（化工过程机械专业论文）池火灾中原油储罐的热和力学响应研究.pdf

随着我国石油战略储备量的增加，立式圆柱形原油储罐正向大型化方向发 展。原油属于甲b 类易燃液体，原油罐具有火灾爆炸的危险性，火灾事故是大型 原油储罐最主要也是最重要的危险因素，也是油罐区最大的安全隐患。 火灾环境中原油储罐的热响应问题的研究，是中国石化股份有限公司科研项 目 ：大型罐区风险分析技术体系的研究与开发( 编号：3 0 6 0 0 5 ) 的研究内容之 一。本论文运用数值模拟与试验研究计算并校核了储罐在水压试验与池火灾环境 下的强度，分析了火灾环境下原油储罐的热和力学响应。为火灾的预防和救治相 关技术研究提供理论指导。 本文对原油储罐水压试验时的应力进行了有限元分析，分析中采用沉降量法 建立了计算模型，在a b a q u s 平台上，对舟山石油储备基地的1 0 万m 3 原油储 罐水压试验条件下的应力和变形进行了分析，得出了罐壁和底板的整体变形和应 力分布，确定了罐体壁板与底板连接处的大角焊缝是储罐的关键部位，并对储罐 进行了强度校核，结果表明大型储罐的强度满足j b 4 7 3 2 9 5 的要求。 本文对1 0 万m 3 储罐钢材s p v 4 9 0 q 的对接焊试板以及s p v 4 9 0 q 1 6 m r 瓜对 接焊试板进行了常温和高温短时拉伸试验，得到了焊接接头在常温与高温下的力 学性能，为储罐的常温与高温下的强度校核提供了依据。 ， 本文对原油储罐罐内池火灾环境下的热响应行为进行了分析，采用非预混燃 烧的数学模型和概率密度函数方法，利用f l u e n t 软件中的p r e p d f 前处理模块模 拟了燃烧的产物组分和温度场，采用p 1 辐射模型和r n g 七一s 湍流模型模拟 了流场和辐射场。分别对5 m 、l o m 、2 0 2 m 三种不同液位下的原油储罐罐内池火 灾的流场和温度场进行了模拟，并计算了储罐罐壁的温度场，得到了池火灾环境 下不同液位高度储罐罐壁的温度分布曲线。 在储罐热响应分析的基础上，本文采用a b a q u s 软件综合考虑了储罐受热 后温度载荷以及机械载荷的共同作用。分别对5 m 、1 0 m 、2 0 2 m 三种不同液位下 的原油储罐进行了火灾环境下的热应力分析，得到了各层罐壁与底板的应力强 度。研究表明，原油储罐在火灾环境中，各部分应力强度满足j b 4 7 3 2 9 5 分析设 摘要 计标准的要求，这表明短时间内储罐可以经受住火焰的烘烤，不会坍塌。但若长 时间处在高温下，钢材会发生蠕变，最终将导致罐体坍塌，因此一旦火灾发生， 应立即采取措施给罐体降温。 、 针对舟山油库的1 0 万m 3 油罐，利用f l u e n t 软件对大型油罐进行了池火灾的 辐射特性模拟，得到了池火灾辐射的一般规律。并从安全技术角度出发，提出了 原油储罐区的安全防护措施。 关键词： 原油储罐池火灾热响应 力学响应f l u e n ta b a q u s n 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt l l e i i l c r e 嬲i i l g o fs t o r e dp e 臼o l e 哪f o rs 仇l t e ：g i c 心q u i r e m e n t ，v e r t i c a l c y l i n d c a lo i ls t o r a g et a l l i ( sa 他b e i n gd e v e l o p e di n t 0l 鹕e - s c a l et a j l i 【s c m d eo i li s o n eo ft l l ef i r s tl e v e l 砌a m m a b l es u b s t 锄c e s ，s ot l l eo i lt a l 1 l ch 硒t l l er i s ko ff i r e 觚d e x p l o s i o n f c i d e n ti sm em o s th n p o r t 锄ta n d m o s td a l l g e m u sf k t o rf o r l 鹕e s c 面eo i lt 龇锄d i st l l eb i g g e s tm d d 明仃0 u b l ef o rs 疵t ) ro fo i lt a l 咄z o 舱 r e s e a r c ho nt l l e n n a l 陀s p o n s eo fo i l t 孤l l 【e x p o s e dt 0f i r l ；e i sap a r to ft a s k “r e s e a r c h 锄dd e v e l o p m e n to n 砌s kj 细m y t e c h 血c a ls y 咖mo fl 嘴e - 出et a i l k z o n e 砌c h i ss c i e n t i f i c 陀s e a r c h p r o j e c to fs i n o p e c ( n o 3 0 6 0 0 5 ) i nt l l i s d i s