浮顶油罐一二次密封空间内油气分布及爆炸压力模拟

竺柏康，丁 波 ，文建军

(1.浙江海洋学院石化与能源工程学院，浙江 舟山 316000；2.常州大学石油工程学院，江苏 常州 213000)



浮顶油罐一二次密封空间内油气分布及爆炸压力模拟

竺柏康1，丁 波2，文建军1

(1.浙江海洋学院石化与能源工程学院，浙江 舟山 316000；2.常州大学石油工程学院，江苏 常州 213000)

浮顶油罐一二次密封空间内处于爆炸极限范围内的油气在雷击作用下可导致爆炸起火事故。为研究浮顶油罐一二次密封空间内的油气分布规律，在实验室建立了浮顶油罐试验模型，通过设计相关试验，对不同环境下一二次密封空间内的油气积聚情况进行检测，对处于爆炸极限范围内的油气进行爆炸压力模拟。结果表明：风速、风向对一二次密封空间内的油气积聚有着关键的影响；风压对爆炸压力也有重要的影响，在风压影响下，爆炸压力峰值变大，此时油气体积分数大于3%的油气发生爆炸，其冲击压力可破坏一次密封，引燃油品，引起重大事故。

浮顶油罐；一二次密封空间；油气分布；爆炸压力；油气体积分数；风速

近几年来，国内发生了多起浮顶油罐密封圈雷击火灾事故，如2006年8月7日，江苏某输油站一个15 104 m3浮顶油罐遭遇雷击，浮盘密封圈内有5处着火点；2007年5月24日，浙江某油库一个10×104m3浮顶油罐遭遇雷击，浮盘密封圈内有2处着火点；2007年7月7日，浙江某油库一个10×104m3浮顶油罐遭受雷击，造成浮盘密封圈三分之一损坏并着火。分析认为上述事故原因是：油罐遭遇雷击时，储油罐一次密封或二次密封上的金属物与罐壁发生放电闪络，电火花引爆一二次密封空间内的油气，高温和冲击波破坏了一次密封，引燃了一次密封下的油品，从而导致火灾事故[1-5]。因此，需要对浮顶油罐一二次密封空间内油气分布规律及其爆炸产生的压力加以研究。

Asghar等对高层建筑进行了CFD数值模拟，结果表明在高层物体周边存在不均匀的风压分布[6-9];Humphrey等通过风洞试验研究表明，气流从浮顶油罐顶部掠过时，在罐壁内侧周边将形成不均匀的压力分布，该压差会引起一二次密封空间内的油气形成不均匀分布[10]，但并未给出较详细的分布规律；徐亚博等将油气作为爆炸点源，分析爆炸产生的压力波对人的影响[11-12]；Middha等进行了可燃气体爆炸试验和模拟，得到周围空间中的爆炸压力[13-17]，具有较大的指导意义，但并不完全适用于浮顶油罐一二次密封空间这种环形狭长空间。

为了揭示油气在一二次密封空间内的分布规律，本文设计了相关试验，对浮顶油罐一二次密封空间内的油气进行检测，发现外界风速对一二次密封空间内的油气分布有着重要的影响，并对处于爆炸极限范围内的区域进行爆炸压力模拟，探究压力波对一次密封的影响。

1 试验验证

本文在实验室建立了浮顶油罐试验模型(见图1)，并设计了相关试验，对浮顶油罐一二次密封空间内的油气进行检测，探讨风速、风向对一二次密封空间内油气积聚的影响。

1.1 试验仪器

气体取样器采用5 mL针筒，用于采集各取样口2 mL的混合气体；50 mL针筒，各向每个取样口采取2 mL混合气体。试验模型罐为一个直径1.6 m、高度1 m的浮顶油罐，二次密封为单层橡胶，并与罐壁紧密贴合(见图1)，一次密封为双层橡胶，位于二次密封下方，并与罐壁紧密贴合，橡胶单层厚度为3 mm。一次密封与二次密封围成的空间为油气分布的位置，该空间截面近似为一个侧放的梯形，一二次密封空间上底长2 cm，下底长8 cm，宽度为3 cm，以与实际油罐一二次密封空间尺度的1/9进行等比例缩小。

