第7卷第3期
2007年6月
安全与环境学投
JournalofSafetyandEnvironment
V o1.7No.3
Jun,2007
文章编号:1009.6094(2007)03.0102.03
油罐中油气爆炸规律研究
陈思维，杜杨，王博
(1中国人民解放军后勤工程学院研究生部，重庆400016
2海军91574部队，广州510725)
摘要：建立了油料储罐油气爆炸模拟实验系统，并在模拟实验的基
界值下，油气爆炸最为剧烈.当油气浓度小于I临界浓度时，爆炸产物中C02浓度高于cO浓度，而大于I临界浓度时，爆炸产物中cO浓度小于CO浓度.本研究可为油料储罐油气爆炸灾害事故的防治及安全规程的制定提供参考.
关键词：安全工程；油罐爆炸；油气浓度；初始温度
中图分类号:TE972;X932文献标识码:A
0引言
油罐是油料的重要储存装置，由于油料的易燃易爆性及
油罐的受限空间特点，近年来，由于油气爆炸所导致的油罐事
故不断，特别是油库改造，施工，作业等过程中的油气爆炸更
是极大的安全隐患.研究油罐中油气爆炸发生，发展规律及
爆炸压力的影响因素及趋势对油罐安全防护具有重要意义. 油气爆炸的主要研究方法为数值模拟及实验模拟.随着
计算流体力学的发展，多种气体爆炸数值模型被提出，并被广泛应用到油气爆炸的理论及应用研究中1，但数值模型的
合理性仍需实验验证；实验方面，周凯元，林柏泉，郭长铭等
对氢气，甲烷，乙烷及其混合气体爆炸的发展过程进行了大量的台架实验~3-5i.关于油气储罐中油蒸气爆炸发生，发展及其规律的系统实验研究并不多见.本文建立油料储罐油气爆炸模拟实验系统，研究油罐中油蒸气的爆炸过程及其影响因素，以期为油库的安全设计，施工及其安全操作规程制定提供依据.
1油罐油气爆炸模拟实验系统的建立
模拟实验系统包括油罐模拟实验装置，数据采集与处理
系统及实验辅助系统.模拟油罐按压力容器设计标准加工而成，其直径为10t30mm，高1000mm，罐壁厚10mm.整个模拟油罐罐壁为圆柱形，能承受高温高压.罐底为平板封头，罐顶为标准的椭圆封头.为便于实验观察，在罐壁开有3个直径150mm的观察窗，安装有石英玻璃.模拟实验采用高频响的压阻传感器测量爆炸压力，量程为1.0MPa；采用HC红外线分析仪和汽车尾气分析仪测量爆炸前后各种气体的体积分数.实验辅助系统主要完成油气混合物雾化，加热等功能.
实验工质采用90号汽油.改变各种初始条件(油气浓度，氧
气浓度，罐内温度等)，测试油气混合物的爆炸参数，从而研究*收稿日期:
作者简介:
基金项目:
102
2O07—01—23
陈思维，博士研究生，从事油气安全与防护技术研究;
杜杨，教授，博导，从事安全技术及理论研究.
国家自然科学基金资助项目(50276069)
爆炸发生，发展的规律.实验系统见图1.
模拟油罐
图1模拟油罐油气爆炸试验系统示意图
Fig.1Sketchofmodelingtank0il—gasexplosionexperimentsystem 2油罐油气爆炸过程分析
2.1最大爆炸压力的影响
油罐为容积式封闭空间，油气积聚后，当处在爆炸极限范
围内的可燃油气混合物遇到火源，就会发生爆炸.爆炸随着
火焰的传播.爆炸压力越来越大.由于爆炸过程极为迅速，过
程前后温度，压力发生急剧突变，可以形成较高的温度和压力，对罐体及罐室结构，设备设施，人员造成极大的伤亡和破坏.爆炸压力是爆炸的～个重要参数，其大小决定了破坏的
程度，爆炸压力越大，造成的破坏越严重6J.在油罐爆炸模
拟实验的基础上，本文对爆炸压力的影响因素及趋势进行分析.
爆炸物质的结构性质是影响爆炸压力的一个因素，因为
不同的爆炸物有不同的燃烧速度.如以碳氢化合物作燃料的可燃混合气，其燃烧火焰的速度受燃料分子结构的影响，当燃料分子量增加时，火焰传播速度曲线变得狭窄.本文以90号车用汽油为研究对象，因此在本文讨论的爆炸压力的影响因素不涉及油气混合物本身的结构性质.一般地，影响油料储
罐油气爆炸压力的因素有初始油气浓度，初始温度，油气混合物均匀程度等.
2.1.1初始油气浓度对爆炸压力的影响
图2是不同油气初始浓度时，在模拟实验装置全封闭条
件下油罐顶部的爆炸压力一时间曲线.可以看出，压力曲线
是典型的急升缓降线，即压力上升快而下降慢，这是因为，点
火瞬间，反应刚刚开始，罐内温度不能瞬时上升到较大值，罐内压力上升缓慢；随着燃烧反应的进行，放出大量的热，罐壁的散热速度远小于燃烧反应放出热量的速度，罐内温度越来越高，高温又促使燃烧
反应愈来愈激烈，反应速度不断加快, 从而又带来温度的急剧上升，形成连锁反应，因而罐压力上升速度较快，瞬间达到最大值，此后，由于罐内可燃物质减少，燃烧反应减弱直至停止，此时罐壁的传热量大于反应放出的热量，加之模拟装置可能的泄漏，罐内温度开始下降，但传热是缓慢的，压力下降速度远小于上升速度.
.由图2还可以看出，当油气初始浓度为2.5%时，爆炸压
力上升速率最大，峰值压力也最高，而当油气浓度为1.75%及3,8%时，爆炸峰值压力都有不同程度的下降.由此可见，油
料储罐中油气爆炸存在一临界油气初始浓度，在该值下，爆炸压力最大.
2007年6月陈思维，等：油罐中油气爆炸规律研究
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图3压力一浓度变化曲线
Fig.3Pressure?Onvaporconcentrationcurve
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燃料浓度
图4火焰传播速度与燃料浓度的关系
Fig.4Relationbetweenspreadvelocityandfuelconcentration
4(由实验数据绘制的定性关系曲线_l).对于受限空间，火
焰传播速度越快，爆炸时产生的压力越大.因此，在实际的油
料储罐中，当油气浓度处在爆炸临界浓度时，是最危险的状态，此时爆炸威力最大，破坏力最强.本文从实验得出的此临
界浓度值为约2.5%.
综合以上分析可以得出，在半地下储罐中，油气混合物的
初始浓度对爆炸最大压力的影响较大.本文将不同油气浓度的油气混合物的爆炸发展过程分为以下两种模式.1)强爆炸过程.油气浓度2%～3%，油气爆炸强度较大，火焰速度也
相对较大，爆炸压力超过0.6MPa.2)弱爆炸过程.油气浓度
在2%以下及3%以上，油气爆炸过程维持在弱爆炸阶段，火
焰速度相对较小，爆炸压力不超过0.65MPa.
以上两种模式的划分有着广泛的应用价值，如有助于油
气爆炸事故灾害的分级报警及可以针对不同模式发展分析模型.
2.1.2初始温度对爆炸压力的影响
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