s e 眦i o nt l l es h e n g t l lo fl 鹕e - s c a l eo i lt a i l kw 嬲c h e c k e da tw a t e rp 陀s s u 陀t e s t 锄d p o o lf i r eb yn 啪e r i c a ls i m u l a t i o n 觚de x p e r i m e n t s t h et l l e 册a l 锄dm e c l l a i l i c a l 坞s p o i l s eo fl a 理r e - 司eo i lt a n kw e ma n a l y z e du i l d e rt h ec 沁山n s t a n c e0 ff i 陀，、 ，：t l i c h c a no f r e r 圮t l l e o r e t i c a jg u i d ef o rt l l e 陀l a t i v et e c l l i l i c a j 他s e a r c h e so np 僦a 嘶。玛 仃i e a n n e ma n dc u i o ff i i i ed i s a s t e r f i n i t ee l 锄e n t 删y s i si sa p p l i e dt 0 删) ，z et l l es t r e s so fo i ls t o r a g et 舡l l 【a t 咖 p r e s s u 陀t e s t i n l i sp r 0 c e s s ，f o u n 捌o n n l e m e n tm e t l l o di s 璐e dt 0e s t a _ b l i s h c o m p u t e dm o d e l ，o nt l l cp l a t f o 肌o fa b a q u s ，觚a l y s i so fs 仃e s sa n dd e f 0 肌a t i o nf ；w o i ls t o m g et 舡l l 【丘0 mz h o u s h a no i l s e r v eb 鹤ea tw a 钯rp r e s s u 他t e s tw 弱m a d e ， i n t e 伊a t i e dd e f 0 肌a ：t i o n 锄ds t 陀s sd i s t r i b u t i o nf o rt l l ew m l 锄db o t t o mp l a t eo ft l l et a r l l 【 w c 陀o b t 豳e d 锄dm ef i l l e tw e l db e 眦e nw a l l 锄db o t t o mp l 蹴o f o i lt a i l i 【i st l l ek e y p o s i t i o no ft l l et 铀【k t l l e 妣n g mo fl 鹕e 一a l eo i lt a l l l 【i ss a t i s f i e dw i lr e q u 沁m e n ti n j b 4 7 3 2 9 5 1 1 h et e 粥i l et e s t so fs p v 4 9 0 q - s p v 4 9 0 qa n ds p v 4 9 0 q - l6 m 瓜b u nw e l d i n g s p e c 沛e 璐吣e di i lo i l 伽f l l 【埘t l l1 0 0 ，0 0 0 m w e 他c 痂e do u t 砒m o m 锄dh i g h t e m p e 豫t u r c t h em c c h 趴i c a lp r o p e n i e so fw e l d i n gj o i n ta tr o o m 锄dh i g l lt e m p e m t u 坞 w e 坞o b t a i n e df o rs u p p l y i n gb a 龇i i ic h e c l ( i n gs 仃e n g t l lo f l a r g e - s c a l eo i lt 砌【 t h e m 出陀s p o n o fo i l 咖m g et 锄k 岫d e rp o o lf i 他w 鳃锄m y z e db yd i 航s i o n c o m b 峭t i o nm o d e l 觚dp r o b a b i l i t yd e 髑i t ) r f h c t i o n ( p d f ) t 1 1 cc o m p o s i t i o no f b u n l i n gp r o d u c t sa n dt e m p e r 咖r ef i e l dw e r es h u l a ：t e du s 吨p r e p d fm o d e lo ff l u e n t s o 胁a r e ，t t l ef l o wf i e l d 锄dr a u d i a t i o nf i e l dw e r es i m u l a t e db yp - lr