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天然气球罐安全及其水冷却系统研究

作　者: 刘娟
导　师: 彭世尼
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 天然气球罐水冷却系统热-应力耦合分析应力强度爆破压力
分类号: TE972
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

天然气球罐与液化石油气球罐同属于承压状态下的压力容器，其内的介质均属于易燃易爆物，在使用过程中一旦发生事故将造成灾难性后果，所以对其做好安全防护非常重要。目前，国内外研究大都从液化石油气球罐在火灾环境中的热响应规律入手，证明水冷却系统对其的必要性，但对它在火灾环境中的力学响应规律研究甚少。关于天然气球罐的相关研究更是未见相关报道，水冷却系统对天然气球罐的必要性则没有得到明确验证，在相关标准与规范中也没有对天然气球罐水冷却保护系统的设置做出明确规定，导致在实际建设中，天然气储配站对球罐水冷却保护系统设置存在差异，或按照液化石油气球罐的相关规定对天然气球罐设置水冷却保护系统，或不设置水冷却系统。本文将利用ANSYS Workbench对10000m3天然气球罐建立三维几何实体模型，并运用间接法对其进行热-应力耦合分析。首先对火灾情况下的天然气球罐进行热分析，得到罐体温度场的分布；然后将热分析结果作为体载荷施加到结构分析中，以计算出罐体的应力强度分布；再通过应力线性化后处理功能，将计算出的应力分为一次局部薄膜应力、一次薄膜加一次弯曲应力和一次加二次应力；并在第三强度理论的基础上通过应力强度评定原则对各类应力进行强度评定，以校核强度是否满足安全要求，从而验证火灾情况下水冷却系统对天然气球罐的必要性。同时，对天然气球罐的实际工作数据进行简单分析，以说明在日晒高温下水冷却系统对球罐的作用。通过分析得出：在火灾环境下，温度越高，球罐的应力强度越大而屈服强度越低，当应力强度超过许用应力时，球罐就会破裂；所以有必要对球罐及时进行水冷却保护，以达到灭火与降温目的，避免罐内压力还未到达爆破压力前，球罐由于材料强度不够而破裂。在日晒高温情况下，温度的升高或降低并不会对罐内气体压力造成明显的影响，压力始终不会超过球罐的爆破压力，不需要对球罐进行水冷却降温。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-18
  1.1 课题研究背景  8-12
    1.1.1 研究目的与意义  8-9
    1.1.2 天然气与液化石油气性质对比  9-11
    1.1.3 对相关规范的摘录及理解  11-12
  1.2 国内外现状  12-16
    1.2.1 球罐安全研究现状  12-13
    1.2.2 液化石油气球罐热响应研究  13-16
  1.3 本文主要研究内容及方法  16-18
    1.3.1 研究内容  16-17
    1.3.2 研究方法  17-18
2 热-应力分析相关理论及解析方法  18-30
  2.1 基本理论  18-24
    2.1.1 经典传热学理论  18-21
    2.1.2 弹性力学理论  21-23
    2.1.3 热弹性力学理论  23-24
  2.2 解析方法  24-30
    2.2.1 ANSYS Workbench 简介  25-26
    2.2.2 ANSYS Workbench 有限元分析基本流程  26
    2.2.3 ANSYS Workbench 热-应力耦合分析  26-30
3 天然气球罐在火灾环境中的热-应力响应  30-50
  3.1 球罐基本概况  30-36
    3.1.1 球罐结构及几何尺寸  30-33
    3.1.2 球罐设计参数及其特性  33-36
  3.2 天然气球罐在火灾环境中的热分析  36-44
    3.2.1 条件假设  36-37
    3.2.2 球罐模型  37-39
    3.2.3 网格划分  39-41
    3.2.4 加载求解  41-43
    3.2.5 温度场分布  43-44
  3.3 球罐的热—应力耦合分析  44-50
    3.3.1 热-应力分析过程  44-45
    3.3.2 应力强度分布  45-50
4 天然气球罐失效预测及水冷却系统作用  50-70
  4.1 失效形式与准则  50-51
    4.1.1 失效形式  50
    4.1.2 失效准则  50-51
  4.2 球罐爆破压力分析  51-52
  4.3 球罐应力强度分析  52-65
    4.3.1 强度理论  52-54
    4.3.2 应力分类  54
    4.3.3 等效线性化  54-55
    4.3.4 分类应力强度的评定原则  55-57
    4.3.5 球罐应力强度评定结果及分析  57-65
  4.4 水冷却系统对球罐的保护作用  65-70
    4.4.1 球罐常用防护方式  65-67
    4.4.2 火灾环境中水冷却系统对球罐的保护作用  67
    4.4.3 日晒高温下水冷却系统对球罐的保护作用  67-70
5 结论及展望  70-72
  5.1 结论  70
  5.2 展望  70-72
致谢  72-74
参考文献  74-80
附录  80

天然气球罐安全及其水冷却系统研究

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