發(fā)布時(shí)間：2020-08-25 16:21

【摘要】：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源結(jié)構(gòu)的改革以及低溫技術(shù)的普及,低溫液化氣體,特別是液氫(LH2)等能源氣體,在我國(guó)的現(xiàn)代化進(jìn)程中開(kāi)始扮演越來(lái)越重要的角色。低溫液化氣體儲(chǔ)罐(簡(jiǎn)稱“低溫儲(chǔ)罐”)作為低溫液化氣體的主要儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備,在能源、化工、石油、醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。低溫液化氣體的充注過(guò)程作為低溫儲(chǔ)罐工業(yè)使用中的重要環(huán)節(jié),其充注方式直接關(guān)系到充注過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性以及低溫儲(chǔ)罐的安全性兩方面問(wèn)題。不規(guī)范的充注操作會(huì)導(dǎo)致低溫儲(chǔ)罐在低溫液化氣體的充注過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的降溫速率和過(guò)高的溫度梯度,從而在儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力,并有可能對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)造成損傷或者破壞。然而目前關(guān)于立式低溫儲(chǔ)罐的充注過(guò)程研究很少,且研究的重點(diǎn)集中在通過(guò)理論方法或者數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)溫度、壓力分布進(jìn)行研究,而未進(jìn)一步研究充注過(guò)程對(duì)儲(chǔ)罐罐壁的溫度和熱應(yīng)力變化規(guī)律的影響�？紤]到立式低溫儲(chǔ)罐體積較大,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究存在著諸多困難,所以本文采用熱固耦合數(shù)值模擬方法來(lái)研究低溫液化氣體的充注質(zhì)量流量、儲(chǔ)罐體積、長(zhǎng)徑比等不同參數(shù)對(duì)低溫儲(chǔ)罐溫度和熱應(yīng)力的瞬態(tài)特性的影響,具體工作如下:(1)建立了能夠模擬立式低溫儲(chǔ)罐充注過(guò)程的CFD數(shù)值模型,并通過(guò)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證CFD模型的合理性。結(jié)果表明:T3(下封頭直邊段附近溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn))、T9(筒體中心位置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn))、T15(上封頭處溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn))三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的罐壁溫度平均相對(duì)誤差為8.63%,最大相對(duì)誤差為14.14%,滿足工程精度要求。在CFD模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)ANSYS建立了單向熱固耦合數(shù)值模型。(2)通過(guò)CFD模型研究LH2充注過(guò)程中低溫儲(chǔ)罐的溫降特性,發(fā)現(xiàn)50 m3低溫儲(chǔ)罐(儲(chǔ)罐直徑為3200mm,工作壓力為0.7MPa,充注質(zhì)量流量為8kg·s-1)內(nèi)部空間平均溫度會(huì)在充注開(kāi)始8 s內(nèi)從常溫295K快速降至低溫40K。通過(guò)沿儲(chǔ)罐軸向布置的多個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn):儲(chǔ)罐罐壁的溫降速率沿軸向從下往上逐漸降低。(3)根據(jù)所建立的50m3LH2低溫儲(chǔ)罐(儲(chǔ)罐直徑為3200mm,工作壓力為0.7 MPa)CFD和ANSYS數(shù)值模型,研究充注質(zhì)量流量對(duì)儲(chǔ)罐罐壁的溫降特性和熱應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)充注質(zhì)量流量越大,同一位置處的儲(chǔ)罐罐壁溫降速率越快,低溫儲(chǔ)罐所受的最大瞬態(tài)熱應(yīng)力也越大,熱應(yīng)力隨時(shí)間的降低速率也越快。在自由約束條件下,當(dāng)充注質(zhì)量流量為10kg·s-1時(shí),儲(chǔ)罐會(huì)在充注剛開(kāi)始階段出現(xiàn)熱應(yīng)力峰值,達(dá)到243.45 MPa。(4)首次研究探討了儲(chǔ)罐體積、長(zhǎng)徑比對(duì)儲(chǔ)罐溫降特性和熱應(yīng)力分布的影響,發(fā)現(xiàn)雖然充注參數(shù)有所不同,但是儲(chǔ)罐沿軸向具有相似的溫降特性,并且儲(chǔ)罐罐壁相同位置處的溫降速率以及罐壁的最大瞬態(tài)熱應(yīng)力都與儲(chǔ)罐體積、長(zhǎng)徑比成正比。因此對(duì)于大體積或者大長(zhǎng)徑比的低溫儲(chǔ)罐,建議降低充注質(zhì)量流量。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TE972
【圖文】：

