柴油加氫反應器爆破超壓變化規(guī)律的試驗模擬研究

薛少謙，李潤之，劉鵬剛，張 豪

(中煤科工集團重慶研究院有限公司火災爆炸防治研究分院，重慶 400037)

石油化工企業(yè)生產(chǎn)中存在多種危險物質(zhì)，同時大量的工藝過程屬于高溫、高壓狀態(tài)，存在物理爆炸和化學爆炸的風險。在柴油加氫工藝過程中，加氫反應器為承壓設備[1]，同時因其高溫、高壓的工藝過程，有發(fā)生物理超壓爆炸的危險，屬于重大危險源，容易造成重大爆炸事故的發(fā)生[2]。

姜榮賓[3-4]、張曉彬[5]利用道化學火災、爆炸危險指數(shù)評價法分別對某一柴油加氫精制裝置的危險有害因素進行了分析，并對其火災爆炸事故后果進行了評價，得出了事故危險區(qū)域和危險等級；張斌等[6]利用風險分析軟件PHAST對柴油加氫精制裝置的火災、爆炸、中毒事故后果進行了分析與評價，得出了相應的事故危害范圍。但是，這些研究多是運用評價模型或軟件對柴油加氫反應器火災爆炸危險性進行分析，而從近似實際規(guī)模的角度對柴油加氫反應器爆破超壓的變化規(guī)律進行定量的試驗模擬研究則較少。為此，本文通過設計加工柴油加氫反應器模型，在特定爆破壓力下進行了爆破試驗，用來定量地模擬分析距爆破中心點不同距離內(nèi)爆破超壓的變化規(guī)律，以為柴油加氫反應器物理爆炸事故的預防和控制提供理論基礎。

1 柴油加氫反應器工藝流程和爆炸危險性分析

1.1 工藝流程

柴油加氫反應器的工藝流程是:在一定的溫度、壓力、氫油比、空速條件下，借助加氫精制催化劑的作用，有效地使油品中的硫、氮、氧非烴類組分轉(zhuǎn)化為相應的H2S、NH3和H2O，少量的重金屬截留在催化劑中，同時使烯烴和部分芳烴飽和，從而得到清潔性和燃燒性較好的柴油和重整原料。

1.2 爆炸危險性分析

柴油加氫反應器屬于柴油加氫工藝過程中的關鍵設備，該反應裝置內(nèi)操作溫度高、壓力高、易腐蝕，在發(fā)生泄漏或超溫超壓時，存在火災爆炸的危險性[7-8]。另外，高壓氫與鋼材長期接觸，會使鋼材強度降低，出現(xiàn)裂紋，即通常意義上的氫脆，導致物理性爆炸。按照《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》(GB 50160—2008)[9]中的規(guī)定，以該反應裝置為主要反應設備的柴油加氫精制裝置屬于甲類火災危險設備。

不同爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓(Δp)[10]對人體的傷害程度和對建(構(gòu))筑物的破壞作用詳見表1和表2。

表1 沖擊波超壓(Δp)對人體的傷害程度Table 1 Hazard extent caused by shockwave superpressure(Δp) of human body

此外，爆炸產(chǎn)生的碎片具有一定的拋射速度及拋射軌跡[11]，也能造成大量人員損傷和建(構(gòu))筑物破壞，并可能引發(fā)廠區(qū)多米諾事故[12]。

表2 沖擊波超壓(Δp)對建(構(gòu))筑物的破壞作用Table 2 Destructive effect of shockwave superpressure(Δp) on buildings

2 爆破試驗方案

為了研究柴油加氫反應器距爆破中心點不同距離內(nèi)爆破超壓的變化規(guī)律，本研究根據(jù)該反應器大小的不同，設計加工了幾種典型、有規(guī)律的不同尺寸的柴油加氫反應器模型，同時為了模擬柴油加氫反應器在臨界物理爆炸壓力下破裂的情況，在模型上安裝了不同尺寸的爆破片，用來模擬達到定值壓力下模型破裂的效果。如圖1所示，某一模型尺寸為φ500 mm×900 mm的柴油加氫反應器，設計承壓為3.0 MPa，在模型4個方向安裝4個爆破片，爆破片的爆破壓力為0.8 MPa。

圖1 模型尺寸為φ500 mm×900 mm的柴油加氫反應器實物圖Fig.1 Diesel hydrogenation reactor model of φ500 mm×900 mm

從試驗人員的人身安全考慮，將柴油加氫反應器模型固定在一支架上，并將其放入中煤科工集團重慶研究院有限公司大型試驗巷道內(nèi)進行爆破試驗，沿巷道斷面及縱向不同距離分別布置了壓力傳感器(不同尺寸柴油加氫反應器模型壓力傳感器的安裝距離見表3)，對爆破過程中產(chǎn)生的壓力進行了測試。試驗設備布置示意圖見圖2。

表3 不同尺寸柴油加氫反應器模型壓力傳感器的安裝距離Table 3 Distance between the pressure sensor and explosion center of models of different sizes

