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保护储罐壁免受热辐射的不同水冷却技术研究
简介：
与储罐有关的危害之一是由相邻储罐火灾引起的热辐射及其对金属机械强度和储罐内装物在高温下的影响，这可能最终导致储罐失效。进行了一系列试验，以研究干斑的产生和使用水冷却减少相邻储罐火灾危险的有效性。这项研究涉及一项广泛的实验方案，研究不同的水冷技术在减轻坦克和水池火灾方面的有效性。 这项工作由LASTFIRE项目在西班牙阿斯图里亚斯进行。 本篇文章介绍了所做工作的情况和结果，其中包括评估水冷却在减少池火对相邻储罐的热负荷方面的有效性。 结果表明，水冷却和相邻储罐中的液体可以显著减少热负荷，因为壁面温度保持在可能发生灾难性故障的温度以下，或使温升速率降低到应急小组控制火灾事件提供的时间。
1.引言
火灾是与石油气储罐有关的重大危险。 在重大储罐火灾中，由于火灾对相邻储罐的辐射热的影响以及随后对储罐或储罐结构的内容物的影响，事故可能波及到相邻储罐。只要储罐受到水冷系统的保护，这些储罐之间的距离就可以减少。这种系统的有效性取决于许多因素，包括所使用的冷却技术、定期维护方案和这些系统的使用时间。如果冷却系统由于故障或水流量无法吸收辐射热而不能提供所需的覆盖范围，则会产生干斑。本研究的目的是当储罐暴露于相邻储罐的火灾时，评估不同冷却技术的有效性和相邻储罐中的液体水位。
1.1.辐射热对储罐结构的影响
在储罐壁被吞没或暴露于相邻池火的高辐射热的情况下，由于金属力学性能的退化，储罐壁结构性能将被削弱并可能倒塌。大的温度变化，导致非弹性（塑性，不可恢复）变形且钢结构再不会恢复到原来的形状。
这种情况产生的危险是由于热辐射加热了相邻的储罐，并导致储罐温度上升不均匀。
首先，面对火的储罐壁比背离火的部分更热。 这会导致储罐的变形和失效。
第二，当水箱的部分暴露面被水冷却，另一部分由于冷却系统故障或冷却水吸收辐射热时蒸发而变干燥。
第三，当暴露的储罐部分充满液体时，这会导致湿侧（与液体接触的壁部分)和干侧(与蒸汽接触的壁部分)之间突然出现巨大温度的差距。由于暴露的罐壁温度可达几百摄氏度，任何对热膨胀的限制都会导致大的压应力的发展(刘，2011).
en1993-1-2 (2005) 强调钢的强度随着温度的升高而降低，超过400℃在此温度以下的C和任何局部或整体变形都不会导致塌陷。图1表明碳钢在400℃以上开始失去强度。
图2给出了一个由于热负荷引起的弹性屈曲的例子，该屈曲是由相邻储罐火灾的热载荷引起的。
1.2. 辐射热对罐体内装物的影响
一旦压力/真空安全阀打开，由于压力上升和随后易燃蒸气释放到大气中，就会发生可能导致事故升级的严重危险情况。 储罐中的液体可能达到沸点，并在浮顶储罐的表面或边缘密封区域蒸发。如果蒸汽空间最初低于可燃下限，则它可能进入可燃区域，如果存在火源，则可能发生密闭爆炸，例如。掉落的烟灰颗粒或热金属表面。
随着液体温度的升高，蒸汽温度也同时升高，很可能以更快的速度升高。这是因为蒸汽的质量比液体的质量小得多，并且由于来自相邻火的增强的视角因素，上壁和屋顶上的每单位面积的热通量大于壁的下部。
最后一次火灾事故调查(2012年)的结论是，在全表面火灾的最初几个小时内，通过典型储罐间距的辐射热，储罐与储罐之间的冲突不太可能升级，除非相邻储罐的内容物的沸点接近其储存温度。
《知识产权示范法》第19部分建议，如果进行辐射热计算，发现相邻储罐接收的辐射热超过8kW/m2，则冷却水应可用于应用，以防止升级，尽管通常有时间部署设备来应用。这也意味着如果辐射热大于32kW/m2，那么冷却水是立即需要的，因此固定系统将是唯一现实的解决方案。
升级所需的实际辐射热通量很大程度上取决于存储在相邻油箱中的燃料类型。一般认为8kW/m2的通量是保守的，因此一些运营商使用12.5千瓦/平方米的数字；这是大概的热度将背面绝缘的裸钢板温度升高300℃所需的焊剂。在此温度下，金属表面达到自燃所需的温度，蒸汽空间内的燃料蒸汽/空气混合物可能高于可燃上限。图3显示了由于辐射热暴露导致的火灾升级的例子。
1.3水冷系统
用于保护罐区内相邻储罐完整性的一种技术是使用水冷系统，这被认为是减轻主要工业危害的一种有用技术。 冷却系统具有简单、有效和适应不同类型风险等优点。