a d i a t i o nm o d e la i l d r n g 后一占t u r b u l e n c em o d e ls e p 删c e i y t h en o wf i e i d sa n dt e m p e 均t u 托f i e l d so f p 0 0 lf i r ei i lt a l l k 诵m5 m 、1 0 m 、2 0 2 m o i ld e 灿w c 陀s i l t l u l a t e dr e s p e c t i v e l y ，锄dm c t e m p e m ：t u r cf i e l do f t a i l l 【w a l lw 弱c a l c u l a t e d t i e m p e r a t l j r ed i s t r i b u t i o nc u r 、，e so ft a n l 【 w a l l 、i t l ld i 腩r e n to i ld 印t h sh lt a n ke x p o s e dt 0p o o lf 讹眦。比血e d o nt l l eb 弱i so ft h e h n o r e s p o n 觚a l y s e so fo i lt 觚l c a b a q u si s 瑚c df o r c 0 m p 瞄l e n s i v ec o i l s i d e r a t i o n 蚰d e rc o m b i n e da c t i o no ft e m p e r a ：t i l 】治锄dm e c h a n i c a l l o a d i n g 舷t 觚kb e i n gh e 删n e m e m l a ls 仃e s s 砌y s i so f o i l 诎诵t l l5 m 、l o m 、 2 0 2 mo i ld e p mi i lt a 】【l l 【麟p o s e dt 0p o o lf h cw 硒c a r r i e do u t t h es 仃e s si n t e n s i t i e so f d i 彘r e n tl a y e r so ft m 【、砌l s 锄db o 牡0 mp l a t ew e r eo b t a i n e d t h er e s u l t si i l d i c a t et l l a t u n i l e rt l l ec i r c 啪s t 觚c co ff i r ea c c i d e n t ，s 缸- e s si n t e i 塔i t i e so fd i f r e r e n tp a r t si no i l 伽 1 k m e e tm e 嗍u m e n t so fd e s i 印s 伽砌b y 锄m y s i s ( j b 4 7 3 2 9 5 ) ，砌c hs h o w st l l a t s t o r a g e 伽恤c 觚b e 甜t l l eh e a t i n gi ns h o r tt i m e 锄d 晰l l n o tc 0 l l a p h o w e v 盯m e c r e e po f s t e e l 诚l lb ec a l i s e du d e rt l i g ht c m p c e 狐鹏f o rl o n gt i l l l e ，诚c h 谢nl e a dt 0 m ec o l l 印o ft l l et a l l l ( s oo n c et l l ef i r ea c c i d e n ti i a p p 明e d m e 嬲u 他so fc o o l i n gt l l e t a l 咄s h o u l db ea d o p t e di 删n c d i a t e l y 砌【i n go i lt a n ko fl0 0 ，0 0 0 m 3i i iz h o 吣l 姗o i lr e s e r v eb 弱e 嬲a ne x 锄p l e ，t h e s 油u l a t i o no fr a d i a t i o nc h a m c t e r i s t i co fp 0 0 lf nw 弱c 踟- i e do 此t h eg e n e r a lr a d i a t i o n 1 a wo fp o o l 觚ml a r g e s c a l eo i l 伽f l l 【w 弱咖c l u d e db yf l u e n ts o 腑a r e b 舔e d 吼 t h ev i e 、) l ，p o i i l to f 鼢f 嘶t e c h n o l o g y s 疵m e 嬲眦sf o ral a r g e - 甜eo i lt a n kz 0 w e 佗 p r o p o s e d k e y w o r d s ： c r u d eo i lt a n k ；p o o lf i r e ；t h e n n o - s p o m 旧；m e c h 砌c a l 他s p o n ； f l 眦n t ；a b a q u s 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 。 