MATLAB在造纸烘缸爆炸事故分析中的应用

2010-11-22王道文

中国造纸 2010年12期

关键词：烘缸水蒸气冲击波

王道文

(山东省特种设备检验研究院聊城分院,山东聊城,252000)

MATLAB在造纸烘缸爆炸事故分析中的应用

王道文

(山东省特种设备检验研究院聊城分院,山东聊城,252000)

针对造纸蒸汽烘缸发生的爆炸事故,通过建立蒸汽爆炸模型和运用MATLAB软件编写程序分析事故后果,得出重伤、轻伤的区域半径,进而对伤害区域进行了划分,并将结果以图形的形式呈现,有利于直观地判断和分析事故后果。

烘缸;爆炸事故;MATLAB软件;伤害半径

铸铁烘缸是属于《特种设备安全监察条例》监管范围的Ⅰ类换热压力容器,主要用于纸机干燥部,通过高温蒸汽与湿纸幅间的热量交换完成纸张水分的蒸发。根据烘缸专业设计标准规定,其设计压力一般有 0.3、0.5、0.8 MPa 3个等级,随着纸机向宽幅、高速方向发展,为了提高烘缸热效率,其内腔蒸汽的压力和温度都较高,且日趋向高温、高压和大容量发展。烘缸一旦爆炸将是十分严重的灾害性事故,近年来,国内发生多起烘缸爆炸导致人员伤亡和重大财产损失的特种设备安全事故,给经济和社会发展造成较大影响。本文主要论述MATLAB软件在烘缸物理爆炸事故分析中的应用,通过对爆炸模型的分析和后果模拟,得出重伤、轻伤的区域半径,为造纸车间作业布置和安全生产提供参考。

1 烘缸爆炸机理[1]

从机理分析,烘缸爆炸属于物理性爆炸,是内腔的饱和水蒸气和部分高温饱和水储存能量迅速释放造成的。通过对多起烘缸爆炸事故的分析,得出爆炸主要原因有压力失控造成超压或烘缸本身存在制造缺陷,在缸体的薄弱处发生断裂,高温高压水蒸气从断口喷出,瞬间烘缸内腔压力降至大气压,由于气压骤减,使得缸内饱和水变为不稳定的过热状态,为再次恢复气、液两相平衡,部分过热水迅速变为常压沸点的蒸汽,而将剩余的液体冷却到常压沸点温度。因为气体体积的急剧膨胀,造成压力再次升高,断口进一步扩大,急剧膨胀的气体形成强大的冲击波,具有极大的破坏力。

压力容器爆炸时能量主要以冲击波、碎片和残余变形 3种形式表现,由于烘缸多采用灰铸铁类脆性材料,爆炸不存在残余变形,同时碎片能量占总爆破能量的比例很小,所以爆破能量大部分将以空气冲击波作用于周围环境,造成建筑物的破坏和人员伤亡。

2 冲击波破坏作用

冲击波是由压缩波叠加形成的,是波阵面以突跃形式在介质中传播的压缩波。当爆炸发生时,周围的空气受到冲击而发生扰动,状态 (压力、密度、温度等)发生突跃变化,其传播速度大于扰动介质的声速。这种扰动在空气中传播就成为冲击波。多数情况下,冲击波的伤害、破坏作用主要与该波阵面上的超压△P的大小有关,△P的值将直接影响波阵面范围内的建筑物和人员安全。超压准则认为,只要冲击波超压达到一定值时,便会对目标造成一定的伤害或破坏。不同的冲击波超压对周围的人和物的危害不同。一定超压的冲击波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表1和表2。

