油氣爆炸沖擊載荷對金屬油罐斷裂損傷的模擬實(shí)驗(yàn)研究

文/高建豐　杜揚(yáng)　蔣新生　朱根民　文建軍

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油氣爆炸沖擊載荷對金屬油罐斷裂損傷的模擬實(shí)驗(yàn)研究

文/高建豐杜揚(yáng)蔣新生朱根民文建軍

摘 要：油料洞庫發(fā)生火災(zāi)時，在狹長受限空間，金屬儲油罐在環(huán)繞油罐的油氣爆炸沖擊波沖量作用下，會發(fā)生斷裂損傷，造成重大的爆炸火災(zāi)安全事故。本文一方面對受限空間不同初始條件下油氣爆炸沖擊波的發(fā)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與分析；另一方面，對沖擊波產(chǎn)生的沖量作用對金屬油罐斷裂損傷進(jìn)行了研究和分析。研究表明：受限空間油氣爆炸沖擊波將由爆燃向爆轟快速發(fā)展，爆炸壓力將達(dá)到最大，即爆轟壓力。油罐距爆炸點(diǎn)的距離對發(fā)生斷裂損傷模式影響很大。按現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)的金屬油罐不能承受一定規(guī)模的爆炸沖擊波的損傷，在罐體宏觀缺陷部位（如裂紋、腐蝕坑點(diǎn)等處）產(chǎn)生脆性斷裂；沖擊波的沖量作用比最高爆炸壓力的直接力作用危害更大，可能導(dǎo)致金屬油罐脆性斷裂。

關(guān)鍵詞：油氣爆炸；沖擊波； 載荷；金屬油罐；損傷斷裂；模擬實(shí)驗(yàn)研究

1.引言

圖1　原型實(shí)驗(yàn)坑道結(jié)構(gòu)簡圖

金屬油罐是最常見的油料儲存容器。由于油料的易燃、易爆等特性，油庫火災(zāi)、爆炸事故往往帶來巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，并造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞和污染。油庫發(fā)生爆炸時，金屬油罐在環(huán)繞油罐尤其是狹長受限空間的油氣爆炸沖擊波沖量的作用下，會發(fā)生斷裂損傷，甚至徹底摧毀儲油罐，造成重大的爆炸火災(zāi)安全事故。如1989年青島黃島油庫特大火災(zāi)爆炸事故，損失原油數(shù)萬噸，直接損失大于8500萬，并造成重大人員傷亡；2002年，南方地區(qū)連續(xù)發(fā)生兩起油庫重大火災(zāi)爆炸事故，同樣造成重大傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，而其中一起由于發(fā)生二次爆炸，罐底的鋼板被撕裂，金屬油罐被顛覆，大量燃油拋灑出來，引起火災(zāi)迅速大面積蔓延，使最初并不嚴(yán)重的爆燃事故發(fā)展為重大火災(zāi)爆炸事故。因此，油庫安全是關(guān)系到國計(jì)民生的大事，防止油罐爆炸是油料儲運(yùn)工程安全與防護(hù)技術(shù)的重要內(nèi)容，是確保油料儲運(yùn)安全的重要環(huán)節(jié)。本文綜合運(yùn)用斷裂力學(xué)、失效分析、流體力學(xué)、燃燒學(xué)、爆炸力學(xué)等學(xué)科知識，對油氣爆炸沖擊波作用下金屬油罐損傷斷裂進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究，通過研究油庫火災(zāi)發(fā)生時，油氣爆炸沖擊波對金屬油罐產(chǎn)生損傷斷裂的機(jī)理，對確定油罐火災(zāi)防爆技術(shù)手段提出更為科學(xué)的儲油罐設(shè)計(jì)安全結(jié)構(gòu)，科學(xué)認(rèn)定油罐火災(zāi)爆炸事故原因，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。由于油料洞庫和覆土油罐都是受限空間，油氣爆炸產(chǎn)生的壓力更大，本文選擇地下原型坑道和模擬油罐進(jìn)行油氣混合物爆炸實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)驗(yàn)裝置與測試

2.1原型坑道油氣混合物爆炸實(shí)驗(yàn)