随着石油化学工业的发展，世界各国石油战略储备的竞争越来越激烈，许多 工业化国家都增加了原油的储备量：美国储备量占经合国家的6 0 ，到1 9 9 7 年 美国实际战略储备量为8 9 6 7 万m 3 ，其储备目标为1 1 9 2 5 万m 3 。日本到1 9 9 7 年 总储备已达到9 9 4 0 万m 3 。韩国到2 0 0 4 年储油能力达到2 4 0 1 万m 3 ；德国从1 9 7 4 年开始实施了石油的战略储备；法国除储备约2 2 2 6 万吨石油外，还储备了成品 油约1 3 2 5 万吨【。 原油储备量的增加，促进了油罐事业的发展。油罐发展的明显趋势是大型化， 世界发达国家从石油储备出发，自上世纪七十年代起就开始了大型储罐区的建 造，如日本已建造了1 0 个国家级石油储备基地，主要在日本九州地区，日本1 9 8 5 年建成的小川原石油储备基地，由5 l 座1 1 5 万m 3 浮顶油罐组成【1 】；当今世界 上最大的石油中转储备油库一日本鹿儿岛喜入基地，总贮能力达7 3 5 万n 1 3 ， 5 7 座油罐中，单罐容量1 0 万m ? 的有3 0 座，1 6 万m 3 的有2 4 座【2 1 。 我国从2 0 0 3 年正式开始石油战略储备。2 0 0 3 年石油进口达到9 1 1 2 万吨， 而2 0 0 4 年石油进口首次突破1 亿吨。据预测，我国从现在到2 0 1 0 年，每年约需 增加石油进口1 0 0 0 万1 5 0 0 万吨【l l 。目前我国己建设了浙江宁波市镇海、浙江 舟山市岙山、山东青岛市黄岛和辽宁大连等4 个国家石油储备基地【3 j ，预计到 2 0 1 5 年我国将具备5 0 0 0 7 5 0 0 万吨石油储备能力。 随着世界上主要经济大国先后建立起战略石油储备，油库的安全问题显得尤 为突出。石油储罐的火灾事故，是油库最大的安全隐患。1 9 8 2 年1 2 月1 9 日委 内瑞拉，一场石油库大火，给这个国家带来了重大的损失，大火烧了4 天，1 4 5 人 死亡，5 0 0 多人受伤，直接经济损失折合人民币约5 2 亿元。大火迫使附近一座 发电厂停产，又造成首都加拉加斯市一半地区停电，后果极其惨重【2 1 。1 9 8 8 年， 壳牌石油公司在加利福尼亚的一家工厂发生地面储罐泄漏，导致4 0 0 0 0 0 加仑原 油释放到了排雨水的沟渠中，污染了1 5 英亩受保护的湿地和l l 公里的海岸线【4 1 。 国内诸如1 9 8 9 年黄岛油库的油罐火灾并演化成扬沸火灾，1 9 9 3 年南京炼油厂的 第一章绪论 油罐大火，1 9 9 7 年北京东方化工厂油罐大火以及2 0 0 1 年沈阳大龙洋油库火灾等， 都给国家造成重大经济损失。尤其是1 9 8 9 年8 月1 2 日黄岛油库发生的特大火灾， 大火燃烧了1 0 4 小时，烧掉原油3 6 1 0 4 吨，烧毁油罐5 座，事故造成的直接经 济损失达3 3 0 0 万元，扑救中1 9 人牺牲，7 8 人受伤，灾后可估计的间接损失达 5 2 0 0 万元，还不包括海洋被污染后治理的费用1 5 1 。 根据兰州军区联勤部范继义对油库1 0 5 0 例安全事故数据的统计分析表明1 6 1 ， 油罐着火事故的概率是所有事故中最高的，而相对的人员伤亡也是最严重的。如 表1 1 和表1 2 所示。 表1 1 油库事故类型统计表 1 - a b l e l 1s t a t i s t i c a lt a b l e0 f f i r ea c c i d e n ti no i ld e p o t 表1 - 2 人员伤亡统计 t a b l e l - 2s t a t i s t i co f p e r s o n n e ic 笛u a l 钞 石油储罐重大火灾事故究其原因，首先是存在火灾危险性介质，油罐内储存 的油品具有易挥发、易流失、易燃烧、易爆炸等性质，原油为甲b 类易燃液体， 具有一定的爆炸危险性1 7 1 ，同时，由于油罐内水垫层的存在，还有可能出现沸溢 或喷溅式燃烧，往往使火情更加复杂；其次储罐多由对雷电敏感的金属材质制造； 另外，一旦单座石油储罐发生火灾爆炸，极易波及罐区内其它储罐及生产设施， 产生连锁反应，造成重大事故【硼；再次，与其他火灾相比，储罐火灾的燃烧时间 要明显长得多，大量原油的存在，增大了控制和扑灭火灾的难度，并且发生火灾 时，会产生有毒烟气，像云一样笼罩在大气中，有毒液体也会排到水源和河流中， 对环境造成很大的影响。 油罐火灾，是目前损失大、难以扑救的火灾之一。原油罐的特性决定了火灾 爆炸危险性，是大型原油储罐最主要也是最重要的危险因素之一。油罐一旦发生 火灾，通常是火势猛，火焰高，对周围的热辐射强度非常大，直接威胁周围物体 2 硕士学位论文 和邻近油罐。如果扑救不及时，很容易引起相邻油罐着火，使火势扩大，给扑救 造成更大困难。