压力容器蒸气爆炸现象研究进展

刘明华

摘 要：压力容器（pressure vessel）是一种常见的基础设备，用以密封承装具有一定压力要求的气体或物体。压力容器在使用过程中，具有一定的危险性，其中蒸汽爆炸是一种常见的压力容器物理爆炸形式，对于压力容器的使用和发展影响巨大。但就压力容器相关蒸汽爆炸现象研究而言，仍存在一定的不足。因此，针对压力容器相关蒸汽爆炸研究进展，进行深入分析，对于指导研究的进一步进行，具有重要的现实意义。

关键词：压力容器；蒸汽爆炸；现象研究；进展介绍

压力容器在现代社会中应用广泛，涉及化工、能源、石油等行业，因装载的物料不同，其实际使用危险种类较多。蒸汽爆炸是一种发生于压力容器内部的物理爆炸形式，自从相关人员于1957年首次发现沸腾液体蒸汽膨胀爆炸后，即围绕蒸汽爆炸展开了一系列的研究，包括现场模拟实验、理论计算等，并取得了相应的成绩。由于，蒸汽爆炸过程较为复杂且剧烈，现阶段的蒸汽爆炸分析模型仍较为粗糙。因此，通过分析蒸汽爆炸研究进展，探索进一步研究方向，对于促进蒸汽爆炸研究发展意义重大。

一、蒸汽爆炸基本机理分析

BLEVE（Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）直译为“沸腾液体急速扩展为蒸汽引发爆发”，简称蒸汽爆炸。这一概念来源于一起由甲醛和苯酚制取酚醛树脂的反应器爆炸事故，事故分析时将此次事故定义为蒸汽爆炸。随着后续的调查、研究不断深入，参与研究的学者不断补充、完善蒸汽爆炸内容，并且该定义仍存在被进一步完善的可能。

美国化学过程安全中心给出的蒸汽爆炸定义为：大量承压的过热液体，在某种泄压因素的影响下，压力突然降至大气压引发的爆炸。泄压因素具体包括撞击、受火、腐蚀、内部过热等；Cunningham和Birk AM认为蒸汽爆炸现象，是因装有压缩液化气体的压力容器发生灾难性失效现代，导致的沸腾液体及膨胀气体的爆炸性释放现象。Birk AM等研究人员，曾于2006～2007年进行了一系列的丙烷储罐在受火加热条件下的蒸汽爆炸研究，并提出了蒸汽爆炸两阶段机理。Manu CC等研究人员，于2009年利用三位有限元相关知识，对丙烷储罐的受火爆破过程进行了分析。Venart J与俞昌铭针对蒸汽爆炸，给出以下定义：气液容器在高压饱和状态下，受手中原因影响，导致容器内部液体段时间内发生气化膨胀，使容器内部压力上升，产生爆炸。并针对容器内部气相空间存在小孔的蒸汽爆炸现象，进行了深入探讨，最终形成了沸腾液体压缩气泡爆炸理论，即BLCBE（Boiling Liquid Collapased Bubble Explosion）。

部分学者认为蒸汽爆炸，仅发生于容器气相空间出现泄漏的情况。Mcdevitt C等研究人员，于1988年经过多次的蒸汽爆炸实验，验证了容器液相泄漏发生爆炸的可能性。

二、蒸汽爆炸压力

压力容器发生蒸汽爆炸的过程极为复杂，多种物性参数在短时间内，会发生多种变化，严重限制了理论研究的有效进行。在蒸汽爆炸研究过程中，部分工业较为发达的国家，为研究蒸汽爆炸特性，投入量大量资源进行模拟实验研究，期望通过重复试验，探明爆炸过程中介质经历的复杂的物理变化，并获取相关实验数据，以建立爆炸模型，分析爆咋事故机理。

（一）试验测量

北川彻三等科研人员，在1972年的试验中，选用了一个容积15L，高220.0mm，直径300.0mm的竖式圆筒压力容器注满水，并在其上盖部门安置一个直径为71.0mm的铝质破裂板。试验过程如下，首先对容器进行加热处理，当水温加热至100.0℃时，容器发生蒸汽爆炸，破裂板被内部压力顶破。容器内部压力在破裂板损坏时有所下降，经过5s左右，内部压力再次上升。发生蒸汽爆炸时的压力峰值与初始压力相比，前者约为后者的2.5倍。

Venart J等科研人员，于1993年利用R11制冷剂，进行了相应的蒸汽爆炸试验。实验过程如下，首先在实验容器內部充装70.0%左右的R11液体，然后使用外部加热能源对容器进行加热，并加压至770.0kPa左右。此时试验容器在气相区域出现喷射小口，导致容器内部压力下降35kPa左右。实验人员利用丙烷火焰喷嘴在容器表面人工制造了一个10.0mm长的裂纹，经约200μs后，容器发生蒸汽爆炸。最大峰值测定约为175.0kPa.