原型實(shí)驗(yàn)坑道及其斷面如圖1所示。其中水平坑道斷面7.2m2，長400m，距坑道口35m處有一工程中常見的支坑道口，其深度為1.2m；斜坑道長約300m，與水平面夾角為23°。水平坑道口采用液壓開關(guān)的重型防爆密閉門進(jìn)行封閉，可承受各種氣體和粉塵爆炸形成的一定超壓；斜坑道口為無約束開口。

實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火系統(tǒng)將電雷管作為油氣混合物點(diǎn)火源，每個點(diǎn)火頭的點(diǎn)火能量為2焦耳。本文實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了專門的油氣形成系統(tǒng)，包括氣體循環(huán)回路、油料霧化噴頭、高壓供氣供油管路、空氣壓縮機(jī)等，實(shí)驗(yàn)中在坑道中形成均勻的油氣混合物。

實(shí)驗(yàn)過程中油氣爆炸破壞力強(qiáng)、危險(xiǎn)性大，地下爆炸實(shí)驗(yàn)段距地面測控中心超過300m，數(shù)據(jù)采集困難、信號傳輸距離遠(yuǎn)，受到的各種干擾較大，如何進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集是原型油料洞庫油氣爆炸實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。因此，除利用高度自動化的數(shù)據(jù)采集儀器外，還對火焰、壓力信號進(jìn)行了前置放大，對火焰信號進(jìn)行了門限濾波。作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心的cs20000高速多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)具有對16個通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和最高20MHz并行采樣的能力，所采集的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動保存。同時系統(tǒng)還可進(jìn)行所采集數(shù)據(jù)的后處理分析。

圖2　原型實(shí)驗(yàn)坑道測試點(diǎn)布置示意圖

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)坑道前40m每隔10m一個測點(diǎn)。測試爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣取?0m后每隔20m一個測點(diǎn)。測試系統(tǒng)整體如圖所示。成分測試用抽樣法。

2.2模擬油罐油氣爆炸實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括油罐模擬實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)。模擬油罐裝置由雙層油罐和Φ400鋼管模擬坑道等組成，如圖3所示。油罐直徑為1000mm，高1000mm，罐壁高800mm，厚10mm。整個模擬油罐按壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)加工而成，罐壁為圓柱形，罐底為平板封頭，罐頂為標(biāo)準(zhǔn)的橢圓封頭。為了便于實(shí)驗(yàn)時觀察，在罐壁上開有三個Φ150mm的觀察窗，安裝有石英玻璃。罐頂上開有一個Φ400的人孔。罐壁及罐底、頂上均設(shè)有螺紋連接的安裝傳感器的接頭。整個容器能承受高溫高壓。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要檢測溫度、壓力等參數(shù)，共六個通道（CH）檢測壓力參數(shù)，布置位置如圖1所示。壓力傳感器采用高頻響的壓阻傳感器，量程為1.0MPa。爆炸前后各種氣體的體積分?jǐn)?shù)，用HC紅外線分析器和汽車尾氣分析儀進(jìn)行測量。

圖3　模擬油罐裝置及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)示意圖

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1原型坑道油氣混合物爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1）油氣濃度分布與爆炸模式：

模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從最高壓力看，當(dāng)初始油氣濃度為1.9％時，在40m處的壓力已達(dá)到8.8個大氣壓。所以，爆炸已從爆燃向爆轟快速發(fā)展。在初始油氣濃度為1.92％時，短短40m內(nèi)爆炸壓力就已超過油氣定容爆炸壓力。

如表1所示，在原型坑道油氣均勻分布的前30m，當(dāng)點(diǎn)火后爆炸呈由弱爆燃到強(qiáng)爆燃甚至到爆轟初期的過程；在30m到80m之間，30m到40m段為過渡段；有時爆炸增強(qiáng)，有時爆炸減弱。在40m到80m之間，由于原型坑道油氣濃度呈由高到低的分布，所以，爆炸由強(qiáng)爆燃到弱爆燃發(fā)展，說明油氣濃度分布是確定爆炸模式最關(guān)鍵的因素；不同的油氣濃度分布模式會給洞庫帶來不同的爆炸發(fā)展模式及不同的危險(xiǎn)程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明油料洞庫局部一般有較高濃度油氣分布，如果爆炸后沒有抑爆阻爆措施任其發(fā)展，其危害程度對洞庫來說是災(zāi)難性的。

表1　燃燒爆炸模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2　最高壓力隨坑道位置變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3　不同初始油氣濃度下最大超壓和最大火焰速度傳播速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2）壓力發(fā)展規(guī)律及主要影響因素

