（安全技术及工程专业论文）火灾环境下LPG储罐的失效机理研究及其数值模拟.pdf

m e c h a n i s m s t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h el p gt a n k f a i l u r ei nf i ne n v i r o n m e n t l ix i a o h u a w a n gj i n g y u i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hd e v e l o p m e n ta n da c h i e v e m e n ta r es y n t h e t i c a l l yi n t r o d u c e d t h e c a u s e so fl e gt a n ki n a c t i v a t i o nw h i c hi si nf i r eh a z a r de n v i r o n m e n ta r es i m p l ya n a l y s e df r o m t w oa s l 3 i c c i s ，t h ei n s i d ef a c t o r ( h e a tt r a n s f e ra n ds t r e s s ) a n do u t s i d ef a c t o r ( f r a g m e n ti m p a c t ) o f t h et a n k , a n dd on u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s eo ni tw i t ha n s y sa n da n s y sl s - d y n 九o n t h i sc o n d i t i o n ，t h ee f f e c to ft h ep a r a m e t e r sa r ea n a l y s e dt oa i ma tt h et w oa s p e c t s , i n s i d er a c e r a n do u t s i d ef a c t o r , a n dt h em e c h a n i s mo ft h el p gt a n kf a i l u r ea r ed i s c u s s e ds i m p l y t h e f o l l o w i n gc o n t e n t sa l es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 h e a tt r a n s f e ro fl p gt a n ki sa n a l y s e di nf i r ee n v i r o n m e n t , t h ep r o c e s so fh e a tt r a n s f e r j sd e s c r i b e db ym a t h e m a t i c a lm e t h o dh o r nt h i n k i n gf a c t o r s o f s p a c ea n dt i m es y n t h e t i c a l l y 2 t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fs p h e r i ct a n kw h i c hi su s e di na n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni s f o u n d e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h e r m a la n a l y s i sm o d u l eo fa n s y s ，a n dt h ee f f e c to f t h ep a r a m e t e r sw h i c ha c to nh e a tt r a n s f e ra r ea n a l y s e di nd i f f e r e n tf i r eh a z a r de n v i r o n m e n t 3 b a s eo nt h e r m a la n a l y s i sw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , t h es t r e s so fs p h e r i ct a n ki s a n a l y s e dw i t ht h em e t h o do ft h e r m a l - s t r u c t u r ec o u p l i n gi nt h ea n s y ss o f t w a r ea f t e rt h e t r a n s f o r m a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s so