需求日益增多，采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的奧氏體不銹鋼低溫儲(chǔ)罐在低溫液化氣體的儲(chǔ)逡逑運(yùn)方面扮演著越來(lái)越重要的角色。低溫儲(chǔ)罐多采用立式圓筒結(jié)構(gòu)，通常是由外容逡逑器、內(nèi)容器、絕熱層、支承構(gòu)件、附屬管路等組成，如圖１．１所示。外容器提供逡逑與外部構(gòu)件的支撐，并與內(nèi)容器共同形成絕熱層空間，一般采用碳鋼或低合金鋼逡逑制造；絕熱層的絕熱性能直接影響深冷容器的保冷效果；內(nèi)容器用以儲(chǔ)存低溫液逡逑化氣體并承受工作壓力，大多采用低溫性能優(yōu)良的奧氏體不銹鋼制造；支承構(gòu)件逡逑需確保內(nèi)容器懸掛于外容器中，保持絕熱層空間的幾何尺寸，并要求盡可能減小逡逑漏熱。逡逑Nｚ邋■邐．邐■逡逑圖１．１立式低溫液化氣體儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖逡逑注：１—外容器；２邋—內(nèi)容器；３—支承結(jié)構(gòu)；４—絕熱層；５邋—管道系統(tǒng)；６—支座逡逑３逡逑

１．１．２．２低溫儲(chǔ)罐充注流程逡逑低溫儲(chǔ)罐的充注流程總共可以分成３步走，即儲(chǔ)罐的吹掃、儲(chǔ)罐的預(yù)冷、儲(chǔ)逡逑罐的充注。如圖１．２所示，即為低溫儲(chǔ)罐管路布置簡(jiǎn)圖。在儲(chǔ)罐的首次使用前需逡逑要用干燥氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，在吹掃的過(guò)程中，使液位計(jì)兩端的接頭保持在松弛的狀逡逑態(tài)；同時(shí)完全打開(kāi)液位顯示液相閥和液位顯示氣相閥，以方便檢查排放的氣流中逡逑是否含有水分；當(dāng)發(fā)現(xiàn)排放氣體中無(wú)水分時(shí)，關(guān)閉液位計(jì)兩端的接頭和平衡閥，逡逑停止氣體排放過(guò)程。在儲(chǔ)罐的吹掃工作完成后，在首次充注低溫液化氣體前，需逡逑要對(duì)低溫儲(chǔ)罐進(jìn)行預(yù)冷。在預(yù)冷的過(guò)程中，預(yù)冷介質(zhì)主要沿頂部進(jìn)液閥（ｃ管口）逡逑從儲(chǔ)罐的上部緩慢注入儲(chǔ)罐內(nèi)。一般情況下，預(yù)冷量應(yīng)控制在儲(chǔ)罐容積的１０％以逡逑內(nèi)。在低溫液化氣體的充注過(guò)程中，目前常用的充注方法是通過(guò)儲(chǔ)罐底部的進(jìn)液逡逑閥（ｂ管口）進(jìn)行低溫液化氣體的充注

裂、泄漏或者過(guò)度變形【１２］。根據(jù)不同的失效機(jī)理，可以把低溫儲(chǔ)罐的失效分為兩逡逑種，即退化型失效和突發(fā)型失效；根據(jù)失效原因，大致可以分為失穩(wěn)失效、泄漏逡逑失效、剛度失效以及強(qiáng)度失效等［１２］。圖１．３、圖１．４為低溫儲(chǔ)罐在使用過(guò)程中出逡逑現(xiàn)開(kāi)裂而引起低溫儲(chǔ)罐失效的現(xiàn)場(chǎng)圖［１３］。逡逑，邋，：邋邐邐逡逑■邋0邋１邋＇逡逑Ｌ魏．通Ｉ逡逑圖１．３低溫儲(chǔ)罐失效網(wǎng)邐圖Ｌ４邋１５７．９邋ｍ３低溫儲(chǔ)罐開(kāi)裂失效Ｍｌ逡逑低溫儲(chǔ)罐在使用過(guò)程中出現(xiàn)失效很可能與不合理的充注過(guò)程有關(guān)，一方面據(jù)逡逑有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，約有７５％的低溫儲(chǔ)罐事故是發(fā)生在預(yù)冷和裝料的過(guò)程中［１５］。另一逡逑方面，通過(guò)對(duì)低溫儲(chǔ)罐實(shí)際充注過(guò)程的調(diào)研，可以發(fā)現(xiàn)在低溫液化氣體從低溫儲(chǔ)逡逑罐的底部注入低溫儲(chǔ)罐的充注過(guò)程中，操作人員只能定性的控制低溫液化氣體的逡逑充注速度；同時(shí)在沒(méi)有監(jiān)測(cè)的情況下，也可能出現(xiàn)充注前低溫儲(chǔ)罐預(yù)冷不足或者逡逑未進(jìn)行預(yù)冷的情況，而這些因素可能會(huì)導(dǎo)致充注過(guò)程中低溫儲(chǔ)罐材料因?yàn)榻禍靥义峡旎蛘邷囟确植疾痪惺苓^(guò)大的熱應(yīng)力

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李均方;李嬌琳;張瑞春;唐君其;王禮翔;;液氮+LNG預(yù)冷在大型常壓LNG儲(chǔ)罐的應(yīng)用[J];石油與天然氣化工;2015年06期

2 曹學(xué)文;徐艷華;彭文山;;大型LNG儲(chǔ)罐預(yù)冷模型及預(yù)冷參數(shù)計(jì)算[J];低溫與超導(dǎo);2015年11期

3 黃兵;黃輝;田玉蓉;陳士強(qiáng);;低溫液體運(yùn)載火箭推進(jìn)劑加注過(guò)程分析[J];低溫工程;2015年04期

4 匡以武;

本文編號(hào)：2803917