在二次密封上表层等距开设16个取样孔，并依次对其进行1～16编号，其中1号为正东方，5号为正南方，9号为正西方，13为正北方。罐壁外安装玻璃液位仪。油气体积分数分析仪：色谱仪型号为GC7900，色谱条件：进样口温度为100℃，柱箱温度为120℃；载气为氮气，输入压力为288.21 kPa，载气流量为33 mL/min；柱压为6.21 kPa；FID通道温度为300℃。

1.2 检测物品

本试验检测物品为浮顶油罐一二次密封区间的油气混合物。

1.3 试验过程

开始进油直到油面高度为35 cm，进油结束后，检查一、二次密封是否与罐壁贴合，静止一段时间后，在风速(自然风)比较稳定时进行采样，同时记录当时温度和风速。对5 mL针筒内和50 mL针筒内的混合气体进行分析，得出该气体中油气的体积分数。其中，5 mL针筒内混合气体的油气体积分数为一二次密封空间内不同点的油气体积分数；50 mL针筒内混合气体的油气体积分数为一二次密封空间内混合气体的平均油气体积分数，该值为混合气体不发生流动时各点的油气体积分数，即为不受风压影响下的油气体积分数。

1.4 试验结果与讨论

对所采集的混合气体样品进行检测，得到各检测点混合气体的油气体积分数，从中选取4组不同风速下的油气体积分数进行对比分析，见图2。

由于一二次密封空间是与外界连通的，故密封空间内各检测点的温度相等，但图2中线1～4均在各自恒定的温度下却都表现出一定的浓度差异。以线3为例，在恒定温度T=24.5℃，线3表征的油气体积分数在0.7%～9.8%之间变化，说明出现一二次密封空间内各检测点油气浓度差异的原因是混合气体的流动，即外界风压的影响。

图2中线1～4分别为在东风、南风、西南风、西南风条件下各检测点油气分布情况。由图2可见，各自的油气体积分数最高点分别在点16～点1、点6～点7、点10～点11、点11～点12之间，都处于迎风面附近；各自的油气体积分数最低点分别在点11～点12、点15～点16、点8～点9、点6～点7之间，都处于背风面附近，表明风向对一二次密封空间内油气的分布有着关键的影响。

尽管线1的平均油气体积分数从6%变为26%，线3的平均油气体积分数从0.7%变为9.8%，但考虑到基数差异，所以变化程度大的是线3，非线1；线4的平均油气体积分数大于线3，但最高油气体积分数却比线3小；线1～4与其各自的平均油气体积分数相比，其最大油气体积分数远远大于其平均值，尤其是线3的多个检测点的油气体积分数都位于爆炸下限(1%)，但最大点却达到了9.8%，以上都说明风速的增加对油气聚积的影响较大。

通过试验可知，风速越大，油气分布差异程度越大。10×104m3浮顶油罐高度约为21 m，处于较为空旷的位置，风速也较大，对一二次密封空间内油气的分布差异程度影响更为明显的是线3，易使某一区域内的油气体积分数超过爆炸下限，当遭受雷击时易发生爆燃。可见，分析风压对油气爆炸压力的影响，并进行压力值计算，不仅对于事故预防，而且对事故救援都有重要的意义。

2 油气爆炸压力模拟

2.1 假设条件

(1) 一次密封与罐壁处于自然紧密贴合状态，贴合处属于爆炸薄弱环节。本文假设一二次密封空间不同油气体积分数的油气爆炸等价于TNT当量在一二次密封空间中心线上爆炸，计算空间内不同点的油气爆炸产生的压力对一次密封贴合处的标量叠加。

(2) 一二次密封空间是一个环形狭长空间，较远距离的油气爆炸产生的压力对其影响较小，本文假设该距离为7 m，并将1%～7%的油气区域分成若干段，分别研究不同区段内一次密封贴合处受压情况。

