卸油管斷裂汽油泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

高建淑 李潤求,2,3 教授 邱嵐伊 崔 燕,2,3 講師 劉 勇,2,3 副教授

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制應(yīng)急管理部安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

0 引言

汽油是一種重要燃料,應(yīng)用非常普遍。在城市的發(fā)展建設(shè)過程中,汽車加油站的數(shù)量不斷增加,其位置也逐漸向城市中心靠近。加油站作為充裝汽油、柴油等油品的場所,站內(nèi)儲存的都是易燃易爆危險(xiǎn)品,火災(zāi)危險(xiǎn)性大,尤其在油品裝卸過程中,容易發(fā)生由于油品泄漏引發(fā)的火災(zāi)或爆炸事故[1-2]。如2017年7月26日,貴港市港北區(qū)建設(shè)西路一加油站發(fā)生油品泄漏事故,約3 000L汽油從加油站地下儲存罐泄漏;2022年11月14日,廣西梧州一油罐車在裝卸時自燃起火,迅速引燃旁邊2輛油罐車。汽油一旦泄漏,將會產(chǎn)生重大安全隱患,如果處理得當(dāng),對周邊人員及外界環(huán)境影響較小;如果處理不當(dāng),會對周圍人員、設(shè)備、環(huán)境都造成巨大的危害,還有可能引發(fā)二次事故[3]。

為研究汽油泄漏規(guī)律,蔣依等[4]對近10年的罐車燃油泄漏火災(zāi)事故特性進(jìn)行分析,得出罐車燃油泄漏火災(zāi)事故的相關(guān)規(guī)律;張志堅(jiān)等[5]考慮相鄰儲罐之間的影響,通過FLACS軟件,建立罐區(qū)三維模型,分別討論汽油泄漏后油池和可燃?xì)庠圃诓煌孤┧俾?、溫度、風(fēng)速影響的擴(kuò)散行為,研究表明油池及可燃?xì)庠茢U(kuò)散速度越快,危險(xiǎn)程度越高,而溫度對油池?cái)U(kuò)展及氣云擴(kuò)散影響較小;王旭等[6]以某罐區(qū)汽油泄漏為例,通過FLACS軟件建立汽油儲罐泄漏模型,在泄漏源周圍設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),得出可燃?xì)怏w探測器的最佳設(shè)置高度;齊玉鳳等[7]通過對汽油泄漏池火災(zāi)的燃燒特性參數(shù)進(jìn)行分析,重點(diǎn)研究油池直徑對安全間距的影響,并結(jié)合具體案例對汽油池火災(zāi)的熱輻射范圍進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真模擬分析,結(jié)果表明熱輻射通量隨油池直徑的增大而急劇增大;Katsuhiro等[8]提出一種更適合于封閉空間的汽油泄漏擴(kuò)散蒸發(fā)的預(yù)測模型,根據(jù)該模型對汽油處理區(qū)域爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估;Ronald等[9]、Mritunjay等[10]通過實(shí)驗(yàn)確定汽油泄漏會引起蒸發(fā)質(zhì)量流量,在大型泄漏的情況下,排放物主要與危險(xiǎn)爆炸性環(huán)境的形成有關(guān),最后得出蒸發(fā)質(zhì)量流量在泄漏大小和不同環(huán)境條件下的相關(guān)性;徐大用等[11]采用FLACS軟件模擬汽油泄漏后的起火燃爆和形成可燃?xì)庠瓢l(fā)生爆炸2種事故后果,得出可燃?xì)庠票ǖ氖鹿屎蠊热急鼑?yán)重;楊柳[12]通過加油站卸油作業(yè)中發(fā)生火災(zāi)爆炸的典型事故案例,分析卸油作業(yè)火災(zāi)爆炸的事故特點(diǎn)及事故原因,探討預(yù)防汽車加油站卸油作業(yè)火災(zāi)事故的主要技術(shù)措施。

目前,對于裝卸過程中汽油罐車的泄漏問題研究較少,且目前研究主要集中在燃油儲罐區(qū)泄漏,以及池火災(zāi)和氣云擴(kuò)散等方面。但在裝卸作業(yè)中由于輸液管斷開、破裂、密封墊破損、接頭緊固栓松動等導(dǎo)致汽油泄漏的情況時有發(fā)生,因此對裝卸作業(yè)中汽油罐車泄漏問題進(jìn)行研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

