王道文

(山東省特種設備檢驗研究院聊城分院,山東聊城,252000)

MATLAB在造紙烘缸爆炸事故分析中的應用

王道文

(山東省特種設備檢驗研究院聊城分院,山東聊城,252000)

針對造紙蒸汽烘缸發(fā)生的爆炸事故,通過建立蒸汽爆炸模型和運用MATLAB軟件編寫程序分析事故后果,得出重傷、輕傷的區(qū)域半徑,進而對傷害區(qū)域進行了劃分,并將結(jié)果以圖形的形式呈現(xiàn),有利于直觀地判斷和分析事故后果。

烘缸;爆炸事故;MATLAB軟件;傷害半徑

鑄鐵烘缸是屬于《特種設備安全監(jiān)察條例》監(jiān)管范圍的Ⅰ類換熱壓力容器,主要用于紙機干燥部,通過高溫蒸汽與濕紙幅間的熱量交換完成紙張水分的蒸發(fā)。根據(jù)烘缸專業(yè)設計標準規(guī)定,其設計壓力一般有 0.3、0.5、0.8 MPa 3個等級,隨著紙機向?qū)挿⒏咚俜较虬l(fā)展,為了提高烘缸熱效率,其內(nèi)腔蒸汽的壓力和溫度都較高,且日趨向高溫、高壓和大容量發(fā)展。烘缸一旦爆炸將是十分嚴重的災害性事故,近年來,國內(nèi)發(fā)生多起烘缸爆炸導致人員傷亡和重大財產(chǎn)損失的特種設備安全事故,給經(jīng)濟和社會發(fā)展造成較大影響。本文主要論述MATLAB軟件在烘缸物理爆炸事故分析中的應用,通過對爆炸模型的分析和后果模擬,得出重傷、輕傷的區(qū)域半徑,為造紙車間作業(yè)布置和安全生產(chǎn)提供參考。

1 烘缸爆炸機理[1]

從機理分析,烘缸爆炸屬于物理性爆炸,是內(nèi)腔的飽和水蒸氣和部分高溫飽和水儲存能量迅速釋放造成的。通過對多起烘缸爆炸事故的分析,得出爆炸主要原因有壓力失控造成超壓或烘缸本身存在制造缺陷,在缸體的薄弱處發(fā)生斷裂,高溫高壓水蒸氣從斷口噴出,瞬間烘缸內(nèi)腔壓力降至大氣壓,由于氣壓驟減,使得缸內(nèi)飽和水變?yōu)椴环€(wěn)定的過熱狀態(tài),為再次恢復氣、液兩相平衡,部分過熱水迅速變?yōu)槌悍悬c的蒸汽,而將剩余的液體冷卻到常壓沸點溫度。因為氣體體積的急劇膨脹,造成壓力再次升高,斷口進一步擴大,急劇膨脹的氣體形成強大的沖擊波,具有極大的破壞力。

壓力容器爆炸時能量主要以沖擊波、碎片和殘余變形 3種形式表現(xiàn),由于烘缸多采用灰鑄鐵類脆性材料,爆炸不存在殘余變形,同時碎片能量占總爆破能量的比例很小,所以爆破能量大部分將以空氣沖擊波作用于周圍環(huán)境,造成建筑物的破壞和人員傷亡。

2 沖擊波破壞作用

沖擊波是由壓縮波疊加形成的,是波陣面以突躍形式在介質(zhì)中傳播的壓縮波。當爆炸發(fā)生時,周圍的空氣受到?jīng)_擊而發(fā)生擾動,狀態(tài) (壓力、密度、溫度等)發(fā)生突躍變化,其傳播速度大于擾動介質(zhì)的聲速。這種擾動在空氣中傳播就成為沖擊波。多數(shù)情況下,沖擊波的傷害、破壞作用主要與該波陣面上的超壓△P的大小有關,△P的值將直接影響波陣面范圍內(nèi)的建筑物和人員安全。超壓準則認為,只要沖擊波超壓達到一定值時,便會對目標造成一定的傷害或破壞。不同的沖擊波超壓對周圍的人和物的危害不同。一定超壓的沖擊波對人體的傷害和對建筑物的破壞作用見表1和表2。

