LPG球罐BLEVE過程中超壓與熱耦合效應(yīng)模擬研究*

高玉格 馬鑫 關(guān)磊 盧曉剛 李鐵 劉建

(1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 北京 100012； 2.北京科技大學(xué) 北京 100083；3.青島中油華東院安全環(huán)保有限公司 山東青島 266071)

0 引言

液化石油氣球罐泄漏可能發(fā)生沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosio，BLEVE)。LPG球罐發(fā)生BLEVE時，儲罐破裂釋放出巨大能量，除產(chǎn)生爆炸沖擊波外，同時產(chǎn)生巨大的火球和強烈的熱輻射[1]。1984年11月19日，墨西哥一家石油公司LPG球罐發(fā)生BLEVE，火球直徑達360 m，爆炸沖擊波和熱輻射波及附近1 200 m范圍，約1 400間民房遭毀壞，導(dǎo)致500多人死亡、7 000多人受傷、3.1萬人無家可歸[2]。2015年7月16日，山東日照石大科技石化有限公司著火的LPG球罐發(fā)生BLEVE，先后發(fā)生4次爆炸，火焰蔓延了9個球罐。

尚永龍[3]研究了室內(nèi)LPG爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下對鋼筋混凝土樓板的耦合效應(yīng)；黃濤[4]研究了儲氣倉庫內(nèi)可燃氣體發(fā)生爆轟，超壓波與溫度場對倉庫的破壞作用。關(guān)于LPG球罐發(fā)生BLEVE時爆炸沖擊波和熱輻射的耦合效應(yīng)對周圍建筑物的破壞作用，目前的文獻還不多。根據(jù)文獻[5]中的軟件模擬結(jié)果，丙烯球罐發(fā)生BLEVE時后果最嚴重。本文嘗試模擬研究LPG球罐發(fā)生BLEVE過程中超壓與熱耦合效應(yīng)對抗爆控制室和避難所選址的影響。其中超壓沖擊波計算采用TNO(荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究院)多能法 (Multi-Energy Method，MEM)[6-8]。熱效應(yīng)計算分為目標在火球半徑內(nèi)和半徑外兩種，在火球半徑內(nèi)采用多點源計算方法[9-11]；在火球半徑外采用《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護距離確定方法》(GB/T 37243—2019)[12]推薦的方法。

1 研究方法

在LPG球罐發(fā)生BLEVE過程中，爆炸沖擊波的傳播速度、持續(xù)時間和火球的傳播速度、持續(xù)時間不同，爆炸沖擊波主要在燃料高速拋散的初期形成，之后基本與火球脫離，爆燃過程后期所釋放的能量對沖擊波能量貢獻不大[13]。研究目標通常最先受到?jīng)_擊波超壓襲擊，接著是火球發(fā)出的持續(xù)熱輻射。本文采用經(jīng)試驗驗證的數(shù)學(xué)模型作用到抗爆控制室和避難所上，采用MATLAB計算沖擊波超壓和熱輻射，采用ANSYS模擬二者破壞效應(yīng)的耦合作用。

1.1 采用TNO多能法數(shù)學(xué)模型計算沖擊波超壓

1.1.1 爆炸能量的計算

LPG儲罐發(fā)生BLEVE時,爆炸的能量[11]為

Eg= [(H1-H2)-(S1-S2)Tb]M

(1)

式中，Eg為LPG儲罐發(fā)生蒸氣爆炸的總能量，kJ；H1為儲罐破裂前平均溫度下LPG的焓，kJ/kg；H2為大氣壓力下LPG的焓，kJ/kg；S1為儲罐破裂前平均溫度下LPG的熵，kJ/(kg·K)；S2為大氣壓力下LPG的熵，kJ/(kg·K)；Tb為大氣壓力下LPG的沸點，K；M為LPG的質(zhì)量，kg。

LPG的質(zhì)量為

M=nkvρ

(2)

式中，M為LPG的質(zhì)量，kg；n為LPG儲罐個數(shù)，取1；k為LPG儲罐充裝系數(shù)，取0.9；v為LPG儲罐體積，m3；ρ為儲罐中液相LPG的密度，kg/m3。

