储油条件下拱顶油罐的油气爆炸实验*

韦世豪，杜　扬，王世茂，李国庆，齐　圣，李　蒙

(中国人民解放军陆军勤务学院 火灾与爆炸安全防护重庆市重点实验室，重庆 401311)

0　引言

拱顶油罐是石油储存、炼制、加工业上的重要工业设施，由于其所储存的油料具有易燃易爆的特性，一旦发生火灾爆炸事故，会造成重大的人员伤亡和财产损失[1]。2015年英国邦斯菲尔德油库发生爆炸，造成42人受伤，直接经济损失达8.94亿英镑。

Atkinson G[2]通过数值模拟分析邦斯菲尔德事故，发现爆炸中出现二次爆炸，最大爆炸超压达到1.013 MPa以上；赵衡阳[3]通过模拟油罐爆炸实验，发现在空罐状态下发生爆炸时最危险；许光[4]研究了埋地储罐的油气爆炸特征，发现当油罐发生爆炸时，罐内油气呈连续爆炸态势，并且爆炸产生的热辐射是对生物产生杀伤的主要原因；Planas E[5]通过分析LNG储罐爆炸事故，发现LNG储罐发生BLEVE(Boiling liquid expanding vapour explosion)顺序为起火、气体扩散、火焰破坏保护壁、发生爆炸，另外，储油油罐油气爆炸可以近似看成受限空间内可燃气体爆炸；Thomas[6]在装水容器中进行了乙炔-氧气爆炸实验，发现爆炸会在整个空间产生均匀的压力分布，且实验测得的压力数值小于理论计算值；齐圣[7]通过可视化系统进行受限空间在不同浓度下发生油气爆炸实验，提出受限空间油气爆燃存在3种火焰形态，即光滑球形火焰、褶皱球形火焰和卷曲絮状火焰；王世茂[8]、杜扬等[9]在局部开口受限空间内进行了油气爆燃的实验研究，研究结果显示最大超压所对应初始油气体积分数大约在1.81%～1.88%。

当前，已有的研究多针对于纯气体条件下可燃气体爆炸特征，但是在实际工程中，油罐大多储存有一定量的油品。由于油品的蒸发作用，罐内油气浓度大多偏高，这使得储油条件下油罐内油气爆炸与空罐条件下油罐内油气爆炸具有本质的区别[10]。因此，针对储油条件下油罐内油气爆炸进行了实验研究，以便完善油气及可燃气体爆炸研究体系，同时为油罐结构设计和油罐火灾爆炸应急预案设计提供数据支撑和理论参考。

1　实验系统

实验模拟油罐高550 mm，内径为800 mm，最大可承受压力20 MPa。拱顶和罐体采用弱连接结构，破坏压力为5 kPa。罐体一侧设立3个长300 mm，宽100 mm的可视化窗口，便于观察发生爆炸时罐内火焰的发展和形态变化。

实验系统如图1所示。利用TEST 6300瞬态数据采集系统配合ZXP-660型压力传感器(pressure sensor，PT)，其中P0位于模拟油罐罐体顶端，P1，P2位于罐外，P1距离罐体0.2 m，P2距离罐体0.4 m，实现对爆燃超压的采集，采样频率为20 kHz，传感器量程为20 kPa，精度为±0.1%。利用火焰强度传感器采集受限空间内的火焰强度，火焰强度传感器(F0)探测波长为400～700 nm，响应照度10～10 000 Lux，响应时间0.3 ms，采样频率为20 kHz。利用自制的配气系统，采用高速气流吹扫液态汽油产生气泡加速汽油挥发的方式进行配气，同时利用GXH-1050型CH体积分数测试仪对容器中油气体积分数进行实时测量。利用FASTCAM-Ultima 512型高速摄影仪对火焰发展变化过程进行捕捉，拍摄频率设置为1 000帧/s。用高能无干扰电火花发生装置作为点火器对预混油气进行点火，点火电压为1 500 V，点火能范围为0～15 J，误差小于0.1 J。利用同步控制器实现对点火激发、压力测量、高速摄影的同步控制。

