爆炸冲击作用下储油罐毁伤特性的数值模拟

大型储油罐是石油库的主要设备，研究其在爆炸载荷下的动态破坏特性意义重大。为获得拱顶油罐结构在爆炸冲击作用下的毁伤机制，采用ANSYS/LS-DYNA建立了柴油拱顶油罐的有限元数值模型，开展了不同炸药量和储油量下拱顶油罐结构的爆炸冲击破坏过程的数值模拟研究。结果表明：储罐内部爆炸后会出现两个薄弱区域，分别出现在罐壁与拱顶的环向交接处和柴油液面的分界处；储罐爆炸冲击波的分布几乎不受TNT当量变化的影响，但爆炸超压随着TNT炸药质量的增加而显著增强；储罐内部的油料液体可以减弱爆炸冲击载荷对罐体结构的破坏效应。研究可为既有罐区安全功能改进和新罐区建设提供理论支撑。     

地基沉降下油罐罐壁的变形分析

储罐地基沉降常引起罐壁的几何变形,严重危害储罐的运行安全。基于地基沉降的实测数据,采用有限元方法研究地基沉降下大型浮顶石油储罐的结构变形响应。有限元模型中,综合考虑了环墙式地基、加强圈及肋板、抗风圈及支撑、包边角钢等实际结构,以及材料特性对罐壁变形的影响。采用Fourier级数将储罐地基沉降的实测离散数据拟合为若干阶谐波组合的形式,模拟地基单次谐波沉降对罐壁变形的影响,在此基础上,提出地基组合谐波沉降在最高液位下引起的罐壁径向变形公式,并与有限元仿真计算结果进行对比,结果表明,两者吻合较好,此拟合公式可普遍用于工程实践中10×10~4m~3大型储罐地基沉降引起的罐壁变形计算,评估在役储罐的运行安全。     

10万m~3外浮顶罐低液位时罐内油气爆炸研究

以计算流体力学软件FLACS为工具,研究了10万m3外浮顶储油罐在处于低液位发生沉顶事故后,油面挥发生成的油气爆炸后在罐区产生的超压、高温及火焰发展状况。研究证明,罐内油气首次爆炸产生的高温并不能对其他罐体造成显著的破坏,但是对罐周平台温度影响较大;由于大型储罐特殊的高径比,爆炸产生的超压较小,不足以形成破坏;首次爆炸产生的火球广度基本在事故罐体直径范围以内,不能对罐外其他罐体形成直接接触。罐区火灾爆炸破坏的主要原因应为多米诺效应产生的池火、泄漏所产生的流淌火、浓烟等次生灾害。     

石化企业储罐高液位运行风险分析与防护系统建设探讨

针对炼化企业低负荷运行导致的储罐高液位储存问题,全面分析了近些年国内外储罐火灾爆炸事故,指出高液位运行储罐应重点防范储存汽油、原油等易燃轻质油品的固定顶储罐和浮顶储罐全面积火灾、群罐火灾;储罐因高液位运行造成的风险增加主要体现在上游轻组分因生产波动容易进罐、雷击、冒罐溢油、浮盘沉没或卡盘、因地震罐体坍塌、硫化物自燃、因罐底高应力造成罐壁坍塌、灭火难度大等方面;基于系统化理念,从工艺技术、安全管理和应急防护三方面提出了14项措施加强高液位储罐的安全防护。     

外浮顶罐油气混合区域风险分析

针对外浮顶罐油面下降到支撑柱以下工况时油气混合区域的火灾爆炸风险,构建爆炸三角形并结合数值模拟结果分析油气混合区域的爆炸危险性。结果表明:储罐横截面的油蒸气质量分数整体上在增加,罐壁附近质量分数较高,氧气质量分数变化不明显,中间区域分布稳定但不均匀;油气混合空间的爆炸危险区分布在油蒸气质量分数相对较低的区域,多集中于罐壁附近,分布位置随油气扩散未发生明显变化。区域风险分布特征可辅助预警探测器布点优化方案的设计。     