壓力發(fā)展典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)在表2給出；所對應(yīng)的最高壓力隨坑道位置變化的曲線如圖3所示。不同初始油氣濃度所對應(yīng)的最高超壓和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)驗(yàn)結(jié)果在表3給出。原型坑道實(shí)驗(yàn)中，沿坑道爆炸的發(fā)展經(jīng)歷了二種濃度分布；一種是前28m均勻初始油氣濃度分布。在28m處有隔斷薄膜。在28m后，因爆炸時薄膜破開，沖出的油氣混合物與空氣因混合和擴(kuò)散形成由高到低的油氣濃度分布。在五次實(shí)驗(yàn)中都遵循爆炸壓力由弱到強(qiáng)，由強(qiáng)到弱的發(fā)展過程，但有四次最高壓力在30～40m處。因油氣濃度的不同和其它條件影響，最高壓力分別為：8.8、6.8、4.2、4個大氣壓。另外一次最高壓力為0.89個大氣壓，發(fā)生在60m處且在80m處壓力還有0.88個大氣壓。值得注意的是，10m處的壓力有二次超過后面點(diǎn)的壓力。本文認(rèn)為是坑道斷面壓力波反射疊加造成的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在原型坑道中爆炸壓力上升的速率非?？?。無論在模擬實(shí)驗(yàn)還是在原型實(shí)驗(yàn)中，都證實(shí)邊界的擾動對洞庫狹長空間的爆炸影響是非常關(guān)鍵的因素之一。在實(shí)際洞庫中，多路管道、縱橫交叉的支坑道、轉(zhuǎn)彎等都是推動爆炸發(fā)展的“局部動力”。從安全角度來講，要在設(shè)計(jì)、改造中盡量減少、避免有些“局部擾動”因素。

圖4　最高壓力隨坑道位置變化的曲線

圖5　角鋼架破壞情況

3）洞內(nèi)爆炸波的破壞效應(yīng)

在實(shí)驗(yàn)中，本文進(jìn)行了角鋼架、懸掛鋼筋樁坑道內(nèi)破壞效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，在油氣爆炸巨大的沖擊波與沖量效應(yīng)作用下，坑道內(nèi)墻壁上的角鋼架、懸掛鋼筋樁全部變形，槽鋼架開裂傾倒。其爆炸的破壞效應(yīng)是非常巨大的。如此巨大的破壞力，洞內(nèi)目前的油管固定方式和油罐是無法承受的。巨大的破壞效應(yīng)必然使油管變形斷裂或破裂、油罐變形損壞和泄露，為事故的惡性發(fā)展提供必要條件。

3.1模擬油罐油氣混合物爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同初始濃度的油氣混合物的爆炸模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表2可以看出，模擬油罐的爆炸、燃燒初期的主要模式為爆燃，然而才出現(xiàn)向燃燒發(fā)展形成火災(zāi)的可能[7，8]。油罐內(nèi)油氣爆炸與油氣體積分?jǐn)?shù)、氣溫、點(diǎn)火能量強(qiáng)度等因素有關(guān)。油氣體積分?jǐn)?shù)分布特性是確定爆炸模式最關(guān)鍵的因素；不同的初始油氣體積分?jǐn)?shù)給油罐帶來不同的爆炸發(fā)展模式及不同的危險(xiǎn)程度；氣溫對罐內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)起著決定性的影響。氣溫越低，罐內(nèi)油氣體積分?jǐn)?shù)也越低，爆炸越不容易產(chǎn)生。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，油氣爆炸壓力最大超過1MPa，最小也有0.3MPa，這樣的壓力對大型儲油罐來說，將產(chǎn)生斷裂損傷，導(dǎo)致油罐的結(jié)構(gòu)性破壞。如果油氣爆炸沒有抑爆阻爆措施任其發(fā)展，其危害程度對油罐來說是災(zāi)難性的。因此，爆炸壓力波是油罐油氣爆炸事故的主要破壞力。