ft h es p h e r i ct a n kw h i c hi sh e a t e di st h o u g h t o v e rs y n t h e t i c a l l y 4 t h eo u t s i d ef a c t o r ( f r a g m e n ti m p a c t ) w h i c hl e a dt a n kf a i l u r ei nf i r eh a z a r d e n v i r o n m e n ti sa n a l y s e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sd o n ew i t ha n s y sl s - d y n aa n df i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h ee f f e c to ff r a g m e n ti m p a c tw h i c hl e a dt a n ki n a c t i v a t i o ni sa n a l y s e di n d i f f e r e n tc o n d i t i o n d e s i g no fs a f ed i s t a n c ea m o n gt a n k si sd i s c u s s e ds i m p l ya n dq u a l i t a t i v e l y b a s eo nd o m i n oe f f e c t 5 t h em e c h a n i s mo ft h el p gt a n kf a i l u r ei nf i f oh a z a r de n v i r o n m e n ti sa n a l y s e d , a n d t h em e t h o do f p r e c a u t i o ni ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：l p gt a n k , f a i l u r e , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , h e a tt r a n s f e r , f r a g m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：奎塑l 翌 日期： 趋：苎兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：垩! 丝鳗日期：鲨z ：! ：竺 导师签名： 圣毖垃 日期： 1 2 ：生兰 中北大学学位论文 1 绪论 液化石油气( i j p g ) 是一种广泛用于家庭、商业和工业场所的清洁燃科，其主要成 分是丙烷( c 乩) 、丙烯( c 3 h b ) 丁烷( c i o ) 和丁烯( c k ) ，属于烷烃和烯烃混合物。由于 液化石油气具有低硫成分和高热值的优点，但是它本身是一种属于易燃易爆物质的危险 品。在我国，随着经济的发展，液化石油气在日常生活中的使用规模日益增大，其制备、 运输、储运和使用等各个环节上的潜在危险越来越明显的暴露出来。由于其储运和使用 常常是在工业设备和生活设旋密集、人口稠密的地区，且液化石油气在很小的体积内聚 集了大量的能量，如不采取有效的预防措簏，一旦发生事故，后果十分严重，可能造成 的重大人员伤亡和巨大财产损失。例如：1 9 7 9 吉林市4 0 0 立方米球罐突然破裂，约9 吨液化石油气汽化变成2 2 5 0 立方米的气体喷出，形成数十万立方米的爆炸混合性气体， 涉及距离达9 0 _ _ 2 0 0 米，致使多处发生明火和爆炸，引起大火，当场死亡2 7 人，受伤 5 9 人。1 9 9 0 年美国德克萨斯州的一家石化企业，一个正在注入液化石油气的储罐的压 力表和安全阀发生故障，造成该储罐由于超压破裂，泄漏的液化石油气被点燃形成一个 大火球，储罐爆炸后的破片四处飞散。在接下来的2 0 分钟里，2 个储罐被飞溅的破片击 漏。 液化石油气容器是用以储存液化石油气的设备，按储罐的形状可分为球形储罐、卧 式储罐和立式储罐。球罐具有许多特点而优于其他形状的压力容器，其主要特点如下i l j ： 1 与同等容量的圆筒形容器相比，球罐的表面积最少，因而在储运气体或液化气体 介质时，冷量或热量损失始少，可减少能源消耗，降低储运成本； 2 球罐受力均匀，在相同直径和工作压力下，其薄膜应力仅为圆筒形容器环向应力 的一半，在相同直径与壁厚的条件下，球罐承载能力提高一倍； 3 由于球罐表面积小壁厚薄，因而重量轻、耗材少，具有较好的经济性； 4 采用赤道正切柱式支承球罐，基础简单，工程量小建造费用便宜； 5 球罐建造方便，组装周期短，维修容易，占地而积小，外形美观。 故其在液化气公司使用最为广泛。本文中所研究的液化石油气容器即为液化气站或 中北大学学位论文 液化气船等地的大型球罐，其结构【2 j 如图1 1 所示。 哆；。- 。