液化石油气储罐对火灾热响应及消防设计

安全管理编号：LX-FS-A95079

液化石油气储罐对火灾热响应及消

防设计

In the daily work environment, plan the important work to be done in the future, and require the personnel to jointly abide by the corresponding procedures and code of conduct, so that the overall behavior or

activity reaches the specified standard

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液化石油气储罐对火灾热响应及消

防设计

使用说明：本安全管理资料适用于日常工作环境中对安全相关工作进行具有统筹性，导向性的规划，并要求相关人员共同遵守对应的办事规程与行动准则，使整体行为或活动达到或超越规定的标准。资料内容可按真实状况进行条款调整，套用时请仔细阅读。

1 引言

液化石油气是工业和民用中应用十分广泛的一种燃料。由于它具有易燃、易爆等危险性, 在生产、运输和使用中极易发生火灾和爆炸事故。液化石油气储罐周围一旦发生火灾, 在火灾环境的影响下, 储罐内液化石油气的温度和压力会迅速升高, 同时储罐的强度会迅速下降, 在一定条件下储罐即会发生破裂和爆炸, 并进而引起沸液蒸气爆炸(BL EV E) , 引起爆炸冲击波、容器碎片抛出及巨大的火球热辐射, 对周围的人员、建筑和设备造成更大的破坏。国内外曾多次发

生液化石油气火灾并引起连锁爆炸的事故, 造成惨重的损失。如1984 年墨西哥一液化气储配站由于液化石油气泄漏引起火灾, 使两个球形储罐破裂, 液化气大量泄漏引发大火, 高温火焰包围了附近的容器, 相继造成多台容器破裂爆炸, 导致500 多人死亡, 7000 多人受伤, 大量工业和生活设施毁坏, 成为人类工业史上最为严重的事故之一。1998 年西安液化石油气站由于液化石油气在一球罐底部泄漏, 引发火灾, 在火焰高温的作用下相继造成2 个400 立方米的球罐相继发生爆炸, 并引起BL EV E, 造成十多人死亡, 数十人受伤, 直接经济损失400 多万元。液化石油气储罐事故及其引起的连锁反应的过程可用图1 表示。

因此了解和掌握液化石油气储罐对火灾的热响应

规律, 从而采取适当的措施防止储罐发生爆炸, 是预防和控制重大事故发生的关键。本文重点介绍液化石油气储罐对火灾的响应规律, 并提出了消防设计的要求和原则。

2 液化石油气储罐对火灾的热响应

液化石油气储罐在周围发生火灾时, 由于火灾对容器表面的热辐射和对流传热的影响, 会使储罐发生一系列的热响应。由于工业界对安全的迫切需要及其学术上的综合性和复杂性, 世界各国都投入了大量的人力和财力对此进行了深入广泛的研究。研究的方法主要包括试验研究、理论和计算机模拟研究、典型事故分析研究等。试验研究是将不同比例、不同形状的容器置于不同的火灾环境中, 对响应过程和有关参数如温度、压力、热通量等进行动态的观测和测量, 从

而揭示容器失效过程、失效处理及危害性预测。理论和计算机模拟研究是根据二维或三维的质量、动量和能量平衡方程进行较为复杂的场模拟或基于试验研究的结果进行简化的区域模拟, 以及将场模拟和区域模拟结合起来的混合模拟, 由于建立的复杂的偏微分方程组很难求得理论解, 因此一般是借助于计算机进行数值求解。典型事故分析是收集以往发生的事故的有关数据资料, 并进行进一步的统计和理论分析, 从而揭示其规律性。

液化石油气储罐的热响应主要表现在以下几个方面:

2.1 储罐壁温响应

理论和实验研究都表明, 储罐在火灾环境下, 储罐的壁温会迅速升高。储罐的壁温变化明显分为两个部分。即气相部分和液相部分, 我们分别称其为干壁

温度和湿壁温度, 干壁温度明显高于湿壁温度。未保护的液化气容器在全包围火灾条件下, 干壁温度最高达到600～700℃, 干壁温度受到热输入量、热损失、壁厚等因素影响, 其数值取决于容器大小及壁厚、充装水平等, 其变化规律如图2 和图3 所示。图2 为储罐直径1.7 m , 壁厚11.85 mm , 容积10.25 m3, 容器上安装两个安全阀, 安全阀开启压力为1.42M Pa, 关闭压力为1.13M Pa, 充装量为36% 时在全包围火灾作用下的储罐干壁温度变化规律。图3 为不同充装水平下的变化规律。 2.2 储罐内部液化气热响应

试验发现, 内部介质的热响应分为两个阶段: 在第一阶段, 液相温度未达到饱和温度, 处于过冷状态, 内部介质可以分为五个区域(如图4) : 边界层区、底部不稳定液体区、分层区、过冷液体区和蒸汽区。在

侧面边界层区内, 热量由储罐内壁传入后液体会沿容器壁面上升, 到底液体表面后向中心运动, 并且从中心向下部的过冷液体区运动, 与过冷液体混合。然后又进入边界层区, 重复上述传热过程。由于这种垂直方向的自然对流引起液体和气体在垂直方向的温度梯度, 这种现象称为热分层。在底部的不稳定液体区, 液体接受从储罐内壁传入的热量后, 直接垂直向上运动与过冷液体混合。

储罐内部介质的温度变化规律如图5 所示。可以看出储罐内部气相温度高于液相温度。

2.3 储罐内部压力响应

储罐内部的压力变化主要取决于内部介质的温度变化规律, 实验研究发现, 压力主要决定于内部分层

区的温度。图6 为液化石油气储罐分别采用水喷淋冷却和防火隔热层保护时进行了全包围火灾实验时的压力响应规律, 其试验条件为: 容器容积4185 m3, 壁厚615 mm , 材料STE36 钢(屈服强度为

360N/mm2) , 储罐上设置安全泄放阀。由图可以看出, 对未采用防护措施的储罐, 在火灾作用下储罐内部压力迅速上升, 12 m in 即发生爆炸; 采用水喷淋冷却(冷却强度为100 L/m2h) 的储罐, 在火灾作用下在开始5 m in 内压力迅速上升, 当达到安全阀排放压力1.4M Pa 后, 安全阀开启排气, 储罐内压力在1.2～1.4M Pa 之间波动, 随后有所下降; 采用隔热层保护的储罐, 在火灾作用下压力升高速度缓慢, 在50 m in前储罐内部的压力一直低于水喷淋冷却的储罐, 而后压力较水喷淋储罐稍高。水喷淋冷却和隔热层保护的储罐均可以在火灾作用下90 m in 内