表1 冲击波超压对人体的伤害作用

表2 冲击波超压对建筑的破坏作用

3 烘缸爆炸的能量分析

根据前面对烘缸爆炸机理的分析,烘缸内储存的能量包括两部分:一部分为高温、高压的干饱和蒸汽所具有的能量;另一部分为饱和水所具有的能量。饱和水是由于干饱和蒸汽释放其蒸发潜热给烘缸壁致使本身冷凝而成。为了提高烘缸壁温、改善热传导效率,现代化中、高速纸机烘缸均设置了虹吸管和挠流棒系统,从而大大减少了烘缸内腔的冷凝水量,但是在烘缸工作压力范围内,等体积的饱和水爆破能量系数是饱和蒸汽的几十倍,为保证分析评价结果的精确度,将饱和水的爆炸能量一并考虑在内。

3.1 干饱和水蒸气的爆炸能量[2]

因为干饱和水蒸气爆炸时仅在瞬间发生泄压,来不及与外界发生热量交换,是一绝热膨胀过程。为简化计算,对于常用压力下的干饱和蒸汽烘缸的爆破能量可按下列经验公式求得:

表3 常用压力下干饱和水蒸气爆破能量系数

表4 常用压力下饱和水爆破能量系数

式中:Eg——水蒸气的爆破能量,kJ;

Cs——干饱和水蒸气爆破能量系数,kJ/m3;V——水蒸气的体积 ,m3。

各种常用压力下的干饱和水蒸气爆破能量系数见表3。

3.2 高温饱和水的爆炸能量

烘缸瞬间破裂失压,内腔过热状态的水急剧蒸发沸腾,体积剧烈膨胀而引起蒸汽爆炸 (BLEVE)。实际应用中,饱和水的爆破能量可按下列经验公式近似计算:

式中:Ew——饱和水的爆破能量,kJ;

Cw——饱和水爆破能量系数,kJ/m3;

V——烘缸内腔饱和水的体积,m3。

各种常用压力下的饱和水爆破能量系数见表4。

4 冲击波超压计算和烘缸爆炸事故危害半径计算[3]

4.1 冲击波超压计算

冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关,同时也与距离爆炸中心的远近有关。实验数据表明,不同数量的同类炸药发生爆炸时,如果目标与爆炸中心距离和目标与基准爆炸中心的距离之比与爆炸时产生冲击波所消耗的炸药量和基准炸药量之比的三次方根相等,则所产生的冲击波超压相同,用公式表示如下:

式中:R——目标与爆炸中心距离,m;

R0——目标与基准爆炸中心的距离,m;

q0——基准爆炸能量,kgTNT;

q——爆炸时产生冲击波所消耗的炸药量,

kgTNT;

ΔP——目标处的超压,MPa;

ΔP0——基准目标处的超压,MPa;

α——炸药爆炸实验的模拟比。

式 (3)也可写成:

利用式 (4)就可根据已知药量的实验所测得的超压来确定任意药量爆炸时在各种相应距离的超压。

4.2 烘缸爆炸事故危害半径的计算

综上所述,计算水蒸气烘缸压力容器爆破时对目标的伤害、破坏作用,可按下列程序进行。

(1)烘缸爆炸能量的计算:根据式 (1)、式(2)分别计算出干饱和蒸汽和饱和水的爆炸能量,烘缸总的爆炸能 E为两者之和。

(2)将烘缸爆炸能量换算成 TNT当量 q:一般取1 kg T NT爆炸所放出的平均爆破能量为 4500 kJ/kg,故其关系为:

q=E/4500 (5)

(3)根据式 (3)求出爆炸的模拟比α。

(4)求出 1000 kg TNT爆炸实验中的相当距离R0=R/α。

(5)根据 R0值在表5中找出距离在 R0处的超压ΔP0(中间值用插入法计算),此即所求距离为 R处的超压。

(6)根据超压ΔP0值,从表1和表2中找出对人员和建筑物的伤害、破坏作用。

5 用MATLAB软件实现烘缸爆炸后果分析

用MATLAB软件分析烘缸爆炸产生的冲击波超压,并通过冲击波超压和离爆炸点距离的关系分析并划分伤害后果区域,能比较直观和便捷地分析事故后果。MAT IAB软件强大的计算和绘图能力,使得对事故后果的计算分析大量地简化,分析结果也能通过各种图形比较直观地反映出来。