二 2 烈 j骶， | 1 x澄1 1 遴 d研 ， 黉 姘彤 錾鬈榉越 图1 1 球罐示意图 l 一顶部操作平台2 - _ 1 ：部极带板3 - 上温带板4 赤道带5 _ 下部温带板6 - 下部级带板做柱 ：8 - 拉杆9 - 盘梯1 0 中问休息台 1 6 m n r 钢是屈服强度为3 4 0 m p a 级的压力容器专用钢板1 3 】。它有良好的综合力学性 能为工艺性能，磷、硫含量略低于1 6 m n 钢。除抗拉强度、延伸率要求比普通1 6 m n 钢 有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广，用量最大的压力容器专用 钢板。 1 1 课题研究的目的和意义 蒸气爆炸主要包括蒸气云爆炸( u v c e ) 和沸腾液体扩展蒸气爆炸( b l e v e ) 两种 典型的重大爆炸灾害事故。而在液化气储备场所，u v c e 事故相对易于发生。导致u v c e 发生的事故原因也是有多种的，主要包括从案例中分析出的阀门泄漏、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。其失效原因如图1 2 所 示： 2 中北大学学位论文 h g 图1 2 液化石油气储罐失效原因图 据统计，由于生产和使用量大，l p g 是所有化学品中发生事故最多的，且因其易燃 易爆，造成的损害也是最大的1 4 1 。而在所有的l p g 事故中，每4 5 起中有1 0 起事故与蒸 汽爆炸有关1 5 t 。 因此探讨事故发生的原因，尤其是对危险物质( 液化石油气) 在储存与运输过程中 的储罐失效分析有着极为重要的现实意义。本文通过对火灾环境下导致液化石油气储罐 失效的内外部因素的研究探讨以及对其失效过程的数值模拟，试图从大量的模拟结果中 初步归纳出火灾环境下导致储罐失效的一些规律。使我们能初步了解这些内外部因素在 储罐失效过程中所起到的作用。通过本课题的研究，不仅能帮助我们更进一步的了解储 罐在火灾环境下的失效机理，更对储存与运输过程中的储罐火灾预防和救治工作起到了 一定的帮助作用。 1 。2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究进展 国外在该领域中的研究始于七十年代，几十年以来，在实验和数值模拟研究中取得 了大量研究成果。 1 2 1 1 实验研究 中北大学学位论文 在美国铁路协会和联邦铁路局资助下，进行了液化气铁路罐车在火焰环境中有或无 热绝缘装置的爆炸实验【6 l ，并对爆炸破片做了金相分析。实验结果表明具有绝缘装置的 罐内温度升高率、罐车内蒸发率均比没有绝缘装置的要低，因而有绝缘装置的罐车火灾 中维持的时间较长。对于火灾包围下没有绝缘装置的罐车，罐车处于高温下的时间越长， 产生断裂的压力越低。通常所发生的断裂，从轴向开始，在发生爆炸时，产生破片飞敌 到周围 德国联邦材料实验研究院利用三个装有5 0 丙烷，且没有绝缘装置的液化气储罐进 行了燃烧实验p 】，欲研究储罐在火焰包围下的热应力的断裂机理。在较低的装料高度对 应软小的断裂时间的前提下，实验数据表明初始温度和压力越高，发生断裂的时间就越 短。他们在1 9 8 8 年还对具有喷水装置的储罐进行了燃烧实验嗍，比较了具有未改进和改 进后喷水装置的容器在火灾环境下的抗断裂能力。 英国健康与安全行政署( h s e 用壳体研究所( s h e l lr e s e a r c h ) 合作进行了个5 吨没 有保护装置的液化气储罐在火焰包围环境下的实验研究f 9 j 。通过这一系列实验所测取的 实验数据，可以得到液化气储罐内蒸汽区和液体区温度、压力和罐壁温度等参数的变化 ， 情况，还可以看出由于喷水降低了火焰温度，延长了阀门的打开时间。因此足够的喷水 率可以防止储罐断裂。同时又对火焰包围下五个不同填充量的五吨的有绝缘保护的l p g 罐进行了实验。实验结果表明装料水平较低时，对应的断裂时间较短 加拿大新布伦瑞克大学的j e sv e n a r t 通过实验得出如下结论：气泡的增加和破裂 是造成液化气容器破裂的主要原因l o j 。v e n a r t 进行了4 次2 吨液化石油气储罐蒸汽爆炸 实验【1 1 j 【1 2 1 。实验充装度范围为2 0 - 8 5 。v e r n a r t 认为，在蒸汽爆炸前，处于气相空间 的壁面在高温下强度不断减弱，发生塑性变形，最终形成裂缝。 1 2 1 2 数值模拟研究 美国华盛顿联邦铁路管理局和芝加哥铁路协会相继开发了公共领域的基本代码l 埘， 用于模拟水平圆柱体液化气储罐在火焰完全包围下的热响应过程。 加拿大0 u e e n 大学开发并完善了t a n k c a r 模型【埘，该模型研究了处于喷射火焰 之中，且被火焰完全包围的水平圆柱形液化气储罐的热响应过程，可以预测罐壁温度、 罐内装料温度以及断裂时间等。 加拿大n e wb r o w n s w i c k 大学火焰科学中心自1 9 8 4 年至今相继开发了p l g s 1 ， 4 中北大学学位论文 p ig s 2 和p l g s - 3 模型1 1 5 l 巾7 1 ，其中p l g s 1 和p l g s - 2 两种模型都只是模拟水平圆柱 体容器被火焰均匀包围时的热响应，主要适用于阀门第一次打开之前的过程模型中考 虑了容器内边界层从自然对流到沸腾全过程，以及蒸气区与过冷液体区之间形成的分层 层当容器内压力达到阀门的设定压力时，阀门打开，容器内物质向外喷出，喷出的可 能是气体、液体或气液两相物质，这取决于燃烧的激烈程度和火焰分布状态、阀门的几 何形状、位置、装料多少等因素。