浮頂油罐一二次密封空間內油氣分布及爆炸壓力模擬

竺柏康，丁 波 ，文建軍

(1.浙江海洋學院石化與能源工程學院，浙江 舟山 316000；2.常州大學石油工程學院，江蘇 常州 213000)

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浮頂油罐一二次密封空間內油氣分布及爆炸壓力模擬

竺柏康1，丁 波2，文建軍1

(1.浙江海洋學院石化與能源工程學院，浙江 舟山 316000；2.常州大學石油工程學院，江蘇 常州 213000)

浮頂油罐一二次密封空間內處于爆炸極限范圍內的油氣在雷擊作用下可導致爆炸起火事故。為研究浮頂油罐一二次密封空間內的油氣分布規(guī)律，在實驗室建立了浮頂油罐試驗模型，通過設計相關試驗，對不同環(huán)境下一二次密封空間內的油氣積聚情況進行檢測，對處于爆炸極限范圍內的油氣進行爆炸壓力模擬。結果表明：風速、風向對一二次密封空間內的油氣積聚有著關鍵的影響；風壓對爆炸壓力也有重要的影響，在風壓影響下，爆炸壓力峰值變大，此時油氣體積分數(shù)大于3%的油氣發(fā)生爆炸，其沖擊壓力可破壞一次密封，引燃油品，引起重大事故。

浮頂油罐；一二次密封空間；油氣分布；爆炸壓力；油氣體積分數(shù)；風速

近幾年來，國內發(fā)生了多起浮頂油罐密封圈雷擊火災事故，如2006年8月7日，江蘇某輸油站一個15 104 m3浮頂油罐遭遇雷擊，浮盤密封圈內有5處著火點；2007年5月24日，浙江某油庫一個10×104m3浮頂油罐遭遇雷擊，浮盤密封圈內有2處著火點；2007年7月7日，浙江某油庫一個10×104m3浮頂油罐遭受雷擊，造成浮盤密封圈三分之一損壞并著火。分析認為上述事故原因是：油罐遭遇雷擊時，儲油罐一次密封或二次密封上的金屬物與罐壁發(fā)生放電閃絡，電火花引爆一二次密封空間內的油氣，高溫和沖擊波破壞了一次密封，引燃了一次密封下的油品，從而導致火災事故[1-5]。因此，需要對浮頂油罐一二次密封空間內油氣分布規(guī)律及其爆炸產(chǎn)生的壓力加以研究。

Asghar等對高層建筑進行了CFD數(shù)值模擬，結果表明在高層物體周邊存在不均勻的風壓分布[6-9];Humphrey等通過風洞試驗研究表明，氣流從浮頂油罐頂部掠過時，在罐壁內側周邊將形成不均勻的壓力分布，該壓差會引起一二次密封空間內的油氣形成不均勻分布[10]，但并未給出較詳細的分布規(guī)律；徐亞博等將油氣作為爆炸點源，分析爆炸產(chǎn)生的壓力波對人的影響[11-12]；Middha等進行了可燃氣體爆炸試驗和模擬，得到周圍空間中的爆炸壓力[13-17]，具有較大的指導意義，但并不完全適用于浮頂油罐一二次密封空間這種環(huán)形狹長空間。

為了揭示油氣在一二次密封空間內的分布規(guī)律，本文設計了相關試驗，對浮頂油罐一二次密封空間內的油氣進行檢測，發(fā)現(xiàn)外界風速對一二次密封空間內的油氣分布有著重要的影響，并對處于爆炸極限范圍內的區(qū)域進行爆炸壓力模擬，探究壓力波對一次密封的影響。

1 試驗驗證

本文在實驗室建立了浮頂油罐試驗模型(見圖1)，并設計了相關試驗，對浮頂油罐一二次密封空間內的油氣進行檢測，探討風速、風向對一二次密封空間內油氣積聚的影響。

1.1 試驗儀器

氣體取樣器采用5 mL針筒，用于采集各取樣口2 mL的混合氣體；50 mL針筒，各向每個取樣口采取2 mL混合氣體。試驗模型罐為一個直徑1.6 m、高度1 m的浮頂油罐，二次密封為單層橡膠，并與罐壁緊密貼合(見圖1)，一次密封為雙層橡膠，位于二次密封下方，并與罐壁緊密貼合，橡膠單層厚度為3 mm。一次密封與二次密封圍成的空間為油氣分布的位置，該空間截面近似為一個側放的梯形，一二次密封空間上底長2 cm，下底長8 cm，寬度為3 cm，以與實際油罐一二次密封空間尺度的1/9進行等比例縮小。

在二次密封上表層等距開設16個取樣孔，并依次對其進行1～16編號，其中1號為正東方，5號為正南方，9號為正西方，13為正北方。罐壁外安裝玻璃液位儀。油氣體積分數(shù)分析儀：色譜儀型號為GC7900，色譜條件：進樣口溫度為100℃，柱箱溫度為120℃；載氣為氮氣，輸入壓力為288.21 kPa，載氣流量為33 mL/min；柱壓為6.21 kPa；FID通道溫度為300℃。

