温度载荷与爆炸碎片冲击载荷耦合作用下储罐易损性分析

爆炸碎片和火灾热辐射是导致储罐区多米诺效应事故升级的重要致损因子。在实际爆炸碎片撞击目标储罐的事故场景中,目标储罐不止只受到爆炸碎片的撞击作用,还受到临近火灾的高温载荷作用。为研究目标储罐在高温环境下受到爆炸碎片撞击的易损性规律,本文建立了目标储罐在温度载荷和爆炸碎片冲击载荷耦合作用下的极限状态方程,并采用蒙特卡洛模拟绘制得到目标储罐在不同罐壁温度下受爆炸碎片撞击的易损性曲线,分析爆炸碎片质量、撞击速度、撞击角度对不同罐壁温度下目标储罐易损性的影响规律。结果表明：爆炸碎片质量和爆炸碎片撞击角与目标储罐易损性成负相关,爆炸碎片速度与目标储罐易损性成正相关。当研究变量为爆炸碎片质量时,在20~400℃和400~600℃两个温度范围内,罐壁温度每上升100℃目标储罐最大破坏失效概率平均增加值分别为3.7%、6.7%。当研究变量为爆炸碎片速度时,在20~600℃的温度范围内,罐壁温度每上升100℃目标储罐最大破坏失效概率平均增加值为3.9%。当研究变量为爆炸碎片撞击角时,在20~600℃的温度范围内,罐壁温度每上升100℃目标储罐最大破坏失效概率平均增加值从0.675%一直增大到7.01%。研究对评估实际事故中爆炸碎片对储罐的损伤及防控爆炸碎片引发的多米诺效应事故具有重要意义。     

两池火耦合作用下柴油拱顶罐热响应的数值模拟

化工园区多池火事故是典型的高后果低概率事件。鉴于目前两池火辐射模型存在一定局限性,本文采用数值模拟方法,以3个直线排布的5000m³柴油拱顶罐为研究场景,从热释放速率、火焰形态、热辐射强度三方面分析两池火燃烧特性,并与单池火场景对比,考虑储罐间距这一影响因素,进一步研究目标储罐热响应。结果表明：采用GB 50160—2008（2018年版）规定的防火间距,两燃烧罐产生的池火会发生耦合作用,并得出目标储罐受到的热辐射强度分布,最高热辐射达17.04kW/m²;两池火作用下目标储罐的温度、Mises应力与失效时间分别为644℃、356MPa、936s,单池火为488℃、280MPa、2880s,目标储罐在两池火作用下的变形也比单池火更为严重;随着储罐间距增加,目标储罐的温度与Mises应力逐渐减小,失效时间逐渐增加,当储罐间距为标准防火间距的2.5倍（20m）时,失效时间为2800s,与单池火作用产生的失效时间2880s较为接近。本研究可为优化储罐防火间距及区域韧性提升提供理论指导。     

化工园区目标储罐受撞击荷载的易损性分析

化工园区或厂区内,立式储罐撞击荷载的易损性能够反映其抵抗爆炸碎片撞击破坏的能力。本文将立式储罐在爆炸碎片撞击下的破坏失效问题界定为目标储罐撞击荷载的易损性问题,分析得到爆炸碎片随机参数分布。基于最大塑性应变准则构建了目标储罐在爆炸碎片撞击作用下的破裂失效极限状态方程并验证了方程的准确性。应用蒙特卡罗模拟绘制目标储罐在爆炸碎片撞击下的易损性曲线,得出碎片的撞击速度是影响储罐动力学响应的主要因素,撞击角在10°~40°时,角度变化会显著影响爆炸碎片的破坏能力。通过随机参数敏感性分析得出,储罐材料密度、撞击速度与目标储罐破裂失效概率正相关,储罐材料屈服强度、壁厚、碎片质量、撞击角与目标储罐破裂失效概率负相关;在设计制造大型立式储罐时,为了降低撞击荷载易损性,可以选用低密度、高强度级别的钢材,在满足储存工艺要求、施工能力与经济预算的前提下,选用厚度较大的圈板作为罐壁等。     