浮顶储罐二次密封油气空间放电分析

为避免浮顶储罐在遭受雷击时由于导电片设施在二次密封油气空间中放电引起密封圈火灾,在实验室建立了2 m直径油罐模型,开展导电片火花放电起始电流试验、导电片与罐壁形成空气间隙击穿放电初始电压试验,系统研究导电片在二次密封油气空间中的放电危险性。试验结果表明:导电片靠自身弹性与罐壁贴合时,雷电流大约在400 A时导电片开始产生点燃性火花放电;如导电片与罐壁贴合不良形成空气间隙,雷击情况下雷电流泄放瞬时浮顶与罐壁之间的电位差足以使一定大小的间隙击穿放电,当间隙大小为20~30 mm时,放电电压为26~40 kV。因此,储罐在遭受雷击时,导电片火花放电现象不可避免。结合储罐的实际运行情况,提出取消二次密封导电片、液下刮蜡器与浮顶进行可靠电气连接的改进措施,避免导电片在二次密封油气空间中放电发生,大大降低浮顶储罐雷击火灾事故。     

沉箱码头聚脲涂层抗爆防护毁伤效应数值模拟

为探究爆炸荷载作用下聚脲涂层对沉箱码头的保护作用,采用LS-DANA非线性动力分析平台,模拟在1 kg TNT当量炸药水中非接触爆炸时,不同涂覆厚度聚脲涂层的沉箱码头毁伤破坏特征.结果表明:无聚脲防护的沉箱码头毁伤破坏程度明显大于涂覆聚脲防护的沉箱码头,沉箱码头的毁伤主要集中在迎爆面外墙和迎爆侧上部管沟,随着聚脲涂层厚...     

长距离输煤管道储浆罐与石油储罐对比研究

对比研究长距离输煤管道储浆罐与石油储罐搅拌设计特点、罐顶设计特点、消防安全设施特点。经分析可知,长距离输煤管道储浆罐宜选用推进式搅拌器,罐壁上设置导流结构,宜采用固定顶、锥顶,设置简单消防安全设施,宜选用难燃保温材料;石油储罐优先选用旋转喷射式搅拌器,罐内油品进行定期搅拌,采用浮顶,大型的一般选用外浮顶,需设置完善消防安全设施。     

爆炸碎片撞击立式储罐数值模拟

爆炸碎片引发的事故是一种常见的化工园区多米诺效应事故形式。建立了立式拱顶罐的半结构模型以及球体、立方体、圆锥体三种形状的爆炸碎片模型,利用数值模拟,研究储罐在不同形状、速度、入射角的碎片撞击下破坏失效规律,以期更为准确地指导目标设备在多米诺效应事故参数影响下的风险评估。结果表明:罐壁Z轴方向最大位移绝对值随着碎片撞击速度的增大而降低,在相同碎片撞击速度相同的情况下,立方体碎片造成的罐壁Z轴方向最大位移绝对值最大;罐壁贯穿后的孔洞等效直径随入射角的增大而增大,碎片剩余速度随入射角的增大而减小;立方体碎片在贯穿罐壁过程中速度衰减最显著,所需贯穿能量最大。     

浮顶储罐导电片间隙放电危险性研究

储罐在实际运行中,受浮盘的上下移动、机械应力、老化、油污、金属腐蚀等因素的影响,很难确保导电片与罐壁紧密贴合,容易形成微小间隙,在这种情况下遭受雷击易产生间隙放电,出现打火现象.为了分析导电片与储罐罐壁导电片产生间隙放电的危险性,根据Townsend气体放电理论计算了导电片和储罐罐壁间的击穿电压,采用1.2/50μs冲击电压波开展了导电片间隙放电实验,分析了导电片击穿电压与空气间隙距离的关系.结果证明:当导电片和罐壁贴合不良时,导电片和罐壁之间极易产生火花放电;当空气间隙d=0.1cm时,平均空气击穿电压仅为5280V;随着间隙的增大,空气击穿电压也随之增大;导电片间隙放电实验数据与Townsend气体放电理论值吻合.最后,根据以上结论,针对浮顶储罐导电片间隙放电的危险性,提出了改进措施.     