對產(chǎn)生沖擊波超壓貢獻的能量為

E=a·Eg

(3)

式中，E為對產(chǎn)生沖擊波超壓貢獻的能量，kJ；Eg為LPG儲罐發(fā)生蒸氣爆炸的總能量，kJ；a為對產(chǎn)生沖擊波超壓貢獻的能量系數(shù)，取0.4。

1.1.2 沖擊波超壓的計算

本文選用TNO多能模型計算沖擊波超壓。TNO 多能模型是以半球形氣云為模型，假定中心點火，火焰以恒定速度傳播，經(jīng)模擬計算得到不同火焰?zhèn)鞑ニ俣认碌臍庠票◤姸?，獲得了一組氣云爆炸沖擊波的峰值超壓及正相壓力持續(xù)時間與無量綱距離之間的關(guān)系曲線[14-15]，如圖1和圖2所示。

圖1 無量綱峰值超壓與無量綱距離的關(guān)系

圖2 無量綱正壓持續(xù)時間與無量綱距離的關(guān)系

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中， △Pmax為沖擊波的峰值超壓，MPa；P0為大氣壓力，取0.1 MPa；L為目標與爆炸源的實際距離，m；Eg為LPG儲罐發(fā)生蒸氣爆炸的總能量，MJ；E為對產(chǎn)生沖擊波超壓貢獻的能量，MJ；t+為正相壓力持續(xù)時間，s；c0為空氣中的聲速，通常取340 m/s；I為沖擊波的沖量，MPa·s。

TNO 多能模型在工程實例應(yīng)用中的關(guān)鍵步驟之一是準確選取爆炸特征曲線數(shù)字[14]，其中爆炸強度分為12個類別，根據(jù)物質(zhì)點火能大小分為高和低兩種情況，約束分為存在約束和不存在約束兩種情況，根據(jù)現(xiàn)場阻塞程度分為高阻塞度、低阻塞度和無阻塞3種情況，強度分為10個等級?；谝陨显瓌t可判斷LPG球罐發(fā)生BLEVE事故的爆炸能量高、阻塞度低、存在約束(球罐底部)，故選取爆炸強度等級5～7，按照最不利情況處理，爆炸特征曲線選擇數(shù)字7。

1.2 采用多源數(shù)學(xué)模型計算火球熱輻射

火球的性質(zhì)參數(shù)主要包括火球高度、持續(xù)時間和最大直徑。其中，對于最大直徑和持續(xù)時間的計算比較統(tǒng)一，采用國際勞工組織建議的沸騰液體擴展為蒸氣云爆炸熱輻射模型[12]。

MARTINSEN W E等[16]研究了火球上升的高度，他們從美國消防協(xié)會錄制的3個BLEVE視頻中發(fā)現(xiàn)，火球達到最大尺寸的時間和升空的時間大致相等，此時火球的中心上升到3倍于火球最大半徑的高度。

GB/T 37243—2019[12]中給出了熱輻射模型及適用條件：目標到火球中心的距離大于火球直徑。以抗爆控制室和避難所為目標，經(jīng)模擬計算發(fā)現(xiàn)距離小于火球直徑，無法使用標準里推薦的熱輻射模型。

BIRK A M等[9]給出了火球熱輻射視覺系數(shù)的計算模型，李玉等[10]采用CFD模擬給出了多點源計算方法，本文采用多源熱輻射計算模型進行模擬計算。

假設(shè)火球半徑為R，控制點等分間距為d，i、j、k分別為軸向、徑向、環(huán)向方向的控制點個數(shù)，火球的離散方程為

軸向方向:r=0+i×d(0≤i

(8)

徑向方向:φ=0+π×j/3 (0≤j<2π)

(9)

其中：0≤φ<2π。

環(huán)向方向:θ=0+π×k/4 (0≤k<π)

(10)

其中：0≤θ<π。

單個控制點的熱輻射釋放速率為

q= (ηhcM0)/N

(11)

