液化轻烃容器火焰加热破裂特性探讨

危险性分析（1）

     我国的液化轻烃普遍采用常温加压力的储存方式，储存的容器有球型储罐、卧式储罐以及汽车槽车、火车槽车等，在生产、运输、储存中，液化轻烃容器受火焰加热的事故屡有发生。一旦容器或其附件出现泄漏着火，容器本身以及邻罐会处于受热的状态。火焰的作用形式可能是由于泄漏到地面的燃料形成的池火焰部分或全部包围容器，也可能是来自邻近罐的穿孔形成的喷射火焰或火炬。受热下容器器壁及其内部液化气温度上升，甚至液化气沸腾使内压升高。由于液面以上气相部位的壳体温度上升较快，金属器壁的强度会下降，同时气液相界面处存在温度差，器壁上产生有局部的热应力，器壁在增大的内压作用下受到拉伸，以致产生裂缝。当裂缝出现在液面附近的气相部分，且开口面积较大时，带压的液化气蒸气会迅速从裂缝喷出，又导致器内压力急速下降，造成器内液化气呈过热状态。为了再次维持气液相的平衡，液相内的部分热量会转变为蒸发热，使液体加速蒸发，同时过热液体内部产生众多的沸腾核，无数气泡形成和增长，液体体积急剧膨胀，冲击器壁而呈现液击现象。器壁在随这种数倍于最初蒸气压力的冲击下，其裂缝便继续开裂扩大，甚至发生破坏性爆裂，器内液体瞬间大量喷出，呈现爆炸现象。容器破裂泄漏出来的可燃物料立即被点燃，会出现火球燃烧，产生强烈的辐射热。若可燃物料没有立即被点燃，喷出的液化气与空气混合形成可燃性气云，遇到火源发生二次混合气体的爆炸。

     1997年6月27日，北京东方化工厂罐区发生了特大火灾。由于阀门处于错开错关状态，石脑油满装外溢，遇火源引起爆炸和燃烧。陷入火中的乙烯B#罐被烘烤引起蒸气爆炸，大强度爆炸驱动的可燃物形成的火球和“火雨”向四周抛撒，产生强大的破坏，乙烯B#罐炸成7块，向四外飞散，打坏管网引起新的火源。与乙烯B#罐相邻的乙烯A#罐被爆炸冲击波推倒，罐底部管线断开，大量液态乙烯从管口喷出后遇火燃烧。爆炸冲击波还对其他管网、建筑物、铁道上油罐车产生破坏作用，大大增加了可燃物的泄漏，火势严重扩展，酿成了一次国内外罕见的特大事故。
 
特性分析（2）

    1 火焰作用下容器器壁温度升高

     火焰作用下导致液化轻烃容器壁温升高是容器破裂失效的重要原因。容器器壁的温度升高与容器的充装度有关。如果火焰作用在容器的液相部分，液体对器壁有冷却作用，容器内壁温度通常保持在液体温度附近，这是由于液化轻烃由液态变为气态时吸收大量的热，液相部分温度较低。而火焰作用在容器的气相部分，蒸气对器壁没有冷却作用，温度会很快上升。若在强烈火焰加热下，传热速率很大，致使液体不能保持内壁湿润时，液体对器壁的冷却作用减弱。普通碳钢达到300℃，强度就会迅速降低。曾经有人采用一个直径为0.6m，壁厚为3~6mm，体积为0.4m3的液化轻烃容器进行实验，在容器顶部用火炬加热，容器内大部分物料未被加热（平均温度20℃），发生了蒸气爆炸。图1为一个5t的液化轻烃罐被火焰包围，不同充装度下，罐壁温度随时间的变化。从图中看出，高充装度的容器壁温上升较缓慢，因为容器的充装度越高，火焰需加热的液化轻烃质量越大，器壁受液体冷却的面积越大，冷却作用也越大。

   

     图1 不同充装度罐壁温度随加热时间的变化

     火焰作用下容器器壁的温度升高与容器的壁厚有关。器壁厚度增加，减慢了器壁温度上升速度。采用直径为3m，壁厚为16mm的铁路罐车进行实验，被火焰包围，罐顶温度达到640℃—700℃，24min以后，罐壁的温度仍在上升。图2为采用火炬火焰和池火焰作用在普通钢板上，钢板达到危险温度所需时间随厚度的变化。火炬火焰温度为1300K，对流传热系数为200Wm-2K-1；池火焰温度为1073K。


