火場(chǎng)條件下相鄰汽油罐油蒸汽泄漏及爆炸規(guī)律*

任少云，夏登友

（中國(guó)人民警察大學(xué)消防指揮系，河北 廊坊 065000）

汽油儲(chǔ)備基地不斷投入建設(shè)，給工業(yè)生產(chǎn)和人類生活帶來(lái)極大便利?；貎?nèi)的油罐主要分為固定頂和浮頂兩類。由于浮頂罐的頂蓋緊貼油面，油罐內(nèi)油品吸熱揮發(fā)的油蒸汽較少。但由于浮頂罐工藝復(fù)雜、投資大，而固定頂罐設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，因此固定頂油罐廣泛應(yīng)用于我國(guó)油庫(kù)區(qū)。由于固定頂罐內(nèi)部存在一定的氣相空間，油庫(kù)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致臨近未著火的固定頂罐內(nèi)汽油吸熱形成大量油蒸汽。對(duì)油蒸汽爆炸的研究已取得了大量成果。Zhang等[1]研究發(fā)現(xiàn)汽油-空氣混合物二次爆炸現(xiàn)象，主要影響因素是油蒸汽和氧氣濃度；Qi等[2]在2 L容器內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了通風(fēng)口尺寸和油蒸汽濃度對(duì)油氣爆炸的影響，研究發(fā)現(xiàn)油蒸汽濃度影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?；Du等[3]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)火源溫度為定值時(shí)，濕度是影響爆炸的關(guān)鍵因素；任少云[4]研究了容器長(zhǎng)徑比對(duì)液化石油氣主要成分丙烷-空氣爆炸規(guī)律的影響；Li等[5]研究了半封閉管道(L/D=10，V=10 L)內(nèi)的障礙物填充率對(duì)油蒸汽-空氣爆炸規(guī)律的影響；Du等[6]研究了非預(yù)混氮?dú)鈱?duì)油蒸汽-空氣爆炸的抑制作用。這些文獻(xiàn)主要研究密閉空間內(nèi)油蒸汽爆炸規(guī)律及相關(guān)影響因素。任海亮[7]研究發(fā)現(xiàn)固定頂油罐受熱后內(nèi)部壓力上升，正常工作的呼吸閥向罐外泄出油蒸汽，以減緩罐內(nèi)壓力。然而在已有研究中，泄漏到罐外的汽油蒸汽濃度分布規(guī)律沒(méi)有定量研究，濃度分布對(duì)爆炸傳播規(guī)律是否有影響關(guān)注較少。當(dāng)空氣中汽油蒸汽爆炸濃度達(dá)到爆炸下限的1/2[8]時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置人員需要設(shè)定警戒線。應(yīng)急處置人員通常采用濃度檢測(cè)儀測(cè)量汽油蒸汽濃度，在取樣過(guò)程中，當(dāng)氣流進(jìn)入取樣探針中形成的擾動(dòng)會(huì)使樣品組分發(fā)生變化，無(wú)法準(zhǔn)確代表混合氣體濃度，影響取樣的準(zhǔn)確性。采用數(shù)值方法模擬油蒸汽擴(kuò)散過(guò)程，得到泄漏油蒸汽濃度分布，并節(jié)約成本、不具有危險(xiǎn)性。因此采用數(shù)值模型，研究火場(chǎng)固定頂汽油罐泄漏油蒸汽擴(kuò)散特征和爆炸規(guī)律具有可行性和必要性，對(duì)于應(yīng)急處置具有重要指導(dǎo)作用。由于容積為5 000 m3的固定頂油罐在油庫(kù)中較普遍，因此在數(shù)值模擬中選擇容積為5 000 m3的固定頂油罐受熱泄漏的油蒸汽為研究對(duì)象。

1 數(shù)值模型和驗(yàn)證

氣體混合和爆炸過(guò)程涉及的數(shù)學(xué)模型主要有混合物模型、湍流模型和組分輸運(yùn)方程。利用Fluent軟件，采用有限元方法離散偏微分方程。