为了更好地模拟在阀门开启到关闭期间容器内的复杂 响应过程，该大学火焰科学中心在p l g s 1 和p l g s - 2 的基础上，充分考虑各种影响因 素，如容器在火焰不同程度的包围下、容器内装料物质的不同，以及容器大小的不同等， 开发了p l g s - 3 模型，并随着对物理过程的深入认识仍在不断地改进和完善该模型。 俄罗斯防火科学研究院的s h e b e k o 对容积为5 0 l 的丙烷储罐进行了热响应及储罐危 险性进行了模拟研究1 1 硼1 9 1 。得出了充装度为8 0 - 8 5 的储罐完全被火焰包围情况下，液 化石油气的温度、压力以及储罐壁面和热保护层的温度随时间的变化规律。通过与9 组 实验结果比较后认为，安全阀可以和其他措旌相结合避免爆炸的发生。热保护层可以延 缓压力的升高。在研究过程中，由于液化石油气储罐体积比较小，充装度高，储罐内部 的壁面基本处于液面下，所以假设液化石油气温度一致对结果影响不大。 1 2 1 3 事故机理的研究 人们针对液化石油气容器爆炸的问题，在实验研究和数值模拟的基础上，又对其爆 炸机理进行了广泛的研究 七十年代末，麻省理工学院的r e i d 2 0 ! 首次提出b l e v e 概念，他的著名过热极限理 论，指出液体的过热存在一个极限，超出这个极限时液体不复存在。若液化气体压力陡 降，则可能达到其过热极限，发生均匀核化沸腾即为b l e v e 。并以此理论分析了上述 的1 9 7 5 年美国铁路协会和联邦铁路局进行资助的一个实验( 装有9 8 的丙烷的3 3 6 0 0 加仑铁路罐车爆炸实验) 的事故机理。 1 9 8 6 年，美国能源分析家m a r t i n s e n 2 1 j 等人通过分析美国和英国所进行过的实验报 告，对b l e v e 现象的起因、影响及预防进行了深入的阐述，并在研究报告中首次关注 了b l e v e 形成的火球。同年，d a v c n p o r t 瞄】指出对于火灾环境中的容器，若火焰侵袭 容器汽相区比侵袭液相区的更有可能且更迅速造成b l e v e 。早期的这些事故机理研究 主要都是建立在过热极限理论上，尽管些研究人员己意识到该理论不能很好地说明这 中北大学学位论文 一复杂热力过程。 加拿大的几所大学在大量实验研究的基础上，对事故机理的研究颇有见地。q u e e n 大学在1 9 9 3 年的一份实验报告中给出了的b l e v e 现象较全面的定义，认为它是盛装液 化气容器的一种灾难性失效，这种失效将引发蒸汽、沸腾液体和离散液滴的爆炸性释放 例。报告中还以发生爆炸时液体平均温度是否大于气压下装载介质的极限过热温度为标 准，将b l e v e 现象分为h o t 唧e 和c o l db ie 、，e 两种。同年， n ob r u n s w i c k 大学 的v c n a r t l 2 4 等人正式提出了区分b l e v e 和b l c b e 两个概念，并对各自的机理进行了 较为清晰的说明，这可以看作在事故机理研究过程中具有重要阶段性意义的一项成果。 美国的p r u g h 教授也对b l e v e 现象进行了一系列研究1 2 5 】1 2 6 1 。在文献1 2 5 1 中，通过对 1 9 2 6 - 1 9 8 6 年问发生的5 0 次b l e v e 事故进行了分析，归纳了引发b l e v e 的原因，提 出了计算气体储罐、液化气体储罐的耵盯爆炸当量的方法，并给出了闪蒸率、液体过 热极限温度的简单计算公式以及爆炸冲击波对周围环境的影响程度的估算方法。他对 b l e v e 形成的火球带来的灾害也进行了一些定量分析。 1 2 2 国内研究进展 国内对该领域的研究始于9 0 年代，起步较晚，随着计算机技术的发展，其研究大 多依靠计算机模拟来完成。 武汉理工大学、北京科技大学和加拿大n e wb n m s w i c k 大学火焰科学中心合作，对 高温火焰环境下容器内液化气的热响应和振动引起的机理进行了数值仿真研究，开发了 代号为p l g s 9 9 的仿真软件l 明。该软件在总结和借鉴前人工作的基础上，进一步完善了 液化气容器热响应的物理数学模型，并修改了原有的数值计算方法，对火焰均匀包围、 火焰喷射的热环境下，具有不同几何形状( 水平圆柱、垂直圆柱和球形) 的液化气容器的 热响应过程中的8 个参数( 即容器内压力变化、容器内不同区域的温度分布、蒸汽区壁 面的温度分布、容器内壁的温度分布、容器外壁的温度分布、介质质量变化和介质填充 率变化) 进行了模拟计算，该软件的不足之处主要有两点：一是该软件只给出了内外壁 面各5 点处的温度随时间的变化曲线，无法对整个壁面温度分布有清楚的了解；二是该 软件只计算了温度场，没有计算应力场，无法从力学的角度直观地分析液化气容器的失 6 中北大学学位论文 效。 。 武汉交通科技大学李格升、郭蕴华等人在交通部资助下，对液化石油气储运过程中 突发性事故的机理进行研究与仿真，对于典型结构建立了相应的数值模拟模型，开发了 仿真软件嗍。