發(fā)射場液氫泄漏擴散計算及危險性分析

丁 鵬, 陳 威，任慧忠 ，周 禹

(1.航天低溫推進劑技術(shù)國家重點實驗室，北京100028；2.蘇州大學 能源學院，江蘇 蘇州 215006)

0 引言

液氫是一種無色無味、高能、低溫液體燃料。液氫/液氧推進劑由于具有無毒、無污染、低成本、高比沖和大推力等優(yōu)勢[1]，成為應用于大型運載火箭最廣泛的一組推進劑。但是，液氫具有超低溫(沸點20.228 K)、易汽化、易燃及易爆等特性，一旦發(fā)生泄漏， 極易與周圍空氣混合形成爆炸性蒸氣云[2]。 如果遇到引火源將會引起火災及爆炸, 所產(chǎn)生的爆炸沖擊波傷害性極大。 對發(fā)射場航天推進劑的爆燃進行危害分析，預知爆炸源周圍不同距離處的危險程度，從而劃分出安全距離，提出相應預防措施，對保證航天發(fā)射場任務順利實施、提高航天發(fā)射場安全意義極大。

對于航天發(fā)射場來說，液氫泄漏有兩個主要原因[2]：一是液氫儲罐、傳輸管道及閥門等處內(nèi)外溫差極大，容易導致材料變形從而引發(fā)泄漏；二是火箭未能按時發(fā)射時，在氫排管的對接過程中會產(chǎn)生泄漏。對于第一種情況，材料變形所產(chǎn)生的縫隙在短時間內(nèi)不會擴大，因此在研究這類情況時通常把泄漏口等效成一定面積的圓孔；而氫排管對接過程中產(chǎn)生的縫隙大小則隨著對接口的開關過程而產(chǎn)生動態(tài)變化，需根據(jù)實際結(jié)構(gòu)和運行情況進行研究。

由于安全方面的原因，學者們對液氫泄擴散和爆的實驗研究相對較少。1980年，NASA在墨西哥沙灘上做了液氫大量泄漏的實驗[3]，目的是觀察液氫大量迅速泄漏時氫氣云團的形成過程。1988年，美國火災科學國家重點實驗室Shebeko等人對封閉空間氫氣的泄漏擴散進行了實驗研究[4]，發(fā)現(xiàn)射流動能是影響氫氣擴散的主要因素。Gexcon實驗室針對1980年NASA的實驗進行了數(shù)值模擬研究[5-6]，并將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行的對比，驗證了數(shù)值模擬方法的可行性。國內(nèi)王青松等人對液氫泄漏的主要災害形式進行了分析[7]，得出液氫在儲罐內(nèi)處于熱平衡狀態(tài)，一旦發(fā)生泄漏，內(nèi)部熱平衡狀態(tài)被打破，可能造成沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE)爆炸和急劇相變(RPT) 爆炸等物理爆炸。而泄漏的液氫會在在地面積聚成液池，同時氣化。氣化形成的氫氣與空氣混合，形成可燃蒸氣云，在不同引燃條件下，可能發(fā)生爆燃、高速爆燃、爆轟和氣運爆炸等化學爆炸。吳光中，李茂等人對氫氣排放與擴散的過程進行了數(shù)值模擬[8-9]，得到了氫氣排入大氣的擴散特性及危險濃度的擴散分布。

本文對航天發(fā)射場液氫儲罐泄漏擴散，包括相變過程中的傳熱傳質(zhì)進行了分析和計算，給出了液氫泄漏速度、完全氣化時間、完全氣化距離與泄漏口大小和泄漏壓力等參數(shù)的變化規(guī)律，著重分析了泄漏壓力和泄漏口大小對于泄漏過程的影響規(guī)律。并結(jié)合TNO多能法對液氫泄漏的具體案例進行了危害評估，并給出危害結(jié)果。