1.1 數(shù)值模型

1.1.1 混合物模型

混合物模型控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。Mixture模型用于模擬兩種氣混合。

質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為混合物密度，t為時(shí)間，v為混合物速度，為矢量微分算子，n為相數(shù)，αe為第e相的體積分?jǐn)?shù)，ρe為第e相的密度，ve為第e相的速度[9]。

動(dòng)量守恒方程：

式中：p為靜壓；μ為混合物黏度，為第e相黏度[9]；上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置，g為重力加速度，F(xiàn)為外部體積力。

能量守恒方程：

式中：Ee為第e相的能量，b1為導(dǎo)熱系數(shù)，b2為紊流熱傳導(dǎo)率(根據(jù)使用的紊流模型定義)，T為溫度，S為體積熱源[9]。

相對(duì)速度[9]被定義為第二種氣體(p)相對(duì)于主氣體(q)的速度：

式中：τp為第二種氣體釋放時(shí)間，ρp為第二種氣體的密度，f為拉拽函數(shù)，ap為第二種氣體的加速度，dp為第二種氣體的直徑，μq為主氣體的黏度，R為雷諾數(shù)。

1.1.2 湍流模型

湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型：

式中：k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率，ui為速度在第i方向的分量，ξ為湍動(dòng)黏度，σε和σk分別為k和ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)(σk=1.0，σε=1.3)，G1為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能，G2為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，K為在可壓縮湍流中擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，S1和S2分別為自定義源項(xiàng)，C1=1.44，C2=1.92，C3與浮力有關(guān)(當(dāng)主流方向與重力方向平行時(shí)C3=1，當(dāng)主流方向與重力方向垂直時(shí)C3=0)[9-10]。

1.1.3 組分輸運(yùn)方程

Fluent通過(guò)第i種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yi，組分輸運(yùn)守恒方程的通用形式：

式中：Yi為第i種物質(zhì)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ji為物質(zhì)i的擴(kuò)散通量，Wi為化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率[9]。

1.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

張玉潔[11]實(shí)驗(yàn)研究了空曠室內(nèi)CO2氣體擴(kuò)散規(guī)律，實(shí)驗(yàn)時(shí)將高壓壓縮、純度為 99.9%的 CO2氣體通過(guò)煤氣軟管形成地面釋放源，釋放流量通過(guò)氣體節(jié)流閥控制，泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)參數(shù)：泄漏源高度，0 m；泄漏流量，10 L/min；泄漏時(shí)間，20 min；風(fēng)速，0 m/s；環(huán)境溫度，常溫；環(huán)境壓力，常壓；監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度為0 m，水平距泄漏源分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m。

本文中采用相同的邊界條件和初始值驗(yàn)證氣體擴(kuò)散模型的準(zhǔn)確性。計(jì)算域的長(zhǎng)和寬均為5 m，高為3 m；中心泄漏源直徑為1 cm；網(wǎng)格劃分采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，網(wǎng)格數(shù)為75 000。

采用CO2泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)測(cè)試初始條件和邊界條件[11]進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到了距地面0 m、距泄漏口的水平距離分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m處的氣體體積分?jǐn)?shù)，如圖1所示。圖1同時(shí)展示了張玉潔[11]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]，二者體積分?jǐn)?shù)分布變化趨勢(shì)較吻合。當(dāng)距泄漏口的水平距離為0.5 m時(shí)，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]吻合度較好。當(dāng)距泄漏口的水平距離為1.0、1.5和2.0 m時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]波動(dòng)較大，數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)穩(wěn)步上升。這主要是由于實(shí)際過(guò)程中，氣體存在黏性，在氣體混合過(guò)程中黏性力降低氣體運(yùn)動(dòng)速度；模擬過(guò)程中地面假定為光滑無(wú)摩擦，而實(shí)際地面有粗糙度。因此導(dǎo)致數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]有一定偏差，但是變化趨勢(shì)是吻合的，證明數(shù)值模型具有一定可靠性、合理性。

圖1 水平向不同距離的體積分?jǐn)?shù)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(泄漏流量為10 L/min)Fig. 1 Volume fraction comparisons between the calculating results and the experimental values at different locations with different distances from the horizontal direction to the tank center (leakage flow is 10 L/min)

