薛少謙，李潤(rùn)之，劉鵬剛，張 豪

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司火災(zāi)爆炸防治研究分院，重慶 400037)

石油化工企業(yè)生產(chǎn)中存在多種危險(xiǎn)物質(zhì)，同時(shí)大量的工藝過(guò)程屬于高溫、高壓狀態(tài)，存在物理爆炸和化學(xué)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。在柴油加氫工藝過(guò)程中，加氫反應(yīng)器為承壓設(shè)備[1]，同時(shí)因其高溫、高壓的工藝過(guò)程，有發(fā)生物理超壓爆炸的危險(xiǎn)，屬于重大危險(xiǎn)源，容易造成重大爆炸事故的發(fā)生[2]。

姜榮賓[3-4]、張曉彬[5]利用道化學(xué)火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法分別對(duì)某一柴油加氫精制裝置的危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行了分析，并對(duì)其火災(zāi)爆炸事故后果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出了事故危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)等級(jí)；張斌等[6]利用風(fēng)險(xiǎn)分析軟件PHAST對(duì)柴油加氫精制裝置的火災(zāi)、爆炸、中毒事故后果進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，得出了相應(yīng)的事故危害范圍。但是，這些研究多是運(yùn)用評(píng)價(jià)模型或軟件對(duì)柴油加氫反應(yīng)器火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，而從近似實(shí)際規(guī)模的角度對(duì)柴油加氫反應(yīng)器爆破超壓的變化規(guī)律進(jìn)行定量的試驗(yàn)?zāi)M研究則較少。為此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)加工柴油加氫反應(yīng)器模型，在特定爆破壓力下進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，用來(lái)定量地模擬分析距爆破中心點(diǎn)不同距離內(nèi)爆破超壓的變化規(guī)律，以為柴油加氫反應(yīng)器物理爆炸事故的預(yù)防和控制提供理論基礎(chǔ)。

1 柴油加氫反應(yīng)器工藝流程和爆炸危險(xiǎn)性分析

1.1 工藝流程

柴油加氫反應(yīng)器的工藝流程是:在一定的溫度、壓力、氫油比、空速條件下，借助加氫精制催化劑的作用，有效地使油品中的硫、氮、氧非烴類(lèi)組分轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的H2S、NH3和H2O，少量的重金屬截留在催化劑中，同時(shí)使烯烴和部分芳烴飽和，從而得到清潔性和燃燒性較好的柴油和重整原料。

1.2 爆炸危險(xiǎn)性分析

柴油加氫反應(yīng)器屬于柴油加氫工藝過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，該反應(yīng)裝置內(nèi)操作溫度高、壓力高、易腐蝕，在發(fā)生泄漏或超溫超壓時(shí)，存在火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)性[7-8]。另外，高壓氫與鋼材長(zhǎng)期接觸，會(huì)使鋼材強(qiáng)度降低，出現(xiàn)裂紋，即通常意義上的氫脆，導(dǎo)致物理性爆炸。按照《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50160—2008)[9]中的規(guī)定，以該反應(yīng)裝置為主要反應(yīng)設(shè)備的柴油加氫精制裝置屬于甲類(lèi)火災(zāi)危險(xiǎn)設(shè)備。

不同爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓(Δp)[10]對(duì)人體的傷害程度和對(duì)建(構(gòu))筑物的破壞作用詳見(jiàn)表1和表2。

表1 沖擊波超壓(Δp)對(duì)人體的傷害程度Table 1 Hazard extent caused by shockwave superpressure(Δp) of human body

此外，爆炸產(chǎn)生的碎片具有一定的拋射速度及拋射軌跡[11]，也能造成大量人員損傷和建(構(gòu))筑物破壞，并可能引發(fā)廠區(qū)多米諾事故[12]。

表2 沖擊波超壓(Δp)對(duì)建(構(gòu))筑物的破壞作用Table 2 Destructive effect of shockwave superpressure(Δp) on buildings

