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气云爆炸事故机理及模型

2004-12-22   来源:安全文化网    |   浏览:    评论: 0    收藏

  爆炸是化工过程中的重大灾难性事故之一,化工过程常发生的爆炸灾害形式包括反应失控引起的装置爆炸、蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气云爆炸等事故模式。化工过程爆炸的事故共同特点是参与的爆炸物质量一般都较大,导致的危害和损失巨大。本章将重点研究探讨蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气云爆炸两种事故形式。

  2.1 过程爆炸事故模式及致因分析 对蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸两种典型的重大爆炸灾害事故进行案例统计与分析,根据近40年来国内外已经正式发布的不同的工厂、工艺过程中所发生的重大气云爆炸事故数据,根据各事故致因的不同,经统计分析,归纳提炼出的UVCE、BLEVE分为以下事故模式,见表2.1,2.2。

表2.1 蒸气云爆炸事故模式统计分析
Table 2.1 Statistic and analysis of accident modes for UVCE

 
表2.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸事故模式统计分析
Table 2.2 Statistic and analysis of accident modes for BLEVE
  
 
    从表2.1统计的UVCE事故模式表中可以看出,蒸气云爆炸发生的主要分布在石油化工、炼油厂、轻态烃气体加工厂(乙烯、甲烷、丙烷、丁烷)、液化石油气储存场所(LPG罐区),它们所占的比率如图2.1。


图2.1 UVCE发生的场所比率统计
                         Fig 2.1 Statistic of radio for where UVCE takes place

  图2.1表明,UVCE发生的场所中,炼油厂占比例最大,气体加工、乙烯、石油化工、LPG罐区发生比率依次减少。
  而导致UVCE发生的事故原因也是有多种多样的,主要包括阀门泄漏、法兰失效泄漏、管线失效(损坏、破裂、腐蚀)、储罐失效(破裂、裂缝、腐蚀、超压、冲击作用)、阀门开启、满装外溢等因素导致危险物质泄漏,形成气云被引爆,以上主要致因所导致的UVCE事故模式所占比率,见图2.2。

图2.2 UVCE主要事故模式统计
                        Fig 2.2 Statistic of main accident modes for UVCE

  图2.2表明,由于管线损坏导致的UVCE事故所占比率最大,而由于阀门开启泄漏、满装外溢、储罐失效(裂缝、腐蚀、破裂、超压)等因素导致的UVCE事故比率依次减少。
  从表2.2,可以看出,导致BELVE的主要原因外来火焰包围、热辐射冲击(火灾、太阳)、外来撞击、贮罐破裂、管线泄漏、槽罐火灾(罐车出轨等)、贮罐腐蚀泄漏、管线破裂(低温、撞击)、阀门泄漏(冻结、失效,无法关闭),引发BLEVE的重要事故致因所占比率,见图2.3。

图2.3 BLEVE主要事故致因统计
                               Fig 2.3 Statistic of main accident cases leading to BLEVE

  从图2.3可以看出,在导致BLEVE的事故致因中,火焰包围导致BLEVE的事故模式比率最大,而管线破裂或失效、外来热腐蚀冲击、阀门故障或失效泄漏、贮罐腐蚀泄漏、槽罐火灾、外来撞击等因素引发BLEVE的事故模式比率依次减少。以上统计分析是根据近40年来国内外已经正式公布的重大事故案例数据来进行的,没有正式公布或事故案例数据不完整的不在统计之列。

