CN113139285B - 一种考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法 - Google Patents

一种考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法，该方法首先假定管道内长度为kD、直径为D的圆柱体的压缩气体提供了物理爆炸形成冲击波的能量，通过公式计算管道物理爆炸能量，接着计算目标位置距离爆炸中心的无量纲距离，并通过Baker‑Tang压力容器物理爆炸超压‑距离关系图得到目标位置对应的理想无量纲超压，然后计算实际无量纲超压，进而得到目标位置的实际冲击波超压。该方法给出了定量的爆炸冲击波超压的计算方法，且计算结果准确。

Description

一种考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法
技术领域
管道广泛应用于过程工业，管道物理爆炸指由于内部超压或管道本身强度下降，管道发生迅速破裂，内部高压气体从管道破裂处剧烈向外释放，进而压缩外部空气形成冲击波向外传播的过程。管道物理爆炸的危害因素主要有冲击波、碎片和热辐射，这其中冲击波造成的危害往往最为严重、影响范围也最广。故对管道物理爆炸后果的评估主要是计算其产生冲击波超压在空间的大小分布。
背景技术
目前管道物理爆炸超压的计算方法有两类：①理论方法；②数值模拟方法。理论方法首先根据假定的气体膨胀过程(等熵过程、绝热过程等)计算物理爆炸的能量，之后根据TNT当量法或相关学者提出的压力容器物理爆炸超压-距离关系图计算获得超压在空间的大小分布。理论方法目前存在两方面问题：一方面并不是管道内所有气体的压缩能都用于了外部冲击波的形成，即计算管道物理爆炸能量时应选取破口附近一定体积的气体，至于究竟是多大的体积，目前还缺乏一致的认识与规定；另一方面，现有TNT当量法或物理爆炸超压-关系图给出的数据均是针对理想爆源爆炸产生的球形冲击波，而管道物理爆炸产生的冲击波超压分布具有明显的方向性，现有方法在应用于管道物理爆炸超压计算时应进行怎样的适配，不同方位的冲击波超压间存在何种大小关系，在计算超压时又应该如何考虑，目前缺乏相应的方法。
对于数值模拟方法，其可以对冲击波超压进行更为准确的计算，但其实施成本较高，对人员专业水平要求较高，并且计算结果会受湍流模型选取、网格尺寸等影响，在具体实施前往往需要对模型进行验证，实施周期长，不如理论方法简便易行。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法，该方法对管道爆炸冲击波超压在空间分布的方向性建立相应的定量描述模型，给出不同方位目标无量纲超压的计算公式，明确管道物理爆炸所释放气体压缩能的计算方法，给出管道物理爆炸能量计算时有效气体体积大小的明确规定。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：假定管道内长度为kD、直径为D的圆柱体的压缩气体提供了物理爆炸形成冲击波的能量，根据下式计算管道物理爆炸能量
Figure BDA0003023506560000021
其中，D为管道内直径，p为管道发生物理爆炸时的内部压力，γ为爆炸气体的绝热指数，p0为当地大气压力；
S2：管道物理爆炸形成冲击波超压的等值面近似为椭球形，以管道爆炸中心为原点O建立坐标系，定义X轴指向管道轴向，Z轴指向管道爆炸破口气体喷射方向，Y轴与X轴和Z轴垂直；以球坐标
Figure BDA0003023506560000022
表示目标位置，其中，R为目标位置距离原点O的距离，θ为目标位置与原点O的连线与Z轴正方向的夹角，
Figure BDA0003023506560000023
为目标位置与原点的连线在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角；
S3：计算管道物理爆炸前内部压力与大气压力的比值p/p0，以及采用下式计算目标位置距离爆炸中心的无量纲距离
Figure BDA0003023506560000024
Figure BDA0003023506560000025
S4：根据p/p0比值在Baker-Tang压力容器物理爆炸超压-距离关系图中选取相应曲线，再根据目标的无量纲距离
Figure BDA0003023506560000026
读取目标位置对应的理想无量纲超压
Figure BDA0003023506560000027
S5：将X轴上的无量纲超压作为基准，定义为
Figure BDA0003023506560000028
定义Y轴上距离爆炸中心O的距离为R的无量纲超压为X轴上的λ1倍，定义Z轴上距离爆炸中心O的距离为R的无量纲超压为X轴上的λ2倍，则其中，根据目标的无量纲距离
Figure BDA0003023506560000029
采用如下公式计算比例系数λ1、λ2：
Figure BDA00030235065600000210
Figure BDA00030235065600000211
则目标
Figure BDA00030235065600000212
处的实际无量纲超压
Figure BDA00030235065600000213
计算为：
Figure BDA00030235065600000214
S6：根据缩放后的实际无量纲超压
Figure BDA00030235065600000215