因此有必要对大型原油储罐及大型原油罐区的火灾失效模式进行 深入的研究二 中石化是我国石油消耗的主要部门之一，除要建立石油储备基地外，其下属 的各分公司及企业所具有的原油与成品油的罐区也向大型化方向发展。企业中的 罐区是企业的重要危险源之一，罐区的安全运行将直接影响到企业的经济和社会 效益。 本课题是中石化股份有限公司科技部下达的“大型罐区风险分析技术体系的 研究与开发”研究课题中的一个子课题，着重于大型罐区火灾环境下油罐失效模 式的研究，它与整个课题形成一个体系，为大型储罐区的安全运行提供技术支撑。 1 2 国内外研究现状 油罐火灾是池火灾的典型形式之一，池火灾的定义很宽，一般指储罐中或泄 漏后的可燃或易燃液体形成的液池，遇到火源发生的火灾。 油罐火灾燃烧速度快，火焰温度通常在9 0 0 1 2 0 0 ，而且油品的燃烧热值 是木材的4 5 倍，对周围的热辐射强度非常大，容易引起相邻油罐的燃烧和爆 炸。油罐火焰是紊流型扩散火焰，其突出特点是：周围空气主要是通过燃烧中心 区的火焰进入油罐的，油罐直径越大，空气进入火焰的深度就越大，火焰中便会 有局部回流存在，上升的火焰及燃气流与下降的空气形成犬牙交错的团状。油罐 火灾火势的大小与燃烧速率有直接关系，燃烧速率主要是由燃料的蒸发率和燃气 的转换、传输过程决定的，而燃料的蒸发速率主要受传递到燃料表面的热流分布 的影响，并最终决定于油品种类、油罐大小、风速、地形等因素，是十分复杂而 又难以准确预测的。 研究火灾的发生、发展规律，预测其危险性是有效预防和扑灭油罐火灾的关 键，目前的研究方法主要有模型实验与计算机模拟两种方法。模型实验一般是指 对各种实际火灾情况进行实体( m l ls c a i e ) 试验或按比例缩小尺寸( s m a l l l a l e ) 的燃 烧试验。它是火灾科学理论研究的基本方法和手段，既可用于研究火灾的规律， 验证各种影响因素之间的关系，同时也可为数学模型提供基本的数据。计算机模 拟就是基于描述火灾过程的各种数学模型采用计算机模拟技术，分析研究火灾的 发生、发展，烟气的蔓延规律，以及对周围环境的作用与火灾对储罐的破坏作用 3 第一章绪论 等。计算机模拟可以大大节省研究和测试费用，是现在储罐火灾研究的重要方法 与手段。 。 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) 实验研究 国外油罐火灾的实验研究起步较早，从b l 洫o v 和k h u d i a k o v 【9 1 1 9 5 7 年首次 开展实验研究以来，在全球范围内进行了许多石油火灾的实验研究。国外发达国 家，比如美国、日本、英国、西班牙等都进行了有关石油火灾的实验研究，并取 得了一些应用的成果。研究主要集中在以下几个方面：油品的燃烧速度，火焰高 度、火焰温度、燃料表面的热量传递、火焰对周围环境的热辐射强度以及燃烧产 物的浓度和烟雾的产生特性等。 b l i i l o v 和k h l d i a k o v 在1 9 5 7 年用4 种不同的燃料进行了池火灾实验，实验 的直径范围从小于l c m 直到2 2 m ，得到了一些非常经典并且至今还非常有用的 数据，他们通过研究发现燃料的燃烧速度并不依赖于油池的大小。两年后， h o 讹h 【l o l 在研究了他们的实验数据后，认为在紊流池火灾中，火焰主要是通过辐 射的形式向燃料表面传递热量。 日本科学家在1 9 7 9 年和1 9 8 1 年进行六次大尺度池火灾实验，油池直径分别 为6 5 m 、l o 9 m ，3 0 m ，3 0 8 l i l 5 0 m 和8 0 m 。在实验中测量了火焰的可见高度、燃 烧速率、火焰对环境的辐射强度、以及火焰对燃料液面的热反馈等参数。胧t a 和l l j o 【l l 】研究了这些数据后发现燃料的燃烧速率近似为常量，与油池直径无 关。而且在油池外几何条件相似位置处，热辐射强度随着油池直径的增加而减少。 另外他们还发现当油池规模增大时，烟粒子的产生率增加，并在火焰的外面形成 了一个厚的烟灰层。烟灰层吸收了一部分火焰的对外辐射，使火焰对环境的辐射 减少，这种对辐射的影响被称为“烟阻效应”。t a k a a k i 【1 2 】等人在3 0 m ，5 0 m ，8 0 m 直径的大型油罐火灾实验数据的基础上，研究了火焰温度、辐射热、燃烧速度以 及燃烧产物和火焰形状等参数，并发现直径小于l o m 的油罐燃烧实验的研究结果 不能被外推到大直径的油罐火灾上。 h i r o s l l ik o s e l d 【1 3 1 对不同燃料的辐射热流进行了研究，总结出辐射热随油罐 直径的变化规律。他认为当油罐直径d 3 m 时，平均辐射强度随着油罐直径的增 加而增加；在胪3 m 左右，辐射强度达到最大值；以后随着直径的增加其辐射强 硕士学位论文 度则逐渐减小，这是由于随着油罐直径增加其“烟阻效应”逐渐增大的缘故。另外， h i r o s l l ik o s e b l l 4 。5 1 在直径为6 m 的庚烷燃烧实验中采用6 0 只热电偶对火焰温度 场进行了测量，得到了火焰的等温线图。然后研究了不同规模火灾的温度分布规 律，发现火焰温度随油罐直径的增加而增加，即大火的火焰内部温度要高于小火。 