美欧标准对大型储罐抗震计算的对比研究

对API650和EN1998-4规范中大型储罐的抗震计算部分进行了对比研究,总结了其在罐壁纵向压缩力、抗倾覆、晃动波高及环向应力计算等方面的异同。通过对比分析可知EN1998-4规范中对地震工况下液体产生的环向应力计算过程较为详细,但未给出地震作用下罐壁的最大轴向压缩应力的计算;API650附录E在计算液体产生的环向应力时,主要考虑了冲击和晃动液体的影响,没有考虑罐壁"刚性模式"和"径向呼吸"对环向应力的影响;以工程实际中的储罐为例进行了计算,计算成果可为设计人员提供一定的参考。     

油罐火灾中对邻近储罐的冷却及防护

随着石油化工生产的快速发展和石化产品需求的不断扩大,对石油生产储备规模的要求越来越大,油品储罐也相应地向大或超大容量发展。若油品储罐一旦发生火灾,燃烧持续时间长,且易导致爆炸、沸溢、罐体破损等重大事故;一般情况下,在扑救储罐火灾时对邻近储罐的冷却只考虑将冷却水要喷射到罐壁上沿或顶部,使水从上往下流,起到全面冷却罐壁的作用,未对着火罐和邻近储罐罐口的热辐射进行隔离、防护。本文通过对热辐射性质的分析,指出着火罐火焰对邻近储罐罐口由内向外造成的影响;并结合实际,提出了解决问题的措施及解决的思路。     

立式储罐结构超压失效分析

建立了储罐有限元分析模型,研究了储罐内部超压对罐底板变形的影响,同时分析了储罐超压对含缺陷角焊缝的裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明,储罐超压会导致罐底板发生提离变形,并且会导致含缺陷角焊缝的裂纹尖端应力强度因子增大,增加角焊缝结构失效的可能性。     

圆柱形薄壁储罐对爆炸冲击波动力学响应的模拟分析

针对圆柱形薄壁储罐在爆炸冲击波载荷作用下的动力学响应进行了模拟分析。采用LS-DYNA软件模拟计算了50 m³液化石油气储罐爆炸后冲击波云图以及空间点冲击波超压随时间的变化关系,并将计算结果加载到圆柱形薄壁储罐上。模拟计算结果表明,对于距离爆炸中心50 m处的圆柱形薄壁储罐,面向冲击载荷的底面在冲击波超压峰值还没有来临时就已经屈服,而背向冲击载荷的顶面在0.112 ms时,等效应力达到屈服界限。而迎向冲击面的顶端结构在峰值载荷冲击后不久出现屈曲,结构在峰值位移10 mm时出现部分卸载,变得不再稳定。因此,当罐区发生爆炸时,圆柱形薄壁储罐极有可能出现结构强度失效和结构失稳,会在冲击波的作用下失效,是不可靠的。     

大型储罐池火特性的模拟研究

为了对大型储罐火灾特性进行全面研究,采用数值模拟的形式研究5 000 m3柴油储罐全表面火灾特性,研究集中在热释放速率、热辐射强度、罐顶温度和火焰温度。模拟结果表明:火灾热释放速率很快达到稳定状态,稳定值在772 MW左右;对于距地面高度小于等于8 m的平面,热辐射强度随着距罐壁距离的增加先逐渐增大,然后减小;对于距地面高度大于等于12 m的平面,热辐射强度随着距罐壁距离的增加而减小;顶部罐壁的温度在3 min之后就达到了最高温度,大约在740℃左右;沿着火焰中心轴线,从下向上,火焰温度先逐渐增加,然后逐渐减小。     

