李川
引言(1)
金属容器在我们的石油化工生产中应用比较广泛,如各类化学反应釜、储气(液)罐、液化气钢瓶等。无论哪一类金属容器都是按照一定的压力、温度要求和所盛介质的理化性质设计的,其设计参数有一个确定的范围,在正常情况下不会有什么危险,但遇到火灾等异常情况,不仅容器自身安全受到威胁,一旦爆炸便可能会对现场施救人员造成伤害,同时还会使建、构筑物受到不同程度的破坏。即使不发生爆炸,也会增大施救人员在火场上的思想压力。今年以来,我国各地化工企业中的金属容器在发生火灾爆炸中破裂、爆炸事故频发,甚至还造成重大人员伤亡事故.因此,对火灾中金属容器的爆炸危险性进行安全评价是十分必要的。
金属容器在火灾中的爆炸危险性分析(2)
1.气态介质容器的爆炸危险性
内盛介质为气态的容器一般均为压力容器,金属压力容器的选择、制造与检验都有很高的要求,尽管如此,压力容器的爆炸事故也从未被终止,据国外一家统计机构的调查,每万台工作状态的压力容器每年发生事故约为13.3起。火灾中金属容器的爆炸危险性更大,主要源于两个方面：一是外部环境,由于处在火场强烈的辐射热下,加上本身具有较强的导热性,容器温度会迅速上升,致使内部气体压力不断增大,容器可能因超压而爆炸；二是金属容器材料因高温影响强度有很大下降,失去原有的耐压功能而发生爆炸。实验数据表明,压力容器在火灾条件下单位时间内的吸热量为：
Q=225A0.82
式中,Q——容器吸入热量(kJ/h);
A——容器受热面积(m2)
一般金属压力容器材料的最高使用温度为400~500℃。高于这个温度,材料的强度指标将会大幅度下降,如碳钢在温度达到500℃时,其屈服强度将下降1/2.由此可见,火灾中直接承受着火焰烘烤的金属压力容器的爆炸危险性是时刻存在的。
金属压力容器的超压破坏一般为韧性破坏,是器壁上产生的应力超过金属材料强度极限而发生断裂的破坏形式,它是由塑性变形导致的,塑性变形会使金属容器直径增大、器壁变薄,容器破裂是变形过大的结果,韧性破裂的压力容器其最大圆周长增大率可达10%以上。压力容器破裂时,气体膨胀释放的能力大小与气体压力、容器容积以及气体在容器内的形态等因素有关。
2.液态介质容器的爆炸危险性
如果金属容器内介质为液态或液化气体,往往在火灾状况下会因为温度、压力等特定条件的变化而使介质发生相变引起爆炸,主要包括介质升温被汽化、失去蒸气压平衡或接触高温物质3种情况。
(1)液态介质受热超过临界温度发生爆炸
在密闭的金属容器中,液态介质都处于其临界温度之下,因为超过这一温度,任何压力都不能将气体液化。同样,如果液态介质在火灾中受热辐射作用温度逐渐上升超过了其固有的临界温度,必然要吸收蒸发潜热向气态转变,这个相变过程会使其内部压力急剧升高。待液体完全汽化后,其压力一般将上升至几百个大气压以上,从而使容器因超压而爆破。一些盛低沸点液体与液化气体的金属容器在火灾中发生爆炸都是因此所致。
(2)液态介质失去蒸气压平衡发生爆炸
这种情况又叫平衡破坏型蒸气爆炸,一般是容器内温度高于液态沸点时,由于受该温度下蒸气压的作用,气液两相保持平衡。如果容器受冲击或因其他原因出现裂缝,就会破坏这种平衡,高压蒸气会大量喷出,过热液体也会因为失去蒸气压平衡而呈现不稳定的暴沸状态,伴有大量气泡生成,液气体积急剧膨胀,对容器器壁产生的液击现象,使之受到的压力不断增大(一般可达初始蒸气压力的2~4倍),进而导致裂缝扩大、容器爆裂,蒸气和暴沸的液体随之大量喷出。高温、高压液体及气体储罐在火场中可能先破裂,既而介质发生蒸气爆炸。
(3)液态介质接触高温物质发生爆炸
部分液态介质如低沸点液体(少量)接触相对较多的高温物质后,会急剧升温其沸点以上而迅速汽化,这时会发生另一类型的爆炸,为接触型蒸气爆炸,如将水喷入热油中就会发生此类爆炸。着炎的原油罐发生沸溢与喷溅现象也是这个道理,含有水分、黏度大、沸点在100℃以上的原油或重油发生喷溅后,燃烧状态急剧变化,巨大的火柱会从油罐中冲出,与准温态燃烧相比,火焰高度会增大数倍甚至几十倍。所以在火灾扑救中,冷却水进入高温介质容器或燃烧时间较长的原油罐内同样有发生蒸气爆炸的危险.低沸点液体与高温物质之间互溶性越强、温度相差越大,爆炸就越猛烈。
结论与讨论(3)
在火灾的特定环境中,无论是金属容器还是内盛的气态、液态介质都可能因为强热辐射的作用而产生异常变化,这些变化最可能直接导致物理性爆炸,致使容器破裂、碎片飞散以及介质喷溅,如果介质是易燃、可燃物质,还会因为气体喷出产生静电放电现象或由于金属碎片撞击作用而导致释放能量更大的化学性爆炸与燃烧。据介绍,钢结构、钢储罐的一般抗烧能力约在8min左右,因此,在火场上处置火灾事故时一定要抓住有利时机,果断采取降温、转移、遮盖和在冷却的前期下保持稳定燃烧等措施,防止容器破裂与蒸气爆炸的发生,并注意观察金属容器出现的各类征兆,如变形、密封失效、安全装置启动、发出异常声响等。对盛有可燃介质的容器,如果冷却不及时或现场人员、装备、供水强度等条件无力对其实行冷却处理,则应从人员安全角度考虑,及时撤出危险区域。
此外,在扑救熔融状态的高温液体物持时,也应注意防止发生接触型蒸气爆炸事故。