1 液氫泄漏擴散過程分析

1.1 液氫擴散過程理論分析

目前大多數(shù)學者對液氫燃燒集中在火箭發(fā)動機的性能和燃燒特性方面，對液氫安全研究還相對較少[10-12]。液氫的安全問題是個極其復雜的問題，但經(jīng)過人們長時間不斷的探索和研究，已經(jīng)積累了一部分經(jīng)驗，其危險性主要表現(xiàn)為低溫性、泄漏性和燃燒性三個主要方面。為了更好地研究發(fā)射場低溫推進劑的泄漏擴散后的影響，將著重從液氫的泄漏危險性進行分析。根據(jù)對國內(nèi)外多起航天發(fā)射場氫事故的分析可知，液氫泄漏大多是由于貯箱脆變、密封件及閥門損壞等導致泄漏引起的，液氫從高壓儲罐泄漏的擴散過程分為兩個部分：液氫相變和氫氣射流的擴散。本文對液氫儲罐的泄漏擴散過程中的相變中的傳熱傳質(zhì)等過程進行情況進行了分析和計算，給出了液氫泄漏速度、完全氣化時間、完全氣化距離與泄漏口大小和泄漏壓力等參數(shù)的變化規(guī)律，同時采用TNO多能法對液氫泄漏的具體案例進行了危害評估。由于液氫的沸點為20.228 K，一旦發(fā)生泄漏，會在常溫環(huán)境中吸熱并急劇氣化而產(chǎn)生氫氣。液氫泄漏后從大液滴逐漸衰減為小液滴，并最終變成氫氣。液氫泄漏初期，射流動能是影響氫氣擴散的主要因素[13]，浮力是后期的氫氣云團形成的主導因素。

1.2 泄漏過程相變參數(shù)計算

液氫在常壓下沸點為20.228 K，因此，其需要被冷卻到很低的溫度后才能以液態(tài)儲存，儲罐一旦破裂，泄漏出的液氫會在極短的時間內(nèi)氣化，大量吸收周圍空間的熱量，而使得周圍的溫度急劇降低。由于氧氣和氮氣的沸點都比氫氣高，所以空氣中會發(fā)生氧氣、氮氣的冷凝現(xiàn)象。同樣，空氣的濕蒸氣也會在低溫下冷凝。本章對液氫的泄漏擴散過程進行了簡化，認為：

1)泄漏過程中只發(fā)生從液氫到氫氣的相變過程，忽略了水蒸氣的存在；

2)忽略了其他氣體的相變過程；

3)模型只考慮組分擴散，不考慮閃蒸的情況(由于罐內(nèi)的壓力大于外界大氣壓，忽略閃蒸會對射流長度以及濃度分布有一定的影響)。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，參加霍童古鎮(zhèn)旅游的人群中男性61人，占總?cè)藬?shù)的48.03%，女性66人，占總?cè)藬?shù)的51.97%。男女比例相差不大。

液氫從一個儲罐的孔中泄漏，由于容器內(nèi)壓力較大，會使得液滴以較大速度噴射出來?？紤]到泄漏口的摩擦、擾動等影響，需要對泄漏口直徑進行修正，假設原直徑為dJ，修正后的有效泄漏口直徑為[14]：

(1)

式中：σJ為液氫的表面張力系數(shù)，N/m；ρa為周圍空氣的密度，kg/m3；ρJ是液氫泄漏時的密度，kg/m3。

對于液氫(高壓低溫)儲罐[11]，當泄漏口處位于液相空間時，盡管液體泄漏過程中可能發(fā)生閃蒸但由于液體的流出阻力較大，內(nèi)壓下降速度緩慢，所以儲罐中的液體不會發(fā)生蒸氣爆炸。其泄漏速度可采用式(2)計算：

(2)

式中：pg為表壓力,Pa；ρJ為液體泄漏時的密度，g/m3；gc為萬有引力恒量；hL為液面高度,m;C0為泄漏系數(shù)，取值范圍在 0.6～1 之間，當泄漏口為圓孔時取1[15]。由于液氫泄漏時，會先轉(zhuǎn)化成大小不同的液滴，由于液滴越大，衰減越慢，因此，要研究液氫噴射出來的完全氣化時間和完全氣化距離只需要研究最大液滴的完全氣化時間和完全氣化距離。液滴的最大直徑常用式(3)來求解[13]:

BoJπ2

(3)