超大型LNG储罐爆炸荷载动力学响应分析

为模拟分析超大型LNG储罐在爆炸冲击作用下的结构力学响应,为超大型储罐抗爆分析提供参考,而进行了爆炸冲击作用下超大型LNG储罐动力学响应研究。基于有限元方法,采用三角冲击爆炸荷载模型,考虑了结构常规荷载情况下,进行了三维有限元数值模拟分析。以某22万方LNG储罐为例进行了爆炸冲击作用动力学计算,得出当爆炸冲击作用下储罐主要部位各时刻结构响应,对比分析了位移和应力响应的滞后性,发现了结构动力学响应沿储罐高度的变化规律。为超大型LNG储罐抗爆设计提供参考。     

大型储罐壁厚计算优化研究

介绍了大型储罐壁厚的应力分析法,采用变点法确定5万、10万和15万m3储罐的罐壁厚度,并采用应力分析法分析储罐罐壁的应力和修改储罐壁厚,确定以变点法为基础,应力曲线校验的罐壁厚度值.     

圆筒形薄壳热屈曲临界温升一般表达式构建

随着航天和深海工程中薄壳结构的广泛应用,圆筒形薄壳结构热屈曲问题越来越引起广泛关注.首先给出了圆筒形金属薄壳热屈曲临界温升的一般计算表达式,然后基于有限元方法建立了该薄壳结构热屈曲分析的数值模型,计算结果验证了热屈曲临界温升计算式的准确性,同时进行了多参数对比分析.构建的两种热屈曲临界温升计算方法,将对今后高温环境下圆筒形薄壳结构的科学设计具有重要参考作用.     

熔融盐斜温层混合蓄热单罐系统及其实验研究

经济型的蓄热系统设计对聚焦式太阳能热发电的市场竞争力影响效果非常明显,一个比较有效的方法就是采用斜温层蓄热。在斜温层蓄热单罐设计理念的基础上,提出了一种熔融盐斜温层混合蓄热单罐系统,该单罐的中段为斜温层显热蓄热,上部为高温壳管式相变换热器,下部为低温壳管式相变换热器。斜温层保障高低温熔融盐液在同一单罐内上下隔开,而高、低温壳管式相变换热器既增加了蓄热容量,又简化了熔融盐液的注入和出料结构。初步实验测定了该混合蓄热单罐系统的有效蓄热量,证实了其斜温层在放热与吸热循环运行中能稳定保持,并表明了该系统具有潜在的应用前景。     

组焊圆柱壳在轴向载荷和局部热载荷共同作用下屈曲数值研究

对大型直立设备安装过程中的现场焊接热处理过程中在轴向载荷和局部热载荷共同作用下的屈曲问题进行数值研究。研究结果表明,在焊后热处理过程中加热部位的边缘附近区域存在很大的温度梯度,导致该部位有很大的热应力。在热处理过程中焊缝部位的热应力很小,与加热部位边缘附近区域相比几乎可以忽略不计。组焊圆柱壳在轴向载荷和局部热载荷共同作用下屈曲最先发生在加热部位的边缘附近区域;热处理过程中加热部位边缘存在的局部热应力是导致组焊圆柱壳发生屈曲的关键因素。最后分析了热处理过程中几个关键参数对组焊圆柱壳,临界屈曲载荷的影响。     

新型太阳能混合蓄热罐的放热特性

针对单罐系统的放热效率普遍较低,在单罐的基础上进行改进,增加一个壳管式相变换热器,构成单罐混合蓄热罐。建立了单罐混合蓄热罐的数值模型,将数值模拟结果与实验结果进行对比,研究了相同情况下混合蓄热罐与常规斜温层蓄热罐在放热特性方面的差异,并探究入口熔融盐速度和石英石颗粒直径的变化对蓄热罐放热特性产生的影响。结果表明,在入口熔融盐速度u_in=2.0×10^-4m/s下,混合蓄热罐的放热性能比常规斜温层蓄热罐更优;随着入口熔盐速度的增加,蓄热罐的总放热时间、有效放热时间以及放热效率均下降,并且混合蓄热罐中不同速度与放热效率有一定的比例关系;相对于常规斜温层蓄热罐,石英石颗粒直径的变化对混合蓄热罐放热性能的影响很小。     

