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油气爆炸冲击载荷对金属油罐断裂损伤的模拟实验
文/高建丰 杜扬 蒋新生 朱根民 文建军
摘 要：油料洞库发生火灾时, 在狭长受限空间,金属储油罐在环绕油罐的油气爆炸冲击波冲量作用下,会发生断裂损伤,造成重大的爆炸火灾安全事故.本文一方面对受限空间不同初始条件下油气爆炸冲击波的发生进行了实验研究与分析；另一方面,对冲击波产生的冲量作用对金属油罐断裂损伤进行了研究和分析.研究表明：受限空间油气爆炸冲击波将由爆燃向爆轰快速发展,爆炸压力将达到最大,即爆轰压力.油罐距爆炸点的距离对发生断裂损伤模式影响很大.按现有规范设计的金属油罐不能承受一定规模的爆炸冲击波的损伤,在罐体宏观缺陷部位（如裂纹、腐蚀坑点等处）产生脆性断裂；冲击波的冲量作用比最高爆炸压力的直接力作用危害更大,可能导致金属油罐脆性断裂.
关键词：油气爆炸；冲击波； 载荷；金属油罐；损伤断裂；模拟实验研究
1.引言
金属油罐是最常见的油料储存容器.由于油料的易燃、易爆等特性,油库火灾、爆炸事故往往带来巨大的人员伤亡和经济损失,并造成严重的环境破坏和污染.油库发生爆炸时,金属油罐在环绕油罐尤其是狭长受限空间的油气爆炸冲击波冲量的作用下,会发生断裂损伤,甚至彻底摧毁储油罐,造成重大的爆炸火灾安全事故.如1989年青岛黄岛油库特大火灾爆炸事故,损失原油数万吨,直接损失大于8500万,并造成重大人员伤亡；2002年,南方地区连续发生两起油库重大火灾爆炸事故,同样造成重大伤亡和经济损失,而其中一起由于发生二次爆炸,罐底的钢板被撕裂,金属油罐被颠覆,大量燃油抛洒出来,引起火灾迅速大面积蔓延,使最初并不严重的爆燃事故发展为重大火灾爆炸事故.因此,油库安全是关系到国计民生的大事,防止油罐爆炸是油料储运工程安全与防护技术的重要内容,是确保油料储运安全的重要环节.本文综合运用断裂力学、失效分析、流体力学、燃烧学、爆炸力学等学科知识,对油气爆炸冲击波作用下金属油罐损伤断裂进行了模拟实验研究,通过研究油库火灾发生时,油气爆炸冲击波对金属油罐产生损伤断裂的机理,对确定油罐火灾防爆技术手段提出更为科学的储油罐设计安全结构,科学认定油罐火灾爆炸事故原因,具有重要的理论意义和工程实用价值.由于油料洞库和覆土油罐都是受限空间,油气爆炸产生的压力更大,本文选择地下原型坑道和模拟油罐进行油气混合物爆炸实验.
2.实验装置与测试
2.1原型坑道油气混合物爆炸实验
原型实验坑道及其断面如图1所示.其中水平坑道断面7.2m2,长400m,距坑道口35m处有一工程中常见的支坑道口,其深度为1.2m；斜坑道长约300m,与水平面夹角为23°.水平坑道口采用液压开关的重型防爆密闭门进行封闭,可承受各种气体和粉尘爆炸形成的一定超压；斜坑道口为无约束开口.
实验点火系统将电作为油气混合物点火源,每个点火头的点火能量为2焦耳.本文实验中设计了专门的油气形成系统,包括气体循环回路、油料雾化喷头、高压供气供油管路、空气压缩机等,实验中在坑道中形成均匀的油气混合物.
实验过程中油气爆炸破坏力强、危险性大,地下爆炸实验段距地面测控中心超过300m,数据采集困难、信号传输距离远,受到的各种干扰较大,如何进行有效的数据采集是原型油料洞库油气爆炸实验的关键.因此,除利用高度自动化的数据采集仪器外,还对火焰、压力信号进行了前置放大,对火焰信号进行了门限滤波.作为数据采集系统核心的cs20000高速多通道数据采集分析系统具有对16个通道进行A/D转换和最高20MHz并行采样的能力,所采集的数据由系统自动保存.同时系统还可进行所采集数据的后处理分析.