对于液化气压力容器，设计、开发了在非正常热环境下的热响应的仿真系 统，以参数曲线的形式较好地模拟液化气容器的热响应过程例。 中国人民武装警察部队学院消防指挥系邢志祥p 川p 1 等对l p g 储罐在火灾环境中的 热响应进行了研究，建立模型，并利用数值模拟程序l p g t r s 和流体力学软件f l u e n t 对热响应过程进行模拟研究还对各影响因素对热响应的影响进行了定量模拟分析。 1 3 本文的主要研究内容 根据对前人研究成果的分析和总结，本文拟在如下几个方面进行研究工作： 1 对液化石油气火灾、防火间距、失效理论等与本课题相关的理论进行简单的分析 和研究，为液化石油气储罐失效机理的研究和数值模拟提供理论依据。 2 对火灾环境下导致储罐失效的内部因素( 传热行为和应力分析) 进行了理论分析， 并采用有限元的方法，通过有限元软件a n s y s 对其进行数值模拟，分析了不同火灾条 件下，内部因素对储罐失效的影响。 3 对火灾环境下导致储罐失效的外部因素( 破片撞击) 进行了理论分析，并采用有 限元的方法，通过有限元软件a n s y sl s d y n a 对其进行数值模拟，分析了不同条件 下，破片撞击对储罐失效的影响。并从事故的多米诺效应及破片对储罐失效的影响入手， 对罐间安全距离设计作初步定性的探讨。 4 在上述工作的基础上，对火灾环境下液化石油气储罐的失效机理进行分析，并提 出了预防措施。 7 中北大学学位论文 2 火灾环境下液化石油气储罐失效的相关理论 2 1 液化石油气火灾 2 1 1 液化石油气储存 液化石油气的储存方式有：储罐储存( 又可分为固定储存和活动储罐储存) 、地层 储存和固态储存其中，储罐储存中的固定储罐贮存，因其具有结构简单、施工方便、 种类多、便于选择等优点，是目前国内外最广泛采用的储存方式。储罐的布置有地上储 罐和地下储罐，一般多采用地上储罐。按储罐的形状又可以分为球罐、卧式圆筒形储罐 和立式圆筒形储罐嗍。g 储罐与其它建构筑物间的安全防火距离如表2 1 所示1 3 3 j 。 表2 1 液化石油气供应基地罐( 区) 与明火、散发火花地点和基地外建构筑物之问的防火间距( 皿) 童穗，“，翻 ，m 誓t 计1 1 “ 肚尽打 耀i i 幢善 t 尊一l 登舡l 【s h a m , st 辕 1 1 q 0m4 1 鲁蚪薯， 工量量井矗拍h 执i 4 0 0冀“糟 走毫 建眦 尊一 塞，n r 毫j , s u n l i t m e ，0 t e e m 事：叠电0 羹广 4 0 瓤瓤。勰1 量l e o , 1 1 l t 曩- 芦打i 咐 辑堆珥 再鲁疆蟑【曩哪 4 4 8t 5 t o 毫 再t 羹广冉，再丁鼻e 摩 矗耳謦姐束艟麓村辩蠢蠕 置o s t 画 i 一= a o 霹口掀 糠 兰曩 廿ol o 矗 i 盘i n 蕾赢由性f 心瞳 囊拇膏掌髓纂i 1 1 1 酌量奄 簟空毫露曩1 目td i ol t 姐， 咐曩 i ，异矗 掌睦 d i , a l , t j m t o c 白 鼍 中北大学学位论文 注：1 ) 防火间距应按本表储罐总容积或单罐容积较大者确定，并应从距建筑最近的储罐外壁、堆垛 外缘算起； 2 ) 当地下液化石油气储罐的单罐容积小于等于5 0 m ，总容积小于等于4 0 0 1 1 1 1 3 时，其防火间距可 按本表减少5 弧； 3 ) 居住区、村镇系指1 0 0 0 人或3 0 0 户以上者。以下者按本表民用建筑执行i 4 ) 与本表规定以外的其它建筑物的防火间距，应按现行国家标准城镇燃气设计规范g b 5 0 0 勰 的有关规定执行 2 1 2 液化石油气火灾特征 液化石油气火灾大多数都是因为跑、冒、滴、漏或容器爆炸而造成的p q 。带压气体 泄出容器后，迅速扩散并与空气混合，达到一定浓度，遇明火爆炸，尔后在一定范围内 形成稳定燃烧。特殊情况下，也会出现先燃烧后爆炸的现象。当液化石油气发生火灾时， 具有如下特征1 3 习： ： l 隐患不易发现 一旦发生泄露事故，很快向四周汽化扩散，由于液化气的无色无味，不易被发觉。 一旦遇明火等诱导因素，已经扩散了相当大的面积。这样，造成火灾的初发面积大。 2 火情猛、火势大，破坏力强 l p g 的热值大，火焰温度甚至达到1 8 0 0 c ，剧烈燃烧时的火焰传播速度也可达 2 0 0 0 n 埔以上闭。一旦发生火情。会迅速引燃四周的一切可燃物；同时，强辐射热( 以 燃烧总量计) ，有时会将近百米之内的建筑物门窗面层烧焦。不少的火灾案例中，都有 建筑物被烧塌，混凝土构件被烧熔的记录。如此猛烈的火势，给现场扑救人员的作业和 装备的使用，也造成一定的困难 i r g 的爆炸威力是t n t 当量的和8 倍。爆炸时，不仅其气浪压比原来大1 0 , - 1 5 倍， 形成强大的冲击性破坏，而且爆炸需要其2 5 倍的空气量，四周的空气迅速填补进来， 形成与冲击波相反方向的强大吸力，这样一推拉，大大增强了破坏程度，出现了其它 爆炸情况下不多见的。一次爆炸、二次破坏”的现象。 3 继生灾害严重 9 中北大学学位论文 当有大范围的隐情时，气源又未切断的条件下发生灾情，爆燃或爆炸经常发生。除 了与空气相混合的液化石油气产生爆炸之外，还有因火情烘烤( 辐射热) 而导致的液化 石油气储罐或槽车的突然升温所引起的物理爆炸，甚至，爆炸( 即使是破裂) 后的容器， 会涌喷出大量的液化石油气喷射到很远的地方，继而汽化，把火神( 火焰速度快) 引到 很远的地域。