资料的整理,简要介绍丁 该领域的国内外研究动态,分析r导致LPG储罐失效的主要 原因以及一些客观原冈,提出了该领域今后开展研究工作的 方向。 有绝缘保护的PLG罐进行了实验。实验结果表明装料水平 较低时.对应的断裂时间较短。 加拿大新布伦瑞克大学的J.E.S Venart通过实验得出 l圈内外研究概况 1.1国外研究进展 国外在该领域的研究始于20世纪70年代.几十年以 来,在实验和数值模拟研究中取得r大量研究成果。 1,1,l实验研究 如下结论:气泡的增加和破裂是造成液化气容器破裂的主要 原因l5】。Venart进行r 4次2 t液化石油气储罐蒸汽爆炸实 验[ 。实验充装度范围为20% 85% Vernart认为,在蒸 在美国铁路协会和联邦铁路局资助下,进行 液化气铁 路罐车在火焰环境中有或无热绝缘装置的爆炸实验I ,并对 汽爆炸前,处于气相空间的壁面在高温下强度不断减弱,发 生塑性变形,最终形成裂缝 1.1.2数值模拟研究 爆炸碎片做了金栩分析。实验结果表明具有绝缘装置的罐 内温度升高率、罐车内蒸发率均比没有绝缘装置的要低,因 而有绝缘装置的罐车火灾中维持的时间较长 对于火灾包 围下没有绝缘装置的罐车,罐车处于高温下的时间越长,产 生断裂的压力越低,通常所发生的断裂,从轴向开始,在发生 爆炸时,产生碎片飞散到周围 美国华盛顿联邦铁路管理局和芝加哥铁路 会栩继开 发了公共领域的基本代码【 ,用于模拟水平圆柱体液化气储 罐在火焰完全包围下的热响应过程。 加拿大Queen大学开发并完善了TANKCAR模型l9 J.该 模 研究了处于喷射火焰之中。且被火焰完全包丽的水平圆 柱形液化气储罐的热响应过程,可以预测罐壁温度、罐内装 料温度以及断裂时问等 德国联邦材料实验研究院利朋3个装有50%丙烷,且没 有绝缘装置的液化气储罐进行了燃烧实验I .欲研究储罐在 维普资讯 http://www.cqvip.com

・44・ 加拿大New Brownswick大学火焰科学中心白1984年至 今相继开发了PLGS—l、PLGS一2和PLGS一3模型 ,其 中PIGS 1和PLGS一2两种模型都只是模拟水平圆柱体容 器被火焰均匀包围时的热响应,主要适用于阀门第1次打开 之前的过程。模型中考虑r容器内边界层从自然对流到沸 腾全过程。以及蒸气区与过冷液体区之间形成的分层层。当 容器内压力达到阀门的设定压力时,阀门打开.容器内物质 向外喷出.喷出的可能是气体、液体或气液两相物质.这取决 于燃烧的激烈程度和火焰分布状态,阀门的几何形状、位置、 装料多少等因素。为了更好地模拟在阀门开启到关闭期间 容器内的复杂响应过程,该大学火焰科学中心在PLGS—l和 PIGS一2的基础上。充分考虑各种影响因素.如容器在火焰 不同程度的包围下、容器内装料物质的不同,以及容器大小 的不同等.开发了PIGS一3模型,并随着对物理过程的深入 认识仍在不断地改进和完善该模型。 俄罗斯防火科学研究院的She ̄ko对容积为50 L的丙 烷储罐进行了热响应及储罐危险性进行了模拟研究_I J。 得出了充装度为80% 85%的储罐完全被火焰包围情况下, 液化石油气的温度、压力以及储罐壁面和热保护层的温度随 时间的变化规律。通过与9组实验结果比较后认为,安全阀 可以和其他措施相结合避免爆炸的发生。热保护层可以延 缓压力的升高。在研究过程中,由于液化石油气储罐体积比 较小.充装度高。储罐内部的壁面基本处于液面下,所以假设 液化石油气温度一致对结果影响不大。 I.2国内研究进展 国内对该领域的研究始于20世纪9o年代,起步较晚, 随着计算机技术的发展,其研究大多依靠计算机模拟来完 成。 武汉理工大学、北京科技大学和加拿大New Brunswick 大学火焰科学中心合作,对高温火焰环境下容器内液化气的 热响应和振动引起的机理进行了数值仿真研究,开发了代号 为PLGS99的仿真软件 I 。该软件在总结和借鉴前人工作 的基础上,进一步完善了液化气容器热响应的物理数学模 型.并修改了原有的数值计算方法。对火焰均匀包围、火焰喷 射的热环境下,具有不同几何形状(水平圆柱、垂直圆柱和球 形)的液化气容器的热响应过程中的8个参数(即容器内压 力变化,容器内不同区域的温度分布,蒸汽区壁面的温度分 布.容器内壁的温度分布.容器外壁的温度分布.介质质量变 化和介质填充率变化)进行了模拟计算,该软件的不足之处 主要有2点:一是该软件只给出了内外壁面各5点处的温度 随时问的变化曲线,无法对整个壁面温度分布有清楚的r 解;二是该软件只计算了温度场,没有计算应力场,无法从力 学的角度直观地分析液化气容器的失效。 武汉交通科技大学李格升、郭蕴华等人在交通部资助 下.对液化石油气储运过程中突发性事故的机理进行研究与 仿真,对于典型结构建立了相应的数值模拟模型。开发了仿 真软件_I 。对于液化气压力容器,设计、开发了在非正常热 环境下的热响应的仿真系统,以参数曲线的形式较好地模拟 液化气容器的热响应过程LJ 。 中国人民武装学院消防指挥系邢志祥l18,19]等 对LPG储罐在火灾环境中的热响应进行了研究。建立模型。 井利用数值模拟程序LPGTRS和流体力学软件Fluent对热响 应过程进行模拟研究,还对各影响因素对热响应的影响进行 了定量模拟分析。 