  2.2 气云爆炸事故机理
  气云爆炸是化工装置中发生的重大灾难性事故,包括蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸两种事故模式,气云爆炸的共同特点是参与的爆炸物质量一般都较大,导致的危害和损失巨大。
  2.2.1 蒸气云爆炸事故机理 蒸气云爆炸(UVCE)是由于气体或易于挥发的液体燃料的大量快速泄漏,与周围空气混合形成覆盖很大的范围的“预混云”,在某一有限制空间遇点火而导致的爆炸。
  UVCE发生有一定的条件,包括一定量的液化石油气泄漏并与周围空气预混、延迟点火、局限化的空间[1](周围环境如树木、房屋、设备及其它建筑物等形成具有一定限制的空间)等。蒸气云爆炸事故在液化气等物质的运输过程中并不常见,因为在运输过程中即使发生液化气泄漏,也不容易积聚起来。而在液化气储备场所,UVCE事故相对易于发生。导致UVCE发生的事故原因也是有多种的,主要包括上文统计分析出的阀门泄漏、法兰失效泄漏、管线失效(损坏、破裂、腐蚀)、储罐失效(破裂、裂缝、腐蚀、超压、冲击作用)、阀门开启、满装外溢等因素导致危险物质泄漏,形成气云被引爆。
  UVCE的发生大多数是由于储存液化气等物质的设备罐体在机械、化学或热作用下发生破坏而导致大量液化气泄漏所引起的,此外工作人员在装运取样等日常业务中是否正确操作,也是导致罐内液化气泄漏的一个重要因素。罐体破裂是导致UVCE发生的直接原因,因此研究罐体破裂的原因是研究UVCE事故机理的重点。液化气容器在受到机械作用(如撞击、打击)、化学作用(如腐蚀)或热作用(如火焰环境、热冲击)时,由于所收作用程度的不同,容器会发生以下几种破裂模式。容器破裂导致蒸气云爆炸机理,见图2.4。
  (1) 容器罐体突然炸裂,产生巨大的冲击力,炸裂的碎片以很大的动量向四周抛射出去,比如容器受到物体猛烈的撞击或震荡,或遭受剧烈的热冲击等作用。
  (2) 容器局部破裂,导致液化气以气液两相的混合物从裂口喷出,比如容器在遭受到非均匀热冲击、小物体撞击或化学腐蚀等作用,容器局部器壁材料软化、失效或腐蚀成孔而导致容器局部破裂。
  (3) 安全阀动作及失效,导致容器内压力过高而爆炸。


图2.4容器破裂导致蒸气云爆炸机理
                              Fig 2.4 Mechanism of Vapour Cloud Explosion for rupture of vessel

  蒸气云爆炸特点。UVCE具有以下特点:一般由火灾发展成爆燃,而不是爆轰;蒸气云的形成是加压存储的可燃液体和液化气大量泄漏的结果,存储温度一般大大高于它们的常压沸点;参与蒸气云爆炸的可燃气体或蒸气的量一般在5×103kg以上;参与蒸气云爆炸的燃料最常见的是低分子碳氢化合物,偶尔也有其它物质,如氯乙烯、氢气与异丙醇等;爆源初始尺寸与特征长度相当,并且蒸气云爆炸的能量释放速率比较小,是一种面源爆炸。
  蒸气云爆炸伤害形式。UVCE发生后,云雾区内的爆炸波作用、云雾区外的冲击波作用、高温燃烧作用和热辐射作用,以及缺氧造成的窒息作用的主要因素,是造成对周围人员、建筑物、储罐等设备的伤害、破坏作用。蒸气云爆炸的破坏效应表现为:形成相当大的火球,在大气中形成爆轰波,其强度取决于气云的燃烧速度;碎片效应通常可以忽略[2]。
  蒸气云爆炸气云燃烧传播及超压形成机理。气云点燃后的燃烧模式最可能是爆燃,而不是爆轰,爆燃是沿着波的前峰在压力和密度上都减小的膨胀波,属于亚音速的。当可燃气云和空气的预混物在低能量点火下就会发生爆燃。