爆炸物的爆鸣，冲击气浪，飞射物体，以及建筑物倒塌等等，都造成了更 加严重的二次空间爆炸。 2 1 3 液化石油气火灾的破坏作用 液化石油气火灾的破坏作用主要有以下几方面阳： 1 冲击波的破坏作用 液化石油气发生爆炸( 包括由于液化石油气泄漏而引起的空间爆炸和储罐的物理爆 炸) 时，将释放巨大的能量，其中大部分能量用于在空气中产生强大的冲击波，冲击波 会摧毁其周围的建筑、设备、管道等，同时会造成人员伤亡冲击波在空气中传播时会 迅速衰减，因此冲击波造成的损坏作用的大小会随距爆炸中心的距离的增加而减弱。 2 热辐射的破坏作用 液化石油气燃烧后将释放出大量的热量，热量主要以热辐射的形式向周围的人和物 体传递，从而引起一定区域内的人员烧伤和物体燃烧或液化石油气受热膨胀导致储罐超 压爆炸。 3 毒性气体的毒害作用液化石油气燃烧时会产生大量的一氧化碳( c 0 ) 和二氧化碳 ( c 0 2 ) ，此外液化石油气泄漏后在空气中迅速扩散，这些者黟会导致空气中氧含量的减少， 而且一氧化碳由于其与血液结合力极强，即使空气中仍然存在大量的氧，也会导致人员 中毒窒息死亡。 4 抛出物的破坏作用 爆炸除了引起冲击波以外，还会将爆炸过程中的破片及抛出物以很高的速度飞出， 一般在1 0 0 5 0 0 m 内飞散，碰上人、物体后会引起被撞击体的破坏，由此而造成的伤亡 占很大比例【3 8 j 。 1 0 中北大学学位论文 2 1 4 池火灾伤害 池火灾例是指以可燃液体或易熔可燃固体为燃料的火灾。常见的池火灾有油罐火 灾、油井火灾和可燃液体或低熔点可燃固体泄漏到地面或水面遇到点火源形成的火灾 形成池火灾的液体既可以是高闪点的，又可以是低闪点的；既可以溶于水，也可以不溶 于水。 如果池火灾发生在室外，由干氧气供应充足，燃烧比较完全，产生的有毒、有害烟 气也容易无害地消散掉。但是，池火灾产生的火焰能够向周围发出强烈的热辐射，使附 近的人员受到伤害，并且可引燃周围的可焦物。火焰产生的热辐射是室外池火灾的主要 危害。 2 1 5 热辐射伤害准则 在熟辐射作用下，目标可能受到伤害。这里的目标指可能被伤害的任何客体，如人 员、炸药、推进莉、机器、木材、建筑物或其它结构。这里的伤害既包括对人的伤害， 又包括对物的破坏。 b a k e f 等人【柚】是最早比较系统地论述热辐射伤害准则的学者，依据他们的论述，常 见的熟伤害准则可以归纳为：热通量准则、热剂量准则、热通量热剂量准则、热通量 时间准则和热剂量一时闻准则，热通量、热剂量和作用时间三个参量中知道任意两个就 可以计算出第三个，所以热通量一热剂量准则、热通量时间准则和热剂量时间准则完全 等价。下面只讨论热通量准则，热剂量准则和热通t - 热剂量准则。 2 1 5 1 热通量准则 。 热通量准则以热通量作为衡量目标是否被伤害的唯一指标参数。当目标接受到的热 通量大于或等于引起目标伤害所需的临界热通量时，目标被伤害。否则，目标不被伤害。 熟通量准则的适用范围为【柏】：热通量作用时间比目标达到热平衡所需要的时间长。本节 所提到的池火灾满足这一条件。 文献1 4 1 1 认为，在稳态火灾作用下，引起加工设备破坏所需的临界热通量为 3 7 5 k w m 2 ，引燃木材的临界热通量为2 5 k w m 2 ，熔化塑料管的临界热通量为1 2 5 k w m 2 。 1 1 中北大学学位论文 2 1 5 2 热剂量准则 熟剂量准则以目标接收到的热剂量作为目标是否被伤害的唯一指标参数。当目标接 收到的热剂量大于或等于目标伤害的临界热剂量时，目标被伤害。否则，目标不被伤害。 热剂量准则的适用范围为【舯l ：作用于目标的热通量持续时问非常短，以至于接收到的热 最来不及散失掉。 文献 4 q 认为，在瞬间火灾作用下。人员三度灼伤、二度灼伤、一度灼伤、引起皮 肤疼痛所需的临界热剂量分别为3 7 5 k j m 2 、2 5 0 k j m 2 、1 2 5 k j m 2 和6 5 圳m ? 。 2 1 5 3 热通量热剂量准则 当热通量准则或热剂量准则的适用条件均不具备时，应该使用热通量热剂量准 则热通t - 热剂量准则认为p 哪，目标能否被伤害不能由热通量或热剂量单独一个参数 决定，而必须山它们共同决定。如果以热通量和热剂量分别作纵坐标和横坐标，那么， 目标伤害的临界状态对应热通量热剂量平面的一条临界曲线，如图所示。曲线的右上 方为伤害区，左下方为不伤害区，q q 和q q 。为渐近线，分剐对应热剂量准则中的 临界热剂量和热通量准则中的临界热通量。可见，热通量准则和热剂量准则都只是热通 量热剂量准则的极限情况。 囊胁 k 砒o 谌， 热翔量叠卧艄： 图2 1 热辐射伤害的热剂量獭通量曲线 2 1 5 4 热辐射伤害数学模型 基于热通量一时间准则，建立热辐射伤害的数学模型。 中北大学学位论文 比率方程( 2 1 是根据爆炸实验数据得出。在目标暴露时间和目标接收的热辐射量 为己知的情况下，可以知道目标所受伤害的程度，以比率y 表示。 y 一- 1 4 9 + 2 5 6 l n ( t 。q 3 ) ( 2 1 ) 式中，q 一目标接收到的熟通量，k w m z ； t 。