本文选取Φ1800 mm×7600 mm铸铁烘缸为例进行分析,内腔净容积 18.0 m3,其中饱和水取 1.2 m3,爆炸压力取 0.5 MPa。

5.1 程序实现及图形结果

基于以上论述和案例的基本条件,用MATLAB软件编写程序,可以得出冲击波超压和距离的关系(见图1),以此来划分伤害后果区域。

图1 冲击波超压与距离的关系

为了更加直观地表示冲击波阵面上的超压,还可以利用平面等高线或三维等高线等来表示爆炸产生的冲击波超压和距离的关系。

图2 冲击波超压与距离的三维等高线

5.2 数据分析

安全分析中仅靠图形来分析结果缺乏精确性,难以表示具体的伤害区域。可利用 MATLAB软件强大的计算功能来精准地确定爆炸的伤害半径,同时计算精度可以通过调整程序步长实现,为保证分析结果的精确度和计算效率,选取以爆炸中心 30 m以内范围进行伤害区域划分,步长定为 0.1 m,此精确度在伤害区域划分中已足够。

根据冲击波伤害模型,在安全分析及评价中,通常把冲击波超压所破坏的范围进行人员伤害分区和财产损失分区,有死亡区、重伤区、财产损失区、轻伤区和安全区。为了数据的精确性,本文中的案例仅讨论重伤区和轻伤区。

对于重伤区半径,取ΔP0=44 kPa;对于轻伤区半径,取ΔP0=17 kPa。利用MATLAB软件内置函数可得,重伤半径 R=4.9 m,轻伤半径 R=8.4 m。

表5 1000 kg TNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压

6 结论

6.1 利用MATLAB软件编写程序能够快速和精确地完成复杂繁琐的计算和分析,可大大提高安全分析及评价过程的效率;依靠软件的绘图功能,可将事故危害的计算结果多样化地表现,从而更加直观和迅速地判断爆炸事故的伤害区域。

6.2 使用单位也可借助于事故危害半径的近似计算,对抄纸车间进行合理布局,对于处于爆炸破坏范围之内的设施,根据设施的重要程度和潜在的破坏程度,采取适当的防护措施,以减小因爆炸带来的损失。

6.3 为避免爆炸事故的发生,烘缸及进汽管道的设计、制造安装单位应严格执行国家有关标准规范,从源头上保证制造质量;使用单位应进一步落实特种设备安全主体责任,加强操作人员的安全教育,严格安全操作规程和工艺规程,杜绝超温、超压现象,根据烘缸的安全等级定期委托检验单位对烘缸进行检测,从而杜绝事故的发生。企业安全职能部门应制定烘缸爆炸事故的应急救援预案,并定期组织人员进行演练。

[1] 赵铁锤.安全评价[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[2] 王铁松.造纸用烘缸发生爆炸时的影响范围分析[J].轻工机械,2007(10):112.

[3] 刘盛平,周晔.锅炉爆炸冲击波危害范围计算[J].地质勘探安全,1998(5):25.

[4] 王光彬,蒋永清,秦雪松.MATLAB在压力容器安全分析中的应用[J].哈尔滨理工大学学报,2003(8):18.

Application ofMATLAB in Analysis of Paper Drying Cylinder Explosion

WANGDao-wen
(Liaocheng B ranch,Shandong Institute of Special Equipm ent Inspection and Test,Liaocheng,Shandong Province,252000)

This paper analyzed the effect of the accident of paper drying cylinder explosion withMATLAB.It plotted the areas according to the harm degree,and predicted the resultswith the figures.All of this analysis helps to est imate and analysis the impact of the accident directly.

drying cylinder;explosion accident;MATLAB software;har mful radius

TS734

0254-508X(2010)12-0052-04