西班牙的e u l a l i ap l 锄硒c u c i l i 【1 6 】1 9 8 9 年通过对4 m 2 面积的乙烷油池和1 2 m 2 面积 煤油油池燃烧实验的研究，给定了一个火焰温度随时间和轴向高度变化的关系 式。 h a m i n s a 和f i s h e r 【17 】在直径0 3 m 的油盘上对甲苯、庚烷和甲醇分别进 行了实验。实验结果表明，小火向燃料表面辐射的热流沿油罐半径方向是均匀的， 大约在3 0 洲左右，根据油品种类不同而有所差异。嘶t z 0 和n i c 0 l e t c e r 【1 8 1 等 人通过对大直径的油罐实验得出其值是不均匀的，在内部贫氧区为2 0k w m 2 ，而 主火焰区为1 0 0 2 ，差别很明显。a l g e r 【1 9 】等人测量了3 m 直径的甲醇罐，发 现辐射热从罐中心到罐边缘的数值逐渐减小，推断可能是由于火焰不同部位的传 热方式不同而造成的，罐中心的热量以辐射为主，而周围的热量以对流为主。 ( 2 ) 计算机数值模拟研究 油罐的实验研究可以获得油罐火灾发生时，其特性参数的真实变化。但由于 油罐火灾研究具有特殊性，加之资金、安全、环保等因素的限制，直接进行大型 实验是非常困难的。另外由于油罐火灾受到气候和环境的影响使实验重复性较 差，难以获得一致的结果，而且实验结果在利用相似理论进行推广的过程中，常 常得不到满意的效果。所以近几年来随着计算机技术的飞速发展，应用计算机来 模拟油罐火灾的发展过程和火灾对环境的影响也成为火灾研究中的重要手段之 一。计算机模拟是在描述火灾过程的各种数学模型的基础之上进行的，从工程科 学的角度出发，分析研究火灾的发生、发展，烟气的蔓延、火灾对周围环境的作 用，以及火灾对人员及财产安全的影响，计算机模拟可以大大节省研究和测试费 用，并可通过设定多种火灾场景进行重复的模拟和演算。 计算机模拟的关键在于建立可以准确描述火灾现象及其发展过程的数学模 型，常被称为“火灾模型 【2 0 2 。现在常用的火灾模型有两种：区域模型( z o n e m o d e l ) 和场模型( f i e l dm o d e l ，也称为c f d 模型) 。由于现在计算机技术的高 速发展，c f d 技术日益成熟，应用场模拟的限制已经很小，且场模拟能够非常 5 第一章绪论 准确地描述整个火灾发展的过程和其对外界的影响，人们开始应用c f d 技术来 研究池火灾的问题，所以模拟油罐火灾的规律应采用场模拟的方法。 当前模拟油罐火灾的c f d 模型主要有以下几种f 2 l 】：a l o f t 2 f t 、c f x 、f d s 、 f i r e 、f l u e i l t 、j a s m i n e 、k 锄e l e o nf i r e e x 、k o b ra - 3 d 、m e f e 、m o d i f i e d u n d s a f e 、p h o e n i c s 、r m f i r e 、s m a r t f i r e 、s o f i e 、s o l v e n t 、s p l a s h 、 s t a r c d 等。 1 9 9 5 年，s i n a j 和o 、e n s 【2 2 l 应用c f d 软件对有风的气象条件下，直径2 0m 的煤油液池火灾进行了模拟，发现池的形状、围堤高度、周围紊流情况都可以影 响火焰尾羽形状，文中对圆形池火灾进行了很好的模拟，结果与试验相吻合，发 现平行于围堤的横向风对火焰拖曳有很大影响，使之产生很大的尾羽，倾斜的尾 羽对火灾下风向某处目标的热辐射有很大的影响； 利用c f d 技术对池火灾温度和热流以及流体本身可以做出很好的模拟。该 模拟的结果也表明紊流燃烧模型用以c f d 软件进行数据模拟是可行的。 1 2 2 国内研究现状 我国对池火灾灾害的研究起步较晚，且仅有少部分高校和科研机构开展了有 关的研究工作。如天津消防科学研究所在1 9 8 7 年曾对1 0 0 m 3 和5 0 0 0 m 3 的油罐开 展过原油的燃烧及灭火试验，取得了一些有价值的试验数据和研究成果；中国科 技大学火灾科学国家重点实验室在“九五”科技攻关项目中对扬沸火灾、管道泄漏 火灾等进行了实验研究，并且对油罐火灾的沸溢现象及其早期特性进行了实验研 究2 3 】；北京理工大学研究人员对池火灾过程、伤害机理及其危害性进行了定量分 析，归纳了热辐射的伤害和破坏准则【2 4 l ，开发了池火灾后果分析评价软件。 1 3 油库火灾的发展过程及特点 火灾通常都是一个从小到大、逐步发展、直至熄灭的过程。一般可分为初起 阶段、发展猛烈阶段、持续燃烧阶段和衰减熄灭阶段四个阶段。火灾温度和火灾 持续时间，一般呈现图1 1 所示的规律变化【2 5 】。 6 硕士学位论文 注：o - a 为火灾初起阶段；a b 为急剧上升阶段 b - c 为稳定燃烧阶段；c 以后为衰减熄灭阶段 图1 1油罐火灾温度曲线f 2 5 】 f i g 1 - lt e m p e r a t u 陀c u r v eo f t a n ke x p o s c dt 0p 0 0 lf i 他 1 3 1 油罐火灾初起阶段 火灾初起阶段火焰一般带有较浓的黑烟，火柱较短，紧靠油面，火柱高度一 般只有l 2m 高。