2 LPG储罐失效原因分析 LPG储罐在火灾环境中失效,其原因可分为储罐内部原 因及外部客观原因2个方面来分析。 2.1 LPG储罐失效内部原因分析 当LPG储罐受火焰加热或受热辐射时,对流换热和高温 辐射使储罐壁面的温度升高。此时。储罐液面以下的壁面温 度升高不明显.而储罐液面以上气相空间的壁面温度很容易 升高。壁面温度升高使罐内液体区和蒸汽区的温度升高.进 而使液化石油气汽化.从而罐内气体量增多.压力升高,罐壁 强度随温度和压力的升高而降低,就会发生塑性变形而减 薄。储罐内的液化石油气温度升高,压力上升。当储罐内部 的压力增加到一定值时,安全阀将会开启,储罐的气体得到 泄放,压力的上升速度减慢,罐内的压力降低使液体的沸点 降低。导致液体剧烈蒸发,于是压力就可能剧烈反弹。当安 全阀的泄放速度达到最大值时,储罐内的压力将使安全阀保 持打开状态,与此同时,储罐的强度由于壁面温度的不断升 高而继续降低,直至无法承受压力时储罐就会破裂l2…。 从 述过程可以看出.当储罐壁温度升高,压力上升时, 由于储罐材料的缺陷,腐蚀或瑕疵可能导致储罐产生裂缝。 温度和压力增加,使罐壁材料强度降低,发生塑性变形而减 薄,导致储罐破裂。 2.2 LPG储罐失效外部客观原因分析 火灾环境中.LPG储罐的失效不仅取决于储罐内部的温 度压力变化和储罐本身的材质缺陷,一蟪外部的客观因素也 对其有着重要的影响。 2.2.1罐区其他储罐爆炸导致的冲击波 储罐破裂爆炸后,周围的空气受到冲击而发生扰动.使 其压力、温度、密度、发生突跃变化,爆炸所产生的能量大部 分在空气中传播产生巨大的冲击波。多数情况下。冲击波的 破坏作用主要由阵面的超压引起。 冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关.同时 也与距离爆炸中心的远近有关。冲击波的超压与爆炸中心 距离的关系[2i J: Ap oc R… (1) 式中,AP——冲击波波阵面上的超压,MPa; R——距爆炸中心的距离,m; n——衰减系数。 因此,在液化石油气储罐区等一些液化石油气载体比较 密集的场所,爆炸冲击波超压可能对其他的液化石油气载体 产生一定的冲击.可能导致其他的液化石油气储罐的失效加 速.进而可能导致大面积的火灾和UVCE的发生,造成更大 的损失。 2.2.2风力风向 在火灾环境中,由于受到外界环境中风向和风力的影 维普资讯 http://www.cqvip.com

响,LPG储罐罐体受火焰加热或受热辐射并不是均匀的,可 能导致储罐内部气液受热不均,从而使储罐失效过程更趋复 杂化。 2.2.3环境温度 LPG储罐一般都放置于室外,受环境温度影响很大,而 某些地方的环境温度变化较大,如白天和夜间的温差有十几 度甚至2O多度,环境温度的高低直接影响到储罐内液化石 油气的温度,因此在LPG储罐的失效原因中,环境温度也不 容忽视。环境温度在l d内的变化可近似为正弦函数 。 即 =n+ATsin(2丌nt) (2) 式中 ——容器周围的环境温度。K; n一一环境温度变化时的初始温度.K; AT——环境温度变化的幅度。K; n——环境温度变化的周期。一昼夜为1/24; t~~容器受热的时间,s或h。 除以上3点以外,诸如储罐内液体的初始填充 ,储罐 的形状、直径、壁厚等外部客观因素均对储罐的失效过稗有 一定的影响。 3结语 开展对火灾环境中LPG储罐失效的理论和实验研究,对 于有效地预防和控制此类事故的发生,对降低事故『f1的人员 伤亡和减少财产损失具有指导意义。 就现有的资料来看,国内外对火灾环境中储罐失效的研 究并不系统,只是从储罐受热后罐内的温度和压力的,坚化导 致罐体破裂,引起爆炸这一方面对储罐的失效进行研究 I 此.开展对火灾环境中IYG储罐失效的研究将向以下 发 展: (i)进一步细化研究模型,例如:在现有模型的基础上考 虑火灾环境中罐壁受热不均的问题,考虑储罐的管阀接口、 瑕疵和焊缝在失效过程中的影响等等。 (2)在现有研究成果的基础上,综合考虑LPG储罐不同 的仞始填充量,不同的形状.不同尺寸,不同壁厚对失效过程 的影响。 (3)在数值模拟研究过程中考虑环境因素的影响,即考 虑气候条件,风力风向对储罐失效的影响以及罐区其他储罐 爆炸产生的冲击波对储罐失效的加速作用,使模拟研究更贴 近实际。 参考文献 I Leslie I R M.Birk A M.State ofthe aM review of pressure liquefied gas container failure nwslels and ̄iated projectiles ha ̄rds.J of Hazardous Materials.1991(20):329—365 2 Droste B.sch∞n W.Full scale fire tesls with unprotected anti thermalinsultde IPG storage tanks.J of Hazantous Materials,1988(20): 4l一53 ・45・ 3 .%hnen W,drsote 13,Investigations of water spraying systems for LPG slfllage tanks by full scale re lest.j of Hazanh)us Materials,1988(20): 73—82 4 M,wxlie K.1 T Cowley,R B Denny。