探索石油化工生產(chǎn)裝置火災中氣、液態(tài)介質(zhì)金屬容器的爆炸危險性——金屬容器在火災中的爆炸危險性分析(2)
1. 氣態(tài)介質(zhì)容器的爆炸危險性
內盛介質(zhì)為氣態(tài)的容器一般均為壓力容器,金屬壓力容器的選擇、制造與檢驗都有很高的要求,盡管如此,壓力容器的爆炸事故也從未被終止,據國外一家統計機構的調查,每萬(wàn)臺工作狀態(tài)的壓力容器每年發(fā)生事故約為13.3起?；馂闹薪饘偃萜鞯谋ㄎｋU性更大,主要源于兩個(gè)方面：一是外部環(huán)境,由于處在火場(chǎng)強烈的輻射熱下,加上本身具有較強的導熱性,容器溫度會(huì )迅速上升,致使內部氣體壓力不斷增大,容器可能因超壓而爆炸；二是金屬容器材料因高溫影響強度有很大下降,失去原有的耐壓功能而發(fā)生爆炸。實(shí)驗數據表明,壓力容器在火災條件下單位時(shí)間內的吸熱量為：
Q=225A0.82
式中,Q——容器吸入熱量(kJ/h);
A——容器受熱面積(m2)
一般金屬壓力容器材料的最高使用溫度為400~500℃。高于這個(gè)溫度,材料的強度指標將會(huì )大幅度下降,如碳鋼在溫度達到500℃時(shí),其屈服強度將下降1/2.由此可見(jiàn),火災中直接承受著(zhù)火焰烘烤的金屬壓力容器的爆炸危險性是時(shí)刻存在的。
金屬壓力容器的超壓破壞一般為韌性破壞,是器壁上產(chǎn)生的應力超過(guò)金屬材料強度極限而發(fā)生斷裂的破壞形式,它是由塑性變形導致的,塑性變形會(huì )使金屬容器直徑增大、器壁變薄,容器破裂是變形過(guò)大的結果,韌性破裂的壓力容器其最大圓周長(cháng)增大率可達10%以上。壓力容器破裂時(shí),氣體膨脹釋放的能力大小與氣體壓力、容器容積以及氣體在容器內的形態(tài)等因素有關(guān)。
2. 液態(tài)介質(zhì)容器的爆炸危險性
如果金屬容器內介質(zhì)為液態(tài)或液化氣體,往往在火災狀況下會(huì )因為溫度、壓力等特定條件的變化而使介質(zhì)發(fā)生相變引起爆炸,主要包括介質(zhì)升溫被汽化、失去蒸氣壓平衡或接觸高溫物質(zhì)3種情況。
(1) 液態(tài)介質(zhì)受熱超過(guò)臨界溫度發(fā)生爆炸
在密閉的金屬容器中,液態(tài)介質(zhì)都處于其臨界溫度之下,因為超過(guò)這一溫度,任何壓力都不能將氣體液化。同樣,如果液態(tài)介質(zhì)在火災中受熱輻射作用溫度逐漸上升超過(guò)了其固有的臨界溫度,必然要吸收蒸發(fā)潛熱向氣態(tài)轉變,這個(gè)相變過(guò)程會(huì )使其內部壓力急劇升高。待液體完全汽化后,其壓力一般將上升至幾百個(gè)大氣壓以上,從而使容器因超壓而爆破。一些盛低沸點(diǎn)液體與液化氣體的金屬容器在火災中發(fā)生爆炸都是因此所致。
(2) 液態(tài)介質(zhì)失去蒸氣壓平衡發(fā)生爆炸
這種情況又叫平衡破壞型蒸氣爆炸,一般是容器內溫度高于液態(tài)沸點(diǎn)時(shí),由于受該溫度下蒸氣壓的作用,氣液兩相保持平衡。如果容器受沖擊或因其他原因出現裂縫,就會(huì )破壞這種平衡,高壓蒸氣會(huì )大量噴出,過(guò)熱液體也會(huì )因為失去蒸氣壓平衡而呈現不穩定的暴沸狀態(tài),伴有大量氣泡生成,液氣體積急劇膨脹,對容器器壁產(chǎn)生的液擊現象,使之受到的壓力不斷增大(一般可達初始蒸氣壓力的2~4倍),進(jìn)而導致裂縫擴大、容器爆裂,蒸氣和暴沸的液體隨之大量噴出。高溫、高壓液體及氣體儲罐在火場(chǎng)中可能先破裂,既而介質(zhì)發(fā)生蒸氣爆炸。
(3) 液態(tài)介質(zhì)接觸高溫物質(zhì)發(fā)生爆炸
部分液態(tài)介質(zhì)如低沸點(diǎn)液體(少量)接觸相對較多的高溫物質(zhì)后,會(huì )急劇升溫其沸點(diǎn)以上而迅速汽化,這時(shí)會(huì )發(fā)生另一類(lèi)型的爆炸,為接觸型蒸氣爆炸,如將水噴入熱油中就會(huì )發(fā)生此類(lèi)爆炸。著(zhù)炎的原油罐發(fā)生沸溢與噴濺現象也是這個(gè)道理,含有水分、黏度大、沸點(diǎn)在100℃以上的原油或重油發(fā)生噴濺后,燃燒狀態(tài)急劇變化,巨大的火柱會(huì )從油罐中沖出,與準溫態(tài)燃燒相比,火焰高度會(huì )增大數倍甚至幾十倍。所以在火災撲救中,冷卻水進(jìn)入高溫介質(zhì)容器或燃燒時(shí)間較長(cháng)的原油罐內同樣有發(fā)生蒸氣爆炸的危險.低沸點(diǎn)液體與高溫物質(zhì)之間互溶性越強、溫度相差越大,爆炸就越猛烈。 （段志陽(yáng) 劉永宏 強海宏）