  2.2.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸事故机理
  装有液化气的容器当处于火焰环境下、受到撞击或机械失效等状态时,容器突然破裂,压力平衡破坏,LPG急剧气化,大量的气化的LPG释放出来,并随即被火焰点燃就会导致沸腾液体扩展蒸气爆炸。根据实验研究表明,BELVE可以分为热BLEVE和冷BLEVE[3],根据BLEVE过热极限理论,热BLEVE是指BLEVE的发生是由于LPG在爆炸前高于LPG大气过热极限温度,而冷BLEVE是指BLEVE的发生是由于LPG在爆炸前低于LPG大气过热极限温度。冷BLEVE一般是由于强度比较差的容器由于机械或热的作用而引起的灾难性失效所导致的,而热BLEVE一般是由于过热液体在容器局部失效时发生喷射释放而引发的过热爆炸,它们的发生机理、条件及导致的后果分析与对比,见表2.3。

表2.3 热BLEVE和冷BLEVE的比较
Table 2.3 Comparisons of Hot and Cold BLEVE


  BLEVE的发生有它自身的规律和条件要求,不同的BLEVE事故的发生原因也不同,但它们都有一些共性的规律。导致BELVE的主要原因包括上文所统计分析出的外来火焰包围、热辐射冲击(火灾、太阳)、外来撞击、贮罐破裂、管线泄漏、槽罐火灾(罐车出轨等)、贮罐腐蚀泄漏、管线破裂(低温、撞击)、阀门泄漏(冻结、失效,无法关闭)等因素,其中大多数BLEVE的发生是由于外来热辐射作用使得容器内LPG处于过热状态,容器内压力超过对应温度下材料的爆炸压力,导致容器发生灾难性的失效,容器内LPG发生爆炸性气化而快速泄放,即BLEVE的发生。
  装有液化气(LPG)的容器发生失效时,可能会有以下的结果:容器部分失效,伴有LPG的喷射泄放或产生喷射火焰;容器罐体产生抛射物;容器内LPG完全快速泄放(TLOC)及导致BLEVE的发生。导致TLOC和BLEVE的因素很多,包括罐体材料缺陷、材料疲劳、腐蚀、热应力、压应力、池火焰包围或喷射火炬环境下罐体材料强度下降、容器过载、操作不当等,通常BLEVE的发生是由于上述几个因素的联合作用的结果。
  BLEVE的发生有一个过程即罐体初始失效如裂缝产生、LPG发生喷射、裂缝扩展、导致TLOC和热及冷BLEVE,容器失效导致BLEVE的发生、发展过程及机理,见图2.5。
      从图2.5可见,容器发生TLOC导致的BLEVE是由于容器产生初始失效如产生裂缝,从记录的事故案例能发现容器大多数是在容器内气相区产生初始裂缝,而且容器材料强度不同导致的BLEVE事故模式不同,一般材料强度小的容器易发生快速BLEVE,而材料强度大的容器易发生慢速BLEVE。导致容器产生初始裂缝的原因很多如罐体材料缺陷、材料疲劳、罐壁腐蚀、热应力、压应力、暴露火焰环境下罐体强度下降等,但从已发生的BLEVE事故案例来看,大多数容器是由于受到池火灾、喷射火灾或喷射火炬等外来强热辐射的作用,由于容器内液相区的热传导系数较大,因而即使处在强热辐射的作用下,液相区的罐体温度也会很快与内部液体温度相近而不会产生初始裂缝,而在容器内的气相区由于热传导系数较小,气相区的罐体在热辐射的作用下,罐体温度很高使得材料强度下降,加上容器内部压力的共同作用使得材料发生塑性变形最后产生裂缝。
  容器产生初始裂缝后,若容器罐体强度较大能承受一定的超压和应力使得裂缝不能继续扩展,此时不会导致快速的TLOC和BLEVE,只会发生LPG的两相喷射,反之就会导致快速的TLOC和BLEVE的发生。当LPG从初始裂缝快速喷射导致容器内LPG处于过热状态,产生剧烈沸腾,容器内压力迅速上升,也会使得初始裂缝重新扩展增大,即使容器上装有压力泄放阀(PRV),但也会由YesNo YesYes自动制冷无BLEVE导致BLEVE: 中等超压、抛射物、火球裂缝扩展,产生LOC过压大于罐强度? 导致HOT BLEVE: 高超压、远距离抛射物、高火球过压大于罐强度?沸腾气化温度大于过热极限温Cold BELVE: 低超压、短程抛射物、近地面火球LOC 容器初始失效缺陷结构 容器腐蚀容器疲劳火焰包围 冲击破坏 裂缝停止扩展? YesNo 快速压力下降?YesNoNoLPG过热爆炸自动制冷 无BLEVE 裂缝扩展,产生LOC图2.5 容器失效导致沸腾液体扩展蒸气爆炸的机理 Fig 2.5 Mechanism of Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion for lapse of vessel 于PRV的设定压力接近或超过LPG的的过热极限温度、泄放面积不够或暴露火焰环境时间过长导致容器内压力大于对应温度的材料的爆炸压力,而导致慢速的TLOC和BLEVE的发生。容器内压力变化、火焰暴露时间及材料强度关系,见图2.6。