周期性边界条件对浮顶储罐原油传热过程的影响规律

随着石油储备需求的增加,油罐规模正向大型化以及能适应极限工况的方向发展。准确掌握罐内油品温度场的变化规律,对于保障油库安全经济运行具有重要意义。针对太阳辐射、大气温度等储罐环境的周期性变化条件,运用传热学相关理论,建立了大型双盘浮顶储罐非稳态传热过程的理论模型,通过对模型区域进行离散化得到边界节点的向前差分方程,在确定罐内原油物性参数、储罐传热系数以及边界热通量的基础上,研究得出储罐原油温度场的数值模拟方法。对大庆某10×10⁴ m³浮顶储罐的应用分析表明,罐顶温降速率随着太阳辐射强度以及大气温度的降低而增大;罐壁温降速率受太阳辐射影响较小,随大气温度的降低而增大;罐底近似于绝热,温降速率受外界环境影响较小,研究结果可为优化大型浮顶罐的储存工艺设计及生产管理提供一定的理论支持。     

INTERNAL WALL COOLING IN PRESSURE VESSELS EXPOSED TO EXTERNAL FIRE IMPINGEMENT

In many applications there is a requirement to retard accidental heating of pressure vessel shells so that loss of pressure carrying capacity due to increasing shell temperature does not occur. For example, hazardous commodity transport and storage vessels are usually thermally insulated so that in the event of accidental fire the shell is not exposed to the full heating effects of the fire. The present paper deals with a concept device that cools the walls of tanks carrying pressurized liquids by directing 2-phase fluid along the inner surface of the tank when the tank pressure relief valve is in action.

Preliminary experimental results are presented for the case of a short cylindrical tank with the cooling device installed. From the limited tests conducted it was shown that the device cools areas of the tank wall that would normally have been exposed to the full heating effects of the fire.

Based on observations from the tests a simple model was formulated and integrated with an existing tank-in-fire computer model. Simulation results indicate that internal wall cooling could be effective at reducing the risk of thermal ruptures of tanks. The simulation results for internally cooled tanks are compared with simulations and experimental data for an uninsulated tank filled with propane exposed to engulfing fires     

碳/碳化硅复合材料刹车盘/片热应力场分析

采用有限元方法分析二维正交碳纤维增强碳化硅(C/SiC)复合材料制成的汽车刹车盘/片在刹车过程中引起的非线性热力耦合行为,主要研究在强制对流和热辐射作用下刹车结构的温度变化,讨论不同材料属性对刹车温度场的影响以及在温度场和膨胀系数耦合下C/SiC刹车盘/片中热应力和形变情况。数值结果表明:在双重散热条件下需要更多时间用于降温,而垂直于刹车面的热导率分量对温度传导或者降温影响较大;对于C/SiC刹车盘/片每一次刹车行为等效于一次热应力的加载和卸载,而每次产生的热应力可能突破C/SiC的极限弹性强度引起的残余塑性形变,而这种不断累积的残余效果继而引起C/SiC刹车盘/片失效。     

高参数减压阀含多孔板热应力的数值分析

多孔板是高参数减压阀中的重要节流元件。过热蒸汽通过多孔板时，会形成温度差，进而产生热应力。热应力较大时多孔板表面会生成裂纹，有失效可能。本文利用计算流体力学软件分析高参数减压阀内部流场，继而运用热流固多物理场耦合方法，研究了多级高参数减压阀中焊接孔板上热应力的分布，进而对多孔板进行参数优化以避免失效。重点考察了结构形式、推进距离和减压比对多孔板热-机械应力分布的影响。结果表明，相较于端部式孔板和封头式孔板，内部式孔板可显著减少能量消耗，并获取更小的热-机械应力。节流孔板避免失效的较优使用条件是选择内部孔板、表面推进2mm且压力比设为1.014。此研究具有科学性并可以指导节流孔板在减压阀等过程装置中的安全设计。