1.2 檢測物品

本試驗檢測物品為浮頂油罐一二次密封區(qū)間的油氣混合物。

1.3 試驗過程

開始進油直到油面高度為35 cm，進油結束后，檢查一、二次密封是否與罐壁貼合，靜止一段時間后，在風速(自然風)比較穩(wěn)定時進行采樣，同時記錄當時溫度和風速。對5 mL針筒內和50 mL針筒內的混合氣體進行分析，得出該氣體中油氣的體積分數(shù)。其中，5 mL針筒內混合氣體的油氣體積分數(shù)為一二次密封空間內不同點的油氣體積分數(shù)；50 mL針筒內混合氣體的油氣體積分數(shù)為一二次密封空間內混合氣體的平均油氣體積分數(shù)，該值為混合氣體不發(fā)生流動時各點的油氣體積分數(shù)，即為不受風壓影響下的油氣體積分數(shù)。

1.4 試驗結果與討論

對所采集的混合氣體樣品進行檢測，得到各檢測點混合氣體的油氣體積分數(shù)，從中選取4組不同風速下的油氣體積分數(shù)進行對比分析，見圖2。

由于一二次密封空間是與外界連通的，故密封空間內各檢測點的溫度相等，但圖2中線1～4均在各自恒定的溫度下卻都表現(xiàn)出一定的濃度差異。以線3為例，在恒定溫度T=24.5℃，線3表征的油氣體積分數(shù)在0.7%～9.8%之間變化，說明出現(xiàn)一二次密封空間內各檢測點油氣濃度差異的原因是混合氣體的流動，即外界風壓的影響。

圖2中線1～4分別為在東風、南風、西南風、西南風條件下各檢測點油氣分布情況。由圖2可見，各自的油氣體積分數(shù)最高點分別在點16～點1、點6～點7、點10～點11、點11～點12之間，都處于迎風面附近；各自的油氣體積分數(shù)最低點分別在點11～點12、點15～點16、點8～點9、點6～點7之間，都處于背風面附近，表明風向對一二次密封空間內油氣的分布有著關鍵的影響。

盡管線1的平均油氣體積分數(shù)從6%變?yōu)?6%，線3的平均油氣體積分數(shù)從0.7%變?yōu)?.8%，但考慮到基數(shù)差異，所以變化程度大的是線3，非線1；線4的平均油氣體積分數(shù)大于線3，但最高油氣體積分數(shù)卻比線3??；線1～4與其各自的平均油氣體積分數(shù)相比，其最大油氣體積分數(shù)遠遠大于其平均值，尤其是線3的多個檢測點的油氣體積分數(shù)都位于爆炸下限(1%)，但最大點卻達到了9.8%，以上都說明風速的增加對油氣聚積的影響較大。

通過試驗可知，風速越大，油氣分布差異程度越大。10×104m3浮頂油罐高度約為21 m，處于較為空曠的位置，風速也較大，對一二次密封空間內油氣的分布差異程度影響更為明顯的是線3，易使某一區(qū)域內的油氣體積分數(shù)超過爆炸下限，當遭受雷擊時易發(fā)生爆燃?？梢?，分析風壓對油氣爆炸壓力的影響，并進行壓力值計算，不僅對于事故預防，而且對事故救援都有重要的意義。

2 油氣爆炸壓力模擬

2.1 假設條件

(1) 一次密封與罐壁處于自然緊密貼合狀態(tài)，貼合處屬于爆炸薄弱環(huán)節(jié)。本文假設一二次密封空間不同油氣體積分數(shù)的油氣爆炸等價于TNT當量在一二次密封空間中心線上爆炸，計算空間內不同點的油氣爆炸產(chǎn)生的壓力對一次密封貼合處的標量疊加。

(2) 一二次密封空間是一個環(huán)形狹長空間，較遠距離的油氣爆炸產(chǎn)生的壓力對其影響較小，本文假設該距離為7 m，并將1%～7%的油氣區(qū)域分成若干段，分別研究不同區(qū)段內一次密封貼合處受壓情況。

(3) 一二次密封空間內油氣分布隨風速影響而不同，本文假設最初爆炸點油氣體積分數(shù)處于油氣爆炸極限內，且短時間內不發(fā)生變化，油氣爆炸極限取1%～7%。

(4) 一二次密封空間內的油氣隨著風向風速的變化而變化，但從背風點到迎風點，基本處于增長趨勢，因此對某一特定風速下的油氣分布情況進行爆炸壓力計算意義不大。為了反映實際中出現(xiàn)的多種油氣分布情況，將各個計算區(qū)段的油氣體積分數(shù)在橫向上視為線性分布，縱向上視為均勻分布。

2.2 爆炸壓力分布模型構建

通過當量面積法計算一二次密封空間截面中心點坐標，并以各區(qū)段起始位置的截面中心點為原點，沿區(qū)間縱切面建立平面直角坐標系，并將密封空間在該坐標系內展開。由于一、二次密封均是水平放置的，故密封空間坐標中的X軸方向為水平方向，即平行與密封空間中心線；Y軸方向為豎直方向。所受的總壓力為密封空間內各爆炸點對該點的壓力標量疊加，見圖3。

