An innovative and comprehensive approach for the consequence analysis of liquid hydrogen vessel explosions

Hydrogen is one of the most suitable solutions to replace hydrocarbons in the future. Hydrogen consumption is expected to grow in the next years. Hydrogen liquefaction is one of the processes that allows for increase of hydrogen density and it is suggested when a large amount of substance must be stored or transported. Despite being a clean fuel, its chemical and physical properties often arise concerns about the safety of the hydrogen technologies. A potentially critical scenario for the liquid hydrogen (LH₂) tanks is the catastrophic rupture causing a consequent boiling liquid expanding vapour explosion (BLEVE), with consequent overpressure, fragments projection and eventually a fireball. In this work, all the BLEVE consequence typologies are evaluated through theoretical and analytical models. These models are validated with the experimental results provided by the BMW care manufacturer safety tests conducted during the 1990's. After the validation, the most suitable methods are selected to perform a blind prediction study of the forthcoming LH₂ BLEVE experiments of the Safe Hydrogen fuel handling and Use for Efficient Implementation (SH₂IFT) project. The models drawbacks together with the uncertainties and the knowledge gap in LH₂ physical explosions are highlighted. Finally, future works on the modelling activity of the LH₂ BLEVE are suggested.     

基于风险的液化烃罐区建筑物抗爆荷载评估方法

为合理确定液化烃罐区周边建筑物的抗爆设防荷载,有效进行抗爆设计和防护,建立1套系统的抗爆设防荷载定量评估方法。以某液化烃罐区建筑物为例,计算172个爆炸场景,获得4组累积爆炸频率曲线,基于风险控制标准确定抗爆设防荷载。结果表明:爆炸场景发生频率应包括初始泄漏频率、气象概率、泄漏方向概率和延迟爆炸概率;获得的爆炸超压-累积频率曲线是确定抗爆设防荷载的基础,在爆炸超压较低时,与爆炸源中心距离不同的4面墙体的超压累积频率曲线极为接近;随着爆炸超压的继续增大,累积发生频率的差异逐渐明显;液化烃罐区建筑物的抗爆设防荷载应同时满足2个准则,即万年1次的风险可接受准则和风险可接受范围内爆炸超压最大化准则;根据该准则确定的液化烃罐区附近建筑物东墙的爆炸冲击波峰值入射超压为44.6 kPa,正压作用时间为89.3 ms。     

长径比对管道油气爆炸特性与火焰传播规律影响研究*

为了探究长径比对油气爆炸传播特性与火焰传播规律的影响,为复杂管道受限空间油气爆炸防控提供理论参考,结合油气爆炸与爆炸抑制工程实际需要,构建不同长径比管道油气爆炸模拟实验系统,在此基础上开展不同初始浓度的预混油气-空气混合气爆炸实验。研究结果表明:管道内部的预混油气爆炸超压信号呈先上升后下降的趋势,由于耗散以及憋压效应导致超压下降平稳后仍大于初始压力;同时长径比增加会导致达到最大爆炸超压的油气浓度增加,油气爆炸超压峰值随着长径比的增加呈现上升→下降→上升的规律,小长径比管道的油气爆炸超压峰值高于大长径比管道,但同为小长径比管道或大长径比管道工况的实验结果对比显示爆炸超压峰值随着长径比增加而提升;而超压上升速率则会随着长径比的增加而上升;长径比的增加同时也会促进火焰的加速传播并减小火焰持续时间。     

泄爆面特征参数对天然气爆炸超压峰值的影响规律

为揭示泄爆面特征参数对大尺度受限空间内天然气爆炸超压峰值结构的影响机制,基于典型房间特征,借助计算流体动力学技术研究不同泄爆面开启压力、开启时间以及泄压比等参数条件下室内天然气泄爆超压峰值结构的分布规律。研究结果表明:峰值Pb随开启压力和开启时间增加均呈线性增长趋势,而泄压比对Pb影响较小;峰值Pmfa与室内最大火焰面积有关,随开启压力、开启时间的增加和泄压比的减小,气体出流速度增大,进而产生更强的湍流,导致室内火焰面积和气体燃烧率增加,最终Pmfa增大;峰值Pext随泄压比增加呈快速降低趋势,同时开启压力和开启时间对Pext影响具有协同效应,共同促进Pext快速增加。     

障碍物在分岔附近对瓦斯爆炸压力影响的实验研究*

为研究置障条件下不同分岔角度管道中瓦斯爆炸压力变化规律,采用长15 m、截面为160 mm×100 mm的矩形和直径160 mm的半圆形组成的拱形模拟巷道,通过改变分岔角附近障碍物的形状与阻塞比,研究瓦斯爆炸在30~45°与30~60°双分岔管道分岔角附近的压力变化规律。结果表明:瓦斯爆炸在30~45°和30~60°双分岔管道中,分岔角后2支管压力均有所增大,且45°和60°支管中压力变化较30°支管更加明显;障碍物位于30°分岔角后,当阻塞比为0.4时,障碍物形状对2~4测点爆炸压力的影响均表现为矩形最大,拱形次之,圆形最小;管道中矩形障碍物对2,3测点爆炸压力的影响随阻塞比增加而增大,对测点4爆炸压力的影响则随阻塞比的增加而减小;设置矩形障碍物时,30~45°双分岔管道中2,3测点的压力增幅大于30~60°双分岔管道,且压力增幅随阻塞比增加而增大,而测点4的表现则相反,30~60°双分岔管道大于30~45°双分岔管道,且压力增幅随阻塞比增加而减小。     