表1 沖擊波超壓對人體的傷害作用

表2 沖擊波超壓對建筑的破壞作用

3 烘缸爆炸的能量分析

根據(jù)前面對烘缸爆炸機理的分析,烘缸內(nèi)儲存的能量包括兩部分:一部分為高溫、高壓的干飽和蒸汽所具有的能量;另一部分為飽和水所具有的能量。飽和水是由于干飽和蒸汽釋放其蒸發(fā)潛熱給烘缸壁致使本身冷凝而成。為了提高烘缸壁溫、改善熱傳導效率,現(xiàn)代化中、高速紙機烘缸均設置了虹吸管和撓流棒系統(tǒng),從而大大減少了烘缸內(nèi)腔的冷凝水量,但是在烘缸工作壓力范圍內(nèi),等體積的飽和水爆破能量系數(shù)是飽和蒸汽的幾十倍,為保證分析評價結(jié)果的精確度,將飽和水的爆炸能量一并考慮在內(nèi)。

3.1 干飽和水蒸氣的爆炸能量[2]

因為干飽和水蒸氣爆炸時僅在瞬間發(fā)生泄壓,來不及與外界發(fā)生熱量交換,是一絕熱膨脹過程。為簡化計算,對于常用壓力下的干飽和蒸汽烘缸的爆破能量可按下列經(jīng)驗公式求得:

表3 常用壓力下干飽和水蒸氣爆破能量系數(shù)

表4 常用壓力下飽和水爆破能量系數(shù)

式中:Eg——水蒸氣的爆破能量,kJ;

Cs——干飽和水蒸氣爆破能量系數(shù),kJ/m3;V——水蒸氣的體積 ,m3。

各種常用壓力下的干飽和水蒸氣爆破能量系數(shù)見表3。

3.2 高溫飽和水的爆炸能量

烘缸瞬間破裂失壓,內(nèi)腔過熱狀態(tài)的水急劇蒸發(fā)沸騰,體積劇烈膨脹而引起蒸汽爆炸 (BLEVE)。實際應用中,飽和水的爆破能量可按下列經(jīng)驗公式近似計算:

式中:Ew——飽和水的爆破能量,kJ;

Cw——飽和水爆破能量系數(shù),kJ/m3;

V——烘缸內(nèi)腔飽和水的體積,m3。

各種常用壓力下的飽和水爆破能量系數(shù)見表4。

4 沖擊波超壓計算和烘缸爆炸事故危害半徑計算[3]

4.1 沖擊波超壓計算

沖擊波波陣面上的超壓與產(chǎn)生沖擊波的能量有關,同時也與距離爆炸中心的遠近有關。實驗數(shù)據(jù)表明,不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時,如果目標與爆炸中心距離和目標與基準爆炸中心的距離之比與爆炸時產(chǎn)生沖擊波所消耗的炸藥量和基準炸藥量之比的三次方根相等,則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同,用公式表示如下:

式中:R——目標與爆炸中心距離,m;

R0——目標與基準爆炸中心的距離,m;

q0——基準爆炸能量,kgTNT;

q——爆炸時產(chǎn)生沖擊波所消耗的炸藥量,

kgTNT;

ΔP——目標處的超壓,MPa;

ΔP0——基準目標處的超壓,MPa;

α——炸藥爆炸實驗的模擬比。

式 (3)也可寫成:

利用式 (4)就可根據(jù)已知藥量的實驗所測得的超壓來確定任意藥量爆炸時在各種相應距離的超壓。

4.2 烘缸爆炸事故危害半徑的計算

綜上所述,計算水蒸氣烘缸壓力容器爆破時對目標的傷害、破壞作用,可按下列程序進行。

(1)烘缸爆炸能量的計算:根據(jù)式 (1)、式(2)分別計算出干飽和蒸汽和飽和水的爆炸能量,烘缸總的爆炸能 E為兩者之和。

(2)將烘缸爆炸能量換算成 TNT當量 q:一般取1 kg T NT爆炸所放出的平均爆破能量為 4500 kJ/kg,故其關系為:

q=E/4500 (5)

(3)根據(jù)式 (3)求出爆炸的模擬比α。

(4)求出 1000 kg TNT爆炸實驗中的相當距離R0=R/α。

(5)根據(jù) R0值在表5中找出距離在 R0處的超壓ΔP0(中間值用插入法計算),此即所求距離為 R處的超壓。

(6)根據(jù)超壓ΔP0值,從表1和表2中找出對人員和建筑物的傷害、破壞作用。

5 用MATLAB軟件實現(xiàn)烘缸爆炸后果分析

用MATLAB軟件分析烘缸爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓,并通過沖擊波超壓和離爆炸點距離的關系分析并劃分傷害后果區(qū)域,能比較直觀和便捷地分析事故后果。MAT IAB軟件強大的計算和繪圖能力,使得對事故后果的計算分析大量地簡化,分析結(jié)果也能通過各種圖形比較直觀地反映出來。