一目标暴露于热辐射的时间，s 由实验数据可知，比率y 是一个服从正态分布的随机变量，l i p ： y n ( 5 ，1 ) 上式可转换为：y - 5 一( o ，1 ) 即固的分雍函数为： r j ( y 一$ 一亡面1 - ；d u ( 2 2 ) 式p 2 ) 表示了目标被破坏脑害的概率，即日标伤害几率p r 。表达式为： e 一去e 5 蠢d u ( 2 3 ) 以误差方程形式表示的目标伤害几率p f ，为： e 一三( 1 + 耐呀y - 5 ) 1 ： ( 2 4 ) 己编制的黾t ( x ) 函数表1 4 3 】，可供方便查用。对于一定的比率y ，查标准正态分布函 数表可以计算出目标的伤害几率p f 。 2 2 传热学经典理论 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律湖： 对于一个封闭的系统( 没有质量的流入或流出) q - 形- a u + 圆+ a p e 式中：q 一热量； 矽一作功； ( 2 5 ) 中北大学学位论文 6 u 一系统内能 加函一系统动能 j p e 一系统势能 对于大多数工程传热问题：j k e = z i p e = o 通常考虑没有做功：w = o ，则：q = a u 对于稳态热分析：q 利u = o ，即流入系统的热量等于流出的热量； 对于瞬态热分析：q = d u d t ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 2 2 1 三种热传递的基本方式 1 热传导 当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到低温部分； 而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体这种热量传递的方 式称为热传导； 热传导的热量传递满足以下关系式： q t - x 4 ( r “- z 棚) d ( 2 6 ) 式中：q 一时间t 内的传热量或热流量 k 一为热传导率或热传导系数： r 一湿度；a 为平恧面积； d 一为两平面之间的距离。 上式所表达的就是著名的傅里叶定律，又称热传导基本定律。 2 对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交 换。高温物体( 如暖气片) 表面常常发生对流现象。这是因为高温表面附近的空气因受 热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时密度较大的冷空气下降并代替原来的受热 空气。 热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。本文中所涉及到的对流为自然对流。 3 辐射 1 4 中北大学学位论文 热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度 越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任 何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。在工程中通常考虑两个或两个以上物体 之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。 2 2 2 边界条件与初始条件 传熟学上一般将边界条件归纳为三类： 1 第一类边界条件 物体边界上的温度函数为己知，用公式表示为： r 廿瓦；r r 一，o ，) ，磊0 式中：f 一物体边界； 一己知温度； ，如舅弓f j 己知温度函数。 2 第二类边界条件 物体边界上的热流密度为已知，用公式表示为： 一七詈h k6 酗t 旷- g o , y , z , t ) 式中：口一热流密度( 常数) ； g6 亏一热流密度函数。 3 第三类边界条件 与物体相接触的流体介质的温度和换热系数已知，用公式表示为： 一k s 抽t r - a ( r 一弓) 式中：乃一流体介质的温度； a 一换热系数。 砰和a 可以是常数，也可以是随时间和位置而变化的函数。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 中北大学学位论文 2 3 多米诺效应基础理论 一个工厂的某个单元发生事故，可能会导致其它相邻个或多个单元发生二级事 故，依次有可能发生三级或更高级别的事故，这就是事故的多米诺效应嗍现象。发生初 始事故的单元为初级单元，由初始事故直接作用引发事故的单元称为二级单元，依次为 三级单元、四级单元等。 多米诺效应发生的三个因素【啊： 初始事故触发多米诺效应； 初级单元的破坏效应作用于二级单元上导致初始事故的影响的传播； 有一个或多个二级单元，包括相同或不同的设备单元。 能够触发多米诺效应发生的事故类型有火灾和爆炸 1 火灾 火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。火灾是多米诺效应产生的 一个重要因素。火灾对设备的破坏形式主要是热载荷。火灾包括：池火( p o o lf i r e ) 、闪 火( h a s hf i r e ) 、火球( f i r eb a i l ) 、喷射火( j e tf i r e ) 。 