初起火灾的持续时间一般为5m i i l 左右，这段时间环境温度相 对较低，油品蒸发吸热较多，火灾温度上升相对较慢，最高温度一般不超过5 0 0 。 油罐也不会发生破裂或变形，这一阶段为扑救油料火灾的黄金时段。 1 3 2 油罐火灾发展猛烈阶段 油罐火灾发展的猛烈阶段，是指从初起阶段末到稳定燃烧的这段时间，这一 阶段的持续时间大约5 l om i n 。这一阶段整个油面全部燃烧起来，燃烧速度达到 最大值，并稳定下来，火焰颜色逐渐由较浓的黑烟变红，火柱高度增加，最高可 达几十米。罐壁温度达1 0 0 0 以上，这时如不对油罐进行冷却降温，油罐将失 效变形甚至崩塌。 1 3 3 油罐火灾稳定燃烧阶段 油罐火灾的稳定燃烧阶段，是指从发展猛烈阶段末到火灾衰减熄灭前的这段 时间。这一阶段，火焰由红黑色变为红黄色，燃烧温度和燃烧速度都达到最大值。 稳定燃烧阶段持续时间的长短，与油罐储油多少，以及储油品种有关，一般油罐 储油越多，持续时间越长，反之，持续时间就短；另外，轻质油料储罐稳定燃烧 的时间一直持续到油料即将烧尽，重质油料储罐稳定燃烧一般持续到其轻质成分 烧完。 7 第一章绪论 1 3 4 油罐火灾衰减熄灭阶段 油罐火灾的衰减熄灭阶段，与一般建筑火灾或其它火灾不同，其持续时间较 短，轻油的衰减熄灭时间很短，重油持续时间稍长一些。这一阶段火柱变短，燃 烧温度和燃烧速度呈下降趋势。燃烧速度从最大衰减到零，火灾温度的衰减快慢 与火灾的持续时间有关，火灾统计表明，火灾持续时间在l 小时以下的，火灾温 度大约每分钟下降8 ，火灾持续时间在l 小时以上的，火灾温度大约每分钟下 降1 2 。 1 4 油罐火灾基本模式 油库油罐发生火灾时，其可能的火灾模式主要有如下6 种情况【2 6 】： 1 4 1 只燃烧而无爆炸 油罐破裂油品外泄至地面，这时遇火源而发生火灾时，一般会在地面形成稳 定燃烧而不发生爆炸。同样，罐顶被炸掉后的油罐火灾一般也是稳定燃烧，外浮 顶罐顶部着火时也可能是稳定燃烧。 1 4 2 只爆炸不继续燃烧 未排净可爆炸性油蒸汽的空油罐，遇明火或高温后，罐内会发生爆炸，但由 于罐内无存油，爆炸后不继续燃烧。内浮顶罐气体空间发生火灾爆炸时也可能是 这种火灾模式。 1 4 3 爆炸后继续燃烧 储罐内油蒸汽发生火灾爆炸事故时，若罐顶被炸掉，罐内油品被引燃，将形 成稳定燃烧。对于这种模式的火灾，若不及时扑救，将一直燃烧至油品烧尽。这 种火灾模式，对于低液面轻油罐，燃烧5 1 0 分钟后，其罐壁将发生严重变形或 破裂，直到最后塌陷。 1 4 4 燃烧中发生爆炸 若罐项某一孔着火( 采光孔、裂缝、腐蚀穿孔或测量孔等) ，另有孔进气( 如 透气阀) 时，这时若火柱由黑烟转变为无烟的蓝焰时，有可能在短时间内转变为 油罐爆炸。这是由于燃烧中外面的空气可进入罐内，使罐内油气混合气浓度有可 能达到爆炸浓度范围而发生爆炸。燃烧中发生爆炸的火灾模式在油库火灾中时有 发生。 1 4 5 沸溢喷溅式燃烧 盆 硕士学位论文 原油、重油或有水垫层的储油罐着火后，随着燃烧的进行，热波将向油面下 层传播，当水垫层温度达到1 0 0 以上时，水将发生沸腾而冲出，同时带着火团 冲向天空或由于沸腾而使油品溢出罐外。 1 4 6 油罐着火后蔓延为多罐燃烧爆炸 由于油料的热值高：燃烧猛烈，辐射热量大，一个油罐着火后，如果抢救不 及时，邻近油罐的存油，因加速蒸发而呼出，有可能被引燃或爆炸。若着火油罐 遭严重破坏，大量油品外流，将有可能整个罐区着火。 1 5 原油火灾基本特性 研究油罐区火灾发生、发展的内在规律，揭示各种储罐火灾传播、热量传递 等方面的内在规律，对于保障国家和人民生命财产安全是十分必要而又非常迫切 的。 研究石油储罐区火灾的各种规律之前，首先需要了解的是石油燃烧的基本特 性： ( 1 ) 国产石油的闪点。国内几大油田的原油闪点为：大庆原油2 8 ，大港 原油2 3 5 ，任丘原油3 7 ，盘锦原油l o ，胜利原油4 5 。 ( 2 ) 爆炸浓度极限。原油的爆炸浓度极限一般在1 1 6 。 ( 3 ) 火焰温度与高度。原油燃烧的火焰温度在9 0 0 1 1 0 0 之间，其火 焰高度与储罐大小和油品特性有关，液面越大，油品越轻，则火焰越高。 ( 4 ) 火焰辐射强度。原油燃烧的辐射强度每平方米9 万7 干多焦耳，下风 方向温度是上风方向的2 3 倍。原油储罐燃烧时，油面越高，地面温度越低。 油罐尺寸越大，释放的外辐射热与总释放量的比例越低。 ( 5 ) 火焰对储罐壁的影响。在没有冷却的情况下，燃烧5 分钟罐壁温度达 5 0 0 ，燃烧l o 1 5 分钟罐壁开始变形。 ( 6 ) 燃烧速度。油品的燃烧速度分为水品燃烧速度，重量燃烧速度和直线 燃烧速度。前人对油品燃烧的几点结论如下：( a ) 罐内油品的燃烧速度与罐顶破 裂开口的面积成正比，液面高低对其影响不大。( b ) 原油比重油燃烧速度快，馏 分越重，燃烧速度越慢。( c ) 轻质原油燃烧速度稳定，一般在1 3 c i 肌3 0 c 胁 之间。( d ) 原油含水量大小与热波速度有关，对燃烧速度影响不大。 ( 7 ) 原油燃烧的热波特性。