-
摘要: 以液体储罐的孔洞泄漏模式为研究对象，设定泄漏时压力保持不变，建立液体泄漏模型。通过实验模拟圆柱形立式储罐液体的泄漏过程，分析泄漏量、质量泄漏速率和液面高度与泄漏时间的关系。结果表明：单孔泄漏时，随着泄漏时间的延长，液面高度降低，泄漏量增加，质量泄漏速率降低，且液体泄漏量、液面高度和质量泄漏速率的变化速率随泄漏时间的延长逐渐减小；泄漏量和质量泄漏速率的实验值与理论计算值相近；当量泄漏面积相等时，两个小孔同时泄漏的泄漏量近似等于单孔泄漏量。研究结果可为危险性液体储罐泄漏事故的应急救援和事故后果的定量分析提供依据。Abstract: By taking leak mode of liquid tank as the research object and setting leaking pressure as invariant, liquid model is built. The relationship between leak time and leakage volume, mass rate and liquid height are analyzed by simulation leak process in cylindrical vertical tank. The results show that decreasing liquid height, increasing leakage volume and decreasing mass rate are found with prolonged time at one hole mode, and the change rate of the leakage volume, mass rate and liquid height are decreased. Test value of leakage volume and mass rate are near to theory calculated ones. The leakage volume from one hole and two holes at the same time are nearly equal when the leak areas are the same. The research results offer scientific basis for emergency aid and consequence quantitative analysis of dangerous liquid tank leakage accident.
-
Keywords:
- vertical tank /
- liquid leakage /
- leak coefficient /
- equivalent area /
- simulation experiment
-
在化工生产、储存过程中，危险性液体储罐泄漏是导致爆炸、火灾和中毒事故的主要原因之一[1]。频繁发生的恶性泄漏爆炸事故所带来的严重后果超过了事故本身，严重地影响化工行业的健康发展，威胁公众的人身安全[2-4]。在液体储罐泄漏研究方面，Daniel等[5]针对不同泄漏物质的存储状态、存储容器和泄漏形式，给出了相应的泄漏源模型。由于通过大型现场试验研究储罐液体泄漏规律的周期长，耗费多，且危险性较大，因此以往的研究主要侧重于理论分析[6-8]。
对常见的立式常压储罐液体泄漏过程进行模拟实验研究，分析泄漏发生、发展的动态过程，提供物质的泄漏速率、泄漏量等定量化信息，可为事故后果的定量分析和事故应急救援提供基础数据和科学依据[9]。
1. 液体泄漏模型和泄漏系数
1.1 液体泄漏模型
以液体储罐的孔洞泄漏模式为研究对象，设定泄漏时压力保持不变，泄漏介质为液体，不发生两相流，且液体稳定，罐体不受外力作用。
小孔（面积为A）位于液面以下hL处，储罐内液体表面的表压为pg，外界表压为0，液体流速为0，则储罐的瞬时质量流量：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2011/4/href="yqcy-30-4-308-E1.png")
(1) 式中：Qm为液体质量泄漏速率，kg/s；C0为液体泄漏系数；A为裂口面积，m2；ρ为泄漏液体的密度，kg/m3；pg为容器内的介质压力，Pa；p为环境压力，Pa；hL为裂口之上的液面高度，m。
常压液体储罐的内外压一致，因此有：pg–p=0，于是上式可变为：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2011/4/href="yqcy-30-4-308-E2.png")
(2) 随着储罐逐渐变空，液体高度减小，泄漏速率和储罐中液体的质量流量也随之减少。假设液体表面的表压pg为常数，对于恒定截面积为At、初始高度为hL0的储罐，在t时刻，储罐的质量流量：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2011/4/href="yqcy-30-4-308-E3.png")
(3) 式（3）等号右边第1项是hL=hL0时储罐的初始质量流量[5]。在t时刻，储罐泄漏孔之上的液面高度：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2011/4/href="yqcy-30-4-308-E4.png")
(4) 由式（2）、式（4）可得，t时刻泄漏的液体质量：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2011/4/href="yqcy-30-4-308-E5.png")
(5) 1.2 泄漏系数
若泄漏容器的裂口规则，且裂口尺寸及与泄漏物质有关的热力学、物理化学性质和参数已知，则可根据流体力学中的有关方程式计算泄漏量；若裂口不规则，则可采取等效尺寸代替；若泄漏过程中存在压力变化等情况，则往往采用经验公式计算[10]。