Venart J和Ramier等研究人员，于2000年针对水介质在过热条件下的蒸汽爆炸现象进行试验探究。通过对比多次试验数据，总结出容器内部压力在爆炸过程中的一般变化趋势，即在0.1s左右的时间内，由于爆炸引起的压力峰值可达到2～3倍的初始压力数值。

Stawczyk J于2003年，围绕盛装有丙烷的压力容器，进行了一系列的蒸汽爆炸试验，并相应记录了爆炸压力及温度等内容。数据表明，容器内部压力在爆炸过程中，共出现三个压力峰值，升压时间约为0.5s，最大压力约为失效压力的3.0倍。

针对压力容器蒸汽爆炸特点，在压力容器实际安全管理工作中，对于压力容器的日常养护维修有着较高的要求。如所有压力容器设备均应依据国家相关规定定期进行安全检查，具体规定如下：安全状况等级属于1～2级的压力容器，至少每6年进行一次安全检查；安全状况等级属于3级的压力容器，至少每3年进行一次安全检查；安全状况等级属于4级的压力容器，安全检查周期有相关机构确定。

上述BLEVE试验，多数试验的讨论重点在于，火灾条件下，承装液化石油气的压力容器，发生热源持续流入时的BLEVE情况。

（二）理论计算

俞昌铭、Venart J、Yu CM、林文胜、马小茜、王海荣、徐书根等人先后利用不同的理论，针对BLEVE现象进行了建模分析，普遍由容器裂缝作为切入点，分析爆炸过程中各项物性参数的变化情况。

（三）BLEVE现象压力特点分析

压力容器气象区间或液相区间，存在泄漏破口，在一定条件下，就会发生BLEVE现象。而BLEVE现象发生的关键就在于，容器内部是否能顺利发生一系列的降压及液体容积沸腾变化。

通过现场模拟试验和物性参数理论分析，可得如发生BLEVE现象，容器内部必将经历压力先降后升的过程，且峰值压力与初始压力相比，会得到3倍以内的提升，升压时间短暂，约为ms级。

三、BLEVE现象研究中存在的问题分析

就目前的BLEVE现象研究而言，可得出BLEVE压力变化一般规律、BLEVE现象成因以及BLEVE现象一般过程规律等内容，但仍存在问题尚未得到解决，具体内容如下：

一，当前BLEVE现象的研究对象多为单一组分物质，在混合物料BLEVE现象研究方面，并未进行深入的研究。并且，针对BLEVE现象缺少相应的发生判断依据，并不能由研究结果形成相应的缺陷评定体系。

二，当前BLEVE现象理论分析模型过于粗糙，多是一、二维分析模型。针对某些BLEVE现象，只有通过建立三维模型，才能保障理论分析的真实性和准确性。

三，目前BLEVE现象研究条件较为固定，缺乏代表性。

结语：

综上所述，关于BLEVE现象的研究，经过多位科研人员长时间的探索，已经可以得出BLEVE压力变化一般规律、BLEVE现象成因以及BLEVE现象一般过程规律等内容，但对于BLEVE的分析仍比较粗糙。下一步BLEVE的研究重点，可放于耦合研究及多物理场方面，以促进对BLEVE现象的研究发展。

参考文献

[1]徐书根，王威强.压力容器蒸气爆炸现象研究进展[J].化工机械，2011（06）.

[2]沈华民.北川彻三“平衡破坏型蒸气爆炸”理论的热力学分析与讨论（一）[J].中氮肥，2015（04）.

[3]胡立双，胡双启，武巍等.多功能球形爆炸容器研究[J].中国安全生产科学技术，2011（11）.

[4]胡立双.20L球形气体（液体蒸气）、粉尘多功能爆炸实验装置研究[D].中北大学，2011.