2 結(jié) 果

計(jì)算域(圖2)長(zhǎng)、寬和高分別為1 000、1 000和50 m，其中固定頂汽油罐容積為5 000 m3，直徑為22 m，油罐頂部泄漏油蒸汽的呼吸閥的直徑為0.25 m。油罐底面中心坐標(biāo)為(0 m，0 m，0 m)。由于汽油成分為C5～C12，本文數(shù)值計(jì)算中選定C5H12(戊烷)作為油蒸汽的替代氣體，主要是考慮了C5H12相較于其他碳值更大的烴類氣體沸點(diǎn)最低，其爆炸極限與汽油的爆炸極限也較接近[11]，C5H12爆炸下限為1.4%[11]。設(shè)定環(huán)境溫度為310 K，環(huán)境壓力為101 kPa。假設(shè)氣體為理想氣體，地面光滑、絕熱。進(jìn)風(fēng)面為速度入口，其余邊界為壓力出口。汽油蒸汽密度大于空氣密度，其與空氣混合時(shí)會(huì)沉降在地面附近，在距離地面高度1 m內(nèi)應(yīng)急救援人員便于實(shí)施撲救行動(dòng)，因此距離地面1 m以下的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)較大。所以，本文中主要監(jiān)測(cè)距地面高1 m的水平面內(nèi)的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)和爆炸超壓值。在距地面高1 m的水平面內(nèi)，沿X軸方向距罐中心11、15、20、50、100、200、300和 400 m 處分別設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為S1(11 m，0 m，1 m)，S2(15 m，0 m，1 m)，S3(20 m，0 m，1 m)，S4(50 m，0 m，1 m)，S5(100 m，0 m，1 m)，S6(200 m，0 m，1 m)，S7(300 m，0 m，1 m)，S8(400 m，0 m，1 m)。

圖2 計(jì)算域Fig. 2 Computational domain

2.1 固定頂汽油罐泄漏油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律

2.1.1 擴(kuò)散距離對(duì)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布的影響

設(shè)定風(fēng)速為0 m/s，呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s。圖3展示了油罐外不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)-泄漏時(shí)間曲線。隨著泄漏時(shí)間增長(zhǎng)，空氣中油蒸汽逐漸向四周擴(kuò)散。

圖3 水平方向不同位置泄漏的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)-時(shí)間曲線(監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地面高1 m)Fig. 3 Volume fraction-time curves of leaked gasoline vapor at the different monitoring points with different distances from the horizontal direction to the the tank center and 1 m above the ground

由于油蒸汽密度大于空氣密度，因此距罐最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1處油蒸汽體積分?jǐn)?shù)迅速上升。11 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1處油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限1/2；13 s時(shí)該處油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2和S3分別水平距離罐中心15和20 m，油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分別在30和51 s后達(dá)到爆炸下限1/2。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S4水平距離罐中心50 m，該點(diǎn)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)到達(dá)爆炸下限1/2的時(shí)間為7 700 s，比監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1～S3油蒸汽體積分?jǐn)?shù)到達(dá)爆炸下限1/2的時(shí)間長(zhǎng)2個(gè)量級(jí)。根據(jù)我國(guó)應(yīng)急處置的能力，7 700 s[8]時(shí)間內(nèi)能夠完成油罐火災(zāi)的接警處置工作，因此距罐中心50 m以外就可視作安全區(qū)域。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S5～S8分別水平距離罐中心100、200、300和400 m，都可視作處于安全區(qū)域。

2.1.2 風(fēng)速對(duì)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布的影響

為了考查風(fēng)速對(duì)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布的影響，設(shè)定風(fēng)速分別為0、1.5、3.0、5.0和7.0 m/s，呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3在油罐下風(fēng)方向，水平距罐中心20 m，距地面高1 m。