如图2所示,实验坑道前40m每隔10m一个测点.测试爆炸压力、火焰传播速度.40m后每隔20m一个测点.测试系统整体如图所示.成分测试用抽样法.
2.2模拟油罐油气爆炸实验
模拟实验系统包括油罐模拟实验装置、数据采集与处理系统及实验辅助系统.模拟油罐装置由双层油罐和Φ400钢管模拟坑道等组成,如图3所示.油罐直径为1000mm,高1000mm,罐壁高800mm,厚10mm.整个模拟油罐按压力容器设计标准加工而成,罐壁为圆柱形,罐底为平板封头,罐顶为标准的椭圆封头.为了便于实验时观察,在罐壁上开有三个Φ150mm的观察窗,安装有石英玻璃.罐顶上开有一个Φ400的人孔.罐壁及罐底、顶上均设有螺纹连接的安装传感器的接头.整个容器能承受高温高压.数据采集与处理系统主要检测温度、压力等参数,共六个通道（CH）检测压力参数,布置位置如图1所示.压力传感器采用高频响的压阻传感器,量程为1.0MPa.爆炸前后各种气体的体积分数,用HC红外线分析器和汽车尾气分析仪进行测量.
3.实验结果与分析
3.1原型坑道油气混合物爆炸实验结果与分析1）油气浓度分布与爆炸模式：
模式实验结果如表1所示.从最高压力看,当初始油气浓度为1.9%时,在40m处的压力已达到8.8个大气压.所以,爆炸已从爆燃向爆轰快速发展.在初始油气浓度为1.92%时,短短40m内爆炸压力就已超过油气定容爆炸压力.
如表1所示,在原型坑道油气均匀分布的前30m,当点火后爆炸呈由弱爆燃到强爆燃甚至到爆轰初期的过程；在30m到80m之间,30m到40m段为过渡段；有时爆炸增强,有时爆炸减弱.在40m到80m之间,由于原型坑道油气浓度呈由高到低的分布,所以,爆炸由强爆燃到弱爆燃发展,说明油气浓度分布是确定爆炸模式最关键的因素；不同的油气浓度分布模式会给洞库带来不同的爆炸发展模式及不同的危险程度.实验结果说明油料洞库局部一般有较高浓度油气分布,如果爆炸后没有抑爆阻爆措施任其发展,其危害程度对洞库来说是灾难性的.
2）压力发展规律及主要影响因素
压力发展典型实验结果数据在表2给出；所对应的最高压力随坑道位置变化的曲线如图3所示.不同初始油气浓度所对应的最高超压和最大火焰传播速度实验结果在表3给出.原型坑道实验中,沿坑道爆炸的发展经历了二种浓度分布；一种是前28m均匀初始油气浓度分布.在28m处有隔断薄膜.在28m后,因爆炸时薄膜破开,冲出的油气混合物与空气因混合和扩散形成由高到低的油气浓度分布.在五次实验中都遵循爆炸压力由弱到强,由强到弱的发展过程,但有四次最高压力在30~40m处.因油气浓度的不同和其它条件影响,最高压力分别为：8.8、6.8、4.2、4个大气压.另外一次最高压力为0.89个大气压,发生在60m处且在80m处压力还有0.88个大气压.值得注意的是,10m处的压力有二次超过后面点的压力.本文认为是坑道断面压力波反射叠加造成的.实验结果表明,在原型坑道中爆炸压力上升的速率非常快.无论在模拟实验还是在原型实验中,都证实边界的扰动对洞库狭长空间的爆炸影响是非常关键的因素之一.在实际洞库中,多路管道、纵横交叉的支坑道、转弯等都是推动爆炸发展的“局部动力”.从安全角度来讲,要在设计、改造中尽量减少、避免有些“局部扰动”因素.