2 爆破試驗(yàn)方案

為了研究柴油加氫反應(yīng)器距爆破中心點(diǎn)不同距離內(nèi)爆破超壓的變化規(guī)律，本研究根據(jù)該反應(yīng)器大小的不同，設(shè)計(jì)加工了幾種典型、有規(guī)律的不同尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型，同時(shí)為了模擬柴油加氫反應(yīng)器在臨界物理爆炸壓力下破裂的情況，在模型上安裝了不同尺寸的爆破片，用來(lái)模擬達(dá)到定值壓力下模型破裂的效果。如圖1所示，某一模型尺寸為φ500 mm×900 mm的柴油加氫反應(yīng)器，設(shè)計(jì)承壓為3.0 MPa，在模型4個(gè)方向安裝4個(gè)爆破片，爆破片的爆破壓力為0.8 MPa。

圖1 模型尺寸為φ500 mm×900 mm的柴油加氫反應(yīng)器實(shí)物圖Fig.1 Diesel hydrogenation reactor model of φ500 mm×900 mm

從試驗(yàn)人員的人身安全考慮，將柴油加氫反應(yīng)器模型固定在一支架上，并將其放入中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司大型試驗(yàn)巷道內(nèi)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，沿巷道斷面及縱向不同距離分別布置了壓力傳感器(不同尺寸柴油加氫反應(yīng)器模型壓力傳感器的安裝距離見(jiàn)表3)，對(duì)爆破過(guò)程中產(chǎn)生的壓力進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備布置示意圖見(jiàn)圖2。

表3 不同尺寸柴油加氫反應(yīng)器模型壓力傳感器的安裝距離Table 3 Distance between the pressure sensor and explosion center of models of different sizes

圖2 試驗(yàn)設(shè)備布置示意圖Fig.2 Layout schematic diagram of testing equipments

通過(guò)空壓機(jī)向模型內(nèi)充入設(shè)定壓力的空氣，在模型底部的兩端及中間設(shè)置3個(gè)充氣口，保證容器內(nèi)的壓力均勻地升高；安裝在模型底部的數(shù)字壓力表可以實(shí)時(shí)探測(cè)其內(nèi)部的壓力變化，當(dāng)壓力升高到接近設(shè)定值(0.7 MPa左右)時(shí)，迅速提升充氣速率，使罐體內(nèi)的壓力較快地達(dá)到0.8 MPa，這樣可以保證罐體上的爆破片全部破壞，發(fā)生物理爆炸，此時(shí)布置在模型四周和底部的壓力傳感器會(huì)迅速采集壓力數(shù)據(jù)，并通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將其記錄下來(lái)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同尺寸模型爆破超壓的對(duì)比分析

通過(guò)多次爆破試驗(yàn)，得到了不同尺寸柴油加氫反應(yīng)器模型在后側(cè)爆破時(shí)最大爆破超壓與距爆破中心距離的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 不同尺寸柴油加氫反應(yīng)器模型最大爆破超壓與距爆破中心距離的關(guān)系曲線Fig.3 Comparison of explosion superpressure of different sizes

由圖3可見(jiàn)，在爆破壓力相近的條件下，隨著柴油加氫反應(yīng)器模型尺寸的增大，距爆破中心等距離位置的爆破超壓也越大，說(shuō)明柴油加氫反應(yīng)器模型尺寸越大對(duì)周?chē)斐傻钠茐脑綇?qiáng)。

3.2 模型破壞形式的分析

通過(guò)多次爆破試驗(yàn)，得到了不同尺寸柴油加氫反應(yīng)器模型在0.8 MPa壓力作用下的爆破超壓情況，因φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型對(duì)周?chē)斐傻钠茐淖顝?qiáng)，因此本文選擇該尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型，分析了其破壞形式及爆破超壓的變化規(guī)律。圖4為φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型爆破前后的狀態(tài)圖。

圖4 φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型爆破前后的狀態(tài)Fig.4 Model ofφ600 mm×1 000 mm before and after explosion

