火灾环境下液化气储罐的破裂机制与BLEVE爆炸预测研究

本研究针对液化气储罐在火灾中易发生的沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE）事故，通过实验与模拟方法揭示了水平与球形储罐的破裂机制。研究发现，储罐填充率越高，破裂时内部压力越大；球形储罐高温区材料损伤累积导致上下分裂。基于材料损伤与蒸汽能量参数，提出了BLEVE爆炸预测方法，为化工储罐火灾防控与应急规划提供重要理论支撑。

　　

在化工储罐火灾事故中，沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, BLEVE）因其破坏力巨大被称为工业领域最严重的事故之一。当承受高压的液化气储罐在火灾中结构失效时，内部液体瞬间汽化释放能量，形成毁灭性爆炸。然而，储罐破裂机制受火焰条件、结构类型和介质填充率等多因素耦合影响，传统实验因环境干扰难以复现规律。更棘手的是，球形与水平储罐的损伤累积差异、材料热力学响应与内部介质行为的关联机制尚未明晰，导致BLEVE预测精度不足。

为攻克这些难题，大连理工大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表了突破性研究。他们搭建真实火灾实验平台，以水为介质模拟液化石油气（LPG）储罐，结合热固耦合仿真模型，首次系统对比了水平与球形储罐的破裂行为。关键技术包括：动态温度区间微分法计算材料损伤、应力更新算法量化累积损伤、基于蒸汽能量与损伤参数的BLEVE预测模型构建。实验样本采用不同填充率（20%-85%）的测试储罐，通过火焰包覆加热模拟真实火灾场景。

实验设置与现象观察
研究发现火焰包覆区域顶部壁温最高，且高填充率储罐破裂延迟。当填充率达85%时，储罐在更高内压（约1.8倍低填充率工况）下才发生破裂。球形储罐的失效模式尤为特殊——高温区材料损伤持续累积最终导致罐体沿赤道面分裂为上下两部分，而水平储罐多呈现局部裂口。

储罐破裂仿真分析
通过将动态热过程分解为恒温区间，团队量化了不同位置的损伤演变。模拟显示：气相区壁面损伤速率是液相区的3.2倍，且焊接支撑处应力集中加速损伤。当材料损伤累积量超过临界阈值（约0.38）时，裂纹扩展速度呈指数级增长。

储罐整体破裂预测方法
基于12组实验数据建立的预测模型表明，BLEVE触发需同时满足两个条件：气相区材料损伤量≥0.35且蒸汽膨胀能＞临界值（与储罐容积正相关）。该模型对球形储罐的预测准确率达92%，显著优于传统单一压力判据方法。

这项研究的意义在于首次揭示了材料损伤累积与储罐几何形态对BLEVE的协同影响机制。提出的预测方法可嵌入化工园区智能监控系统，为火灾应急响应争取关键时间窗。特别是球形储罐上下分裂的新发现，修正了以往仅关注局部破裂的认知偏差，对安全间距设定具有指导价值。团队指出，未来需进一步研究多罐联动爆炸场景下损伤传播规律，以完善集群储罐的风险防控体系。