基于多相耦合的双钢壁LNG储罐抗爆性能分析

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LNG储罐储存的液体具有易燃烧、易爆炸和易扩散等特点,发生泄漏后遇到意外点火源会导致燃烧爆炸,不但会对环境造成严重影响,甚至可能引起火灾、爆炸等危害人们生命安全的重大事故,带来巨大的损失。由此可见,罐区一旦发生爆炸,损失极为严重。为了减小爆炸事故造成的伤害,需要对外爆载荷作用下双钢壁LNG储罐的破坏问题进行研究。因此本文将以有限元分析为基础,对基于多相耦合的双钢壁LNG储罐进行抗爆性能分析。具体开展的研究工作如下:(1)根据LNG储罐的低压输送管道泄漏出天然气泄漏量的多少,通过TNT当量法即可求得本文需要的泄漏可燃气云当量。详细叙述了双钢壁LNG储罐外爆载荷传递的多相耦合方法,并且为了验证本文建立的双层储罐的外爆载荷多相耦合计算方法的准确性,与文献中的实验进行数值模拟对比验证。同时考虑了保冷材料完整和破碎失效两种状态时的爆炸冲击波传递,分别从储罐材料的弹塑性应力分析以及应变率失效破坏两方面内容详细描述了储罐外爆强度与破坏失效评定方法。(2)考虑外罐、保冷材料与内罐之间的载荷传递作用和罐内流体对外爆载荷的作用,建立了一个探究保冷材料不同状态时的空气-储罐结构-罐内流体多相耦合有限元模型,通过有限元计算方法得到了爆炸冲击波在不同介质中的传播规律以及内、外罐的固有频率、应力和变形等响应情况。结果表明爆炸冲击波到达外罐和内罐时发生反射,使反射区域中的压力比该处自由空气中的爆炸压力大3倍左右;完整状态的保冷材料对爆炸冲击波形成了极大的阻力,保冷材料从完整至完全破碎过程中,爆炸反射压力逐渐降低,外罐和内罐变形增大甚至会发生破坏。将外罐和内罐液体晃动模态分析的结果分别与理论计算结果进行了对比分析,通过经典Rayleigh阻尼计算公式分别得到外罐和内罐(半罐工况下)的质量矩阵系数α和刚度矩阵系数β。(3)对比分析了不同泄漏可燃气云当量、不同起爆位置对外爆载荷的结构响应与破坏影响,结果表明泄漏可燃气云当量越大,内、外罐越容易发生破坏,并且一旦外罐发生破坏,内罐会更容易发生破坏。罐顶起爆位置工况下内、外罐在罐顶处容易发生破坏,罐壁中心起爆位置工况下内、外罐在罐壁中心处容易发生破坏,锚带起爆位置工况下内、外罐在罐壁底部处容易发生破坏,甚至出现锚带的破坏。(4)对比分析了不同运行状态、不同罐体结构对外爆载荷的结构响应与破坏影响,结果表明半罐工况下内、外罐破坏区域呈现出一侧大一侧小,空罐工况下内、外罐破坏区域呈现出分布对称,而满罐工况下内、外罐未发生破坏。空罐工况下内、外罐的破坏与变形区域都比半罐工况下内、外罐的破坏与变形区域大。30000m~3容积工况下内、外罐比100000m~3容积工况下内、外罐更容易破坏,30000m~3容积工况下内、外罐的破坏与变形区域都比100000m~3容积工况下内、外罐的破坏与变形区域大。本文通过对不同工况下双钢壁LNG储罐结构在外爆载荷下的结构响应和破坏影响因素进行计算分析,从而为提高储罐抗爆安全性能提供参考,尽量避免事故发生以及减小事故造成的损失。
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