圖2 試驗設備布置示意圖Fig.2 Layout schematic diagram of testing equipments

通過空壓機向模型內(nèi)充入設定壓力的空氣，在模型底部的兩端及中間設置3個充氣口，保證容器內(nèi)的壓力均勻地升高；安裝在模型底部的數(shù)字壓力表可以實時探測其內(nèi)部的壓力變化，當壓力升高到接近設定值(0.7 MPa左右)時，迅速提升充氣速率，使罐體內(nèi)的壓力較快地達到0.8 MPa，這樣可以保證罐體上的爆破片全部破壞，發(fā)生物理爆炸，此時布置在模型四周和底部的壓力傳感器會迅速采集壓力數(shù)據(jù)，并通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將其記錄下來。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同尺寸模型爆破超壓的對比分析

通過多次爆破試驗，得到了不同尺寸柴油加氫反應器模型在后側(cè)爆破時最大爆破超壓與距爆破中心距離的關系曲線，見圖3。

圖3 不同尺寸柴油加氫反應器模型最大爆破超壓與距爆破中心距離的關系曲線Fig.3 Comparison of explosion superpressure of different sizes

由圖3可見，在爆破壓力相近的條件下，隨著柴油加氫反應器模型尺寸的增大，距爆破中心等距離位置的爆破超壓也越大，說明柴油加氫反應器模型尺寸越大對周圍造成的破壞越強。

3.2 模型破壞形式的分析

通過多次爆破試驗，得到了不同尺寸柴油加氫反應器模型在0.8 MPa壓力作用下的爆破超壓情況，因φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應器模型對周圍造成的破壞最強，因此本文選擇該尺寸的柴油加氫反應器模型，分析了其破壞形式及爆破超壓的變化規(guī)律。圖4為φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應器模型爆破前后的狀態(tài)圖。

圖4 φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應器模型爆破前后的狀態(tài)Fig.4 Model ofφ600 mm×1 000 mm before and after explosion

由圖4可見，φ600 mm×1 000 mm尺寸柴油加氫反應器模型的爆破片在達到爆破壓力后均勻的向外翻卷，呈蓮花狀。

3.3 爆破超壓的變化規(guī)律分析

通過多次爆破試驗，得到φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應器模型爆破超壓隨時間的變化曲線，見圖5。

圖5 φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應器模型爆破超壓隨時間的變化曲線Fig.5 Curve of explosion superpressure with time of model ofφ600 mm×1 000 mm

由圖5可見，爆破超壓隨時間的變經(jīng)曲線如同一“人”字形，經(jīng)歷了先快速增加后又快速衰減的變化過程；整個爆破過程中，爆破超壓呈現(xiàn)時間非常短暫，爆破超壓的上升和衰減所需時間大致相同，爆破超壓的持續(xù)時間為300 ms，其最大值出現(xiàn)時間在100～125 ms之間。

通過爆破試驗，得到了不同尺寸柴油加氫反應器模型爆破后在距離爆破中心不同距離內(nèi)爆破超壓的變化情況,圖6為φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應器模型右側(cè)和前側(cè)在距離爆破中心不同距離內(nèi)最大爆破超壓的變化曲線。爆破試驗共進行了兩次：第一次試驗，模型右側(cè)爆破片破裂，模型內(nèi)壓力為0.798 MPa；第二次試驗，模型前側(cè)爆破片破裂，模型內(nèi)壓力為0.784 MPa。

圖6 φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應器模型右側(cè)和前側(cè)最大爆破超壓的變化曲線Fig.6 Curve of maximal explosion superpressure on the right and the front of the model of φ600 mm×1 000 mm

由圖6可見，第一次試驗過程中，2個壓力傳感器分別布置在模型右側(cè)距離爆破中心0.6 m和1.35 m的位置處，測得的最大爆破超壓分別為0.517 MPa和0.442 MPa[見圖6(a)]，由于2個壓力傳感器距離較近，其最大爆破超壓的衰減不太明顯[見圖6(a)]；第二次試驗過程中，在模型前側(cè)分別布置了4個壓力傳感器，其中在距離爆破中心0.8 m的位置處，測得最大爆破超壓為0.476 MPa，而在距離爆破中心2.2 m的位置處，測得的最大爆破超壓衰減到0.087 MPa[見圖6(b)]。根據(jù)表1和表2可知，0.087 MPa的爆破超壓可以使人的內(nèi)臟嚴重損傷或死亡，使建(構(gòu))筑物的磚墻倒塌，因此在對柴油加氫反應器物理爆炸事故進行防治時，必須要合理考慮安全距離和安全措施。

4 結(jié) 論

(1) 通過對柴油加氫反應器工藝流程和爆炸危險性進行分析，認為柴油加氫反應器在特定的條件下有發(fā)生物理爆炸的危險。

(2) 通過對不同尺寸的柴油加氫反應器模型，在特定爆破壓力下，距爆破中心不同距離內(nèi)爆破超壓的變化規(guī)律進行試驗模擬研究。結(jié)果表明：爆破超壓隨時間呈“人”字形規(guī)律變化，超壓呈現(xiàn)時間短且衰減快；φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應器模型在距爆破中心2.2 m的位置處，爆破超壓仍有0.087 MPa，可對人體和設備造成巨大的傷害和破壞，說明柴油加氫反應器尺寸越大，爆破超壓越大，破壞力越強。因此，在實際工藝中必須要根據(jù)其爆炸危險的后果，切實考慮安全距離或防爆墻等可靠的安全措施。