以下假设液体泄漏口为规则形状，泄漏过程无压力变化开展实验研究。储罐的泄漏孔洞形状不同，其泄漏系数也不同（表 1）。
表 1 常压立式储罐液体泄漏系数
2. 实验部分
2.1 实验装置
在模拟实验中，圆柱形立式储罐高为1 m，直径为0.3 m。罐体开有6个圆形泄漏孔（表 2），其中3号孔的面积为1号孔与2号孔的面积之和，6号孔的面积为4号孔与5号孔的面积之和。罐顶开有小孔，保证罐内压力不变。用于泄漏实验的液体通过所开的孔洞注入，实验过程中未用的孔洞用橡胶塞塞住。
表 2 储罐液体泄漏系数
2.2 实验内容
2.2.1 实验介质
考虑到安全、环保及费用问题，由于水在20 ℃时的粘度与工业上常见危险性液体的粘度相近，因此选用水代替危险性液体作为实验介质。
2.2.2 实验过程
模拟储罐的充装系数为80%，即液面初始高度为80 cm。实验步骤：分别针对每个单孔进行泄漏实验，每隔5 s收集1次泄漏液体，并称量其质量，同时测量液位下降的高度，计算液体泄漏的瞬时速率，研究罐体存在不同直径孔洞情况下的液体泄漏规律，并将实验得出的泄漏系数与理论值进行比较；分别测量同一高度上，两个小孔同时发生泄漏时的总泄漏量和瞬时泄漏速率，并与当量面积的大孔泄漏情况进行比较。
3. 实验结果与分析
3.1 液体泄漏基本规律
分析液体泄漏量、液面高度和质量泄漏速率随时间的变化情况（图 1、图 2和图 3），随着泄漏时间的延长，罐内液面高度降低，泄漏量增加，质量泄漏速率降低，且液体泄漏量、液面高度和质量泄漏速率的变化速率随泄漏时间的延长逐渐减小。因此，液体储罐一旦发生泄漏，应立即进行有效堵漏，防止液体快速泄漏。
3.2 实验值与理论值的比较
将由模拟立式液体储罐获得的泄漏量和质量泄漏速率的实验值与理论计算值进行比较，结果表明二者差异很小（图 4、图 5）。
3.3 泄漏系数的校核
根据式（3），计算实验中不同泄漏孔在泄漏过程中的泄漏系数值（表 3）。由雷诺数的计算结果可知，实验过程中不同泄漏孔泄漏时的雷诺数均大于100。对泄漏系数的实验值和理论计算值进行比较，发现实验值比理论计算值偏大，说明理论模型中液体泄漏系数的取值相对保守。
表 3 液体储罐不同泄漏孔的泄漏系数
3.4 当量面积泄漏情况的比较
考察液体储罐不同高度上两个小孔同时泄漏与当量面积大孔单独泄漏两种情况下，泄漏量随时间的变化（图 6），结果表明：相同泄漏时间两个小孔的泄漏量与当量面积大孔的泄漏量近似相等。
4. 结论
（1）液体储罐泄漏时，随着泄漏时间的延长，泄漏量、质量泄漏速率、液面高度的变化速率逐渐减小。
（2）液体储罐的泄漏量、质量泄漏速率的实验值与理论计算值接近；液体泄漏系数的实验值比理论计算值偏大，说明理论模型中液体泄漏系数的取值相对保守。
（3）当量泄漏面积相等时，两个小孔同时泄漏的泄漏量近似等于单孔的泄漏量。
-
[1] 王岩. 容器设备破裂泄漏危险性研究[J]. 武警学院学报, 2008, 24(6): 23-26. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WUJI200806007.htm [2] Pan Xuhai, Jiang Juncheng, Wang Zhirong. Numerical analysis of diffusion process of flammable and toxic gases discharging accident[C]. Progress in Safety Science and Technology, Beijing 2000.
[3] 潘旭海, 蒋军成. 重(特)大泄漏事故统计分析及事故模式研究[J]. 化学工业与工程, 2002, 19(3): 248-252. doi: 10.3969/j.issn.1004-9533.2002.03.008 [4] 张瑞华, 陈国华, 张文海, 等. 油库储罐泄漏危险程度定量模拟评价应用研究[J]. 油气储运, 2004, 23(10): 4-7. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YQCY200410001.htm [5] Daniel A Crowl, Joseph F Louvar. Chemical process safety-fundamentals with application[M]. New Jersey: Prentice-Hall, 1990: 109-113.
[6] 潘越, 郭敬博. 国外大型浮顶储罐泄漏性实验技术探讨[J]. 石油工程建设, 2009, 35(5): 64-65. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGJ200905027.htm [7] 潘旭海, 蒋军成. 事故泄漏源模型研究与分析[J]. 南京工业大学学报, 2002, 24(1): 105-110. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NHXB200201032.htm [8] 宋贤生, 刘全桢, 宫宏. 外浮顶储罐系统泄漏源模型研究与分析[J]. 石油化工安全环保技术, 2009, 25(2): 26-30. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYAQ200902012.htm [9] 宇德明. 易燃、易爆、有毒危险品储运过程定量风险评价[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2000: 18-20. [10] 蒋军成. 事故调查与分析技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009: 216.
下载:
计量
- 文章访问数:
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: