低温液化气体储罐温度和热应力瞬态特性研究

发布时间：2020-08-25 16:21

【摘要】：随着我国经济的发展,能源结构的改革以及低温技术的普及,低温液化气体,特别是液氢(LH2)等能源气体,在我国的现代化进程中开始扮演越来越重要的角色。低温液化气体储罐(简称“低温储罐”)作为低温液化气体的主要储运设备,在能源、化工、石油、医疗、航天航空等领域应用广泛。低温液化气体的充注过程作为低温储罐工业使用中的重要环节,其充注方式直接关系到充注过程的经济性以及低温储罐的安全性两方面问题。不规范的充注操作会导致低温储罐在低温液化气体的充注过程中产生过大的降温速率和过高的温度梯度,从而在储罐内产生极大的热应力,并有可能对储罐结构造成损伤或者破坏。然而目前关于立式低温储罐的充注过程研究很少,且研究的重点集中在通过理论方法或者数值模拟计算方法对储罐内温度、压力分布进行研究,而未进一步研究充注过程对储罐罐壁的温度和热应力变化规律的影响。考虑到立式低温储罐体积较大,现场实验研究存在着诸多困难,所以本文采用热固耦合数值模拟方法来研究低温液化气体的充注质量流量、储罐体积、长径比等不同参数对低温储罐温度和热应力的瞬态特性的影响,具体工作如下:(1)建立了能够模拟立式低温储罐充注过程的CFD数值模型,并通过文献中的实验数据验证CFD模型的合理性。结果表明:T3(下封头直边段附近温度监测点)、T9(筒体中心位置温度监测点)、T15(上封头处温度监测点)三个监测点处的罐壁温度平均相对误差为8.63%,最大相对误差为14.14%,满足工程精度要求。在CFD模型的基础上,通过ANSYS建立了单向热固耦合数值模型。(2)通过CFD模型研究LH2充注过程中低温储罐的温降特性,发现50 m3低温储罐(储罐直径为3200mm,工作压力为0.7MPa,充注质量流量为8kg·s-1)内部空间平均温度会在充注开始8 s内从常温295K快速降至低温40K。通过沿储罐轴向布置的多个温度监测点,可以发现:储罐罐壁的温降速率沿轴向从下往上逐渐降低。(3)根据所建立的50m3LH2低温储罐(储罐直径为3200mm,工作压力为0.7 MPa)CFD和ANSYS数值模型,研究充注质量流量对储罐罐壁的温降特性和热应力的影响,发现充注质量流量越大,同一位置处的储罐罐壁温降速率越快,低温储罐所受的最大瞬态热应力也越大,热应力随时间的降低速率也越快。在自由约束条件下,当充注质量流量为10kg·s-1时,储罐会在充注刚开始阶段出现热应力峰值,达到243.45 MPa。(4)首次研究探讨了储罐体积、长径比对储罐温降特性和热应力分布的影响,发现虽然充注参数有所不同,但是储罐沿轴向具有相似的温降特性,并且储罐罐壁相同位置处的温降速率以及罐壁的最大瞬态热应力都与储罐体积、长径比成正比。因此对于大体积或者大长径比的低温储罐,建议降低充注质量流量。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE972
【图文】：

低温液化气体,外容器,绝热层,储罐结构

需求日益增多，采用应变强化技术的奥氏体不锈钢低温储罐在低温液化气体的储逡逑运方面扮演着越来越重要的角色。低温储罐多采用立式圆筒结构，通常是由外容逡逑器、内容器、绝热层、支承构件、附属管路等组成，如图１．１所示。外容器提供逡逑与外部构件的支撑，并与内容器共同形成绝热层空间，一般采用碳钢或低合金钢逡逑制造；绝热层的绝热性能直接影响深冷容器的保冷效果；内容器用以储存低温液逡逑化气体并承受工作压力，大多采用低温性能优良的奥氏体不锈钢制造；支承构件逡逑需确保内容器悬挂于外容器中，保持绝热层空间的几何尺寸，并要求尽可能减小逡逑漏热。逡逑Nｚ邋■逦．逦■逡逑图１．１立式低温液化气体储罐结构简图逡逑注：１—外容器；２邋—内容器；３—支承结构；４—绝热层；５邋—管道系统；６—支座逡逑３逡逑

低温液化气体,低温储罐,充注,储罐

１．１．２．２低温储罐充注流程逡逑低温储罐的充注流程总共可以分成３步走，即储罐的吹扫、储罐的预冷、储逡逑罐的充注。如图１．２所示，即为低温储罐管路布置简图。在储罐的首次使用前需逡逑要用干燥氮气进行吹扫，在吹扫的过程中，使液位计两端的接头保持在松弛的状逡逑态；同时完全打开液位显示液相阀和液位显示气相阀，以方便检查排放的气流中逡逑是否含有水分；当发现排放气体中无水分时，关闭液位计两端的接头和平衡阀，逡逑停止气体排放过程。在储罐的吹扫工作完成后，在首次充注低温液化气体前，需逡逑要对低温储罐进行预冷。在预冷的过程中，预冷介质主要沿顶部进液阀（ｃ管口）逡逑从储罐的上部缓慢注入储罐内。一般情况下，预冷量应控制在储罐容积的１０％以逡逑内。在低温液化气体的充注过程中，目前常用的充注方法是通过储罐底部的进液逡逑阀（ｂ管口）进行低温液化气体的充注

温度分布,低温储罐,开裂失效

裂、泄漏或者过度变形【１２］。根据不同的失效机理，可以把低温储罐的失效分为两逡逑种，即退化型失效和突发型失效；根据失效原因，大致可以分为失稳失效、泄漏逡逑失效、刚度失效以及强度失效等［１２］。图１．３、图１．４为低温储罐在使用过程中出逡逑现开裂而引起低温储罐失效的现场图［１３］。逡逑，邋，：邋逦逦逡逑■邋0邋１邋＇逡逑Ｌ魏．通Ｉ逡逑图１．３低温储罐失效网逦图Ｌ４邋１５７．９邋ｍ３低温储罐开裂失效Ｍｌ逡逑低温储罐在使用过程中出现失效很可能与不合理的充注过程有关，一方面据逡逑有关文献统计，约有７５％的低温储罐事故是发生在预冷和装料的过程中［１５］。另一逡逑方面，通过对低温储罐实际充注过程的调研，可以发现在低温液化气体从低温储逡逑罐的底部注入低温储罐的充注过程中，操作人员只能定性的控制低温液化气体的逡逑充注速度；同时在没有监测的情况下，也可能出现充注前低温储罐预冷不足或者逡逑未进行预冷的情况，而这些因素可能会导致充注过程中低温储罐材料因为降温太逡逑快或者温度分布不均而承受过大的热应力

【参考文献】