石油儲(chǔ)罐泄漏事故分析

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 王 芳

永平煉油廠 裴建禮

石油儲(chǔ)罐泄漏事故分析

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 王 芳

永平煉油廠 裴建禮

隨著石油需求量的增加，世界石油資源短缺問(wèn)題日趨明顯，國(guó)際油價(jià)居高不下。為了應(yīng)對(duì)這一能源形勢(shì)，世界各國(guó)都加強(qiáng)了石油儲(chǔ)備戰(zhàn)略措施，石油及化工類產(chǎn)品的存儲(chǔ)量急劇上升。大多數(shù)石化產(chǎn)品都是用專門的貯罐儲(chǔ)存的，目前貯罐不僅單體向大型化、綜合化方向發(fā)展，而且罐群的貯罐數(shù)量也在不斷增加。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外的油罐油氣泄漏及火災(zāi)爆炸事故也呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此，保證罐群的安全運(yùn)行，并最大限度地減小火災(zāi)事故的發(fā)生，是實(shí)施石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重要保證。由于石油儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存的石油及其產(chǎn)品一般具有易燃、易爆、易蒸發(fā)、易產(chǎn)生靜電、受熱易膨脹、易流動(dòng)擴(kuò)散等特點(diǎn)，一旦儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害事故。我國(guó)每年都要發(fā)生數(shù)起儲(chǔ)罐區(qū)儲(chǔ)罐的火災(zāi)爆炸事故。汽油是用量最大的的輕質(zhì)石油產(chǎn)品之一，是引擎的一種重要燃料，主要用作汽油機(jī)的燃料，廣泛用于汽車、摩托車、快艇、直升飛機(jī)、農(nóng)林業(yè)用飛機(jī)等。溶劑汽油則用于橡膠、油漆、油脂、香料等工業(yè)。本文，筆者以汽油為例，對(duì)汽油泄漏后可能造成的事故、池火災(zāi)進(jìn)行分析，并對(duì)其事故后果的危險(xiǎn)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，為此類事故的預(yù)防、緊急救援提供理論參考依據(jù)。

一、研究對(duì)象和基本參數(shù)

以圓柱形浮頂儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，儲(chǔ)罐體積2 000 m3（常壓），出料管道直徑100 mm；裂口之上液位高5 m。儲(chǔ)罐區(qū)防液堤內(nèi)面積6 720 m2。汽油密度0.77 g/m L；汽油燃燒熱43 000 kJ/kg，汽油燃燒速度0.022 5 kg/（m2·s）。

二、泄漏事故分析

汽油是易揮發(fā)、易燃的液體，儲(chǔ)存在常溫、常壓儲(chǔ)罐中，儲(chǔ)罐及管道因質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)裂紋，使得罐體與管道、閥門連接處松動(dòng)，就有可能引起汽油泄漏。汽油泄漏后，會(huì)聚集在防液堤內(nèi)或地勢(shì)低洼處形成一個(gè)液池。由于汽油閃點(diǎn)很低，極易燃燒，一旦遇到點(diǎn)火源就會(huì)引發(fā)池火災(zāi)。

三、泄漏計(jì)算

1.泄漏速度。汽油的泄漏速度可用流體力學(xué)中的伯努利方程計(jì)算，其泄漏速度為

式（1）中，Q0為流體泄漏速度，Cd為流體泄漏系數(shù)，A為裂口面積，ρ為泄漏流體密度，P為特體的儲(chǔ)存壓力，P0為外界環(huán)境壓力，g為重力加速度，h為裂口之上液位高度。

由于出料管為圓形，且儲(chǔ)存物料的雷諾數(shù)都小于100，故其泄漏系數(shù)Cd為0.50；管道直徑為100 mm，經(jīng)計(jì)算可知裂口面積A為 0.007 85 m2。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），可得Q0＝ 42.312 kg/s。

2.液池半徑。液池半徑根據(jù)液池面積計(jì)算。

（1）瞬時(shí)泄漏（泄漏時(shí)間不超過(guò)30s）可按下式計(jì)算：

式（2）中，r 為液池半徑，m為泄露的流體質(zhì)量，p為設(shè)備內(nèi)的液體壓力，t為泄漏時(shí)間。汽油泄漏時(shí)間為30 s時(shí)，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3），可得r30s＝ 1.36 m