選用目前最為成熟的薩多夫斯基爆炸沖擊波峰值超壓公式，即公式(1)，在此基礎上基于最大后果考慮，一次密封與罐壁貼合處為空間薄弱環(huán)節(jié)，其受損會引燃一次密封下的油品，從而引起大規(guī)?；馂谋ㄊ鹿?。

(1)

其中：Z為比例距離，其表達式為

(2)

式中：(x0,0)為爆炸中心點坐標；WTNT為油氣TNT當量(kg)；y為爆炸中心距一次密封與罐壁貼合處的垂直距離(m)；(x-x0)為爆炸中心距一次密封與罐壁貼合處的水平距離(m)。

2.3 實例分析

以10×104m3浮頂儲罐為例，該油罐直徑為80m，一二次密封空間總長約為252m，高為1m，寬為0.25m，結合圖2中線3進行分析，點3～點11之間的油氣體積分數(shù)變化為0.7%～9.8%，占據(jù)空間長度為126m。故1%～7%占據(jù)空間長度約為84m，以14m作為每段空間長度，則可分為6段，即1%～2%、2%～3%、3%～4%、4%～5%、5%～6%、6%～7%，分別模擬計算各區(qū)段內油氣爆炸時一次密封與罐壁貼合處的壓力分布，其結果見圖4。

由圖4可知，一次密封與罐壁貼合處的壓力峰值隨著對應區(qū)域內的油氣體積分數(shù)的升高而增大，爆炸壓力峰值都位于各區(qū)間的后半?yún)^(qū)段，各區(qū)段的壓力峰值不再是油氣體積分數(shù)最高點，而慢慢向低濃度區(qū)域遷移。當無風壓影響時，爆炸壓力峰值出現(xiàn)在區(qū)段中心位置，壓力約為1.3MPa，但在風壓的影響下，出現(xiàn)了明顯的壓力梯度，其產(chǎn)生的爆炸壓力最大值可達2.2MPa，表明風壓不僅僅只影響一二次密封空間內的油氣積聚，也加劇了油氣爆炸所產(chǎn)生的破壞力。根據(jù)企業(yè)設備相關記錄，當線壓力大于15kg/m時會損毀一次密封，因此由圖4可以看出當密封區(qū)間內油氣體積分數(shù)最高值大于3%時，爆炸產(chǎn)生的壓力會破壞一次密封。

3 結 論

通過試驗和油氣爆炸壓力模擬，研究了浮頂油罐一二次密封空間內的油氣分布規(guī)律以及油氣發(fā)生爆炸時所產(chǎn)生的沖擊壓力，得到如下結論：

(1) 迎風點附近油氣體積分數(shù)最高，背風點附近油氣體積分數(shù)最低；風速越大，一二次密封空間內的油氣分布差異程度也越大;在4.2m/s的風速下，油氣體積分數(shù)從0.7%變?yōu)?.8%，說明一二次密封空間內很容易存在一段處于爆炸極限范圍內的油氣。

(2) 通過分析風壓對油氣爆炸壓力的影響，結果表明風壓加劇了油氣爆炸所產(chǎn)生的破壞力。

(3) 提高一次密封的承壓能力，避免其被壓力波破壞，可以避免大規(guī)模燃燒事故的發(fā)生。

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Simulation Research on Petroleum Gas Distribution and Explosion Pressure in the Primary and Second Sealing Space of Floating Roof Tank

ZHU Baikang1,DING Bo2,WEN Jianjun1

(1．PetrochemicalandEnergyEngineeringacademy，ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316000，China；2.PetroleumEngineeringAcademy，ChangzhouUniversity,Changzhou213000，China)

Petroleum gas in the primary and second sealing space of floating roof tanks may be led to explosion and fire by lightning stroke,even when the volume fraction of petroleum gas is within the limits of the explosives.For the purpose of studying the oil and gas distribution rule in the primary and second sealing space of floating roof tanks,this paper establishes a floating roof tank model,and tests petroleum gas volume fraction in the primary and second sealing space of the floating roof tank under different environmental conditions.The results confirms wind velocity and direction have major influences on the accumulation distribution of petroleum gas.The paper also simulates the explosion pressure of the petroleum gas,whose volume fraction is within the limits of the explosive, and the result shows that wind pressure also has an important impact on the explosion pressure,and explosion pressure peak becomes larger under the influence of wind pressure,and it also shows that when the volume fraction of petroleum gas is more than 3%,the explosion shock pressure can damage the primary sealing and ignite petroleum,which will lead to a great accident.Key words:floating roof tank；primary and second sealing space;petroleum gas distribution；explosion pressure；volume fraction of petroleum gas;wind velocity

譚章祿(1962—)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事管理信息系統(tǒng)和可視化管理方面的研究。E-mail:756865684@qq.com

1671-1556(2015)01-0148-04

2014-03-31

2014-08-19

浙江省舟山市定海區(qū)科技項目(20112805)

竺柏康(1965—)，男，副教授，主要從事近海油氣儲運技術方面的研究。E-mail:zszbk@126.com

X937;X932

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.028