式中，η為燃燒效率，單罐取0.5，雙罐取0.7，多罐取0.9；hc為燃燒物的燃燒熱，kJ/kg;M0為可燃物總質(zhì)量，kg;N為控制點總個數(shù)，N=i×j×k。

單個控制點對距離該點L處目標的熱輻射通量為

(12)

火球?qū)δ繕说目偀彷椛渫繛?/p>

(13)

式中，χ為輻射分數(shù)，取1.0(保守值)；α為徑向方向夾角(目標表面與控制點i之間)，°；L為目標到控制點i的距離，m。

cosα=D2/4(H2+L2)

(14)

式中，D為火球直徑，m；H為火球高度，m；L為目標到控制點i的距離，m。

1.3 以丙烯球罐為例的模擬參數(shù)

丙烯球罐材質(zhì)為Q370R，球罐體積為2 000 m3，操作壓力為1.115 6 MPa，儲存溫度為25 ℃，介質(zhì)為液氣兩相丙烯。

2 抗爆控制室模擬研究結(jié)果

根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》(GB 50779—2012)[17]要求，抗爆控制室對著球罐方向的抗爆墻可以承受沖擊波峰值入射超壓最大值為21 kPa，采用TNO法公式計算當1個丙烯球罐發(fā)生BLEVE時，21 kPa超壓沖擊波最遠可達距火球中心水平距離195.7 m處。當距離≤195.7 m時，抗爆控制室將超過標準要求臨界值。如果在195.7 m處建抗爆控制室，當丙烯球罐發(fā)生BLEVE時，抗爆控制室先受到超壓沖擊波的襲擊，之后受到熱輻射襲擊，受到的熱輻射為59.06 kW/m2，持續(xù)時間為77.28 s，計算結(jié)果如圖3所示。

采用ANSYS的workbench模擬二者破壞效應(yīng)的耦合作用，發(fā)現(xiàn)抗爆控制室的墻最大溫升為163.46 ℃。根據(jù)文獻[18]，墻體的最小厚度不小于 200 mm；根據(jù)文獻[19]，當溫度超過400 ℃時，抗爆墻的強度急劇下降。環(huán)境溫度按照40 ℃計算，抗爆墻最高溫度為203 ℃，熱對墻的破壞作用不明顯。此時若抗爆控制室選址>195.7 m，則超壓沖擊波和熱輻射耦合作用為0%；若抗爆控制室選址≤195.7 m，則超壓沖擊波超過標準要求臨界值，導(dǎo)致抗爆控制室被超壓沖擊波破壞，即無需熱輻射的疊加作用就已經(jīng)被破壞了，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 ANSYS模擬計算距離LPG球罐BLEVE火球中心189.1 m處抗爆控制室墻體熱效應(yīng)結(jié)果

3 避難所模擬研究結(jié)果

若將地面上避難所選擇在緊鄰球罐的防火堤外，假設(shè)避難所距離火球中心為20 m，計算結(jié)果如圖5、圖6所示，沖擊波超壓值為101.3 kPa，目標熱輻射值為162.4 kW/m2，避難所的墻最大溫升為392.32 ℃，環(huán)境溫度按照40 ℃計算，墻最高溫度為432.32 ℃，建在地面上的避難所將被完全摧毀。因此需將避難所設(shè)置在地面下，且人員應(yīng)在BLEVE發(fā)生前進入避難所才能逃生，地面下的避難所應(yīng)具有抗震、防滲、防火、防中毒窒息等性能[20]。

圖5 MATLAB模擬計算距離LPG球罐BLEVE火球中心20 m處結(jié)果

圖6 ANSYS模擬計算距離LPG球罐BLEVE火球中心20 m處避難所墻體熱效應(yīng)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)抗爆控制室選址只需考慮LPG球罐爆炸沖擊波的影響。

(2)距離LPG球罐較近的避難所選址需要考慮沖擊波超壓和火球熱輻射作用的雙重影響。

(3)LPG球罐附近人員逃生的避難所應(yīng)設(shè)置在地面下，且人員應(yīng)在BLEVE發(fā)生前進入避難所才能逃生，地面下的避難所應(yīng)具有抗震、防滲、防火、防中毒窒息等性能。