     图2 达到危险温度所需时间随厚度的变化

     一般，温度上升所需的时间随厚度的变化是线性的，然而，其他因素如充装度、风等可对它有明显的影响。在同样火焰作用下，如果容器壁厚增加一倍，温度升高所需的时间也增加一倍。由此可见，壁厚较大的大型储罐比壁厚薄的小型容器破裂失效的时间增长。

    2 火焰作用下容器内压力增大

     火焰作用下容器内的液化轻烃温度上升，随之器内的蒸气压增大，当蒸气压超过容器的耐压强度，且安全泄压装置又未能及时将超压部分泄出，器壁会发生过量的塑性变形而破裂。图3为火焰作用下液化轻烃罐内物料平均升高速度随罐直径的变化。从图中看出，随着罐直径的增大，平均升压速度降低。

   

     图3 火焰作用下罐内物料平均升压速度随罐直径的变化

    3 容器破裂时间估计

     液化轻烃容器破裂时间受火焰的传热速率、内容物的性质、安全阀动作压力以及容器的隔热防护等因素影响，主要取决于容器内蒸气部分器壁温度、器壁厚度和器内液体的液位。火炬火焰作用在容器上，容器破裂时间与火焰作用的部位有关。如果强烈的火炬火焰作用在容器顶部蒸气部分，容器可能很快会破裂失效，如果作用在底部液相部分，容器不会很快破裂，直到安全阀的泄放使液位降至火炬火焰能够作用到蒸气部分为止。图4为受不同形式火焰，不同部位作用下，近似的容器破裂时间随容器直径的变化。

   

     图4 受火焰作用容器破裂时间随容器直径的变化

事故预防措施（3）

    1 事故预防措施

    1.1 确保容器的耐压强度

     容器的制造应严格按照压力容呖呖的制造工艺进行，消除焊接等质量上的缺陷。容器在使用过程中要防止由于腐蚀等原因造成器壁变薄，耐压强度降低。因此，容器要定期进行探检、维修和耐压试验，确保容器的耐压强度。

    1.2 防止容器受外力破坏

     装载液化轻烃的油槽汽车、油槽火车、油轮，由于交通事故、碰撞、触礁等外力，使油槽产生裂缝、开口，如果裂缝足够大，立即就会发生蒸气爆炸，有时开口较小，但泄漏的气体着火时，其火焰可加热贮罐，使开口扩大，也有发生蒸气爆炸的可能。对这类油槽车（船）的运输、停放应严加管理，防止碰撞。还要充分研究发生交通事故时预防贮罐破坏的措施。

    1.3 严禁违章操作

     在操作过程中要严格按照操作规程进行操作，防止容器产生裂缝、开口或使液化轻烃泄漏。避免液化轻烃的过量罐装而造成的容器内压异常上升。

    1.4 采取隔热防护措施

     防火间呀可降低燃烧区的热辐射能对邻近罐、设备的影响，避免将邻近的储罐或设施烤着，导致灾害扩大。由于流化轻轻的较大火灾危险性，故它的防火间距较大。储罐之间，分组布置的储罐组与组之间，储罐或罐区与建（构）筑物、堆场、道路等设施之间的安全距离均应符合规范所规定的要求。

     在液化轻烃储罐发生火灾场合，保证贮罐的表面冷却到不致使外壳温度上升的程度，能阻止发生容器破坏和蒸气爆炸。为此，应设置冷却水喷淋装置，实施隔热保护，以及在贮罐之间、罐区与装置间设置水幕等。

     火车槽车和汽车槽车可采用一种具有低导热性能和内部能发生吸热的隔热耐火物质，覆盖于罐体表面进行保温隔热防护，能有效地延缓和防止受热辐射的液化轻烃容器壁温升高，器内温度和压力升高。

     液化轻烃储罐也可用构筑防护墙进行罐体防护，可起到防止热辐射的作用，同时还可保护罐体免受爆炸抛射物的冲击，延迟储罐失效的时间更长。

    5 安全装置和消防设施完备

     液化轻烃容器上设置的安全阀具有重要的作用，避免由于受热器内压力升高而此起破裂，同时其安全泄放起到了冷却的作用。容器配置的温度计、压力表、安全阀、报警器等安全装置必须齐全好用。

     及时扑灭初期火灾至关重要。应有完备的固定灭火设施和消防器材，尽早发现火情，及时分析判断燃烧位置、威胁范围，及时确定处置内容、扑救方法，将火灾局限或扑灭于初期。

    6 控制点火源

     容器受热破裂失效，泄放在大气中的蒸气云扩散速度快、范围广，易发生二次可燃混合气体爆炸。因此，必须严格控制危险区域的引火源，驱散气云，限制可能的液化气流淌蔓延。