(3) 一二次密封空间内油气分布随风速影响而不同，本文假设最初爆炸点油气体积分数处于油气爆炸极限内，且短时间内不发生变化，油气爆炸极限取1%～7%。

(4) 一二次密封空间内的油气随着风向风速的变化而变化，但从背风点到迎风点，基本处于增长趋势，因此对某一特定风速下的油气分布情况进行爆炸压力计算意义不大。为了反映实际中出现的多种油气分布情况，将各个计算区段的油气体积分数在横向上视为线性分布，纵向上视为均匀分布。

2.2 爆炸压力分布模型构建

通过当量面积法计算一二次密封空间截面中心点坐标，并以各区段起始位置的截面中心点为原点，沿区间纵切面建立平面直角坐标系，并将密封空间在该坐标系内展开。由于一、二次密封均是水平放置的，故密封空间坐标中的X轴方向为水平方向，即平行与密封空间中心线；Y轴方向为竖直方向。所受的总压力为密封空间内各爆炸点对该点的压力标量叠加，见图3。

选用目前最为成熟的萨多夫斯基爆炸冲击波峰值超压公式，即公式(1)，在此基础上基于最大后果考虑，一次密封与罐壁贴合处为空间薄弱环节，其受损会引燃一次密封下的油品，从而引起大规模火灾爆炸事故。

(1)

其中：Z为比例距离，其表达式为

(2)

式中：(x0,0)为爆炸中心点坐标；WTNT为油气TNT当量(kg)；y为爆炸中心距一次密封与罐壁贴合处的垂直距离(m)；(x-x0)为爆炸中心距一次密封与罐壁贴合处的水平距离(m)。

2.3 实例分析

以10×104m3浮顶储罐为例，该油罐直径为80m，一二次密封空间总长约为252m，高为1m，宽为0.25m，结合图2中线3进行分析，点3～点11之间的油气体积分数变化为0.7%～9.8%，占据空间长度为126m。故1%～7%占据空间长度约为84m，以14m作为每段空间长度，则可分为6段，即1%～2%、2%～3%、3%～4%、4%～5%、5%～6%、6%～7%，分别模拟计算各区段内油气爆炸时一次密封与罐壁贴合处的压力分布，其结果见图4。

由图4可知，一次密封与罐壁贴合处的压力峰值随着对应区域内的油气体积分数的升高而增大，爆炸压力峰值都位于各区间的后半区段，各区段的压力峰值不再是油气体积分数最高点，而慢慢向低浓度区域迁移。当无风压影响时，爆炸压力峰值出现在区段中心位置，压力约为1.3MPa，但在风压的影响下，出现了明显的压力梯度，其产生的爆炸压力最大值可达2.2MPa，表明风压不仅仅只影响一二次密封空间内的油气积聚，也加剧了油气爆炸所产生的破坏力。根据企业设备相关记录，当线压力大于15kg/m时会损毁一次密封，因此由图4可以看出当密封区间内油气体积分数最高值大于3%时，爆炸产生的压力会破坏一次密封。

3 结 论

通过试验和油气爆炸压力模拟，研究了浮顶油罐一二次密封空间内的油气分布规律以及油气发生爆炸时所产生的冲击压力，得到如下结论：

(1) 迎风点附近油气体积分数最高，背风点附近油气体积分数最低；风速越大，一二次密封空间内的油气分布差异程度也越大;在4.2m/s的风速下，油气体积分数从0.7%变为9.8%，说明一二次密封空间内很容易存在一段处于爆炸极限范围内的油气。

(2) 通过分析风压对油气爆炸压力的影响，结果表明风压加剧了油气爆炸所产生的破坏力。

(3) 提高一次密封的承压能力，避免其被压力波破坏，可以避免大规模燃烧事故的发生。

[1] 郎需庆,刘全桢,宫宏.浮盘密封圈的原油挥发及结构优化的研究[J].中国安全科学学报.2009,19(5):91-95.

[2] 王长旭.储油罐雷击火灾事故预防措施[J].油气储运,2008,27(10):46-47.

[3] 任常兴,马千里,李 晋,等.大型储油罐区油气抑爆技术探讨[J].安全与环境工程,2012,19(6):122-124.

[4] 任晓明,傅正财,刘全桢,等.大型浮顶油罐直击雷防护实验分析[J].高电压技术,2011,37(4):867-873.