如何防范石油化工储罐底板泄漏事故

火灾、爆炸事故是石油化工储罐最主要、也是最重要的危险因素,而泄漏是引发火灾爆炸的最常见原因。一项针对国内外发生的多起漏油事故的调查表明,腐蚀渗漏在泄诵情形中最为普遍,其中,罐底板腐蚀穿孔的发生率是最高的。因此,下文我们重点探讨储罐底板泄漏的情形,不包括罐顶溢流、罐壁泄漏、储罐附件设施渗漏和储罐密封性试验失效等。     

爆炸冲击波作用下圆形通风设施的动态破坏特性

为了研究瓦斯爆炸对通风设施造成的严重破坏及其导致的通风系统紊乱与灾情迅速扩展问题,基于LS-DYNA有限元软件,模拟研究巷道中瓦斯爆炸冲击波作用下圆形通风设施的动态破坏特性,分析应力、应变、速度、位移的动态特征及其破坏过程,并对圆形通风设施动态破坏机理进行初步探索。研究结果表明:爆炸冲击波作用下,圆形通风设施正、反面出现压应力与拉应力分布圆环,且压应力与拉应力峰值处于在外部受约束边界径向圆环附近区域与圆心位置,应变、速度和位移最大值均分布在次区域;爆炸冲击波作用下,通风设施表面形成多圈的正向和反向的应变相互交替,呈现W型的褶皱变形;爆炸冲击波作用下,环向裂纹集中在受约束的边界区域附近,发生脆性破坏,其他区域会出现较多的径向裂纹,可发生韧性破坏,整个断裂过程是脆性与韧性断裂的混合型断裂。     

基于蒙特卡洛法的储罐爆炸碎片冲击失效模型研究

为定量研究相邻储罐间爆炸碎片冲击的多米诺效应,基于蒙特卡洛方法建立爆炸碎片冲击失效模型。该模型共包括爆炸能量与碎片初始速度、考虑风速及碎片初始位置的碎片三维抛射轨迹、空气阻力、碎片冲击穿透等4个分步模型。基于上述模型,研究储罐爆炸后碎片的初始状态、抛射轨迹以及对相邻储罐的冲击效应。在数值模拟结果的基础上,用储罐最高允许工作压力代替泄放装置的泄压压力来计算爆炸压力,绘制碎片质量及初始速度的直方图,定量分析储罐间距对击中概率的影响。结果表明,热辐射、超压和碎片冲击3种能量作用方式均可能导致储罐间火灾爆炸事故多米诺现象发生,但爆炸碎片冲击导致相邻罐失效的概率较低。     

地基沉降对石油储罐象足屈曲的影响

为优化大型石油储罐的抗震设计,针对大型非锚固外浮顶储罐,综合考虑地基、非锚固罐底、变壁厚、抗风圈等几何结构和材料特性等因素,采用有限元分析(FEA)法构建储罐全模型,分析地基沉降对罐壁象足屈曲临界载荷的影响;基于Fourier变换,通过若干阶谐波组合的形式模拟储罐地基沉降,分析地基谐波沉降前后储罐的径向变形、屈曲模态与屈曲强度,探明储罐地基单次谐波沉降的谐波次数、谐波幅值、谐波的波峰与波谷对象足屈曲临界载荷的影响。结果表明:地基谐波沉降在不同程度上降低了油罐的象足屈曲临界载荷。储罐象足屈曲临界压应力随地基谐波沉降幅值的增大而减小;相同沉降量下,随着谐波次数的增大,储罐抗屈曲的能力越来越弱。     

不同接触条件下爆源爆炸对钢板破坏影响的试验研究北大核心CSCD

为明确钢板在爆炸冲击载荷作用下的响应结果,开展了爆源与钢板在不同接触条件下的爆炸试验,探究了钢板与爆源直接接触及其与爆源间隔多孔介质接触时,不同药量爆源爆炸对钢板的影响,主要分析了钢板与爆源接触面和背面的破坏形态,并对爆源爆炸作用下钢板的破坏过程进行了推测,最后对破坏部位样品进行了扫描电镜检测和金相检测分析。结果表明:爆源与钢板直接接触爆炸时,钢板接触面会形成与爆源接触部分形状相同的圆形凹坑,背面会形成圆形的层裂断面,后续冲击波使钢板破坏处穿孔;爆源与钢板间隔多孔介质爆炸时,钢板接触面出现轻微凹陷,背部形成层裂断面;爆源爆炸使钢板发生断裂的方式为准解理断裂,钢板的金相组织在爆炸过程中受到的影响非常微小。     