在池火灾的情况下，它可以提供热保护，以保持相邻储罐的完整性；然而，在提供保护的程度方面仍然存在不确定性。
由水幕组成的水冷系统起到“过滤器”的作用，从而显著减少撞击相邻储罐表面的入射热辐射(Uznanski等人,2001). . 水冷系统通常包括一个固定的环形管道，安装在水箱壁的顶部，并与可靠的电源相连。
消防用水。这种系统设计用于提供受控保护，防止暴露于入射热辐射。冷却水通常被引向水箱，以便形成覆盖和保护暴露的水箱壁的连续喷雾。热保护是通过将水直接撞击到水箱壁上来实现的，而热屏蔽是由于撞击液滴相和由此产生的“瀑布”膜。
不幸的是，很少有关于水冷却系统性能的信息或研究工作，在存在碳氢化合物火灾的情况下保护相邻的储罐，典型的碳氢化合物火灾可能发生在储罐区。因此，由LASTFIRE指导小组成员指导的LASTFIRE小组进行了一系列测试，以了解影响水冷与此类火灾相互作用的因素，并确定在特定的水应用技术下，或在特定的辐射热水平下，在受保护的储罐壁上是否更有可能产生干斑。
2.前期工作
与水冷系统设计相关的大多数工程规范和标准主要基于一组实验。1943-44年，橡胶储备公司在美国进行了这些试验(弗里茨和杰克，1983)。一个水平的圆柱形容器部分装满水，浸入火焰中，然后外部用水冷却。作为这项工作的结果，橡胶储备公司根据要求建议了水的施用量，以将输入水箱的热量减少到与其安全阀的通风能力相适应的水平。马瑟和普拉特在20世纪60年代初进行了另一组类似的实验(布雷，1964)。
其他研究工作，由沃尔研究有限公司进行。检查了水冷却系统的效率，正如Lev和Strachan (1989)所报道的。. 墙壁研究人员对水膜和喷水的冷却机制进行了大规模的测试(图。4).
除了上述实验工作之外，所有其他现成的关于水箱冷却系统的报告工作规模都小得多。因此，在缺乏最新实验信息的情况下，基于橡胶储备公司工作的标准和实践已经扩展到需要保护储罐和设备免受辐射热影响的应用，这些应用与吞没火灾应用几乎没有相似之处。
最近进行的大部分研究工作涉及液化石油气（液化石油气）水平容器等加压容器的冷却。到目前为止，大气储罐在相邻火灾场景下的结构响应是一个研究较少的问题，相关研究非常罕见。
3.相关标准
图5显示了Technica有限公司进行的一项研究的结果。它显示水的厚度约为1毫米时，大于90%的入射辐射被水膜吸收。曲线急剧上升并逐渐变平，表明只要达到最小的水度，增加水的施用量只会带来吸收的少量增加。
3.1. 美国石油研究所(API)2030
所需的应用速率取决于传热速率、最高允许温度和水的吸热效率。一般来说，建议的适用费率为每平方米每分钟4.1至10.2 (L/min/m2)。 这些建议的流量是基于经验的，包括2L/min/m2的安全系数。 较高的应用速率为10.2L/min/m 2 建议保护受力的钢表面，如压力容器和承重结构构件，如容器腿、管架支架和容器裙。速率在6.1至10.2 L/min/m2之间 也可用于有相关工程数据或记录经验的支持，或已采取其他保护措施的情况。
根据美国石油学会2030标准，冷却应仅覆盖暴露在火中的区域，这被确定为储罐表面的四分之一至二分之一。另外，关于API 2030，冷却只对那些不与液体接触的壁有利；通常是储罐壁的上部3.7-7.4米。
3.2.NFPA 30
NFPA 30对冷却水没有具体要求，但要求进行工程评估，以确定防火和控制措施的范围。在需要冷却水的地方，可参考NFPA 15获得相关信息。
3.3.NFPA 15
NFPA 15推荐使用额定功率为10.2 L/min/m2，暴露在撞击火焰中的未绝缘表面。对于全表面储罐火灾，名义上假设相邻储罐垂直高度的一半暴露在外。
3.4.安全实践示范规范第19部分
对于储罐火灾设计事件，应计算辐射热。任何接触超过32kW/m2的 应设置固定冷却水系统。 出口接收8-32 kW/m2应该冷却，但这可以通过移动/便携式手段提供，只要它可以在合理的时间内部署。水施用量为 2L/min/m2通常是足够的；在许多设施中，这可能是由供应和排水考虑决定的最大实际流速。速率高于2 L/min/m2不能提供相应的保护。
4.实验工作
冷却系统的一个缺点是水箱壁的干燥区域可能会暴露出来，使部分水箱壁得不到保护。由于水在到达墙的底部之前可能会蒸发掉，或者由于系统故障可能会形成干燥区域。为了研究这一现象，通过LASTFIRE项目，在Asturias进行了广泛的文献综述和一系列测试。进行这些试验是为了调查这种防火技术的缓解特性所涉及的不同参数的有效性。关键参数包括流速、各种用水技术以及着火储罐和目标储罐之间的间隔距离。此外，进行测试是为了评估储罐内液位对壁温的影响。