圖4展示了風(fēng)速?gòu)? m/s增大到7.0 m/s，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布時(shí)間曲線。風(fēng)速為0 m/s時(shí)，25 s時(shí)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)迅速上升到0.8%，然后緩慢上升。當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，油蒸汽體積分?jǐn)?shù)先劇烈波動(dòng)，然后在190 s時(shí)保持平穩(wěn)，穩(wěn)定在0.77%。當(dāng)風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)，190 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.67%。當(dāng)風(fēng)速為5.0 m/s，125 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定在0%。當(dāng)風(fēng)速為7.0 m/s時(shí)，96 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定在0%。由此可見(jiàn)，當(dāng)呼吸閥泄漏油蒸汽的速率為0.25 m/s時(shí)，若風(fēng)速小于5.0 m/s，呼吸閥泄漏的油蒸汽易積聚達(dá)到爆炸下限1/2(0.7%)，應(yīng)急處置人員應(yīng)設(shè)置警戒[8]；若風(fēng)速達(dá)到5.0 m/s及以上，呼吸閥泄漏的油蒸汽不易積聚成爆炸油蒸汽，應(yīng)急處置人員可以靠近設(shè)置陣地。

圖4 風(fēng)速對(duì)泄漏油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布的影響(監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3沿水平方向距罐中心20 m，距地面高1 m)Fig. 4 Volume fraction-time curves of leaked gasoline vapor at different wind speeds (the monitoring point S3 is 20 m from the horizontal direction to the tank center,1 m above the ground)

2.1.3 油蒸汽泄漏速率對(duì)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布的影響

5 000 m3的油罐呼吸閥的通氣量要求最大能達(dá)到0.15 m3/s[12]，呼吸閥的直徑一般為0.25 m，其泄漏速率最大為3.00 m/s。為了考查油罐呼吸閥油蒸汽泄漏速率變化對(duì)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布的影響，設(shè)定泄漏速率分別為0.10、0.25、0.50、0.75和1.00 m/s，風(fēng)速為0 m/s。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3在油罐下風(fēng)方向，水平距罐中心20 m，距地面1 m。

圖5展示了當(dāng)油蒸汽泄漏速率從0.10 m/s增大到1.00 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分布時(shí)間曲線。油蒸汽泄漏速率為0.10 m/s時(shí)，泄漏40 s時(shí)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)迅速上升到0.4%；40 s后油蒸汽緩慢上升，油蒸汽易積聚，達(dá)到爆炸下限1/2所需時(shí)間為5 700 s。泄漏速率為0. 25 m/s，泄漏23 s時(shí)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.7%，達(dá)到爆炸下限1/2，然后緩慢上升。泄漏速率為0. 50 m/s，泄漏17 s時(shí)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.7%，達(dá)到爆炸下限1/2；泄漏60 s時(shí)，油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.4%，達(dá)到爆炸極限。泄漏速率為0. 75 m/s，泄漏14 s時(shí)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.7%，達(dá)到爆炸下限1/2；泄漏18 s時(shí)，油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.4%，達(dá)到爆炸極限。泄漏速率為1.00 m/s，泄漏12 s時(shí)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.7%，達(dá)到爆炸下限1/2；泄漏15 s時(shí)，油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.4%，達(dá)到爆炸極限。由此可見(jiàn)，泄漏速率越高，達(dá)到爆炸下限1/2與達(dá)到爆炸極限的時(shí)間相差越短。

泄漏速率為0.10 m/s時(shí)，呼吸閥泄漏的油蒸汽易積聚，達(dá)到爆炸下限1/2所需時(shí)間為5 700 s；泄漏速率為1.00 m/s時(shí)，油蒸汽易積聚,達(dá)到爆炸下限1/2所需時(shí)間僅為12 s。呼吸閥泄漏的油蒸汽速率增高1個(gè)量級(jí)，積聚成爆炸油蒸汽下限1/2所需的時(shí)間縮短2個(gè)量級(jí)。

圖5 不同泄漏速率條件下油蒸汽體積分?jǐn)?shù)-時(shí)間曲線(監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3沿水平方向距罐中心20 m，距地面高1 m)Fig. 5 Volume fraction-time curves of gasoline vapor at different leakage speeds (the monitoring point S3 is 20 m from the horizontal direction to the tank center,1 m above the ground)

2.2 油蒸汽爆炸壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)