綜上,本文應(yīng)用FLUENT軟件,對在加油站進(jìn)行裝卸作業(yè)時發(fā)生的汽油泄漏場景進(jìn)行模擬,研究不同管徑卸油管斷裂的泄漏情況,從而獲得不同管徑卸油管斷裂汽油泄漏的規(guī)律,以期為裝卸過程中的汽油罐車泄漏事故處理與防控提供依據(jù)。

1 泄漏模型和條件假設(shè)

1.1 液相泄漏模型

汽油在《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》中屬于第3類:易燃液體,常溫下汽油外觀為透明易流動液體,空氣中含量為74～123g/m3時遇火爆炸。當(dāng)汽油儲罐發(fā)生泄漏時,汽油會以液態(tài)形式從泄漏孔流出,泄漏速率可用流體力學(xué)的伯努利方程進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:

Q—液體泄漏速度,kg/s;

Cd—液體泄漏系數(shù),本文取0.65;

A—泄漏口面積,m2;

ρ—泄漏液體密度,800kg/m3;

P—容器內(nèi)介質(zhì)壓力,取100kPa;

P0—環(huán)境壓力,取101kPa;

g—重力加速度,9.8m/s2;

h—裂口上液位高度,m。

1.2 組分運(yùn)輸模型和湍流模型

本文所述汽油泄漏后的流動可視為湍流流動過程,湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,此模型由Launder和Spalding提出,因其穩(wěn)定、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)使之成為湍流模型中應(yīng)用范圍最廣的一個模型[13]。模擬汽油液相泄漏過程中,使用組分運(yùn)輸模型模擬汽油泄漏過程。

無反應(yīng)多組分運(yùn)輸模型:

(2)

式中:

v—運(yùn)動粘度,m2/s;

Yi—第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);

Ji—物質(zhì)i的擴(kuò)散通量;

Ri—第i種組分生成產(chǎn)物凈產(chǎn)生速率;

t—時間,s;

Si—離散相及用戶定義的源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生率。

湍動能k方程和湍動耗散率ε方程的輸運(yùn)方程為:

(3)

(4)

式中:

k—湍流動能,m2/s2;

ε—湍流動能耗散率,m2/s3;

ρ—密度,kg/m3;

ui—時均速度,m/s;

μ—湍流粘度,Pa·s;

μi—湍流粘性系數(shù),Pa·s;

xj、xi—空間坐標(biāo);

Gk—平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能;

Gb—由浮力產(chǎn)生的湍流動能;

YM—在可壓縮湍流中脈動擴(kuò)散產(chǎn)生的波動;

C1ε、C2ε、C3ε—常量,取值為C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09;

σk、σε—湍動能k方程和湍動耗散率方程的湍流普朗特?cái)?shù),為σk=1.3,σε=1.0;

Sk、Sε—用戶自定義源項(xiàng)。

1.3 模擬條件假設(shè)

加油站油罐車的卸油管管徑一般是DN50、DN65、DN80、D100等,因此輸液管斷開、破裂、密封墊破損、接頭緊固栓松動等非密閉式卸油導(dǎo)致的泄漏問題,都可以簡化為泄漏口大小的問題,所以取管徑為DN50、DN65、DN80和DN100的管作為研究對象,取泄漏口半徑為25、32.5、40和50mm。模擬的假設(shè)和簡化條件如下:

(1)加油站卸油管斷裂多數(shù)是由于外力拖拽所致,導(dǎo)致油管脆弱部分發(fā)生斷裂或者直接從接口處斷開,為簡化模型,設(shè)定泄漏口為油罐車罐體卸油口處。

(2)模擬過程中,泄漏源的源強(qiáng)為連續(xù)、均勻的,泄漏速率由上述公式(1)換算得到。

(3)環(huán)境溫度取湘潭市年平均氣溫26.85℃,在整個擴(kuò)散過程中不發(fā)生變化,始終保持初始設(shè)置狀態(tài)且與外界無熱量交換。