基于HFACS的化工企业火灾爆炸事故人因分析*

为研究化工企业火灾爆炸事故的主要人为因素,以63起火灾爆炸事故案例为样本,构建人为因素分析与分类系统（HFACS）模型,进行火灾爆炸事故人为因素分类统计与分析,并利用卡方检验和比值比分析HFACS模型上下层级间的因果关系。结果表明:HFACS模型中上下层级人为因素间存在显著的因果关系,层级1中的“不良的组织氛围”及“组织过程漏洞”和层级2中“监督不充分”在HFACS模型中可以显著增大事故发生的可能性,且“资源管理漏洞”、“不良的组织氛围”、“组织过程漏洞”→“监督不充分”→“人员因素”→“违规”是引发事故的关键路径,并根据HFACS模型中引发事故的关键路径及其人为因素的主要表现形式,提出针对性的化工企业火灾爆炸事故预防措施。     

基于SPH-FEM耦合法的含缺陷输气管道爆炸冲击响应研究

针对大口径埋地输气管道发生物理爆炸对并行含体积缺陷邻管的冲击行为,利用LS-DYNA和LS-PREPOST有限元软件建立基于光滑粒子流体动力学-有限单元法的管-土-炸药耦合模型,分析不同缺陷深度、不同缺陷表面积、不同缺陷位置和不同爆心距下邻管的动力响应;基于爆腔预估公式和峰值振速经验公式,验证了所建耦合模型的可靠性,并通过设计算例开展多工况分析。研究结果表明:迎爆面上的缺陷处为动力响应的热点区域,最大响应特征值（应力、位移与振速）位于缺陷中心处,随缺陷深度的增加或管间距的减小特征值增速由平缓到急剧;相比缺陷位置和表面尺寸对管道的扰动程度,缺陷深度和爆心距对管道的动力响应影响较大;在本研究的条件下,建议埋地并行输气管道的安全间距不应小于5.16 m,且腐蚀深度不大于管道壁厚的0.633 6倍。研究结果可为埋地输气管道极端灾害下的风险评估提供技术支撑,为并行管道可能的抗爆隔爆设计提供模拟数据支持。     

原油管道氮气抑爆实验研究

为了探究不同浓度下的氮气对管道受限空间内油气爆炸的影响作用,通过原油实验管道测得不同油气浓度下的最大爆炸压力值,研究氮气对原油管道爆炸特性的抑制作用。研究结果表明:实验原油管道油气浓度在4.32%~14.25%区间管道油气发生爆炸,在低油气浓度的爆炸区间内,相近油气浓度的爆炸压力等爆炸特性上升较快,高浓度的爆炸区间内,变化较缓慢,在9.23%的油气浓度时爆炸特性变化最明显;在爆炸区间内充入浓度为0%~30%的不同浓度的氮气,随原油管道内氮气浓度的扩充,实验所测得爆炸区间不断压缩,在26%的氮气浓度时几乎不发生油气爆炸,且实验研究的爆炸特性均有所减弱。     

瓦斯爆炸后空间温度分布及热危害区域分析研究

为了获得瓦斯爆炸引发次生灾害的特性参数,建立了超压预测模型及爆炸后空气温度衰减模型,并结合实验数据进行了验证。结果表明:依据所建立的超压修正模型,不同浓度和体积下的超压在爆源附近呈对数形式快速下降,之后缓慢趋向平稳;基于模型修正的爆炸超压计算公式,能够很好的对各个情形的瓦斯爆炸超压进行计算,吻合较好。对初始瓦斯体积相对较小的情形吻合度很高,对于初始体积大的瓦斯爆炸超压在100 m附近会出现一定误差,但有一定指导意义。瓦斯爆炸热危害区域的研究,对瓦斯爆炸次生灾害的防治工作具有重要意义。     

CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性研究

为了解CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性,用自行搭建的实验系统,从超压、火焰传播速度和火焰结构3个方面研究了CO2-超细水雾形成的气液两相介质对9.5%瓦斯/煤尘复合体系爆炸的抑爆效果、影响因素与原因。研究结果表明:随着CO2体积分数和超细水雾质量浓度的增加,爆炸火焰最大传播速度、爆炸超压峰值均出现明显下降,火焰到达泄爆口时间显著延迟;尤其当CO2体积分数达到14%与超细水雾的共同抑爆效果凸显,瓦斯/煤尘复合体系爆炸超压的“震荡平台”消失,同时火焰结构呈现“整体孔隙化”。所得结论为煤矿井下高效防爆抑爆技术进行了完善和增强。