2.2.1 爆炸壓力和溫度的時(shí)空分布

為了考查固定頂油罐呼吸閥泄漏的油蒸汽爆炸規(guī)律，設(shè)定風(fēng)速為3.0 m/s，呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s，已泄漏200 s。著火點(diǎn)坐標(biāo)為(12 m，0 m，1 m)，點(diǎn)火半徑為5 mm，點(diǎn)火溫度為2 000 K。在距地面高1 m的水平面內(nèi)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1、S2、S3、S4和S5，其沿X軸方向分別距罐中心11、15、20、50、100 m。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1、S2、S3、S4和S5的超壓-時(shí)間和溫度-時(shí)間曲線如圖6所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1(距罐心11 m)水平距著火點(diǎn)1 m，超壓峰值為17.8 kPa，溫度峰值達(dá)到2 389 K。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2(距罐心15 m)水平距著火點(diǎn)3 m，其超壓峰值和溫度峰值與監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1的較接近，分別為16.7 kPa和2 345 K，表明距著火點(diǎn)3 m內(nèi)爆炸壓力和溫度差異不明顯。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3(距罐心20 m)水平距著火點(diǎn)8 m，超壓峰值為10.1 kPa，溫度峰值達(dá)到2 217 K，到達(dá)溫度峰值時(shí)間為0.36 s，相比較監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1和S2，壓力峰值下降1/2，到達(dá)溫度峰值時(shí)間延遲3倍。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S4(距罐心50 m)水平距著火點(diǎn)38 m，超壓峰值為2 kPa，溫度無(wú)明顯變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)S5(距罐心100 m)水平距著火點(diǎn)88 m，超壓峰值為0.2 kPa，溫度也無(wú)明顯變化。距點(diǎn)火源距離增大1個(gè)量級(jí)，超壓峰值下降1～2個(gè)量級(jí)，溫度急劇下降。這是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向距泄漏源越遠(yuǎn)，參與燃燒的可燃油蒸汽越少，燃燒產(chǎn)物的膨脹推動(dòng)速度越低，超壓波也隨之降低；并且由于周圍環(huán)境吸收熱量，火焰溫度下降至常溫。

圖6 水平方向不同位置油蒸汽爆炸超壓-時(shí)間和溫度-時(shí)間曲線(監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地面高1 m)Fig. 6 Gasoline vapor explosion overpressure-time and temperature-time curves at the different monitoring points with the different distances from the horizontal direction to the tank center(the monitoring points are 1 m above the ground)

2.2.2 不同水平位置點(diǎn)火對(duì)爆炸壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響

選擇距地面高1 m的水平面內(nèi)，考查不同水平位置點(diǎn)火對(duì)油蒸汽爆炸規(guī)律的影響。沿X軸方向距罐中心 12、15、20 m 處分別設(shè)著火點(diǎn)，點(diǎn)火點(diǎn)坐標(biāo)為I1(12 m，0 m，1 m)，I2(15 m，0 m，1 m)，I3(20 m，0 m，1 m)；其他條件與2.2.1節(jié)中一致。點(diǎn)火爆炸后壓力和溫度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2設(shè)在油罐下風(fēng)方向，水平距罐中心15 m，距地面高1 m。

由2.1節(jié)中數(shù)值計(jì)算得到著火點(diǎn)I1、I2和I3的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分別為2.50%、1.46%、0.12%。圖7顯示了不同水平位置點(diǎn)火時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2的爆炸壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)時(shí)間曲線。著火點(diǎn)I1水平方向距罐中心12 m，離罐較近，油蒸汽體積分?jǐn)?shù)較高，達(dá)到爆炸當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)。在I1點(diǎn)火爆炸后，超壓峰值達(dá)到17 kPa，溫度達(dá)到2 300 K。著火點(diǎn)I2水平方向距罐中心15 m，該處油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限。在I2點(diǎn)火爆炸后，超壓峰值達(dá)到0.4 kPa，爆炸超壓較低，溫度達(dá)到2 000 K。這是由于I2點(diǎn)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)只達(dá)到爆炸下限，可燃性混合氣體雖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但參與反應(yīng)的可燃物較少，壓力上升不明顯。著火點(diǎn)I3水平方向距罐中心20 m，該處油蒸汽體積分?jǐn)?shù)為0.12%，低于爆炸下限1/2。在I3點(diǎn)火爆炸后，溫度和壓力時(shí)間曲線顯示沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，高溫火花熄滅，壓力沒(méi)有波動(dòng)。這是因?yàn)橹瘘c(diǎn)在水平方向距離泄漏源較遠(yuǎn)，參與燃燒的可燃油蒸汽較少，沒(méi)有發(fā)生燃燒。