（2）連續(xù)泄漏（泄漏持續(xù)10 m in以上）時(shí)，液池半徑按下式計(jì)算：

汽油儲(chǔ)罐泄漏時(shí)間為10 min時(shí)，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3），可知 r10min＝271.36 m。

上述方法所得的液池半徑是根據(jù)無(wú)防溢堤時(shí)液體泄漏所達(dá)的面積計(jì)算的，但是一般儲(chǔ)罐區(qū)防溢堤的面積遠(yuǎn)小于計(jì)算所得液池面積，故在實(shí)際計(jì)算時(shí)可根據(jù)防護(hù)堤所圍池的面積S來(lái)計(jì)算池直徑D，計(jì)算公式如下：

考慮到該儲(chǔ)罐區(qū)防液堤內(nèi)面積6 720 m2，則泄漏10 m in液池半徑為40.06 m。

四、汽油儲(chǔ)罐泄漏池火災(zāi)事故模擬分析計(jì)算

汽油液體泄漏后會(huì)形成液池，由于汽油極易揮發(fā)，隨著溫度和壓力的上升，油料的揮發(fā)速度也逐漸加快，揮發(fā)的油蒸氣迅速與空氣混合，形成可燃混合氣，一旦遇到足夠的點(diǎn)火能量，就會(huì)發(fā)生池火災(zāi)。本文，筆者模擬池火災(zāi)事故形式，對(duì)其進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1.確定火焰高度。計(jì)算公式如下：

式（5）中，H為火焰高度， D為直，（泄漏30s時(shí)D為2.72m，泄漏10 m in時(shí)D為80.12m），mf為燃燒速率，p0為空氣密度（常溫為1.293 kg/m3）。將上述數(shù)據(jù)代入式（5），有

H30s＝3.753 m，H10min＝40.073 m。

2.液池燃燒總熱輻射通量。火災(zāi)主要通過(guò)輻射熱的方式破壞周圍環(huán)境設(shè)施，當(dāng)火災(zāi)所產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度足夠大時(shí)，可使周圍的物體變形或燃燒，強(qiáng)烈的熱輻射可能燒死或燒傷周圍的工作人員，毀壞儲(chǔ)油裝置或設(shè)備。液池燃燒時(shí)放出的總熱輻射通量按下式計(jì)算：

式（6）中，Q 為總熱輻射通量； η為效率因子，可取0.13～ 0.35，一般取0.15；Hc為液體燃燒熱。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（5），可得

Q30s＝677.096 W，Q10min＝270 408.568 W。

3.汽油儲(chǔ)罐泄漏池火災(zāi)傷害半徑。假設(shè)全部熱輻射量由液池中心點(diǎn)的小球面輻射出來(lái)，則在距離池中心某一距離r處的入射熱輻射強(qiáng)度為

式（7）中，I為熱輻射強(qiáng)度，X為目標(biāo)到液池中心的水平距離，tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無(wú)相對(duì)理想的數(shù)據(jù)時(shí)，可取值為1。

熱輻射造成的損壞情況取決于人員或設(shè)備、物體所在位置的輻射熱的大小。可以按單位表面積受到熱輻射的大小計(jì)算熱輻射量，也可以按單位表面積受到的熱輻射功率的大小計(jì)算熱輻射量。不同入射熱輻射通量造成的損失見(jiàn)表1。

表1 不同熱輻射通量造成的損失

根據(jù)式（5）以及表1熱輻射入射通量所造成的事故損失情況，計(jì)算事故傷害半徑，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 汽油儲(chǔ)罐泄漏池火災(zāi)傷害半徑

由表2可知，瞬時(shí)泄漏時(shí)池火災(zāi)傷害半徑比較小，對(duì)周圍設(shè)備的破壞程度也比較小，但是如果是連續(xù)泄漏10 m in以上的池火災(zāi)，對(duì)周圍工作人員及設(shè)備的破壞就很大。