火灾作为触发多米诺效应初始事件，以下几个方面必须考虑； 瞬时火焰的温度，传播速度和辐射率； 不同的容器形状。例如，各种卧式或立式的圆柱形、球形、立方体容器； 处于火焰包围中盼容器的温度分布不均匀； 热传递方式的复杂性：火焰通过辐射与对流作用于容器：热通过容器外表面向 内表面传递；容器内壁面气相区通过对流和辐射传热：气、液相分层区通过辐 射和对流传热；丽液相区则通过对流传热( 自然对流和强制对流) ； 介质通以沸腾的形式从液相区向气相区传递，而气相区则通过卸压阀向外界传 递介质。 中北大学学位论文 图2 2 火灾引发多米诺效应流程图 2 爆炸 爆炸就是物质剧烈运动的一种表现，物质运动急剧增速，由一种状态迅速地转变成 另一种状态，并在瞬间内释放出大量的能。爆炸对设备的破坏形式主要包括冲击波、热 1 7 中北大学学位论文 载荷及抛射破片。爆炸包括：受限空间蒸汽云爆炸( c v c ek 沸腾液体扩展蒸汽云爆炸 ( b i 正v e ) 、蒸汽云爆炸( u v c e ) ，粉尘爆炸。 爆炸产生将导致冲击波( 超压) 、热载荷和抛射物的产生。它们的产生可能会导致 二级、三级甚至多级单元的失效。这里所指的冲击波是指爆炸时所产生的振动波。由于 瞬间的爆炸和能量的大量快速的释放使周围空气的压力快速的升高在一定范围内形成 超压。当冲击波快速的从爆炸源向外扩展时超压则快速的上升到达峰值，然后逐渐减弱。 紧跟着超压区而来的便是真空区。 爆炸产生破片，它能对目标造成重大伤害。能量由冲击波传递到破片上导致它在空 中飞行并成为抛射物。破片有初始破片和次生破片之分。初始破片是爆炸容器的一部分。 两次生破片则是由爆炸所产生的冲击波与爆源邻近的物体相互作用，从物体上扯离下来 产生的。破片具有的以下特性对多米诺效应的研究很重要： 速度；形状； 动量；穿透力；方向。 1 8 中北大学学位论文 图2 3 爆炸引发多米诺效应流程图 中北大学学位论文 2 4 液化石油气储罐失效分析 凡产品在使用中丧失规定功能的现象，称为失效。它包括以下三种情况唧： ( 1 ) 完全不能继续服役； ( 2 ) 虽然还能运行，但已不能达到规定功能； ( 3 ) 虽然还能运行，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性 据此，根据产品损坏的特点，所承受载荷的形式及外界条件，可将失效分为表面损 伤失效、过量变形失效和断裂失效嗍。具体失效形式见图2 4 。 图2 4 失效形式图 l p g 储罐的失效，从表面上看是受到破裂、裂缝、腐蚀、超压和冲击1 4 9 】等作用的影 响，但究其根本原因，还是受应力、环境( 温度、腐蚀介质等) 和时间等多种因素作用， 导致其出现表面损伤，变形甚至断裂。 l p g 储罐的失效往往是多种失效形式长期共同作用的结果，而火灾环境下l p g 储罐 2 0 中北大学学位论文 的破裂失效主要由于蠕变断裂失效和疲劳断裂失效两种形式共同作用的结果。 工程上产品或零件的断裂失效分为塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效和 蠕变断裂失效等四种形式酬。在l p 6 储罐失效过程中，这四种失效形式都有可能发生。 断裂失效可能导致储罐完全不能继续服役，因此在众多导致l p g 储罐失效的原因中， 其表现出来的特征最明显，失效后产生的后果也最严重，因此也最能引起人们的重视。 2 4 1 疲劳断裂失效 储罐的疲劳断裂失效是由于储罐在频繁的加压、卸压过程中，材料受到交变应力的 作用，经长期使用后所导致的储罐破裂在加压和卸压状态下，罐壁所受的应力差异很 大不过储罐在使用过程中一般加压、卸压重复次数不多，所以材料通常承受的是所谓 低周疲劳应力。在交变应力作用下，储罐的较高应力部位会产生细微的裂纹，并在裂纹 的尖端形成高度应力集中。由于应力集中存在使微裂纹逐渐扩大。同时，应力继续不 断地交变在裂纹扩大到一定程度后，如果载荷达到一定数值，或遇到冲击、震动时， 储罐就会沿着裂纹发生破裂。 1 疲劳断裂失效的特征 ( 1 ) 破坏总是在经过多次的反复加压和卸压以后发生。 ( 2 ) 储罐破坏时没有明显的塑性变形过程，器壁没有减薄。 ( 3 ) 储罐一般不会破裂成破片而是裂成一个口，泄漏失效。 ( 4 ) 疲劳断口存在两个明显的区域，一个是疲劳裂纹力扩展区光滑面有滩状波 纹是最终断裂区，断口齐平，有金属光泽。 ( 5 ) 疲劳断裂失效的位置往往是在储罐存在应力集中的部位( 如开孔接管处等) 。 2 疲劳断裂失效的主要原因 ( 1 ) 不良的设计结构。储罐的结构设计不合理，就会产生较高的局部应力，使储 罐发生疲劳断裂失效。 ( 2 ) 较严重的制造缺陷。例如，焊接储罐常存在各式各样的焊接缺陷，在这些缺 陷处，将产生较严重的应力集中，也可以促使储罐的疲劳断裂。 ( 3 ) 温度的影响。工作环境温度的循环变化是储罐产生暂时的温度梯度，但因热 中北大学学位论文 胀冷缩受到约束，于是产生热应力应变，这种热应力应变的循环作用可能使储罐发生热 疲劳断裂。 2 4 2 蠕变断裂失效 蠕变断裂失效是指当工作温度很高，达到金属熔点的3 5 一7 0 时，即使应力( 主要 为拉应力低于屈服极限，储罐也能发生缓慢的塑性变形，这种塑性变形经长期积累， 最终也能导致材料破