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化工储罐爆炸碎片引发多米诺效应的概率模型研究

陈刚  
【摘要】:化工储罐爆炸时的冲击波、热辐射和碎片是造成多米诺效应三大原因,其中碎片抛射距离和抛射方位具有很大的随机性,引发的多米诺效应事故往往造成非常严重的后果,1984年墨西哥城发生由液化石油气槽车爆炸碎片引发连锁爆炸事故,烧毁建筑面积27公顷,造成544人死亡,1800多人受伤,120万人疏散,因此对爆炸碎片引发多米诺效应进行研究既是非常困难的又是非常必要的。 击中概率模型作为多米诺效应研究的基础,国内外研究学者进行了大量研究,然而已有研究中击中概率模型都忽略了爆炸储罐的实际尺寸,即假定碎片初始抛射高度和抛射水平位移为零。本文在考虑爆炸储罐实际尺寸的基础上,推导出新的爆炸碎片抛射方程,建立了新的爆炸碎片击中概率模型,并应用蒙特卡罗法,计算了考虑爆炸球罐尺寸时抛射碎片对相邻罐体的击中概率。与忽略爆炸球罐尺寸的模型对比表明,击中概率整体偏高。在爆炸球罐自身直径的7倍距离范围内,爆炸球罐本身的尺寸对击中概率的影响可超过10%,不能被忽略。 破坏概率模型是多米诺效应研究的重点也是难点,Nguyen引入临界残余壁厚的概念,认为撞击后残余壁厚小于临界值时就会导致破坏事故,然而临界残余壁厚的求取涉及复杂的局部应力分析,随着目标储罐材料、目标储罐厚度等因素的变化而变化,求解极其困难。本文借鉴API 579和李思源基于储罐壳体损失面积进行安全性评价的思路,引入了临界剩余强度系数,规避掉了临界残余壁厚的求取,并以安全性为原则把爆炸碎片与目标储罐发生撞击后形成凹坑的复杂形状简化为圆锥形,推导出了分别针对圆柱储罐、球罐推导圆锥形凹坑剩余强度系数的求解方法,并根据塑性失效理论来确定临界剩余强度系数;随后根据塑性失效理论,由此建立一种新的破坏准则,并采用蒙特卡罗法进行模拟,建立了新的爆炸碎片对目标储罐的破坏概率模型,与Nguyen模型相比,得出的破坏概率偏大,结果更为安全保守。 以本文建立的击中和破坏概率模型为基础,本文首先建立了单次多米诺效应的概率模型,并发现初始垂直抛射角、充装系数和目标储罐容积对单次多米诺效应具有较大影响;最终以单次多米诺效应为基础,建立了多次多米诺效应概率模型。 准确、快速地计算化工储罐爆炸碎片对目标储罐的击中概率、破坏概率,进而求取多米诺效应发生的概率对工程中爆炸碎片的危险性评价是非常重要的,最终本文充分利用已有研究中的大量数据,求取了球罐爆炸碎片对50~10000m~3常用化工球罐爆炸碎片的击中概率,对大量击中概率数据进行拟合得出适用工程应用的经验公式。


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