2.2.3 不同高度點(diǎn)火對(duì)爆炸壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響

為了考查不同高度點(diǎn)火對(duì)油蒸汽爆炸規(guī)律的影響，在水平距罐心12 m遠(yuǎn)的位置，距地面分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m處設(shè)著火點(diǎn)，著點(diǎn)火坐標(biāo)為I4(12 m，0 m，0.5 m)，I5(12 m，0 m，1 m)，I6(12 m，0 m，1.5 m)和I7(12 m，0 m，2 m)；其他條件與2.2.1節(jié)中一致。由2.1節(jié)中數(shù)值計(jì)算得到著火點(diǎn)I4、I5、I6和I7的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)分別為3.8%、2.5%、2.2%、2.0%。點(diǎn)火爆炸后壓力和溫度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2設(shè)在油罐下風(fēng)方向，水平距罐中心15 m，距地面1 m。

圖7 不同水平位置點(diǎn)火時(shí)爆炸壓力-時(shí)間和溫度-時(shí)間曲線(監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿水平方向距罐中心15 m，距地面高1 m)Fig. 7 Explosion overpressure-time and temperature-time curves with different ignition locations along the horizontal direction(the monitoring point is 15 m from the horizontal direction to the tank center, 1 m above the ground)

圖8展示了不同高度點(diǎn)火時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2的爆炸壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)時(shí)間曲線。著火點(diǎn)I4(距地面高0.5 m)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)為3.8%(高于當(dāng)量體積分?jǐn)?shù))，在該處點(diǎn)火爆炸后，超壓峰值達(dá)到7 kPa，溫度在0.15 s達(dá)到2 300 K。著火點(diǎn)I5(距地面高1 m)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)為2.5%(當(dāng)量體積分?jǐn)?shù))，在該處點(diǎn)火爆炸后，超壓峰值達(dá)到17 kPa，溫度在0.11 s達(dá)到2 300 K。著火點(diǎn)I6(距地面高1.5 m)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)為2.2%，在該處點(diǎn)火爆炸后，超壓峰值達(dá)到5 kPa，溫度在0.17 s達(dá)到2 300 K。著火點(diǎn)I7(距離地面高2 m)油蒸汽體積分?jǐn)?shù)為2%，在該處點(diǎn)火爆炸后，超壓峰值達(dá)到4 kPa，溫度在0.18 s達(dá)到2 300 K。著火點(diǎn)I4處油蒸汽體積分?jǐn)?shù)高于當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)，I6和I7處油蒸汽體積分?jǐn)?shù)低于當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)，因此爆炸超壓峰值均低于著火點(diǎn)I5處的峰值，到達(dá)峰值溫度的時(shí)間也遲于著火點(diǎn)I5處到達(dá)峰值溫度的時(shí)間。這是因?yàn)橛驼羝芏缺瓤諝饷芏却?，油蒸汽下沉，在距地面? m位置的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)，爆炸超壓峰值最高；靠近地面的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)大于當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)，參與燃燒的氧氣較少；高于1 m處的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)低于當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)，參與燃燒的油蒸汽較少。

圖8 不同高度點(diǎn)火時(shí)爆炸壓力-時(shí)間和溫度-時(shí)間曲線(監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2沿水平方向距罐中心15 m，距地面高1 m)Fig. 8 Explosion overpressure-time and temperature-time curves with different ignition locations along the vertical direction(the monitoring point S2 is 15 m from the horizontal direction to the tank center, 1 m above the ground)

3 討 論

圖9展示了在距地面高1 m的位置，當(dāng)風(fēng)速為0 m/s時(shí)，泄漏的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限1/2(0.7%)的時(shí)間和擴(kuò)散距離的關(guān)系。

圖9 泄漏的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限1/2的時(shí)間隨擴(kuò)散距離的變化(監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地面高1 m)Fig. 9 Variation of the time to reach 1/2 of the lower flammable limit with the diffusion distance to the tank center in the horizontal direction (the monitoring point is 1 m above the ground)

