壓力容器蒸氣爆炸現(xiàn)象研究進展

劉明華

摘 要：壓力容器（pressure vessel）是一種常見的基礎設備，用以密封承裝具有一定壓力要求的氣體或物體。壓力容器在使用過程中，具有一定的危險性，其中蒸汽爆炸是一種常見的壓力容器物理爆炸形式，對于壓力容器的使用和發(fā)展影響巨大。但就壓力容器相關蒸汽爆炸現(xiàn)象研究而言，仍存在一定的不足。因此，針對壓力容器相關蒸汽爆炸研究進展，進行深入分析，對于指導研究的進一步進行，具有重要的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：壓力容器；蒸汽爆炸；現(xiàn)象研究；進展介紹

壓力容器在現(xiàn)代社會中應用廣泛，涉及化工、能源、石油等行業(yè)，因裝載的物料不同，其實際使用危險種類較多。蒸汽爆炸是一種發(fā)生于壓力容器內(nèi)部的物理爆炸形式，自從相關人員于1957年首次發(fā)現(xiàn)沸騰液體蒸汽膨脹爆炸后，即圍繞蒸汽爆炸展開了一系列的研究，包括現(xiàn)場模擬實驗、理論計算等，并取得了相應的成績。由于，蒸汽爆炸過程較為復雜且劇烈，現(xiàn)階段的蒸汽爆炸分析模型仍較為粗糙。因此，通過分析蒸汽爆炸研究進展，探索進一步研究方向，對于促進蒸汽爆炸研究發(fā)展意義重大。

一、蒸汽爆炸基本機理分析

BLEVE（Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）直譯為“沸騰液體急速擴展為蒸汽引發(fā)爆發(fā)”，簡稱蒸汽爆炸。這一概念來源于一起由甲醛和苯酚制取酚醛樹脂的反應器爆炸事故，事故分析時將此次事故定義為蒸汽爆炸。隨著后續(xù)的調(diào)查、研究不斷深入，參與研究的學者不斷補充、完善蒸汽爆炸內(nèi)容，并且該定義仍存在被進一步完善的可能。

美國化學過程安全中心給出的蒸汽爆炸定義為：大量承壓的過熱液體，在某種泄壓因素的影響下，壓力突然降至大氣壓引發(fā)的爆炸。泄壓因素具體包括撞擊、受火、腐蝕、內(nèi)部過熱等；Cunningham和Birk AM認為蒸汽爆炸現(xiàn)象，是因裝有壓縮液化氣體的壓力容器發(fā)生災難性失效現(xiàn)代，導致的沸騰液體及膨脹氣體的爆炸性釋放現(xiàn)象。Birk AM等研究人員，曾于2006～2007年進行了一系列的丙烷儲罐在受火加熱條件下的蒸汽爆炸研究，并提出了蒸汽爆炸兩階段機理。Manu CC等研究人員，于2009年利用三位有限元相關知識，對丙烷儲罐的受火爆破過程進行了分析。Venart J與俞昌銘針對蒸汽爆炸，給出以下定義：氣液容器在高壓飽和狀態(tài)下，受手中原因影響，導致容器內(nèi)部液體段時間內(nèi)發(fā)生氣化膨脹，使容器內(nèi)部壓力上升，產(chǎn)生爆炸。并針對容器內(nèi)部氣相空間存在小孔的蒸汽爆炸現(xiàn)象，進行了深入探討，最終形成了沸騰液體壓縮氣泡爆炸理論，即BLCBE（Boiling Liquid Collapased Bubble Explosion）。

部分學者認為蒸汽爆炸，僅發(fā)生于容器氣相空間出現(xiàn)泄漏的情況。Mcdevitt C等研究人員，于1988年經(jīng)過多次的蒸汽爆炸實驗，驗證了容器液相泄漏發(fā)生爆炸的可能性。

二、蒸汽爆炸壓力

壓力容器發(fā)生蒸汽爆炸的過程極為復雜，多種物性參數(shù)在短時間內(nèi)，會發(fā)生多種變化，嚴重限制了理論研究的有效進行。在蒸汽爆炸研究過程中，部分工業(yè)較為發(fā)達的國家，為研究蒸汽爆炸特性，投入量大量資源進行模擬實驗研究，期望通過重復試驗，探明爆炸過程中介質(zhì)經(jīng)歷的復雜的物理變化，并獲取相關實驗數(shù)據(jù)，以建立爆炸模型，分析爆咋事故機理。

（一）試驗測量

北川徹三等科研人員，在1972年的試驗中，選用了一個容積15L，高220.0mm，直徑300.0mm的豎式圓筒壓力容器注滿水，并在其上蓋部門安置一個直徑為71.0mm的鋁質(zhì)破裂板。試驗過程如下，首先對容器進行加熱處理，當水溫加熱至100.0℃時，容器發(fā)生蒸汽爆炸，破裂板被內(nèi)部壓力頂破。容器內(nèi)部壓力在破裂板損壞時有所下降，經(jīng)過5s左右，內(nèi)部壓力再次上升。發(fā)生蒸汽爆炸時的壓力峰值與初始壓力相比，前者約為后者的2.5倍。