通常，在这种类型的系统中使用喷水应用技术。在2014年9月29日开始的这一特定测试中，除了喷水应用之外，还研究了另外两种防火技术；即水膜和水幕技术。
冷却水通过以下不同的技术应用于水箱壁:
bull; 喷水(水直接喷到目标罐壁上)。
bull; 水膜(水从水箱侧面缓缓流下)。
bull; 水幕(水不直接接触池壁的地方)。
测试的主要目的是确定干燥区域是否会影响储罐壁的结构，并确定当暴露的储罐受到超过8–12 kW/m2的高水平辐射热(理想情况下高达32 kW/m2)时，干燥区域产生的潜在后果。
干斑(即水箱壁在水冷却过程中干燥的区域)可能会或可能不会产生，这取决于入射到水箱上的辐射热的水平和/或用于冷却水箱的水流速/应用速率。. 因此，在测试过程中对许多变量进行了研究:
1. 通过改变火和目标罐之间的间隔来改变入射热通量(暴露罐上的辐射热)的水平。
2. 改变施加到目标水箱的水的流速——以及因此的施加速率(标称2 L/min/m2) 这是国际规范(如EI Part 19)中建议的暴露水箱冷却水应用率。
3. 改变用水方法。使用了三种主要的应用类型:喷水、水膜和水幕。对于每种应用方法，研究了干燥区域的形成和目标罐接收的辐射热通量水平，并且测量了水/壁温度作为从罐的最顶部开始的高度的函数。
4.1.测试设施和实验安排
测试设施包括一个着火的储罐、一个目标储罐以及水冷装置和仪器。实验的总体布局如图6.
4.1.1.目标储罐
目标罐的直径为2.46米，高度为2米，装有热电偶，以监测暴露在火中的墙壁部分的温度上升。该罐安装有32个热电偶的网络，以测量壳体温度的空间和时间变化。热电偶安装在罐壁外表面以下3毫米处，以监控罐的响应。目标罐的顶部装有水冷环，设计为2 L/min/m2。
4.1.2。 LASTFIRE锅
在以前的LASTFIRE研究中使用的圆柱形钢盘将用作火源。锅的直径为2.4 m，深度为0.6m；它立在支架上，因此边缘离地面1米。目标坦克和LASTFIRE锅如图7.
4.1.3。 热电偶
所有使用的热电偶都是带有矿物绝缘金属护套电缆的K型热电偶。热电偶探头的长度为5米，以避免目标罐充满液体时出现任何故障。热电偶的测量范围在40℃和 1200℃之间，这些灵敏度约为41V/℃的热电偶被插入中心，目标罐壁的厚度和它们的位置在图8–10 .中被概述。 热电偶电缆延伸到目标储罐之外，到达数据记录器。为了避免损坏辐射计，辐射计是水冷的。辐射计安装在目标储罐的暴露侧，其位置如图11. 所示
4.1.5.冷却系统
冷却系统的设计旨在实现2 L/min/m2的最小应用速率，在整个暴露的表面上，按照EI-19。 目标罐半壁面积7.73m 2 覆盖该地区所需的水流量为18.6 L/min，包括20%的损失。 冷却系统由主头半环组成，半环安装在油箱的顶部边缘。对于水喷雾应用，使用了三个TYCO型D3PROTECTO-SPRAY喷嘴 (图12). 对于水幕和水膜，使用了四个安格斯水幕喷嘴(图13)。此外，水冷系统由储水箱、水泵、流量计和控制阀组成。图14显示安装在环上的不同喷嘴。
4.2.测试程序
从26个测试中收集的测量值在以下小节中进行了说明。进行第一系列测试是为了测量目标罐在不同距离和不同天气条件下接收的辐射热。四次测试的风速和风向都相似。辐射热通量是在距离目标罐的四个不同位置测量的:分别为0.5D、1D、1.5D和2D，其中D是LASTFIRE锅的直径(2.44米)。对于试验5和6，风速和风向不同于先前试验中的风速和风向，对于这两个试验，辐射热通量是在距离火的两个距离处测量的:1.5D和2D。
第二系列试验(7–26)用于测量目标储罐上的温度分布，特别是面向火的一侧。
5.结果和讨论
5.1.热辐射测量
对于每次试验，所需量的燃料漂浮在1.9立方米的水面上，大约形成的一层有50毫米厚(因此，燃料表面接近最后一个火盘的边缘)。测试中使用的燃料是庚烷。测试1–4是在相似的天气条件下进行的，提供了从不同距离比较结果的可能
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