(4)當(dāng)外界風(fēng)速影響時,不考慮風(fēng)向變化,由于正常情況下卸油為密閉式卸油,風(fēng)速對卸油作業(yè)影響不大,故取風(fēng)速為2m/s,風(fēng)向?yàn)樾孤┓较颉?/p>

(5)泄漏汽油遵循質(zhì)量守恒定律,泄漏過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變反應(yīng)。

2 汽油罐車泄漏物理模型

2.1 物理模型構(gòu)建

本文結(jié)合湘潭市某加油站的現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù),根據(jù)汽油運(yùn)輸罐車的大小,建立罐體長7.5m,直徑2.5m,距離地面高度1.25m的圓筒形儲罐模型。罐體有效容積為35m3,根據(jù)湘潭市某加油站的實(shí)際尺寸將泄漏擴(kuò)散空間計(jì)算域簡化為長×寬×高(35m×25m×5m)的長方體,罐體位于空間距底面0.75m處,使用Workbench中的ICEM模塊對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量為25萬個?？紤]到計(jì)算精度及計(jì)算時長問題,采用局部網(wǎng)格加密方法,僅對罐體泄漏口的網(wǎng)格進(jìn)行加密,總體如圖1所示。圖1(a)中箭頭方向?yàn)閄軸正方向且為風(fēng)向,左側(cè)為風(fēng)速入口,右側(cè)為出口;風(fēng)速入口和泄漏口都定為速度入口(Velocity Inlet),罐體和四周設(shè)為固定絕熱壁面(Wall)條件。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

2.2 模擬條件設(shè)定

卸油管斷裂汽油泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬工況,見表1。

表1 模擬工況Tab.1 Simulated working conditions

3 泄漏模擬結(jié)果分析

表2為油罐車卸油時輸液管斷裂的情況下,模擬不同管徑輸液管的泄漏情況,得到的地面汽油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)分布云圖。

表2 不同管徑輸液管在不同泄漏時間地面汽油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)分布云圖Tab.2 The cloud map of the gasoline mass fraction distribution on the ground under infusion tubes with different tube sizes at different leakage times

由表2可以看出,泄漏時間達(dá)到5s時,泄漏口半徑為25mm的情況,地面的汽油主要集中在泄漏口下方,剛開始泄漏,地面汽油還沒有較大的流動;32.5mm時,地面的汽油有輕微的流動;40mm時,較前2個泄漏半徑流動面積更大一點(diǎn);50mm時,在地面形成的汽油液池較前3個泄漏半徑都大,由于剛開始泄漏,4種泄漏情況下的地面汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)都接近0.3,但是50mm的泄漏口半徑在地面的流動趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)。

泄漏到10s時,4種泄漏情況都有明顯的流動擴(kuò)散趨勢,由于汽油泄漏時存在初始動量,并且在環(huán)境風(fēng)速的影響下,汽油流動主要向正前方及兩側(cè)方向,以及在泄漏方向上,距罐體越遠(yuǎn),汽油向地面前端擴(kuò)散速度比向兩端擴(kuò)散快,由表2中10s泄漏情況可以看出,整個泄漏擴(kuò)散范圍呈正前方有尖端的扇形展開。

泄漏到60s時,大致可以看出整體的流動趨勢,25mm泄漏口半徑的情況下,汽油在地面的流動量不大,雖然整個計(jì)算域約有1/3的區(qū)域都有汽油的覆蓋,但是泄漏口正下方小區(qū)域的汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3左右,周圍的汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1～0.2之間,由于泄漏到地面的汽油量較少,流動很孱弱;32.5、40和50mm的泄漏口半徑,地面汽油的覆蓋約3/4,與25mm時的流動擴(kuò)散情況截然不同,只有流動邊緣的汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1～0.2,中間及周圍區(qū)域的汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在0.3左右。2種情況下的擴(kuò)散趨勢與之前一致,呈有尖端的扇形,正前方的流動較快一些。60s時雖然不同孔徑的泄漏擴(kuò)散范圍有所增加,但是汽油在地面并沒有大面積的堆積,因此發(fā)生池火災(zāi)的可能性也相對較小。