BoJ≥π2

式中:β為常數(shù)，一般取0.3;BoJ,WeJ及LPJ分別為泄漏液體的邦德數(shù)、韋伯及韋伯-雷諾數(shù)；υJ為泄漏液體的運動粘度，m2/s。

(4)

當雷諾數(shù)大于5×105時，屬于湍流，此時液滴的流動速度[16]為：

(5)

式中CD為球形表面的拉伸系數(shù)，取0.44。

液滴直徑隨時間的衰減率[13]：

(6)

式中hFB為膜態(tài)沸騰系數(shù)，W/m2·K。

對以上公式積分，可以得到最大直徑液滴完全氣化所需時間[16]：

(8)

式中：r為蒸發(fā)熱，J/kg；T為空氣溫度，K；Tsat為液氫的飽和蒸汽壓下的溫度，K；hFB為膜態(tài)沸騰系數(shù)，W/m2K ；λ為氫氣的導熱系數(shù)，W/m·K；ρv為氫氣的密度，kg/m3；υv為氫氣的動力粘度，m2/s。λ，ρv及υv根據(jù)液氫與氫氣的定性溫度查得；ρJ根據(jù)液氫的溫度查得。

1.3 液氫泄漏相變參數(shù)規(guī)律

假設儲罐上游壓力不變，對發(fā)生小孔泄漏的液氫儲罐進行數(shù)值模擬分析。

首先假設泄漏口直徑為0.02 m，泄漏口與液面處的距離為1 m，改變泄漏壓力，泄漏速度和完全氣化時間的變化情況如圖1所示。根據(jù)公式(2)和公式(3)，在泄漏壓力增大的情況下，液氫的瞬時泄漏速度增大，其噴射出的氫液滴的最大直徑減小。而且液滴的完全氣化時間與液滴直徑成正比，因此，完全氣化距離隨泄漏壓力的增大而減小。由圖1可見，在泄漏壓力增大的情況下，儲罐內(nèi)外壓差增大，液氫泄漏時的動能增大，從而泄漏速度也隨之增大。此時，泄漏口處的最大液滴直徑變小，由液滴蒸發(fā)的D2定律，液滴蒸發(fā)時直徑越小，蒸發(fā)速率越快，因此，液滴的完全氣化時間隨泄漏壓力的增大而減小。

圖1 泄漏壓力對泄漏速度及完全氣化距離的影響

1.3.1 泄漏口直徑對泄漏的影響規(guī)律

假設泄漏壓力恒為0.3 MPa，泄漏口與液面處的距離為1 m，其他條件不變。

圖2 泄漏口大小對泄漏速度及完全氣化距離的影響

1.3.2 液面高度對泄漏的影響規(guī)律

圖3 泄漏液面高度對泄漏速度及完全氣化距離的影響

2 爆炸危害分析

液氫泄漏后在儲罐外蒸發(fā)，會形成可燃性的蒸氣云，遇到點火源會發(fā)生燃燒甚至爆炸。氫氣在空氣的爆炸極限為4%～75%，氫氣濃度低于4%或大于75%都會使得爆炸很難發(fā)生[17]。金軍使用TNO多能法和TNT當量法對馬鞍上市某一加氣站儲罐發(fā)生蒸氣云爆炸事故進行了傷害半徑的計算[18]，通過兩種方法得出的結(jié)果互相驗證了兩種方法的準確性，在此基礎上本文通過儲罐區(qū)TNO多能法爆炸超壓曲線和人員傷害得出的人員傷害擬合關系式(9)[15]：

(9)

假設某液氫儲罐區(qū)寬65 m，上底124 m，下底150 m，高40 m；罐區(qū)中部有兩個容量為300 m3的液氫儲罐，液氫密度為70 kg/m3，氣相時密度約為0.151 4 kg/m3，因閥門損壞導致液氫泄漏擴散形成了可燃蒸氣云，泄漏時間為5 min。對不同泄漏壓力和不同泄漏口大小以及不同泄漏液口位置下的人員傷害關系進行計算，得到如下變化規(guī)律，如圖4所示。