沸点较高的油品燃烧时，由于辐射热的作用， 9 第一章绪论 使液面温度升高，并通过介质的对流、达到向油品深层方向加热的特性。重质油 品有热波特性，轻质油品没有此特性。因为原油燃烧表面轻质馏分多，蒸汽压大， 随燃烧时间的延长，表层轻馏分变少，下层轻馏分上升，从而进行对流传热，深 层油品被加热，液下温度上升。 ( 8 ) 沸溢喷溅。具有热波特性的油品与燃烧过程中的自由水，乳化水或灭 火水在热波作用下汽化沸腾，蒸汽泡上升时蒙上一层粘的油品，形成油泡，并从 油罐边上向外溢流，形成沸溢。而当石油储罐的底部有水垫层时，水汽化沸腾产 生大量蒸汽，在油层和水层之间形成一定的蒸汽压，当压力超过油层重量时，发 生喷溅现象。无论沸溢还是喷溅，都是由于油品中的水分，在热波作用下发生的 现象。 基于石油燃烧的基本特性，石油储罐火灾和爆炸具有以下特点：火势猛烈、 火焰温度高、辐射热量强、浓烟多、气浪大、热波传播速度快以及施救不及时， 易蔓延引发爆炸的恶性事故。由于原油储罐的形状各异，原油性质不同，其火灾 和爆炸的特点也各不相同。 1 6 论文的研究目的和主要研究内容 1 6 1 研究目的 从国内外研究现状来看，研究大都在池火灾的燃烧过程、油罐火灾发生时燃 烧特性的变化趋势、着火油罐周围的辐射热场分布规律、沸溢火灾的现象以及发 展规律等研究方面展开，而从结构方面考虑，关于油罐火灾中，火灾对结构强度 的影响，储罐在火灾中的热响应的研究较少。 本文储罐的强度角度，运用有限元方法对火灾环境中储罐的响应行为进行数 值模拟，研究分析事故发生时的温度场分布以及罐体材料的力学响应，试图从模 拟结果中归纳出在火灾环境中储罐的一些响应规律。通过这些研究，帮助人们认 识火灾中储罐的响应行为，也为火灾的预防与救治工作提供有益的指导。 1 6 2 主要研究内容 本课题通过计算机数值模拟，研究单个1 0 万立方米原油储罐在火灾环境中 的响应过程，以及单个储罐着火后对其他储罐的热影响。从而得到整个储罐区的 火灾危险性。主要内容有： ( 1 ) 对1 0 万i n 3 原油储罐用材s p v 4 9 0 q 及s p v 4 9 0 q 1 6 m n r 对接焊接接头 l o 硕士学位论文 的常温与高温下的力学性能进行测试，为储罐的强度校核提供依据。 ( 2 ) l o 万m 3 原油储罐的水压试验时的应力分析，并利用j b 4 7 3 2 9 5 分析 设计标准对原油储罐的强度进行校核； ( 3 ) l o 万m 3 原油储罐在火灾环境中的热响应行为分析，拟得到火灾环境 中罐壁各部分的温度场分布； ( 4 ) 1 0 万m 3 原油储罐在火灾环境中的力学响应行为分析，对热载荷与机 械载荷共同作用下的储罐强度进行校核； ( 5 ) 基于上述分析，对火灾环境中的罐区安全提出相应的对策。 参考文献 1 李文龙，谭家华我国战略石油储备方式研究 j 中国海上油气2 0 0 2 ，1 4 ( 3 ) ：9 1 4 2 姚勤浅谈大型油库潜在的火灾危险与防范 j 消防科学与技术2 0 0 4 ，2 3 ： 7 2 7 4 3 帅健原油油库的安全评价 j 中国安全科学学报2 0 0 6 ，1 6 ( 1 0 ) ：1 2 0 1 2 5 4 万军国家储备油库设计方案的确定 j 油气储运2 0 0 6 ，2 5 ( 1 0 ) ：2 9 3 7 5 张寿民黄岛大火引出的思考 j 通讯2 0 2 5 6 范继义油库1 0 5 0 例安全事故数据的统计分析 j 石油库与加油站2 0 0 3 ， 1 2 ( 6 ) ：1 9 2 1 7 高建忠油库大型油罐安全分析及改进措施 j 石油化工安全技术2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 ) ：1 5 2 3 8 杨建年，唐春艳浅论雷电与石油储罐安全 j 油气田地面工程2 0 0 6 ，2 5 ( 1 1 ) ：2 2 2 2 9 b l i n o v v i ，k h u d y a k o v ，q n ，c e r t a i l li 履w sg o v e m i n gd i f 风i o nb u 耐n go f l i q u i d s r ，a c a d e m i i an 舳kd o k l a d y l l 3 ，1 0 9 4 ，u s s k l 9 5 7 10 h o t e l ，h c ，r e v i e w ：c e 以nl a w sg o v e m i n gt t 圮d i m 坞i v eb u 耐n go fl i q u i d s ， b yb l i n o va n dk h u d i a l 【o v ( 19 5 7 ) r f hr e s e 眦ha b s 眦t s 锄dr e v i e w 1 9 5 9 4 l - 4 3 第一章绪论 1 1 c l 啪gq i 觚，g h 弱s 纽1 瓠h t o u s l l a 虹l l i k oi t o ，k o z 0s a i t 0 s t r u c t u l r eo fl a r g e s c a l e p o o l f i r e s c ，i n t e m a t i o n a lc o 哦