火灾环境下液化气体储罐热响应规律及失效模式研究

液化气体储罐受热爆炸，从热力学角度分析是热源、储罐壁、介质之间的传热导致介质分层、翻滚、爆沸，致使压力上升的问题；从力学角度分析是储罐壁受热后材料强度急剧下降的问题，两者之间存在耦合关系。本项目拟解决的关键科学问题是液化气体爆沸过程非平衡热力学模型和储罐内液化气体爆沸和储罐壁温分布的耦合。将场测试设备PIV与点测试系统相结合，对罐内介质分层、翻滚、爆沸过程以及储罐壁温度与介质的耦合关系进行实验研究。应用非平衡热力学理论，建立包含基本守恒方程以及描述温差驱动的热流、密度差驱动的动量流和化学势差驱动的相变物质流和广义力关系本构方程的爆沸过程模型，对爆沸过程进行分析与数值模拟，提出爆沸发生条件；通过高温实验，结合ANSYS数值分析，定量描述储罐失效模式与各工艺参量及罐体材料之间的关系。为提出同时考虑液化气体爆沸和储罐材料热响应耦合规律的储罐设计方法和安全运行策略提供基础理论依据。

随着液化气体在能源消费结构中所占的比重越来越大，其安全储存显得尤为重要。鉴于液化气体储罐失效的多物理过程耦合特点，本项目从流体动力学、传热传质学和固体力学角度对其热质响应和热力响应两个关键过程进行研究。在获得储罐与内部液化气体的热质耦合响应规律基础上，将储罐的压力和壁温响应作为热力条件应用到固体材料响应行为分析上，实现热-质-力的整体耦合分析。研究工作对液化气体分层演化和爆沸过程机理以及热-质-力耦合作用下储罐变形特征给出了新的解释，以期对储罐失效问题的工程分析提供理论指导：在热质耦合传递机制和环境与介质条件影响下，液化气体存在温度分层和分层消除两种流动特征；储罐破裂后，罐内液化气体呈现非均匀过热特征，罐内压力反弹亦同时受介质储存能量总量和分布状态影响；在热-质-力耦合作用下，立式圆柱形储罐的主要变形特征为气相壁面鼓胀且容易在气液壁面交接处形成高应力区，卧式圆柱形储罐在筒体轴向没有明显的变形阶跃且变形最明显的部位为储罐顶端。