泄漏到360s時,25mm泄漏口半徑的汽油覆蓋區(qū)域相較于60s增加不多,在之前覆蓋面積的基礎(chǔ)上,地面汽油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有微弱的增加,汽油在地面有微弱流動;32.5mm時,較之前的流動與厚度增加都不明顯;40mm和50mm時,地面汽油幾乎占據(jù)了整個計(jì)算域,汽油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也都在0.3左右。從表2中360s的泄漏情況可以看出,40mm泄漏口半徑的情況下,泄漏口下方的汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,已經(jīng)幾乎覆蓋了整個計(jì)算域,但是邊緣的汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低;50mm泄漏口半徑的情況下,汽油的地面覆蓋度明顯增加,最前方的汽油已經(jīng)流出計(jì)算域,左右兩側(cè)也擴(kuò)散到了計(jì)算域邊緣,汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)較中間有所下降,而泄漏口下方的區(qū)域,汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近0.7。

泄漏孔徑的增大,汽油的泄漏量也隨之增大,但隨著泄漏時間的增加,相應(yīng)的泄漏量并沒有成比例的增加,經(jīng)計(jì)算得,50mm泄漏口半徑泄漏360s的泄漏量是25mm的4.3倍,從圖2可以更加明顯地看出。

表3為汽油泄漏360s時,y=0平面的汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)分布云圖(即地面汽油的厚度)。

表3 不同管徑輸液管泄漏360s時y=0平面汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖Tab.3 The cloud map of the gasoline mass fraction distribution in y=0 plane at 360s under infusion tubes with different tube sizes

從表3可以看出,泄漏到360s時,4種情況下的泄漏孔流出的汽油在地面的堆積有明顯的區(qū)別。表3中25mm泄漏口半徑垂直于地面方向的汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖,可以看出,只有泄漏口下方的一小塊區(qū)域有汽油堆積,這是由于汽油流到地面集中在這個區(qū)域,從這個區(qū)域開始向外擴(kuò)散,結(jié)合表2中360s時半徑25mm的地面汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖可以看出汽油在地面流動不大的同時流動量也很小,在地面幾乎沒有堆積,只在地面覆蓋較薄的一層;從表3中32.5、40mm泄漏口半徑可以看出,地面汽油堆積厚度與范圍較表3中25mm泄漏口半徑有所增加,但是也沒有堆積;表3中50mm泄漏口半徑情況可以看出,在地面正中間的區(qū)域,汽油的地面堆積占據(jù)了計(jì)算域的3/4,同時由表2中泄漏360s時泄漏口半徑50質(zhì)量分布云圖可以看出,在泄漏口正下方的位置,汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,汽油的擴(kuò)散覆蓋了整個計(jì)算域,并且在地面有大面積的汽油堆積,表3中泄漏口半徑50與25mm相比也可以看出明顯的流動和堆積,50mm的泄漏口孔半徑在地面的覆蓋厚度是25mm的5倍左右。結(jié)合表2中360s時和表3中泄漏口半徑50mm的泄漏情況可以看出,50mm的泄漏口半徑泄漏到360s時,地面已有大面積的汽油堆積,形成液池發(fā)生池火災(zāi)的可能性大幅增加,相應(yīng)的危險(xiǎn)性也增大。

4 結(jié)論

本文模擬了在加油站卸油時由于輸液管斷裂導(dǎo)致汽油泄漏的情況,分析了半徑為25、32.5、40和50mm的卸油管汽油泄漏的擴(kuò)散情況,通過對模擬結(jié)果分析得出了以下結(jié)論:

(1)卸油管斷裂導(dǎo)致汽油泄漏情況下,汽油在地面的擴(kuò)散為沿泄漏方向正前方有尖端的扇形擴(kuò)散,擴(kuò)散速度較大且正中間的擴(kuò)散速度最大。

(2)4種不同孔徑的卸油管泄漏10s時,汽油在地面的覆蓋面積及擴(kuò)散趨勢差別不大,即泄漏初期,泄漏孔徑大小對汽油在地面的擴(kuò)散范圍影響不顯著;在泄漏到60s時,不同泄漏孔徑下汽油在地面的覆蓋面積差別才有所顯現(xiàn);泄漏到360s時,不同孔徑對汽油在地面的擴(kuò)散及堆積厚度影響非常顯著。