el a1.Fire engulfment test on a 5 tonne LPG tank,J of HazanInus Materials,1988(2O):55—7I 5 Venart J E S.Jet fier test data review,UNB FsC 8I47I9—92A HSE (Off,;hure)April I993,37 6 Venarl J E S,Boiling liquid expanding vat/otur explosion(BLEVE). Pos ̄ible failure mechanisms,Very large—scale fires.ASTM STP 1336, I998.1l2一I32 7 Venarl J E s.Boiling liquid expanding valmur explosion(BI EVE), Possihle failure mechanic;ms and their ・ ¨ uences. In little D. Institution of Chemical Engineers Sym[msium ̄ries,Manchester.UK, 2000.I2I—I37 8 Graves K W.Dew!lupment of a eonlptlter program for modeling the heat effects un a railnmd tank ear.Rel ̄rl of Federal Railorad Administration, I973 9 Mod,,lting the i'eN[s)nse lJr tanks exposde le external fire impingement.J 0f tlazaMous Mnf isis,I988(20):I97—225 10 Ayth rmir N U,Magal,u V K. ,u n A C M,el a1.Thermal respon8e analysis・Jf_I I'G tanks exls,Se,I III fier.J.of Hazardous Materials,1988 (20):239—262 ll -uHu A‘ M. rhot eral modelling IIf_¨ :tanks engulfde in flames.Heal I el hnolgy,I985(3):3I一34 I 2‘ HH・k・ i W Nupi,-r lJ I1.AH **m I1l lJf mathematical models for fire and exldosi,m haz.m‘tls lIr li,luetled petroleum *.J.of Hazardous Matt—iiab,.I988(20) I()9 I35 I3 SIn・I —k【l YIJ N.Ih,ldoian I A.A study t,f the behaviour of a pml ̄lde vvss, ̄l・’.nluinlug I.Iq;iIIll ing IsM,I fier engulfment.J.of Hazardous Milit・riab,.21X)3.A77:43—5I 14 She1.,ku Yu N,Smnliu I M.K.n,lrhenko Aya,el a1.Some aspect offire and,.xl,h,slon haT ̄n',Is lIr k¨_|:I.1.1 ;storage v * l*.J.of I Prevention in the I HH・ lsuh・; ,I995.8(3):I62 I68 I5 蛐 .液化 C热lIl J.:f特rI 仍rc’ 敞机删分析:[学位论文]. :武汉戈 ;l!l科杜人 ’ 2{1{1{I I6乍格外.,『1¨铭.饯 l}J, .液化 fIll t 运过程中突发事故机 川 f,£jJ』J f jl!l }{i人, :, _『If,I998,22(5):472—475 l7 端 . 格外,fli , .液化 “t/.力容器热响应的计算仿 rc. 戈jl11利坎人 : ,1999 23(5):480—483 I8邢 十 , .液化 IfIll C储 刈火火热响应的CFD模拟.天然气 I l ,2111)5,25(5):ll5一ll7 I9邢 十r,锋.被化 I洲 储罐热响脯 响闻索模拟分析,炼油技 术’0 I ,211)5,35(9):59 6I 20・川 辨.液化 I 燕汽 埘 机川平II 验研究.[学位论文].上 泡:I、 戈ju1人 ‘ :.2OO2 21 I÷J  .奠个乐统I .人 :人 人’。 :11版社,1999 22 J『1;忠十t.液化  ̄:111 L仲皿秤 4 lI『J受热条件下的温度压力的估 ∞:,火灾利 。 .2111) u(3 J:65~70 (收稿ll期:2006一Ol—lO) 

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