[5] 刘宝全,刘全桢,高鑫,等.浮顶储罐二次密封装置的雷击危险性[J].油气储运,2012,31(3):193-195.

[6]BroadbridgeP.Steadyunsaturatedflowintwo-dimensionalscaleheterogeneousporousmedia[J].Mathematical and Computer Modeling,1997,26(3):45-54.

[7]FuJY,LiQS,WuJR,etal.Fieldmeasurementsofboundarylayerwindcharacteristicsandwind-inducedresponsesofsupertallbuildings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2008,96(8):1332-1358.

[8]AsgharAD,MasoudR.CFDsimulationofhomogenizationinlarge-scalecrudeoilstoragetanks[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2004,43(3):151-161.

[9] 陈勇,彭志伟,楼文娟,等.冲击风稳态流场CFD模拟及三维风速经验模型研究[J].计算力学学报,2007,27(3):25-32.

[10]HumphreyP,ColinC.Computationfluiddynamicsstudyofflowaroundfloating-roofoilstoragetanks[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2000,86(1):37-54.

[11]徐亚博,钱新明,刘振翼.天然气输送管道泄漏事故危害定量分析[J].中国安全科学学报,2008,18(1):146-149.

[12]梁瑞,张春燕,姜峰,等.天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析[J].中国安全科学学报,2007,17(8):131-135.

[13]陈思维,杜扬.惰性气体抑制管道中可燃气体爆炸的数值模拟[J].天然气工业,2006,26(10):137-139.

[14]程顺国,杜扬,梁建军,等.狭长受限空间油气爆炸关键现象研究[J].后勤工程学院学报,2010,26(6):26-30.

[15]LiQZ,LiBQ,JianCG.Investigationontheinteractionsofgasexplosionflameandreflectedpressurewavesinclosedpipes[J].Combustion Science and Technology,2012,184(12):2154-2162.

[16]MiddhaP,GruneJ,AlexeiK,etal.CFDcalculationsofgasleakdispersionandsubsequentgasexplosions:Validationagainstignitedimpinginghydrogenjetexperiments[J].Journal of Hazardous Materials,2010,179(1):84-94.

[17]滑帅,梁金燕,王莉霞,等.巷道拐弯对瓦斯爆炸影响的数值模拟研究[J].安全与环境工程,2013,20(3):135-138.

Simulation Research on Petroleum Gas Distribution and Explosion Pressure in the Primary and Second Sealing Space of Floating Roof Tank

ZHU Baikang1,DING Bo2,WEN Jianjun1

(1．PetrochemicalandEnergyEngineeringacademy，ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316000，China；2.PetroleumEngineeringAcademy，ChangzhouUniversity,Changzhou213000，China)

Petroleum gas in the primary and second sealing space of floating roof tanks may be led to explosion and fire by lightning stroke,even when the volume fraction of petroleum gas is within the limits of the explosives.For the purpose of studying the oil and gas distribution rule in the primary and second sealing space of floating roof tanks,this paper establishes a floating roof tank model,and tests petroleum gas volume fraction in the primary and second sealing space of the floating roof tank under different environmental conditions.The results confirms wind velocity and direction have major influences on the accumulation distribution of petroleum gas.The paper also simulates the explosion pressure of the petroleum gas,whose volume fraction is within the limits of the explosive, and the result shows that wind pressure also has an important impact on the explosion pressure,and explosion pressure peak becomes larger under the influence of wind pressure,and it also shows that when the volume fraction of petroleum gas is more than 3%,the explosion shock pressure can damage the primary sealing and ignite petroleum,which will lead to a great accident.Key words:floating roof tank；primary and second sealing space;petroleum gas distribution；explosion pressure；volume fraction of petroleum gas;wind velocity

谭章禄(1962—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事管理信息系统和可视化管理方面的研究。E-mail:756865684@qq.com

1671-1556(2015)01-0148-04

2014-03-31

2014-08-19

浙江省舟山市定海区科技项目(20112805)

竺柏康(1965—)，男，副教授，主要从事近海油气储运技术方面的研究。E-mail:zszbk@126.com

X937;X932

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.028