表4　模擬油罐爆炸波特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

油罐內(nèi)發(fā)生爆炸后，壓力曲線無論是在上升還是下降過程中，波動十分明顯。這種現(xiàn)象稱為壓力波的振蕩。高溫高頻的振蕩壓力波極易產(chǎn)生油罐金屬材料的高溫蠕變，可能導(dǎo)致爆炸容器的塑性斷裂，造成極大的破壞，因而爆炸振蕩是有害的。壓力波的振蕩機(jī)理可以這樣理解；初始狀態(tài)為靜止的可燃混合氣，當(dāng)點(diǎn)火源點(diǎn)火后，罐內(nèi)溫度和壓力開始上升，火焰陣面開始由點(diǎn)火位置向四周傳播，但由于燃燒速度慢，火焰陣面的傳播速度小于壓力波速，壓力波陣面先于火焰陣面到達(dá)容器壁面，由于容器壁面為剛性材質(zhì)，壓力波在容器壁的反射作用下，沿反射方向繼續(xù)傳播，最終又會傳播到容器壁面，值得注意的是，此時點(diǎn)火源附近的燃燒反應(yīng)仍在進(jìn)行，也就有大于原先壓力值的壓力繼續(xù)向容器壁面?zhèn)鞑?，該壓力波正好與反射回來的壓力相遇，由于數(shù)值上大于反射壓力波，又把還沒有來得及到達(dá)容器壁面的反射壓力波推了回去，兩個壓力波疊加后到達(dá)容器壁面，再反射回來。因此在壓力值下降過程有壓力值的短暫上升，而后又繼續(xù)下降。這樣周而復(fù)始，產(chǎn)生壓力振蕩。隨著爆炸的進(jìn)行，時間的持續(xù)，罐內(nèi)壓力不斷下降，因而壓力波的振蕩幅度越來越小，壓力值也越來越小。壓力波的振蕩現(xiàn)象是壓力波的傳播過程機(jī)理的反應(yīng)。

圖6　油罐油氣爆炸的壓力-時間曲線

圖6為模擬爆炸實(shí)驗(yàn)時，實(shí)測到的油罐內(nèi)爆炸波壓力振蕩現(xiàn)象。

4.油氣爆炸沖擊載荷作用下的金屬油罐破壞斷裂損傷機(jī)理討論

金屬油罐在油氣爆炸沖擊波作用下的爆炸載荷主要有壁面反射沖擊波、角隅匯聚沖擊波以及準(zhǔn)靜態(tài)氣體壓力，其中壁面和底面的接合站角隅匯聚沖擊波最大。圖6為某油庫覆土油罐爆炸現(xiàn)場照片，可以看出，斷裂就產(chǎn)生在這個部位。斷裂過程是個動態(tài)變化過程，對斷裂直接進(jìn)行觀察分析是比較難的。而斷口是斷裂的靜態(tài)反映，如果對斷口進(jìn)行仔細(xì)觀察和分析就能找出斷裂的原因、機(jī)理等，因?yàn)閿嗫谌鐚?shí)地反映了金屬斷裂的全過程及金屬裂紋的萌生與擴(kuò)展過程，因此斷口分析是金屬斷裂失效分析的一個重要手段。按照斷裂力學(xué)的理論，在金屬油罐設(shè)計(jì)時，不能單純追求材料的強(qiáng)度指標(biāo)，尤其是大截面或零部件處于平面應(yīng)變條件下的情況，必須認(rèn)真考慮構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度因子K和材料的斷裂韌性K值的大小，由于油罐處于腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，還需要考慮K值，才能確定金屬油罐安全使用所能允許的裂縫尺寸，以及確定含有裂紋構(gòu)件的剩余壽命等。

圖7　南方某油庫覆土油罐爆炸現(xiàn)場

下面以南方某油庫半地下油罐爆炸事故為例，進(jìn)行油罐爆炸時鋼板應(yīng)力分析。

1）油罐基本參數(shù)

油罐容量V=380m3截面積A＝50m2周長L＝25m 直徑R=8m

壁板厚t壁＝4mm 罐自重m＝10×103kg 油罐覆土層厚t土＝0.5m

壁板周長截面積AL＝L×t壁=0.1m2土壤容重ρ＝1.6×103kg/m3

按照前文的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，柴油爆炸性混合物氣體爆炸壓力：P ＝0.8MPa