3）洞内爆炸波的破坏效应
在实验中,本文进行了角钢架、悬挂钢筋桩坑道内破坏效应的实验.如图5所示,在油气爆炸巨大的冲击波与冲量效应作用下,坑道内墙壁上的角钢架、悬挂钢筋桩全部变形,槽钢架开裂倾倒.其爆炸的破坏效应是非常巨大的.如此巨大的破坏力,洞内目前的油管固定方式和油罐是无法承受的.巨大的破坏效应必然使油管变形断裂或破裂、油罐变形损坏和泄露,为事故的恶性发展提供必要条件.
3.1模拟油罐油气混合物爆炸实验结果与分析
不同初始浓度的油气混合物的爆炸模拟实验结果如表4所示.从表2可以看出,模拟油罐的爆炸、燃烧初期的主要模式为爆燃,然而才出现向燃烧发展形成火灾的可能[7,8].油罐内油气爆炸与油气体积分数、气温、点火能量强度等因素有关.油气体积分数分布特性是确定爆炸模式最关键的因素；不同的初始油气体积分数给油罐带来不同的爆炸发展模式及不同的危险程度；气温对罐内油气体积分数起着决定性的影响.气温越低,罐内油气体积分数也越低,爆炸越不容易产生.从实验结果来看,油气爆炸压力最大超过1MPa,最小也有0.3MPa,这样的压力对大型储油罐来说,将产生断裂损伤,导致油罐的结构性破坏.如果油气爆炸没有抑爆阻爆措施任其发展,其危害程度对油罐来说是灾难性的.因此,爆炸压力波是油罐油气爆炸事故的主要破坏力.
油罐内发生爆炸后,压力曲线无论是在上升还是下降过程中,波动十分明显.这种现象称为压力波的振荡.高温高频的振荡压力波极易产生油罐金属材料的高温蠕变,可能导致爆炸容器的塑性断裂,造成极大的破坏,因而爆炸振荡是有害的.压力波的振荡机理可以这样理解；初始状态为静止的可燃混合气,当点火源点火后,罐内温度和压力开始上升,火焰阵面开始由点火位置向四周传播,但由于燃烧速度慢,火焰阵面的传播速度小于压力波速,压力波阵面先于火焰阵面到达容器壁面,由于容器壁面为刚性材质,压力波在容器壁的反射作用下,沿反射方向继续传播,最终又会传播到容器壁面,值得注意的是,此时点火源附近的燃烧反应仍在进行,也就有大于原先压力值的压力继续向容器壁面传播,该压力波正好与反射回来的压力相遇,由于数值上大于反射压力波,又把还没有来得及到达容器壁面的反射压力波推了回去,两个压力波叠加后到达容器壁面,再反射回来.因此在压力值下降过程有压力值的短暂上升,而后又继续下降.这样周而复始,产生压力振荡.随着爆炸的进行,时间的持续,罐内压力不断下降,因而压力波的振荡幅度越来越小,压力值也越来越小.压力波的振荡现象是压力波的传播过程机理的反应.
图6为模拟爆炸实验时,实测到的油罐内爆炸波压力振荡现象.
4.油气爆炸冲击载荷作用下的金属油罐破坏断裂损伤机理讨论
金属油罐在油气爆炸冲击波作用下的爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力,其中壁面和底面的接合站角隅汇聚冲击波最大.图6为某油库覆土油罐爆炸现场照片,可以看出,断裂就产生在这个部位.断裂过程是个动态变化过程,对断裂直接进行观察分析是比较难的.而断口是断裂的静态反映,如果对断口进行仔细观察和分析就能找出断裂的原因、机理等,因为断口如实地反映了金属断裂的全过程及金属裂纹的萌生与扩展过程,因此断口分析是金属断裂失效分析的一个重要手段.按照断裂力学的理论,在金属油罐设计时,不能单纯追求材料的强度指标,尤其是大截面或零部件处于平面应变条件下的情况,必须认真考虑构件的应力强度因子K和材料的断裂韧性K值的大小,由于油罐处于腐蚀介质环境中,还需要考虑K值,才能确定金属油罐安全使用所能允许的裂缝尺寸,以及确定含有裂纹构件的剩余寿命等.