本文選取Φ1800 mm×7600 mm鑄鐵烘缸為例進行分析,內(nèi)腔凈容積 18.0 m3,其中飽和水取 1.2 m3,爆炸壓力取 0.5 MPa。

5.1 程序?qū)崿F(xiàn)及圖形結(jié)果

基于以上論述和案例的基本條件,用MATLAB軟件編寫程序,可以得出沖擊波超壓和距離的關系(見圖1),以此來劃分傷害后果區(qū)域。

圖1 沖擊波超壓與距離的關系

為了更加直觀地表示沖擊波陣面上的超壓,還可以利用平面等高線或三維等高線等來表示爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓和距離的關系。

圖2 沖擊波超壓與距離的三維等高線

5.2 數(shù)據(jù)分析

安全分析中僅靠圖形來分析結(jié)果缺乏精確性,難以表示具體的傷害區(qū)域。可利用 MATLAB軟件強大的計算功能來精準地確定爆炸的傷害半徑,同時計算精度可以通過調(diào)整程序步長實現(xiàn),為保證分析結(jié)果的精確度和計算效率,選取以爆炸中心 30 m以內(nèi)范圍進行傷害區(qū)域劃分,步長定為 0.1 m,此精確度在傷害區(qū)域劃分中已足夠。

根據(jù)沖擊波傷害模型,在安全分析及評價中,通常把沖擊波超壓所破壞的范圍進行人員傷害分區(qū)和財產(chǎn)損失分區(qū),有死亡區(qū)、重傷區(qū)、財產(chǎn)損失區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)。為了數(shù)據(jù)的精確性,本文中的案例僅討論重傷區(qū)和輕傷區(qū)。

對于重傷區(qū)半徑,取ΔP0=44 kPa;對于輕傷區(qū)半徑,取ΔP0=17 kPa。利用MATLAB軟件內(nèi)置函數(shù)可得,重傷半徑 R=4.9 m,輕傷半徑 R=8.4 m。

表5 1000 kg TNT炸藥在空氣中爆炸時所產(chǎn)生的沖擊波超壓

6 結(jié) 論

6.1 利用MATLAB軟件編寫程序能夠快速和精確地完成復雜繁瑣的計算和分析,可大大提高安全分析及評價過程的效率;依靠軟件的繪圖功能,可將事故危害的計算結(jié)果多樣化地表現(xiàn),從而更加直觀和迅速地判斷爆炸事故的傷害區(qū)域。

6.2 使用單位也可借助于事故危害半徑的近似計算,對抄紙車間進行合理布局,對于處于爆炸破壞范圍之內(nèi)的設施,根據(jù)設施的重要程度和潛在的破壞程度,采取適當?shù)姆雷o措施,以減小因爆炸帶來的損失。

6.3 為避免爆炸事故的發(fā)生,烘缸及進汽管道的設計、制造安裝單位應嚴格執(zhí)行國家有關標準規(guī)范,從源頭上保證制造質(zhì)量;使用單位應進一步落實特種設備安全主體責任,加強操作人員的安全教育,嚴格安全操作規(guī)程和工藝規(guī)程,杜絕超溫、超壓現(xiàn)象,根據(jù)烘缸的安全等級定期委托檢驗單位對烘缸進行檢測,從而杜絕事故的發(fā)生。企業(yè)安全職能部門應制定烘缸爆炸事故的應急救援預案,并定期組織人員進行演練。

[1] 趙鐵錘.安全評價[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[2] 王鐵松.造紙用烘缸發(fā)生爆炸時的影響范圍分析[J].輕工機械,2007(10):112.

[3] 劉盛平,周 曄.鍋爐爆炸沖擊波危害范圍計算[J].地質(zhì)勘探安全,1998(5):25.

[4] 王光彬,蔣永清,秦雪松.MATLAB在壓力容器安全分析中的應用[J].哈爾濱理工大學學報,2003(8):18.

Application ofMATLAB in Analysis of Paper Drying Cylinder Explosion

WANGDao-wen
(Liaocheng B ranch,Shandong Institute of Special Equipm ent Inspection and Test,Liaocheng,Shandong Province,252000)

This paper analyzed the effect of the accident of paper drying cylinder explosion withMATLAB.It plotted the areas according to the harm degree,and predicted the resultswith the figures.All of this analysis helps to est imate and analysis the impact of the accident directly.

drying cylinder;explosion accident;MATLAB software;har mful radius

TS734

B

0254-508X(2010)12-0052-04

王道文先生,檢驗師;主要從事壓力容器、壓力管道的檢驗研究工作。

(E-mail:ice_mosquito@163.com)

2010-08-05(修改稿)

(責任編輯:郭彩云)