计算目标位置的实际冲击波超压Ps：
Figure BDA00030235065600000216
进一步地，所述S1中的k的取值为4.0或8.0。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的方法对管道物理爆炸形成冲击波超压分布的方向性进行了细致、定量的考虑，并定义了计算管道物理爆炸能量时内部高压气体体积的确定原则，相比现有理论方法参数明确、步骤清晰，且物理爆炸超压计算结果准确度更高；
(2)本发明中管道物理爆炸超压依据理论公式和查图计算获得，相比数值模拟方法实施方便、迅速，对人员专业程度要求低。
附图说明
图1为管道爆炸冲击波超压计算坐标系建立示意图；
图2为Baker-Tang压力容器物理爆炸超压-距离关系图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法，包括如下步骤：
1.计算管道物理爆炸能量
管道内物理爆炸的时候外部冲击波并不是管道内所有气体的压缩形成的，而是一定体积的压缩气体所蕴含的能量提供的。这个压缩气体体积计算时认为是个圆柱体，该圆柱体的直径与管道内径相等，长度为管道内径的k倍。因此，采用下式计算管道物理爆炸能量
Figure BDA0003023506560000031
其中，D为管道内直径，通过查阅管道设计资料或实地测量确定；p为管道发生物理爆炸时的内部压力，根据管道运行工艺数据或根据压力容器爆破压力计算公式获得；γ为爆炸气体的绝热指数，根据管道内气体类型查询得到；p0为当地大气压力，可以通过查询或者测量得到；k根据研究在绝大多数情形下取4.0，保守起见可取值8.0。且该公式中，当管道物理爆炸发生在地面时，需要考虑地面对冲击波的反射作用，因此此时物理爆炸能量要在通常情况下计算出来的能量基础上乘以2。
2.计算目标位置处的理论无量纲超压
管道物理爆炸形成冲击波超压的等值面近似为椭球形，以管道爆炸中心为原点O建立坐标系，如图1所示，定义X轴指向管道轴向，Z轴指向管道爆炸破口气体喷射方向，Y轴与X轴和Z轴垂直；以球坐标
Figure BDA0003023506560000032
表示目标位置，其中，R为目标位置距离原点O的距离，θ为目标位置与原点O的连线与Z轴正方向的夹角，
Figure BDA0003023506560000041
为目标位置与原点的连线在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角；
则目标位置距离爆炸中心的无量纲距离
Figure BDA0003023506560000042
的计算公式如下：
Figure BDA0003023506560000043
3.查询目标位置对应的理想无量纲超压
Figure BDA0003023506560000044
根据管道物理爆炸前内部压力与大气压力的比值p/p0在Baker-Tang压力容器物理爆炸超压-距离关系图中选取相应曲线，再根据目标的无量纲距离
Figure BDA0003023506560000045
读取目标位置对应的理想无量纲超压
Figure BDA0003023506560000046
Baker-Tang压力容器物理爆炸超压-距离关系图如图2所示，该关系图的出处为：Center for Chemical Process Safety,Guidelines for Vapor CloudExplosion,Pressure Vessel Burst,BLEVE,and Flash Fire Hazards,Second Edition[M].New York:Wiley,2010:263.该关系图定义了不同压力气体物理爆炸形成的冲击波超压与距离间关系，目前认可度较高，被较为广泛的采用。
4.根据目标方位对理论无量纲超压进行比例缩放
管道物理爆炸形成冲击波超压的等值面近似为椭球形，记椭球在X、Y、Z轴方向的半轴长度分别为a、b、c，其中c>b>a。并将X轴上的无量纲超压
Figure BDA0003023506560000047
作为基准，定义为
Figure BDA0003023506560000048
定义Y轴上距离爆炸中心O的距离为R的无量纲超压为X轴上的λ1倍，定义Z轴上距离爆炸中心O的距离为R的无量纲超压为X轴上的λ2倍，即：
Figure BDA0003023506560000049
根据目标的无量纲距离
Figure BDA00030235065600000410
采用如下公式计算比例系数λ1、λ2：
Figure BDA00030235065600000411
Figure BDA00030235065600000412
则目标
Figure BDA00030235065600000413
处的实际无量纲超压
Figure BDA00030235065600000414
计算为：
Figure BDA00030235065600000415
5.计算目标位置冲击波超压
根据缩放后的无量纲超压计算目标位置的实际冲击波超压Ps：
Figure BDA00030235065600000416
下面以某一具体的爆炸管道为例证明本发明的方法的有益效果。
某一X90金属管道，其长度为15.3m，直径为1.219m，壁厚为17mm，内部装有12.3MPa的高压空气，其在地面发生了物理爆炸。根据本发明中图1中的坐标系建立方法，对位于地面且距离爆心40m的两位置[(0m，40m，0m)，