下面以南方某油库半地下油罐爆炸事故为例,进行油罐爆炸时钢板应力分析.
1）油罐基本参数
油罐容量V等于380m3 截面积A＝50m2 周长L＝25m 直径R等于8m
壁板厚t壁＝4mm 罐自重m＝10×103kg 油罐覆土层厚t土＝0.5m
壁板周长截面积AL＝ L × t 壁等于 0 . 1 m 2 土壤容重ρ＝1.6×103kg/m3
按照前文的实验结论,柴油爆炸性混合物气体爆炸压力：P＝0.8MPa
2）油罐爆炸时钢板应力分析
（1）油罐爆炸后产生的总推力（方向轴向向上）
G＝P·A＝0.8×50×100000等于4×107（N）
（2）油罐自重和罐顶上覆土重量
g等于（10+80×0.5×1.6）×9.81×103等于7.26×105（N）
（3）油罐爆炸后产生的油罐壁板与底板连接处应力（忽略其他微小影响量的因素）
σ应＝（G~g）/AL＝（40000000~726000）/0.1＝392740（KN/m2）等于393mPa
3）结论
根据SH3046~92《石油化工立式圆筒形钢制焊接储油罐设计规范》第3.2.2条规定：
钢板设计许用应力σ允＝159mPa,σ应＝393mPa＞σ允＝159mPa
因为罐身壁板与底板焊接处应力大大超过钢板允许应用应力,所以致使圈板全部拉裂,在爆炸压力作用下飞出罐室外.根据《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》第6.1.5条：“罐顶板与包边角钢之间连接应采用薄弱连接,外侧采用连续焊,焊接高度不应大于顶板厚度的3/4,且不得大于4mm,内侧不得焊接”的规定,爆炸时理应先掀掉顶板.为什么油罐爆炸不拉裂顶板而拉裂壁板？这是因为金属油罐发生爆炸时发生断裂,应是应力腐蚀、金属热腐蚀和爆炸冲击波产生的拉应力等共同作用的结果,后者对拉裂壁板起了主要的作用.油罐装油后,罐壁在液体静压的作用下产生很大的环向应力,此环向应力使罐壁周向伸长,并沿径向向外扩张.由于受到罐底的牵制或约束,无法沿径向胀出,加上油罐底部水杂等引起的腐蚀也比上部严重,因此,油罐底部壁板所受的应力腐蚀最为严重,应力腐蚀决定了断口部位.为防止金属油罐发生爆炸从罐底受应力腐蚀最大的位置断裂,油罐设计和施工时必须进行“弱冠”处理.但根据事故罐实际情况,罐顶未作“弱冠”处理,因而导致了先拉裂底部壁板的后果.
5.结论
（1）原型坑道油气爆炸的初期主要模式为爆炸,燃烧的主要形式为爆燃.当初始油气浓度为1.9%时,在40m处的最高压力已达到8.8个大气压,爆炸已从爆燃向爆轰快速发展.坑道断面压力波反射叠加造成的局部扰动会在短短10m长的距离内使最大压力上升5个多大气压.
（2）油气浓度分布特性是确定爆炸模式最关键的因素；不同的油气浓度分布模式会给洞库油罐带来不同的爆炸发展模式及不同的危险程度；油料洞库局部有较高浓度油气分布,如果爆炸后没有抑爆阻爆措施任其发展,其危害程度对洞库来说是灾难性的.
（3）在油气爆炸实验中,坑道内墙壁上的角钢架、悬挂钢筋桩全部成变形、槽钢架开裂倾倒.其爆炸的破坏效应是非常巨大的.罐内油气爆炸则产生压力波振荡现象.
（4）金属油罐发生爆炸时发生断裂,应是应力腐蚀、金属热腐蚀和爆炸冲击波产生的载荷等共同作用的结果,后者起了主要的作用.为防止金属油罐发生爆炸从罐底受应力腐蚀最大的位置断裂,油罐设计和施工时必须进行“弱冠”处理.
基金项目： 浙江省科技厅公益技术基金资助项目（2015C31014）
（作者单位：浙江海洋学院石化与能源工程学院/解放军后勤工程学院军事供油工程系）
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