2）油罐爆炸時鋼板應(yīng)力分析

（1）油罐爆炸后產(chǎn)生的總推力（方向軸向向上）

G＝P·A＝0.8×50×100000=4×107（N）

（2）油罐自重和罐頂上覆土重量

g=（10+80×0.5×1.6）×9.81×103=7.26×105（N）

（3）油罐爆炸后產(chǎn)生的油罐壁板與底板連接處應(yīng)力（忽略其他微小影響量的因素）

σ應(yīng)＝（G～g）/AL＝（40000000～726000）/0.1＝392740 （KN/m2）=393mPa

3）結(jié)論

根據(jù)SH3046～92《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.2條規(guī)定：

鋼板設(shè)計(jì)許用應(yīng)力σ允＝159mPa，σ應(yīng)＝393mPa＞σ允＝159mPa

因?yàn)楣奚肀诎迮c底板焊接處應(yīng)力大大超過鋼板允許應(yīng)用應(yīng)力，所以致使圈板全部拉裂，在爆炸壓力作用下飛出罐室外。根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.5條：“罐頂板與包邊角鋼之間連接應(yīng)采用薄弱連接，外側(cè)采用連續(xù)焊，焊接高度不應(yīng)大于頂板厚度的3/4，且不得大于4mm，內(nèi)側(cè)不得焊接”的規(guī)定，爆炸時理應(yīng)先掀掉頂板。為什么油罐爆炸不拉裂頂板而拉裂壁板？這是因?yàn)榻饘儆凸薨l(fā)生爆炸時發(fā)生斷裂，應(yīng)是應(yīng)力腐蝕、金屬熱腐蝕和爆炸沖擊波產(chǎn)生的拉應(yīng)力等共同作用的結(jié)果，后者對拉裂壁板起了主要的作用。油罐裝油后，罐壁在液體靜壓的作用下產(chǎn)生很大的環(huán)向應(yīng)力，此環(huán)向應(yīng)力使罐壁周向伸長，并沿徑向向外擴(kuò)張。由于受到罐底的牽制或約束，無法沿徑向脹出，加上油罐底部水雜等引起的腐蝕也比上部嚴(yán)重，因此，油罐底部壁板所受的應(yīng)力腐蝕最為嚴(yán)重，應(yīng)力腐蝕決定了斷口部位。為防止金屬油罐發(fā)生爆炸從罐底受應(yīng)力腐蝕最大的位置斷裂，油罐設(shè)計(jì)和施工時必須進(jìn)行“弱冠”處理。但根據(jù)事故罐實(shí)際情況，罐頂未作“弱冠”處理，因而導(dǎo)致了先拉裂底部壁板的后果。

5.結(jié)論

（1）原型坑道油氣爆炸的初期主要模式為爆炸，燃燒的主要形式為爆燃。當(dāng)初始油氣濃度為1.9％時，在40m處的最高壓力已達(dá)到8.8個大氣壓，爆炸已從爆燃向爆轟快速發(fā)展?？拥罃嗝鎵毫Σǚ瓷浏B加造成的局部擾動會在短短10m長的距離內(nèi)使最大壓力上升5個多大氣壓。

（2）油氣濃度分布特性是確定爆炸模式最關(guān)鍵的因素；不同的油氣濃度分布模式會給洞庫油罐帶來不同的爆炸發(fā)展模式及不同的危險(xiǎn)程度；油料洞庫局部有較高濃度油氣分布，如果爆炸后沒有抑爆阻爆措施任其發(fā)展，其危害程度對洞庫來說是災(zāi)難性的。

（3）在油氣爆炸實(shí)驗(yàn)中，坑道內(nèi)墻壁上的角鋼架、懸掛鋼筋樁全部成變形、槽鋼架開裂傾倒。其爆炸的破壞效應(yīng)是非常巨大的。罐內(nèi)油氣爆炸則產(chǎn)生壓力波振蕩現(xiàn)象。

（4）金屬油罐發(fā)生爆炸時發(fā)生斷裂，應(yīng)是應(yīng)力腐蝕、金屬熱腐蝕和爆炸沖擊波產(chǎn)生的載荷等共同作用的結(jié)果，后者起了主要的作用。為防止金屬油罐發(fā)生爆炸從罐底受應(yīng)力腐蝕最大的位置斷裂，油罐設(shè)計(jì)和施工時必須進(jìn)行“弱冠”處理。

（作者單位：浙江海洋學(xué)院石化與能源工程學(xué)院/解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系）

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基金項(xiàng)目：浙江省科技廳公益技術(shù)基金資助項(xiàng)目（2015C31014）