图1　实验系统示意Fig.1　Scheme of experimental system

为真实模拟油罐在储油条件下发生爆炸的工况，同时为了避免大量汽油的使用导致人为火灾的发生，本次实验使用油水分层液体来替代油品。实验油罐内储存的液体下层为水，高度为0.4 m；上层为92号汽油，高度为0.02 m，总储液量为76%，这种搭配既保证了气液交界面上全部铺满汽油，避免水蒸汽对实验结果的影响，又满足了实际工程中额定储油液位的要求。为最大限度还原油罐额定储油条件下的高初始油气浓度，实验中初始油气体积分数值分别取为1.8%，1.9%，2.0%，2.1%，2.2%[7-9]。

2　实验结论

2.1　油罐油气爆炸内场超压随时间变化过程分析

图2为初始油气体积分数为1.9%时爆炸过程中内场超压随时间变化的曲线，整个爆炸反应的过程中超压随时间变化可分为5个阶段。

图2　爆炸超压随时间的变化Fig.2　Explosion overpressure

第一阶段：点火后的压力孕育阶段(0～0.092 s)。该阶段，压力曲线未出现明显变化，基本保持在0左右。图3(a)给出了该阶段油罐内火焰的状态。在图中能看出，火焰成半球形向油罐另一侧传播，表面较光滑，未见明显褶皱，火焰锋面呈青色。当油罐顶部点火器附近的油气被点燃后，此时火焰还是保持层流燃烧状态，只有处于点火器附近的油气参与了反应，因此对罐内压力没有产生明显影响。

图3　反应过程Fig.3　Pictures of explosion process

第二阶段：压力振荡发展阶段(0.092～0.497 s)。该阶段，内部超压出现明显的振荡，并且与于0.25 s时达到第1个超压峰值，大小约为2.5 kPa。图3(b)、图3(c)给出了该阶段的火焰行为。从图3中能看出火焰依旧是保持半球形向油罐另一侧传播，但是有部分火焰已经破环罐顶的弱连接传播到外部空间。随着罐内火焰传播到油罐另一侧，破坏弱连接的火焰也向着油罐的另一侧发展，直到全部弱连接被破环。在这个过程中，罐内油气燃烧产生的压缩波和罐顶破裂泄放产生的稀疏波相互反射叠加，导致压力呈现出正负压交替振荡上升趋势(0.09～0.25 s)。当罐顶的弱连接被完全破坏后，压力开始下降，但罐内的油气仍保持在燃烧的状态，这使得压力在下降过程中仍呈现出较明显的振荡(0.25～0.4 s)。随着罐内的空气逐渐被消耗殆尽，剩余油气因空气过少无法继续参与反应，燃烧反应开始减弱，对压力的影响也越来越小，因此压力振荡的强度也逐渐衰弱(0.4～0.5 s)。

第三阶段：第2次爆炸阶段(0.497～0.509 s)。该阶段，压力急速上升，达到了7.67 kPa。图3(d)给出了发生爆炸瞬间油罐内外的情况。在图中能看出油罐内部的燃烧反应非常剧烈，发出耀眼的白光，火焰在罐内巨大的压力作用下，沿着弱连接的破口喷射到外部开敞空间。此时的爆燃火焰相比较第二阶段的火焰颜色更深，形态更加不固定，向四周扩散更加广泛。在第二阶段中，虽然空气被大量消耗，剩下的空气不足以继续支撑燃烧反应，但是弱连接的全部破环使得罐内空气能够及时得到补充，并且和罐内未燃油气进行充分反应，使得超压短时间内急速上升，最终产生爆炸。

第四阶段：第2次爆炸后的泄压阶段(0.509～0.567 s)。该阶段压力急速下降，达到最大负压-11.69 kPa，随后又开始回升。图3(e)给出了爆炸之后，罐顶被掀开的图像。当罐顶被掀开后，罐内油气还在剧烈的燃烧；同时，罐顶的掀起使得罐内未燃油气可以与空气充分接触、混合，从而可以持续燃烧直到油气消耗殆尽。罐内的巨大爆炸压力也在罐顶掀开之后，泄放到外部开敞空间，从而形成较大的负压稀疏波[11]，而当外部空气补充进罐内后，罐内压力迅速回升，直到落下来的罐顶将油罐盖住。

第五阶段：泄压后的惯性恢复阶段(0.567～0.8 s)。该阶段压力仍然保持负压，并且缓慢回升到零点。图3(f)给出了该阶段罐内的火焰状态：此时罐内仍存在微弱的燃烧反应，火焰范围较小，亮度较低，并于一段时间后熄灭。此时压力仍是保持负压状态，但由于外部的空气从破坏口进入油罐内部，压力开始缓慢回升并逐渐恢复至大气压强。