由圖4可見，當泄漏出的蒸氣云體積小于受限空間體積時，由于泄漏壓力越大，相同時間內(nèi)泄漏出的液氫的量也越大、蒸氣云體積越大，導致發(fā)生蒸氣云爆炸的危害也越大，所以輕傷、重傷、死亡半徑與泄漏壓力的大小成正相關。隨著壓力越來越大，當泄漏的蒸氣云體積大于受限空間體積時，根據(jù)多能法的理論，此時蒸氣云體積等于受限空間體積，且不再發(fā)生改變，爆炸危害也不發(fā)生變化。

圖4 泄漏壓力不同時的爆炸危害評估

圖5給出了泄漏口直徑對爆炸危害的影響規(guī)律。根據(jù)式(2)，泄漏口直徑的增大雖然對液氫的泄漏速度沒有影響，但卻會使泄漏的質(zhì)量流量增大，從而使得相同時間內(nèi)泄漏的液氫增多，受限蒸氣云體積增大，蒸氣云爆炸能量增大，爆炸波越強，對于人體的危害也越大。當直徑大于0.06 m時，5 min內(nèi)泄漏處的蒸氣云體積大于受限空間體積，最大蒸氣云體積不再發(fā)生變化，爆炸危害也不發(fā)生改變。

圖5 泄漏口大小不同時的爆炸危害評估

根據(jù)式(2)和式(8)可知，泄漏口距離液面越遠(液位高度越高)，液氫的泄漏速度越快，從而單位時間內(nèi)泄漏量也越大。但泄漏口位置的變化對于液氫泄漏量的影響很小，所以由組圖6可以看到，泄漏口與液面的距離越大，造成的爆炸危害越嚴重，但不同液面位置的人員傷害半徑差值并不大。孫恩吉等人在對氨氣泄漏進行數(shù)值模擬計算時，同樣得到泄漏口位置對泄漏氨氣擴散影響不大的結(jié)論[19]。孫暉等人基于蒙特卡洛模擬法和人員受傷風險等級表對液氨泄漏的蒸氣云爆炸風險進行了評估[20]，得出了距離爆炸中心一定范圍內(nèi)發(fā)生人體傷害各級風險的概率曲線圖，直觀反映了不同范圍內(nèi)不同人體傷害的概率。但相較于TNO多能法，其模擬缺乏對泄漏空間受限情況的考慮。

液氫的泄漏速度很快，如不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏，將造成很嚴重的泄漏事故，一旦遇到點火源，還會導致蒸氣云爆炸。根據(jù)液氫的這種特性，可以有以下幾種預防手段：

1)最大化減少使用法蘭的使用;

2)保證使用的所有的結(jié)構(gòu)材料都能適應低溫環(huán)境，以此來確保管道、容器、貯箱等絕熱性良好；

3)增強檢測強度，在易發(fā)生泄漏的區(qū)域安裝氣體濃度監(jiān)測器以及報警器，確保做到早發(fā)現(xiàn)、早排除、早控制盡；

4)明火、靜電火花、電火花、機械火花、沖擊生熱、摩擦生熱等潛在點火源要做到消除，把出現(xiàn)火源的可能性控制到最??；

5)要避免汽化氣體積存，如氫氣和氧氣的積存，隨時做好通風排氣等一系列舉措。

圖6 泄漏口位置不同時的爆炸危害評估

3 總結(jié)

本文對液氫泄漏后的相變情況進行了分析，并運用 TNO多能法對爆炸危害進行了評估，得到了以下結(jié)論：

1)液氫的泄漏速度隨泄漏口壓力和泄漏口直徑的增大而增大，完全氣化時間隨泄漏壓力的增大而減小，隨泄漏口直徑的增大而增大。

2)在泄漏口流量系數(shù)C0不變的情況下，液氫泄漏速度不隨泄漏口直徑的增大而改變。

3)泄漏口的位置距離液面越遠，液氫泄漏速度越大，完全氣化時間越小，但泄漏口位置對泄漏速度和完全氣化時間的影響較小。

4)當泄漏出的蒸氣云的體積小于受限空間體積時，泄漏口壓力越大，泄漏口越大，液氫的泄漏量也越大，從而蒸氣云爆炸的危害越大。