內盛介質(zhì)為氣態(tài)的容器一般均為壓力容器,金屬壓力容器的選擇、制造與檢驗都有很高的要求,盡管如此,壓力容器的爆炸事故也從未被終止,據國外一家統計機構的調查,每萬(wàn)臺工作狀態(tài)的壓力容器每年發(fā)生事故約為13.3起?；馂闹薪饘偃萜鞯谋ㄎｋU性更大,主要源于兩個(gè)方面：一是外部環(huán)境,由于處在火場(chǎng)強烈的輻射熱下,加上本身具有較強的導熱性,容器溫度會(huì )迅速上升,致使內部氣體壓力不斷增大,容器可能因超壓而爆炸；二是金屬容器材料因高溫影響強度有很大下降,失去原有的耐壓功能而發(fā)生爆炸。實(shí)驗數據表明,壓力容器在火災條件下單位時(shí)間內的吸熱量為：
Q=225A0.82
式中,Q——容器吸入熱量(kJ/h);
A——容器受熱面積(m2)
一般金屬壓力容器材料的最高使用溫度為400~500℃。高于這個(gè)溫度,材料的強度指標將會(huì )大幅度下降,如碳鋼在溫度達到500℃時(shí),其屈服強度將下降1/2.由此可見(jiàn),火災中直接承受著(zhù)火焰烘烤的金屬壓力容器的爆炸危險性是時(shí)刻存在的。
金屬壓力容器的超壓破壞一般為韌性破壞,是器壁上產(chǎn)生的應力超過(guò)金屬材料強度極限而發(fā)生斷裂的破壞形式,它是由塑性變形導致的,塑性變形會(huì )使金屬容器直徑增大、器壁變薄,容器破裂是變形過(guò)大的結果,韌性破裂的壓力容器其最大圓周長(cháng)增大率可達10%以上。壓力容器破裂時(shí),氣體膨脹釋放的能力大小與氣體壓力、容器容積以及氣體在容器內的形態(tài)等因素有關(guān)。
2. 液態(tài)介質(zhì)容器的爆炸危險性
如果金屬容器內介質(zhì)為液態(tài)或液化氣體,往往在火災狀況下會(huì )因為溫度、壓力等特定條件的變化而使介質(zhì)發(fā)生相變引起爆炸,主要包括介質(zhì)升溫被汽化、失去蒸氣壓平衡或接觸高溫物質(zhì)3種情況。
(1) 液態(tài)介質(zhì)受熱超過(guò)臨界溫度發(fā)生爆炸
在密閉的金屬容器中,液態(tài)介質(zhì)都處于其臨界溫度之下,因為超過(guò)這一溫度,任何壓力都不能將氣體液化。同樣,如果液態(tài)介質(zhì)在火災中受熱輻射作用溫度逐漸上升超過(guò)了其固有的臨界溫度,必然要吸收蒸發(fā)潛熱向氣態(tài)轉變,這個(gè)相變過(guò)程會(huì )使其內部壓力急劇升高。待液體完全汽化后,其壓力一般將上升至幾百個(gè)大氣壓以上,從而使容器因超壓而爆破。一些盛低沸點(diǎn)液體與液化氣體的金屬容器在火災中發(fā)生爆炸都是因此所致。
(2) 液態(tài)介質(zhì)失去蒸氣壓平衡發(fā)生爆炸
這種情況又叫平衡破壞型蒸氣爆炸,一般是容器內溫度高于液態(tài)沸點(diǎn)時(shí),由于受該溫度下蒸氣壓的作用,氣液兩相保持平衡。如果容器受沖擊或因其他原因出現裂縫,就會(huì )破壞這種平衡,高壓蒸氣會(huì )大量噴出,過(guò)熱液體也會(huì )因為失去蒸氣壓平衡而呈現不穩定的暴沸狀態(tài),伴有大量氣泡生成,液氣體積急劇膨脹,對容器器壁產(chǎn)生的液擊現象,使之受到的壓力不斷增大(一般可達初始蒸氣壓力的2~4倍),進(jìn)而導致裂縫擴大、容器爆裂,蒸氣和暴沸的液體隨之大量噴出。高溫、高壓液體及氣體儲罐在火場(chǎng)中可能先破裂,既而介質(zhì)發(fā)生蒸氣爆炸。
(3) 液態(tài)介質(zhì)接觸高溫物質(zhì)發(fā)生爆炸
部分液態(tài)介質(zhì)如低沸點(diǎn)液體(少量)接觸相對較多的高溫物質(zhì)后,會(huì )急劇升溫其沸點(diǎn)以上而迅速汽化,這時(shí)會(huì )發(fā)生另一類(lèi)型的爆炸,為接觸型蒸氣爆炸,如將水噴入熱油中就會(huì )發(fā)生此類(lèi)爆炸。著(zhù)炎的原油罐發(fā)生沸溢與噴濺現象也是這個(gè)道理,含有水分、黏度大、沸點(diǎn)在100℃以上的原油或重油發(fā)生噴濺后,燃燒狀態(tài)急劇變化,巨大的火柱會(huì )從油罐中沖出,與準溫態(tài)燃燒相比,火焰高度會(huì )增大數倍甚至幾十倍。所以在火災撲救中,冷卻水進(jìn)入高溫介質(zhì)容器或燃燒時(shí)間較長(cháng)的原油罐內同樣有發(fā)生蒸氣爆炸的危險.低沸點(diǎn)液體與高溫物質(zhì)之間互溶性越強、溫度相差越大,爆炸就越猛烈。 （段志陽(yáng) 劉永宏 強海宏）
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