2.2　罐内爆炸压力随初始油气体积分数的变化关系

图4给出了爆炸时最大压力随初始油气浓度变化的拟合曲线，从图中可以看出，当初始油气体积分数大于1.8%时，最大的爆炸压力是随着初始油气体积分数的增大而降低，其关系符合二次曲线，拟合曲线为y=-93.1+116.76x-33.27x2。这与前文的分析相符，具体原因为：当油气浓度较高时，氧气不能和烃类物质发生完全反应，此时的燃烧反应为“贫氧燃烧”。一方面，不完全反应使化学反应过程中化学键的断裂减少，释放出的能量相应变少；另一方面，多余的油气可以阻碍传热传质的过程，使得反应过程中的活化分子被销毁概率大大提升，不利于爆炸波的强化。

图4　初始浓度和爆炸超压关系Fig.4　Relationship between initial gasoline vapor volume fractions and explosion overpressure

2.3　油罐外部超压随时间变化关系

外部超压随时间的变化规律如图5所示。

图5　外场超压曲线Fig.5　Curves of overpressure in outfield

图5给出了1号和2号传感器的超压曲线，由图可见:

1)2个测点压力变化趋势基本相同。首先经历了压力的缓慢上升段，该阶段对应油罐的发展阶段，罐内的压力被逐渐泄放出来。随后在爆炸阶段产生了泄流超压峰值，这是由于罐内发生爆炸产生的强大压力波和火焰波通过罐顶破口泄放到外部开敞空间，引发强泄流效应，产生了泄流超压峰值[12]。紧接着又出现外部爆燃超压峰值[13]，这是因泄流作用泄放到罐外压力波和火焰波泄流同时也驱使罐内未燃油气一起泄放到外部开敞空间和油气混合，形成油气-空气混合气体，被爆燃火焰点燃引起压力迅速上升。

2)2个测点压力变化并不是同时发生，压力峰值大小也不同。具体表现为距离点火处近的测点P1，压力先出现变化，其压力峰值也较大，受爆炸后续压力影响也越明显；距离点火点处远的测点P2，压力后出现变化，压力峰值小于距离点火处近的测点，并且压力数据受爆炸后续影响较小。

2.4　爆炸过程中罐内超压的细节变化特征

2.4.1爆炸过程中罐内压力荷载振荡的细节规律

点火后内部超压上升过程中出现了长时间大幅度的振荡，这在以往的实验研究中基本是没有出现的[7-9]。按照超压的变化规律，该阶段的超压变化可划分为3个子阶段，阶段划分如图6所示。

图6　第二阶段超压曲线Fig.6　Curves of overpressure in second stage

在A阶段，超压曲线是振荡上升的形式。图6中A阶段对应图片给出了此时罐内的火焰图像，可以看出火焰锋面已经接触到水面，根据半球形火焰的对称性可以判断竖直方向的火焰锋面上部也和罐顶相互接触。水面反射的压力波和罐顶反射的压力波互相叠加或抵消，使得压力出现震荡上升规律。

在B阶段，超压曲线是振荡下降的形式。图6中B阶段对应图片给出了此时火焰传播到油罐外部开敞空间的图像。当油罐的弱连接被破环，罐内的压力就会通过破口处泄放到油罐外部，罐内压力就会下降。随后油罐内的火焰继续向油罐另一侧传播，传播过程中不同位置的火焰产生的纵向压力波经过叠加，破环了对应位置处的弱连接，弱连接部分受到的破坏越严重，压力泄漏的也就越多，罐内的压力也就越小，继而出现B阶段压力振荡下降情况。

在C阶段，超压曲线表现出下降趋势。为方便观察超压变化趋势，以压力的均值曲线为观察对象。从图6中可以看出，快速下降的均值曲线在进入C阶段之后出现缓和并且回升。随着弱连接的破坏加剧，油罐外部开敞空间的空气会在罐内负压的作用下，补充到油罐内，罐内的负压就减小了。一方面罐内爆燃火焰传播发展会产生巨大压力，使罐内压力通过罐顶破口泄放到外部开敞空间产生负压；另一方面罐内外压力的巨大不均衡使得外部空气通过破口被吸入油罐，使压力恢复。当压力产生和压力泄放达到了动态平衡时，2个过程对压力的影响可以相互抵消，罐内的压力就只会因为罐内外压力不均衡使外部空气进入补充而趋向于0；于是出现了C阶段的超压变化情况，该曲线与阻尼振动的曲线非常相似。经过对曲线的分析，发现C阶段的超压曲线振动也存在固有周期，为1.4 ms。