圖9展示了隨著擴(kuò)散距離增大，油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限1/2的時(shí)間呈指數(shù)上升：

式中：x為距罐心距離，m；y為泄漏油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限1/2的時(shí)間，s。

油庫(kù)火災(zāi)中冷卻未著火油罐時(shí)，要求水流能掃射到罐壁，直流水槍射程為17 m，消防水炮射程一般為48～80 m。選取17、48和80 m臨界值作為計(jì)算依據(jù)，采用擬合函數(shù)(8)求得3種距離所在位置達(dá)到爆炸下限1/2的時(shí)間分別為0.5、30、20 455 min。當(dāng)應(yīng)急處置人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，詢問(wèn)5 000 m3固定頂油罐泄漏油蒸汽時(shí)間后，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果選擇不同射程的水槍或水炮，就可在安全區(qū)域設(shè)置冷卻陣地。

探討固定頂油罐呼吸閥泄漏油蒸汽爆炸壓力場(chǎng)變化規(guī)律，是為了應(yīng)急處置過(guò)程中能夠避免爆炸造成人員的傷亡和救援設(shè)備的損壞。圖10展示了當(dāng)風(fēng)速為3.0 m/s、呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s、泄漏200 s時(shí)，在距地面高1 m、水平距罐心12 m位置點(diǎn)火后的超壓峰值與壓力波傳播距離的關(guān)系，擬合公式為：

式中：x為距著火點(diǎn)的距離，m；y為超壓峰值，kPa。

圖10 壓力波傳播距離對(duì)超壓峰值的影響(距地面高1 m)Fig. 10 Influence of distance from the ignition point on peak overpressure (1 m above the ground)

人員在沖擊波超壓作用下將受到不同程度的傷害。因此明確不同的超壓傷害、破壞距離，可為沖擊波作用范圍評(píng)估與安全防護(hù)距離設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。不同超壓作用條件下的人員傷害和建筑破壞作用如表1[13]所示。

表1 不同超壓作用條件下的人員傷害和建筑破壞作用Table 1 Personnel injury and building destruction under different overpressure conditions

選取6、15、19.6 kPa臨界值作為計(jì)算依據(jù)，在圖10的基礎(chǔ)上，采用擬合公式(9)求得3種超壓所在位置與爆炸中心的距離分別為15、3.5、0.1 m。因此，在火災(zāi)條件下，當(dāng)汽油罐泄漏的油蒸汽體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸極限體積分?jǐn)?shù)時(shí)，多個(gè)應(yīng)急救援小組進(jìn)入泄漏區(qū)域則應(yīng)避免攜帶火源，且小組之間至少應(yīng)保持15 m的距離，避免造成多小組同時(shí)受傷。

4 結(jié) 論

以5 000 m3固定頂汽油罐(22 m×13 m)泄漏油蒸汽為研究對(duì)象，探索不同條件下油蒸汽泄漏擴(kuò)散過(guò)程和爆炸過(guò)程。主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)無(wú)風(fēng)且呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s時(shí)，距罐中心50 m以外可視作安全區(qū)域。

(2)當(dāng)呼吸閥泄漏的油蒸汽速率為0.25 m/s且風(fēng)速達(dá)到5 m/s及以上時(shí)，不易積聚成爆炸蒸汽。當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)，呼吸閥泄漏的油蒸汽速率增高1個(gè)量級(jí)(由0.10 m/s增高到1.00 m/s)，積聚成爆炸油蒸汽下限1/2所需時(shí)間縮短2個(gè)量級(jí)(由5 700 s到12 s)。

(3)當(dāng)風(fēng)速為3 m/s、呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s、泄漏時(shí)間為200 s，且著火點(diǎn)距罐壁1 m遠(yuǎn)時(shí)，距著點(diǎn)火的水平距離增大1個(gè)量級(jí)，超壓峰值下降1～2個(gè)量級(jí)，溫度急劇下降。

本文可為火災(zāi)環(huán)境下油氣泄漏爆炸危險(xiǎn)性辨識(shí)、爆炸事故預(yù)防和爆炸事故原因研判提供科學(xué)依據(jù)。