半地下覆土立式油罐内部油气爆炸冲击荷载实验研究

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1、半地下覆土立式油罐内部油气爆炸冲击荷载实验研究王世茂脑高建丰中国人民解放军陆军勤务学院油料系浙江海洋大学石化与能源工程学院临港石油天然气储运技术国家地方联合工程实验室重庆大学动力工程学院半地下覆土油罐常用于储存汽油、柴油等易燃易爆油品，一旦被引燃，短吋间内将产生极强的爆炸压力波，造成储罐的严重破坏并带来灾难性后果，油气爆炸冲击荷载的研宂是进行储罐安全设计的基础。利用等比例模拟容器，棊于实验对覆土立式油罐罐内油气爆炸冲击载荷特性进行了实验研宄，获得了密闭条件下油罐内不同位置处的压力荷载的变化规律，油气爆炸压力荷载变化分为四个阶段:点火孕

2、育期、加速突变期、衰弱振荡期、惯性波动期;罐顶位置处的压力荷载数值要明显大于罐壁和罐底处的压力荷载数值;进一步考察/初始油气浓度、初始点火能量、初始温度等相关参数对爆炸冲击荷载的影响规律。研宂结果表明：爆炸超压随浓度的变化呈先增大后减小的规律，当初始浓度为1.71%时，爆炸超压荷载达到最大值。爆炸超压值与点火能成正比关系，与初始环境温度成反比关系。关键词：半地下;油罐;油气;爆炸冲市荷载;超压值;爆炸过程屮温度、压力急剧升高，对罐体及罐室带來严重破坏。因此，为确保半地下覆土油罐工程的安全，需对其进行油气爆炸动力响应和罐体结构强度进行分

3、析和评价。油气爆炸压力荷载的研究是立式储罐破坏分析的基础。受限空间内爆炸冲击荷载的研究以数值模拟法和实验法为主。近年来，研究者们提出丫一系列的可燃气体燃烧爆炸模型LL51，并将其运用于受限空间可燃气体爆炸的数值模拟研宄中。如:王博等利用两步反应模型对受限空间内油气爆炸进行了研宄;zhu等M对封闭管道内甲烷气体燃烧的振荡效应进行了研宄;Robert等m利用大涡模拟对可燃气体的爆燃发展为爆轰的变化过程进行了研究。虽然数值模拟具冇低成本、短周期、反映流场完整等优点，但由于其固冇的局限性，无法完全模拟实际工况屮的复杂变化，因此常借助于模型实验

4、来研宄爆炸的岡有特性。Blanchard等［10-12］分别对管道中氢气、甲烷等介质的爆燃向爆轰转变的特征参数变化进行了实验研宄，并探宄了点火能量对爆炸参数的影响;贾宝山等对受限空间中氢气对瓦斯的爆燃促进作用进行了实验研究。当前针对可燃气体爆炸的研究多集屮于单分子气体，但对于油气这种复杂混合物爆炸特性的研允较少，尤其缺乏中、大尺度条件下的爆炸实验研允。因此本文采用中尺度模拟实验的方法对不同工况下半地下油罐内油气爆炸冲击荷载特性进行了实验研究。1实验系统设计1.1模拟实验系统构建半地下覆土立式油罐油气爆炸实验系统由模型油罐、配气系统、动

5、态压力采集测试系统、环境温度测试系统、点火系统、浓度测试仪等组成。实验所用模型油罐直後为1000mm，全高800mm,壁厚为10mm。容器壁面开有人孔，直径为400mm,同时壁面开有100mm的接管两个，人孔和接管均用端盖进行封闭，罐壁人孔最下端到罐底距离为0.15m，罐壁接管到罐底的距离为0.4m。由于含有油料的油罐其爆炸威力及破坏性均小于空罐，同时为考虑实验的安全性，避免造成人为火灾，木文在空罐内冲入预混油气混合物，而不添加油料;利用自制油气循环系统进行配气，当充气时，打开阀门1、阀门2并关闭阀门3、阀门4，利用高压气泵产生的气流

6、吹扫油瓶

7、Aj的汽油，使其“沸腾”并产生大量气泡，加速油气的挥发并将其吹入循环回路中，从而使得罐内油气浓度增高，同时利用GX-1050E型CH浓度测试仪对油罐内油气浓度进行实时监测，当油气浓度达到实验浓度要求时，关闭阀门1、阀门2并打开阀门3、阀门4,继续循环吹扫使得油气均匀分布，当罐内油气浓度趋于稳定时，关闭气泵和所有阀门。罐体上设置三个压力传感器Pl、P2、P3,P1位于罐顶，P2位于罐体中部距离罐底高度为400mm，P3位于罐底距离罐顶高度800mm。利用TEST6300动态压力采集测试系统配合ZXP-610型压阻式压力传感器对

8、油罐内部不同位置处的爆炸超压进行采集，传感器量程为0~2MPa,采集软件为DAP7.10,采样频率100kHz。木文利用高能无干扰电火花发生器作为点火装置，最高输出电压为1500V，点火能范围为(T15J，误差小于0.1J，点火杆安放于罐底人孔附近罐壁上，距离罐底0.1m。实验系统如图1所示。图1实验系统示意图Fig.1Schemeofexperimentalsystem2油气爆炸荷载时序变化规律基于实验获得丫模拟油罐内不同位置处油气爆炸超压荷载随时间的变化规律，并与不同容器内其他单组分气体的爆炸压力荷载变化情况进行了对比。实验初始条

9、件如表1所示。表1初始实验条件Tab.1Experimentalarrange2.1罐内压力荷载的时序变化规律从图2中可知，其超压变化规律可分为四个阶段。A:点火孕育期，点火引燃后，油气呈层流燃烧状态mi，使罐内压力上升