爆炸碎片撞击储罐的动力学响应特性数值模拟

发布时间：2020-08-08 00:04

【摘要】：随着我国经济社会的快速发展,安全与环境要求的日益严格,化工园区已然成为化学工业发展的主流模式,它在带来巨大经济效益的同时,也带来了较高的安全风险问题。由于化工园区设备布置相对集中,一旦发生设备的爆炸,产生的爆炸碎片往往成为化工园区引发多米诺爆炸事故的重要原因。多米诺事故是源目标发生破坏失效时产生的热辐射、冲击波与碎片等危害因素而影响临近装置的现象。一旦引发临近装置的失效破坏造成区域内的连锁反应,其造成的破坏规模和经济损失将远超单个源目标失效破坏所造成的损失。因此,对储罐设备在受到爆炸碎片撞击时的动力学响应特性开展系统的研究,为其失效与风险评估提供理论基础,具有重要的工程意义和理论价值。本文主要应用数值模拟方法研究了工程上常用的球罐结构与立式储罐封头结构在碎片撞击下的动力学响应特性。论文首先对球罐结构在爆炸碎片撞击下的动力学过程进行了数值模拟研究,得到了球罐结构在碎片撞击下的撞击变形过程与规律(未穿透状态)。通过改变碎片形状、撞击速度、撞击角度、转速、质量以及罐体内压等主要影响因素,系统研究分析了各因素对球罐撞击变形的影响程度,模拟结果表明:不同形状的爆炸碎片撞击球罐将导致不同的撞击效果,同等条件下立方体碎片对球罐的撞击变形最大,球体碎片最小。球罐在受到碎片撞击变形过程中,罐体内压力有助于提高球罐的稳定性。碎片以不同的入射角撞击球罐将导致不同的撞击效果,在0~60°的范围内,随着入射角的增大,碎片对球罐的撞击位移逐渐减小。当碎片以飞行方向为旋转轴时,碎片转速对球罐罐壁撞击位移影响并不明显。在发生贯穿现象时,破孔形状大小与碎片对球罐的最大投影面密切相关,并且球体碎片造成的凹陷影响范围最大。随着撞击角度的增加,破孔部位水平和竖直方向的距离均逐渐增大,但竖直方向的距离增幅较大。对不同壁厚的储罐贯穿能量的研究表明,储罐的临界贯穿能量与壁厚存在较好的指数关系。同等条件下,壁厚越大,其所需的临界贯穿能量越高。其次,考虑到工程实际中圆筒形储罐封头受碎片打击的可能性较大,论文对立式圆筒形储罐的封头受到爆炸碎片撞击时的动力学过程进行了数值模拟研究,对其撞击变形过程及封头内径、长短轴之比以及撞击部位等主要影响因素对其撞击变形的影响进行了分析。结果表明:在相同工况条件下,封头长短轴之比对抵抗碎片撞击变形能力影响较大,长短轴之比越大,碎片越容易击穿封头。封头内径变化对抵抗碎片撞击变形能力影响相对较小。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.221
【图文】：

罐具有非常大的危险性，保证储罐的安全显得尤为重要。薄壳结构是空间结构中的重要组成之一，在空间中呈三维受力状态。薄有很多优势如受力合理、自重轻、造价低以及结构形式多样化等，在国跨空间结构如车站、体育场馆、展出中心、机场、影剧院、飞机库、大工厂车间、煤棚与仓库等建筑中应用广泛[4]。储罐作为一种典型的薄壳结构，广泛应用于工农业生产中，如石油、液、粮食、水泥等各种液体和固体的贮备。其中，石油化工业中的钢制储常见[5][6]。石油作为世界经济发展的重要资源，储备有限的石油资源已济发展及应对重大政治、经济危机的重要战略，因而作为石油贮存的主储罐的建设就变得尤为重要[7]。钢制储罐根据结构几何形式的不同可以归纳为三类：分别是立式圆柱储圆柱储罐和双曲储罐。其中立式储罐是最为常见的一种类型如图 1.1 所储罐通常由储罐底板、圆柱壳罐壁、顶盖及其附属构件如角钢、加强构及平台等构成如图 1.2 所示。按其罐顶结构划分，立式圆筒形储罐又可顶储罐和浮顶储罐两种类型[8]。

固定顶储罐按罐顶的形式又可分为顶储罐[9]。1）锥顶储罐可分为自支撑锥顶和支于正圆锥体表面的罐顶。自支撑锥结构强肋锥顶和加强肋锥顶两种结构。支撑匀沉陷的地基或地势荷载较大的地区。2）拱顶储罐的罐顶如图 1.3（c）所自支撑拱顶又可分为无加强肋拱顶、有钢板和加强肋以及由拱形架和薄钢板构的剩余压力且储存介质蒸发量少，是一3）伞形顶储罐是自支撑拱顶的变罐顶载荷靠伞形板作用于罐壁上，伞形4）网壳顶储罐，球面网壳顶的主体内单层球面网壳图 1.3（d）。当罐顶受外撑作用。在罐顶受内压作用时,则对包边

4（c）拱顶储罐 （d）网壳顶储罐图 1.3 固定盖储罐不同结构形式（2浮顶罐可分为外浮顶储罐和内浮顶储罐。1）外浮顶储罐，这种罐的浮动顶漂浮在储液面上。浮顶与罐壁之间有一个环形空间，环形空间中有密封元件，浮顶与密封元件一起构成了储液面上的覆盖层，随着储液上下浮动2）内浮顶罐，内浮顶罐是在固定顶罐内部再加上一个浮动顶盖。主要由罐体、内浮盘、密封装置、导向和防撞装置、静电导线、通气孔、高低位液体报湿器等组成。内浮顶罐与其他储罐相比具有以下优点：1.密封效果好，能减少介质的挥发。2.对储存危险介质更安全。3.易于改造且造价低。4.对环境适应性强。5结构易于施工和维护[9]。

【参考文献】

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本文编号：2784724