【摘要】：隨著國家能源發(fā)展戰(zhàn)略對清潔、高效、安全、可持續(xù)現(xiàn)代能源體系的構(gòu)建,清潔燃料如天然氣、石油氣、氫氣等在能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化中占據(jù)的地位變得愈加重要。而氣體燃料由于往往采用加壓或低溫方式進(jìn)行液化儲存,因此具有明顯的降壓敏感和熱敏感特性,一旦其儲存設(shè)備破裂,將迅速沸騰噴射,引發(fā)蒸汽爆炸、火球甚至罐區(qū)的連環(huán)爆炸事故。液化氣體儲罐破裂事故受到國內(nèi)外學(xué)者的廣發(fā)關(guān)注,已開展的研究工作獲得了儲罐破裂事故的宏觀規(guī)律,關(guān)于高溫下固體材料應(yīng)力響應(yīng)和罐內(nèi)介質(zhì)能量積累影響下的儲罐破裂過程裂紋擴(kuò)展行為的認(rèn)識仍不夠充分。本文從該過程涉及到的罐體金屬材料性能高溫退化及在非均勻壁溫分布下的應(yīng)力響應(yīng)等問題入手,對儲罐在高溫和高壓作用下的開裂行為進(jìn)行研究,主要工作和結(jié)論如下:(1)基于工程分析軟件FLUENT和ABAQUS建立了描述液化氣體儲罐熱響應(yīng)和固體力學(xué)響應(yīng)過程的計算模型,熱響應(yīng)模型包括儲罐壁面固體內(nèi)部傳熱、儲罐壁面與罐內(nèi)介質(zhì)之間傳熱以及罐內(nèi)介質(zhì)之間的相變傳質(zhì)等問題的求解;固體力學(xué)響應(yīng)模型包括高溫高壓下儲罐的應(yīng)力響應(yīng)以及裂紋擴(kuò)展過程的求解。(2)通過對儲罐受熱過程的流體力學(xué)模擬,研究了火災(zāi)環(huán)境下儲罐內(nèi)丙烷介質(zhì)和儲罐壁面的熱響應(yīng)行為,獲得了火災(zāi)影響下罐內(nèi)壓力的上升規(guī)律,揭示了儲罐內(nèi)介質(zhì)和儲罐壁面溫度的不均勻分布特征。結(jié)果表明:儲罐單側(cè)受熱條件下,罐內(nèi)液相介質(zhì)能形成較強的自然對流,溫度分層不明顯;氣相壁面溫度遠(yuǎn)高于液相壁面,受此影響氣相空間形成明顯溫度分層,最高壁溫出現(xiàn)在儲罐頂部且分布不均;不受火焰加熱的氣相區(qū)域儲罐壁溫與液相壁溫相近。(3)應(yīng)用擴(kuò)展有限元方法對固體壁面的開裂行為進(jìn)行了力學(xué)仿真,通過對裂尖應(yīng)力場和塑性變形場的分析,揭示了不均勻壁溫條件下初始裂紋的擴(kuò)展行為特征,結(jié)合儲罐的熱響應(yīng)結(jié)果,論證了Birk 04-6實驗局部開裂和04-1實驗整體開裂的原因,三維儲罐裂紋的擴(kuò)展過程數(shù)值模擬結(jié)果與Birk實驗最終裂紋形態(tài)吻合較好。結(jié)果表明,裂紋擴(kuò)展受儲罐頂部壁面溫度分布影響較大:在04-6實驗中由于頂部壁溫峰值較高,導(dǎo)致儲罐在較低壓力下產(chǎn)生初始裂紋,而由于頂部壁溫沿軸向差異較大導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展受限,僅形成局部裂口;04-1實驗受風(fēng)力影響頂部壁溫相對較低,因此安全閥先開啟,而隨著介質(zhì)的不斷噴射損失,氣相壁溫整體升高,最終在形成裂口后迅速擴(kuò)展直至整體開裂。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TE65;TQ053.2

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本文編號：2786188