Venart J等科研人員，于1993年利用R11制冷劑，進行了相應的蒸汽爆炸試驗。實驗過程如下，首先在實驗容器內(nèi)部充裝70.0%左右的R11液體，然后使用外部加熱能源對容器進行加熱，并加壓至770.0kPa左右。此時試驗容器在氣相區(qū)域出現(xiàn)噴射小口，導致容器內(nèi)部壓力下降35kPa左右。實驗人員利用丙烷火焰噴嘴在容器表面人工制造了一個10.0mm長的裂紋，經(jīng)約200μs后，容器發(fā)生蒸汽爆炸。最大峰值測定約為175.0kPa.

Venart J和Ramier等研究人員，于2000年針對水介質(zhì)在過熱條件下的蒸汽爆炸現(xiàn)象進行試驗探究。通過對比多次試驗數(shù)據(jù)，總結出容器內(nèi)部壓力在爆炸過程中的一般變化趨勢，即在0.1s左右的時間內(nèi)，由于爆炸引起的壓力峰值可達到2～3倍的初始壓力數(shù)值。

Stawczyk J于2003年，圍繞盛裝有丙烷的壓力容器，進行了一系列的蒸汽爆炸試驗，并相應記錄了爆炸壓力及溫度等內(nèi)容。數(shù)據(jù)表明，容器內(nèi)部壓力在爆炸過程中，共出現(xiàn)三個壓力峰值，升壓時間約為0.5s，最大壓力約為失效壓力的3.0倍。

針對壓力容器蒸汽爆炸特點，在壓力容器實際安全管理工作中，對于壓力容器的日常養(yǎng)護維修有著較高的要求。如所有壓力容器設備均應依據(jù)國家相關規(guī)定定期進行安全檢查，具體規(guī)定如下：安全狀況等級屬于1～2級的壓力容器，至少每6年進行一次安全檢查；安全狀況等級屬于3級的壓力容器，至少每3年進行一次安全檢查；安全狀況等級屬于4級的壓力容器，安全檢查周期有相關機構確定。

上述BLEVE試驗，多數(shù)試驗的討論重點在于，火災條件下，承裝液化石油氣的壓力容器，發(fā)生熱源持續(xù)流入時的BLEVE情況。

（二）理論計算

俞昌銘、Venart J、Yu CM、林文勝、馬小茜、王海榮、徐書根等人先后利用不同的理論，針對BLEVE現(xiàn)象進行了建模分析，普遍由容器裂縫作為切入點，分析爆炸過程中各項物性參數(shù)的變化情況。

（三）BLEVE現(xiàn)象壓力特點分析

壓力容器氣象區(qū)間或液相區(qū)間，存在泄漏破口，在一定條件下，就會發(fā)生BLEVE現(xiàn)象。而BLEVE現(xiàn)象發(fā)生的關鍵就在于，容器內(nèi)部是否能順利發(fā)生一系列的降壓及液體容積沸騰變化。

通過現(xiàn)場模擬試驗和物性參數(shù)理論分析，可得如發(fā)生BLEVE現(xiàn)象，容器內(nèi)部必將經(jīng)歷壓力先降后升的過程，且峰值壓力與初始壓力相比，會得到3倍以內(nèi)的提升，升壓時間短暫，約為ms級。

三、BLEVE現(xiàn)象研究中存在的問題分析

就目前的BLEVE現(xiàn)象研究而言，可得出BLEVE壓力變化一般規(guī)律、BLEVE現(xiàn)象成因以及BLEVE現(xiàn)象一般過程規(guī)律等內(nèi)容，但仍存在問題尚未得到解決，具體內(nèi)容如下：

一，當前BLEVE現(xiàn)象的研究對象多為單一組分物質(zhì)，在混合物料BLEVE現(xiàn)象研究方面，并未進行深入的研究。并且，針對BLEVE現(xiàn)象缺少相應的發(fā)生判斷依據(jù)，并不能由研究結果形成相應的缺陷評定體系。

二，當前BLEVE現(xiàn)象理論分析模型過于粗糙，多是一、二維分析模型。針對某些BLEVE現(xiàn)象，只有通過建立三維模型，才能保障理論分析的真實性和準確性。

三，目前BLEVE現(xiàn)象研究條件較為固定，缺乏代表性。

結語：

綜上所述，關于BLEVE現(xiàn)象的研究，經(jīng)過多位科研人員長時間的探索，已經(jīng)可以得出BLEVE壓力變化一般規(guī)律、BLEVE現(xiàn)象成因以及BLEVE現(xiàn)象一般過程規(guī)律等內(nèi)容，但對于BLEVE的分析仍比較粗糙。下一步BLEVE的研究重點，可放于耦合研究及多物理場方面，以促進對BLEVE現(xiàn)象的研究發(fā)展。

參考文獻

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