    从图2.6可见PRV的设定压力参数对导致因内部超压容器而失效有很大的影响,对BLEVE的发生有较大的贡献;增大泄压阀的开启面积和降低设定压力能减少BLEVE的发生机会(而在实际LPG存储过程中,大多数是采用高压低温存储),但同时会增大喷射火灾的发生机会及程度,不过由于喷射火焰是垂直方向的,不会直接马上接触容器罐体,且其热辐射通量与火球、池火相比较小。

导致TLOCBLEVE的能量来自于气相区和液相区两部分[4],对于快速的TLOCBLEVE其能量主要来自于气相区,而液相区的能量此时对BLEVE的发生并不重要,而慢速的TLOCBLEVE,其能量主要来自于过热液体的剧烈沸腾气化,此时气相区的能量只影响容器初始失效而对TLOCBLEVE的发生影响不大,当气相区能量不足以导致TLOCBLEVE的发生时,液相区的能量此时就决定着TLOCBLEVE的能否发生。 

可见BLEVE的发生是由许多因素决定的[5],其中容器的壁厚、材料强度、外来热辐射通量的大小及作用时间、泄压阀的开启面积和设定压力以及热保护措施等这些因素对BLEVE的发生起着决定性的作用。

         BLEVE发生时,经常导致爆炸火球的产生,而影响爆炸火球形状的影响因素有多种,包括容器的装料系数、释放的危险物质量、风速及风向、容器失效模式等。

 

2.3 气云爆炸灾害模拟计算模型

2.3.1 已有UVCE模拟计算模型的对比分析

根据气云爆炸冲击波预测模型的特点和复杂性,可以将它们分成数值模型、物理模型和相关模型三种。数值模型大多数是基于CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,例如典型VCE数值模型有FLACS、REAGS,数值模型也许是用于模拟蒸气云爆炸的理想方法,但由于其需要高性能的计算机以及模拟计算时间长等缺点,使得此方法在UVCE模拟方面的应用和推广受到限制;而物理模型属于简化模型,例如典型VCE物理模型有SCOPE模型、CLICHÉ模型,物理模型用一个简化的方法来描述VCE的物理过程,能够预测大范围内的爆炸超压,但由于其简化了VCE的爆炸过程,因而此类模型的模拟与预测精度受到影响。相关模型也就是缩放比率模型,依靠实验结果而建立起来的,典型的UVCE相关模型包括TNT模型、TNO模型、ME模型、CAM模型[10];由于相关模型易于应用于灾害风险评价方面,所以本文将以此类模型为研究重点。

TNT当量法和TNOMulti-Energy)模型法[12]是蒸气云爆炸(UVCE)模拟方法中的两个典型模型。TNT当量法是把气云爆炸的破坏作用转化成TNT爆炸的破坏作用,从而把蒸气云的量转化成TNT当量。TNT当量法简单易行,但有其明显缺陷:

1TNT爆炸时爆源体积可忽略,而蒸气云较大不能忽略,且随着爆炸的进行,爆源体积在增大。

2TNT爆炸时能量是瞬间释放的,而蒸气云爆炸过程中能量的释放速率是有限的。

3TNT爆炸过程形成的冲击波强度大,但衰减速度快,而蒸气云爆炸多属爆燃过程,正压作用时间较短,负压作用时间较长。因而TNT当量法只适用于很强的蒸气云爆炸且用以模拟爆炸远场时偏差较小,模拟爆炸近场时高估蒸气云爆炸产生的超压。

4TNT当量法的当量系数难以确定,可变性大(0.02%-15.9%)。 

TNT当量法关键模型:

WTNT=aWQ/QTNT (2-1)

z = R/(WTNT)1/3 (2-2)

Pi = (3.9/z1.85) + (0.5/z) (2-3)

WTNT,kg;a为LPG蒸气云当量系数(统计平均值为0.04,占统计的60%);W为蒸气云中LPG质量,kg;Q为LPG的燃烧热,J/kg; QTNT为TNT的爆炸热,J/kg; z为R处的爆炸特征长度;Pi为R处的爆炸超压峰值。

由式(2-1)计算出对气云爆炸有贡献的爆炸物的当量,由式(2-2)可以确定目标R处的爆炸特征距离,再由式(2-3)计算出目标R处的爆炸超压峰值。

TNO模型基本观点是约束条件是增强气云爆炸威力的关键因素,只有受约束的那部分气云才对爆炸强度有作用,而不受约束的那部分蒸气云几乎对爆炸强度没有贡献;TNO模型以半球形气云为模型,假设中心点火,火焰以恒定的速度传播,从而以数值方法计算不同燃烧速度下的气云爆炸强度,获得一组爆炸强度曲线。TNO模型在理论上比较合理,但在具体应用中仍存在一些缺点:(1)如何确定受限区域的尺寸是个难以解决的问题。(2)忽略了处于开敞空间的气云对爆炸强度的贡献,而在实际中,当气云形成时间较长,反应激烈的气云,在开敞空间形成了均匀混合物,则对蒸气云爆炸强度作用很大。(3)如果将整个气云分成几个爆炸源,它们的爆炸强度的叠加时的问题。(4)爆炸强度图中的10个级别如何选取。图中10条曲线代表不同的爆源强度(火焰速度不同),曲线10代表爆轰情况,曲线1-10依次增大;曲线6-7代表爆源强度居中的情况,用于一般气云爆炸时,模拟远场超压较合适。曲线,见图2.7。

 

TNO关键模型:

ps=△ps/p0 (2-4)

R=R/(Ec/p0)1/3 (2-5)

Ec=3.5V (2-6)

r0=R0/(Ec/p0)1/3 (2-7)

根据受限气云的体积V就可以由式(2-6)计算出对爆炸有贡献的燃烧能量,由式(2-5)计算出目标R处的R,然后就可以从图2.7查得△ps,再由式(2-4)计算出目标R处的爆炸超压值。

ME模型与TNO模型有很多的相似,ME模型认为由湍流火焰产生的冲击波和爆炸过程中存在约束作用,在有障碍物的情况下,将产生巨大的冲击波,而在没有障碍物的条件下冲击波将不会产生。ME模型能够估算出UVCE的最大静压、最大动压、正相超压持续时间和超压时间图形。

CAM模型和ME模型有很多共同点,起初此模型建立时,爆炸的源强度是由决策树得到的,而爆炸冲击波的衰减是由一个简单公式得到的,后来此模型进行了修改,考虑到了脉冲持续时间和形状,现在此模型能够对有障碍物的条件下的VCE进行较细致的预测。

为了检验上述几个典型相关模型模拟结果的有效性,利用两个实际案例来评价这些模型。由上述相关模型得到的爆炸超压随离爆源中心距离的空间分布与Flixborough事故(1974)数据的比较,如图2.8,和La Mede 精炼厂事故 (1992) [14, 15] 的比较,如图2.9