由圖4可見(jiàn)，φ600 mm×1 000 mm尺寸柴油加氫反應(yīng)器模型的爆破片在達(dá)到爆破壓力后均勻的向外翻卷，呈蓮花狀。

3.3 爆破超壓的變化規(guī)律分析

通過(guò)多次爆破試驗(yàn)，得到φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型爆破超壓隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型爆破超壓隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Curve of explosion superpressure with time of model ofφ600 mm×1 000 mm

由圖5可見(jiàn)，爆破超壓隨時(shí)間的變經(jīng)曲線如同一“人”字形，經(jīng)歷了先快速增加后又快速衰減的變化過(guò)程；整個(gè)爆破過(guò)程中，爆破超壓呈現(xiàn)時(shí)間非常短暫，爆破超壓的上升和衰減所需時(shí)間大致相同，爆破超壓的持續(xù)時(shí)間為300 ms，其最大值出現(xiàn)時(shí)間在100～125 ms之間。

通過(guò)爆破試驗(yàn)，得到了不同尺寸柴油加氫反應(yīng)器模型爆破后在距離爆破中心不同距離內(nèi)爆破超壓的變化情況,圖6為φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型右側(cè)和前側(cè)在距離爆破中心不同距離內(nèi)最大爆破超壓的變化曲線。爆破試驗(yàn)共進(jìn)行了兩次：第一次試驗(yàn)，模型右側(cè)爆破片破裂，模型內(nèi)壓力為0.798 MPa；第二次試驗(yàn)，模型前側(cè)爆破片破裂，模型內(nèi)壓力為0.784 MPa。

圖6 φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型右側(cè)和前側(cè)最大爆破超壓的變化曲線Fig.6 Curve of maximal explosion superpressure on the right and the front of the model of φ600 mm×1 000 mm

由圖6可見(jiàn)，第一次試驗(yàn)過(guò)程中，2個(gè)壓力傳感器分別布置在模型右側(cè)距離爆破中心0.6 m和1.35 m的位置處，測(cè)得的最大爆破超壓分別為0.517 MPa和0.442 MPa[見(jiàn)圖6(a)]，由于2個(gè)壓力傳感器距離較近，其最大爆破超壓的衰減不太明顯[見(jiàn)圖6(a)]；第二次試驗(yàn)過(guò)程中，在模型前側(cè)分別布置了4個(gè)壓力傳感器，其中在距離爆破中心0.8 m的位置處，測(cè)得最大爆破超壓為0.476 MPa，而在距離爆破中心2.2 m的位置處，測(cè)得的最大爆破超壓衰減到0.087 MPa[見(jiàn)圖6(b)]。根據(jù)表1和表2可知，0.087 MPa的爆破超壓可以使人的內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡，使建(構(gòu))筑物的磚墻倒塌，因此在對(duì)柴油加氫反應(yīng)器物理爆炸事故進(jìn)行防治時(shí)，必須要合理考慮安全距離和安全措施。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)柴油加氫反應(yīng)器工藝流程和爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，認(rèn)為柴油加氫反應(yīng)器在特定的條件下有發(fā)生物理爆炸的危險(xiǎn)。

(2) 通過(guò)對(duì)不同尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型，在特定爆破壓力下，距爆破中心不同距離內(nèi)爆破超壓的變化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M研究。結(jié)果表明：爆破超壓隨時(shí)間呈“人”字形規(guī)律變化，超壓呈現(xiàn)時(shí)間短且衰減快；φ600 mm×1 000 mm尺寸的柴油加氫反應(yīng)器模型在距爆破中心2.2 m的位置處，爆破超壓仍有0.087 MPa，可對(duì)人體和設(shè)備造成巨大的傷害和破壞，說(shuō)明柴油加氫反應(yīng)器尺寸越大，爆破超壓越大，破壞力越強(qiáng)。因此，在實(shí)際工藝中必須要根據(jù)其爆炸危險(xiǎn)的后果，切實(shí)考慮安全距離或防爆墻等可靠的安全措施。