乌海事故后果如何评估：储罐灾难性失效事故的数值模拟事故的后果分析

视频1 内蒙古乌海液氮储罐灾难性失效

这起事故再次引起人们对危险液体储罐灾难性失效以及围堰对此类事故的防护作用的关注。随着工业的发展，储存危险液体的储罐越来越大型化，例如江苏南通建成的两座LNG储罐，容量已高达20万立方米。因此通常建议大型储罐的周围建造围堰，以防止储罐失效时液体大规模泄漏，尤其是储罐灾难性泄漏（即储罐瞬间完全坍塌）。储罐灾难性失效造成的后果非常严重，通常也伴随着火灾爆炸等事故。围堰也被证明是有效减少液体汽化、阻止液体和火灾大规模扩散的重要装置。1944年，美国克利夫兰市发生一起LNG储罐失效导致的液体泄漏事故，由于当时储罐周围未设置堤堰，LNG液体和蒸气在城市内迅速扩散，并由此引发了火灾及爆炸事故，造成130多人丧生和大量财产损失。此事故引起人们对围堰的高度重视，并促进了相关规范的制定。现有的规范通常建议围堰能承受储罐灾难性失效时液体的冲击时，其容积不小于储罐最大液体体积的110%。但标准并未对围堰的设计参数给出详细的建议，例如围堰的高度、半径和倾角等。事故证明现有设计下的围堰并不能有效承载储罐灾难性失效事故下的液体，可能会造成超过50%的原有液体发生溢流 (Luan et al., 2020; Zhang et al., 2017)。2005年，英国的Buncefield的油罐发生了灾难性泄漏，储罐周围的围堰并未能有效防控液体泄漏的危害，液体汽化形成蒸气云进而发生了爆炸事故，最终造成了43人受伤和大量财产损失。因此，应对堤堰防控储罐灾难性失效液体泄漏危害的物理机制进一步研究，以确保围堰设计满足实际工程的安全需求。

图1 事故后场景图

一些学者已针对储罐灾难性失效事故开展了一些研究，主要利用溢流率（溢流液体的质量占原有液体质量的百分比）来衡量现有围堰设计的有效性。计算流体动力学（CFD）模型是有效模拟储罐灾难性失效场景的方法，可用于研究围堰与泄漏液体间相互作用的物理机制。现有的CFD模型主要有两种: 第一种是基于简化Navier-Stokes (N-S)方程建立的LSMS和SPOLT模型，另一种是基于瞬态N-S方程建立的模型。简化的N-S模型是基于无粘流，且在忽略垂直加速度的情况下才是准确的。因此Liu (2017)和Ramajo (2018)建立了基于瞬态N-S方程的模型，Liu (2017)发展了基于Standard k-ε的三维轴对称模型并利用Atherton’s (2005)的实验数据进行验证，其模拟结果也证明了基于瞬态N-S的模型略好于基于简化N-S的模型。Ramajo (2018)同样发展了三维模型研究储罐失效模式，其中包括储罐灾难性失效。其模型在计算不同失效模式的溢流率时发现，泄漏孔为底部垂直矩形时液体的溢流率要高于泄漏孔为底部水平矩形的溢流率。而Liu (2017)建立的模型则得出了相反的结论。因此，需要发展更为可靠的CFD模型并对模型进行系统性的验证，对液体动态行为规律进行分析，以此为围堰的设计提供科学指导，进而降低大型危险液体储罐安全管理的风险。

参考文献

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Ramajo,D.E.,Corzo,S.F.,Damian,S.M.,Gimenez,J.M.,Nigro,N.M.,2018.Numerical investigation of bundovertopping understorage tank failure events.J.LossPrev.ProcessInd.52,113124.https://doi.org/10.1016/j.jlp.2018.01.006
Thyer,A.M.,Hirst,I.L.,Jagger,S.F.,2002.Bundovertopping- the consequence of catastrophic tank failure.J.Loss Prev.Process Ind.15,357 — 363. https://doi.org/10.1016/S0950-4230(02)00023-2
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Zhang,B.,Liu,Y.,Zhu,W.,Gopalaswami,N.,Mannan,M.S.,2017.Experimental Study of Bund Overtopping Caused by a CatastrophicFailure of Tanks.Ind.Eng.Chem.Res.56,1222712235.https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b02931

作者：霍家莉

编辑：宋浩楠

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