从两个对比图中可见,上述的几个相关模型的预测结果和事故案例观察数据基本是相似的。然而,这些模型中的TNO模型的结果是较差的,它的结果一直比观察到的结果要小;而TNT模型在爆炸近场高估了爆炸超压值,而在爆炸远场又低估了爆炸超压值,ME模型和CAM模型的结果和观察值吻合性较好。

 

2.3.2 已有BLEVE模拟计算模型的对比分析

火球模型包括火球最大直径、持续时、抬升高度、火球表面热辐射通量、目标接受热剂量模型五个子模型。火球模型根据火球尺寸分为近地面火球模型和抬升火球模型,传统的火球模型都忽略了由于LPG初始喷射使得火球中心有一定的抬升高度,即为近地面火球模型。对于慢速BLEVE来说由于有一定时间的初始喷射,火球有一个产生、燃烧扩大抬升和消失的过程,且火球有一定的抬升高度。近地面火球模型和抬升火球模型主要区别在于目标接受的火球热辐射剂量模型不同,而在火球最大直径和持续时间一样。

根据火球热辐射通量模型不同分为圆柱火焰模型(火球表面热辐射通量假为常数)和点源模型(火球表面热辐射通量依赖于火球中的LPG质量和持续时间)。其中典型的点源模型包括ILO、H. R. Greenberg & J . J. Cramer等模型,这些模型的模拟结果误差较大,其中ILO模型没有考虑容器压力的影响,而H. R. Greenberg和J. J. Cramer模型没有考虑容器形状和空气吸收的影响。但是,由于实验数据的缺乏,这些模型的有效性有待进一步检验。而且输入参数可变性大,没有具体的用户使用指南,妨碍了它们的普遍实际应用。

由于BLEVE发生后难以确定容器内残余的LPG,因而在建立火球模型时,根据最大危险性原则,假设容器内全部LPG都消耗在火球中。火球最大直径和持续时间与火球中的LPG质量成比例关系:

Dmax=aWb (2-8)

t=cWd (2-9)

abcd,不同的模型取值不同,典型的火球直径及持续时间模型,见表2-4

2.4典型的火球直径及持续时间模型
Table 2.4 Typical models for fireball diameter and duration

 

 

 

2.3.3  UVCE灾害模拟评价模型

根据上述对蒸气云爆炸模型的对比分析,本文将采用修正TNT模型来对UVCE进行灾害模拟与预测。蒸气云爆炸主要因冲击波造成伤害,因而按超压-冲量准则确定人员伤亡区域及财产损失区域。冲击波超压破坏准则[25],见表2.5

2.5 冲击波超压破坏、伤害准则

 

 

 

爆炸总能量:E=1.8aWQ (2-10)

ELPG的爆炸总能量,J;式中1.8为地面爆炸系数

爆炸伤害半径R R=C(NE)1/3 (2-11)

C为爆炸实验常数,取值;0.030.4N为有限空间内爆炸发生系数,取10%

爆炸冲击波正相最大超压ΔP[25]

ln(ΔP/P0)=-0.9216-1.5058ln(R)+0.167 ln2(R)-0.0320 ln3(R) 2-12

R=D/(E/P0)1/3 (2-13)

R无量纲距离;D为目标到蒸气云中心距离,mP0为大气压

死亡半径指人在冲击波作用下头部撞击致死半径,由下式确定:

R1=1.98WP0.447 (2-14)

WPLPG蒸气云的丙烷当量(kg)

重伤半径指人在冲击波作用下耳鼓膜50%破裂半径,由下式确定:

R2=9.187WP1/3 2-15

轻伤半径指人在冲击波作用下耳鼓膜1%破裂半径,由下式确定:

R3=17.87WP1/3 2-16

财产损失半径指在冲击波作用下