加油站埋地油罐油气爆炸事故模拟试验

为探索加油站埋地油罐油气爆炸破坏效应,搭建埋地油罐燃爆试验平台,在油罐内布置压力传感器和温度传感器,在人孔井周围布置热流传感器,向罐内注入少量汽油,利用鼓吹方式使油气浓度达到爆炸极限,通过电火花点火模拟清罐、检修过程中的爆炸事故,掌握埋地油罐、人孔井及周围环境受爆炸影响的压力冲击波和热辐射数据。结果表明,加油站发生埋地油罐敞口爆炸时,爆炸会对罐壁产生峰值强度为100~400 k Pa的冲击波。爆炸形成的火焰和冲击波向人孔井口正上方释放,不会向四周扩散。     

常压储罐罐顶结构力学性能分析

立式圆筒形储罐带肋拱形顶板为自支承式结构,工程中的失稳现场多发于该类结构。通过对某炼化厂不同规格储罐的带肋顶板建立有限元数值模型,分别进行线性静力分析、特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,结合数值仿真结果,分析研究带肋顶板的强度和稳定性等力学性能,并从设计、检验和运行维护角度给出相关建议。分析结果表明,不同尺寸储罐带肋拱形顶板结构受力最大位置均出现在顶板边缘附近,设计许用载荷作用下罐顶板处于低应力状态。随着罐顶结构尺寸的增加,罐顶稳定性问题成为结构失效的主要考虑因素。     

大型原油储罐泄漏隔堤池火灾后果研究

为了研究储罐大孔泄漏后可能产生的隔堤局部面状液池火灾,以10万立方大型原油储罐为例,采用计算流体力学软件FLUENT和火灾模拟软件FDS计算储罐在真实泄漏场景下的液池区域,模拟发生隔堤池火的分布特征及对临罐热辐射影响。研究结果表明:储罐原油泄漏后将在隔堤内形成相对稳定面积的液池,在储罐不同方位处泄漏形成的液池面积与储罐壁距雨水收集槽长度相关;储罐正下方的隔堤池火对储罐造成的热辐射极大;风对临罐受到的池火热辐射强度影响明显,指向罐组中心方向的来风对临罐热辐射强度影响较大。     

内浮顶罐中油气扩散运移的数值模拟

内浮顶罐浮盘上气体空间的油气扩散运移规律对其安全隐患控制及损耗评估具有重要意义。基于单相扩散传质模型和RNGκ-ε湍流模型,采用UDF建立油气扩散模型,考察分析了通气孔分别位于罐壁和罐顶时罐内的油气扩散机理。结果表明:小型内浮顶罐的试验数据与模拟结果吻合良好;通气孔在不同位置时,气流对罐内油气的扰动规律不同,罐壁通气孔的开设使内浮顶油罐存在更大的安全隐患;外界风速引起的罐内泄漏点油品的有效扩散系数远大于无风时油品的分子扩散传质系数,建议API油气损耗评估公式考虑风速的影响。     

地基沉降及动水压对储罐屈曲强度的影响

大型油罐在地震载荷作用下的罐壁屈曲属于弹塑性变形失稳。为研究地基沉降对非锚固储罐屈曲性能的影响,基于Ramberg-Osgood本构模型,考虑储罐底板、壁板、加强圈、抗风圈、非锚固环墙式地基等实际几何结构因素,采用三维有限元模型(FEM)数值模拟非锚固储罐在谐波沉降下的屈曲行为,研究水平地震力下罐内液体的动水压力、地基谐波沉降的次数及幅值对罐壁屈曲临界压应力的影响特征。结果表明:在谐波沉降及动水压共同影响下,储罐屈曲发生的位置为壁板加强圈之间,罐壁变形呈现非周期性变化。地基谐波沉降、动水压均降低了储罐的屈曲临界压应力,且相同沉降量下,随着谐波次数的增多,储罐抗屈曲的能力越来越弱。