Figure BDA0003023506560000051
]的冲击波超压进行计算。
1.计算管道物理爆炸能量
管道内径D根据其外径和壁厚计算为1.185m，查询空气绝热指数为1.4，环境大气压力为1×105Pa，根据管道运行的工业参数获得管道内部压力p为123个大气压，即p＝12.3×106Pa；管道物理爆炸发生在地面，根据公式其物理爆炸能量计算为：
Figure BDA0003023506560000052
2.计算目标位置处的理论无量纲超压
根据图1所示规则对管道建立坐标系，则两位置对应的球坐标分别为(40，90°，90°)和(40，90°，45°)，计算两目标对应的无量纲距离
Figure BDA0003023506560000053
为：
Figure BDA0003023506560000054
计算管道物理爆炸前压力p与环境大气压力p0的比值为123，根据Baker-Tang压力容器物理爆炸超压-距离关系图读取两位置对应的无量纲超压为
Figure BDA0003023506560000055
见图2。
3.根据目标方位对理论无量纲超压进行比例缩放
计算两位置对应的无量纲超压比例系数λ1、λ2：
Figure BDA0003023506560000056
Figure BDA0003023506560000057
则两位置的实际无量纲超压为：
位置1(0m，40m，0m)：
Figure BDA0003023506560000058
位置2
Figure BDA0003023506560000059
Figure BDA00030235065600000510
4.计算目标位置冲击波超压
计算目标位置的实际冲击波超压为：
位置1(0m，40m，0m)：
Figure BDA0003023506560000061
位置2
Figure BDA0003023506560000062
Figure BDA0003023506560000063
以上计算结果表明两位置虽然距离管道爆炸中心长度相等，但因所处方位不同，对应的冲击波超压不同。
以上两位置对应的实验冲击波超压分别为12kPa和11kPa，本发明计算结果相比实验值偏大，保证了管道物理爆炸后果预测中保守性的要求，相应计算误差分别为16.7％和18.2％，具有较高的准确度。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：假定管道内长度为kD、直径为D的圆柱体的压缩气体提供了物理爆炸形成冲击波的能量，根据下式计算管道物理爆炸能量：
Figure FDA0003505210250000011
其中，D为管道内直径，圆柱体的压缩气体的直径与管道内径相等；p为管道发生物理爆炸时的内部压力，γ为爆炸气体的绝热指数，p0为当地大气压力，k为D的倍数；
S2：管道物理爆炸形成冲击波超压的等值面近似为椭球形，以管道爆炸中心为原点O建立坐标系，定义X轴指向管道轴向，Z轴指向管道爆炸破口气体喷射方向，Y轴与X轴和Z轴垂直；以球坐标
Figure FDA0003505210250000012
表示目标位置，其中，R为目标位置距离原点O的距离，θ为目标位置与原点O的连线与Z轴正方向的夹角，
Figure FDA0003505210250000013
为目标位置与原点的连线在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角；
S3：计算管道物理爆炸前内部压力与大气压力的比值p/p0，以及采用下式计算目标位置距离爆炸中心的无量纲距离
Figure FDA0003505210250000014
Figure FDA0003505210250000015
S4：根据p/p0比值在Baker-Tang压力容器物理爆炸超压-距离关系图中选取相应曲线，再根据无量纲距离
Figure FDA0003505210250000016
读取目标位置对应的理想无量纲超压
Figure FDA0003505210250000017
S5：根据目标方位对理想无量纲超压进行比例缩放，将X轴上的无量纲超压作为基准，定义为
Figure FDA0003505210250000018
定义Y轴上距离爆炸中心O的距离为R的无量纲超压为X轴上的λ1倍，定义Z轴上距离爆炸中心O的距离为R的无量纲超压为X轴上的λ2倍，则其中，根据目标的无量纲距离
Figure FDA0003505210250000019
采用如下公式计算比例系数λ1、λ2：
Figure FDA00035052102500000110
Figure FDA00035052102500000111
则目标
Figure FDA00035052102500000112
处的实际无量纲超压
Figure FDA00035052102500000113
计算为：
Figure FDA0003505210250000021
S6：根据实际无量纲超压
Figure FDA0003505210250000022
计算目标位置的实际冲击波超压Ps：
Figure FDA0003505210250000023
2.根据权利要求1所述的考虑方向性的管道物理爆炸冲击波超压计算方法，其特征在于，所述S1中的k的取值为4.0或8.0。
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