2.4.2储油条件下油气爆炸所形成的二次爆炸的细节特征

通过对数据和图片的分析，能够看出该次实验出现了阶段分明的2次爆炸，但是和一般的油罐爆炸事故中发生2次爆炸的情况却有所不同。一般油罐发生第1次爆炸之后拱顶已经被破环，罐顶形成巨大开口，油品大量蒸发在油罐上空形成蒸气云，被引爆后发生云爆炸。而本次实验的第2次爆炸是发生在油罐内，和云爆炸相比，罐内的二次爆炸因为密闭空间的憋压作用使得压力更大。表1列出了罐内外2次爆炸最大压力。

从表1中能看出，罐内第1次爆炸最大压力为2.9 kPa，第2次爆炸最大压力为7.67 kPa，第2次爆炸压力是第1次爆炸压力的2.64倍；外场1号测点的第1次爆炸最大压力为0.12 kPa，第2次爆炸最大压力1.94 kPa，升高了15.17倍。同样2号测点的第2次爆炸最大压力1.58 kPa比第1次爆炸最大压力0.33 kPa升高了3.79倍。

表1　2次爆炸最大超压比较Table 1　Comparison of maximum overpressurein two explosions

比较2次爆炸时罐内外超压变化，发现第1次爆炸外场最大爆炸超压仅为内场的4.1%，第2次爆炸时，外场最大爆炸超压为内场的25.3%。上述数据都表明，第2次爆炸的危险性高于第1次爆炸，并且出现第2次爆炸时，油罐外的压力更大。在实际工程中，油罐发生第2次爆炸时，其对周围的建筑和人的损伤将会更大。

2.5　油气爆炸火焰强度特征

图7给出了爆炸过程中火焰强度的变化曲线，从图中可以看出，火焰强度随时间变化的曲线可以分为4个阶段。

图7　火焰强度曲线Fig.7　Curves of flame intensity

阶段1：在该阶段，火焰强度几乎没有变化，曲线数值反应的是自然光和微弱的火焰光的强度。此时，火焰还处于孕育阶段，火焰锋面较小、温度较低、释放能量较少，不足以使传感器测量的数据出现明显变化。

阶段2：在该阶段，火焰强度急剧上升然后振荡，此时爆燃火焰已经呈半球形从容器一侧向另一侧发展，直至充满整个容器，并在火焰经过传感器时达到最大。在图中可以看出，此阶段的火焰强度曲线出现强烈的振荡，这是由于：该阶段出现多种颜色火焰，火焰的亮度不一样导致传感器测得的数值出现波动；液体的表面会对火焰的光产生折射，影响传感器测得的数据；因为爆炸压力冲击水面使得空气中出现水珠会对光产生反射[14-15]。

阶段3：在该阶段，火焰强度又出现急剧上升，达到最大值后急剧下降。由于第2阶段的反应，容器内部温度升高，油气浓度基本能够和空气完全反应；因此，该阶段反应的火焰更亮，释放能量越多；随着剧烈反应的进行，油气大量消耗，燃烧反应逐渐减弱，火焰强度也同步减弱。

阶段4：在该阶段，火焰强度基本恢复初始值。这是由于容器内部油气基本被消耗殆尽，火焰也完全熄灭，传感器测得的数值就不再变化。

3　结论

1)油罐在高初始油气体积分数下发生爆炸，其最大压力值随着初始油气体积分数降低而升高，罐内出现压力振荡，外部出现2个压力峰值。

2)油罐在高初始油气体积分数下发生爆炸会产生二次爆炸，相比第1次爆炸，无论油罐内部还是外部，第2次爆炸的持续时间更短，压力更大；并且油罐出现第2次爆炸时的外部压力升高相比内场压力升高更为明显。

3)油罐在储油条件下发生油气爆炸时，第2次爆炸爆燃火焰强度明显强于第1次爆炸爆燃火焰强度。

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