防爆儲(chǔ)油罐的設(shè)計(jì)及傳熱分析

馬明新

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東東營(yíng)257017)

撬裝加油站的核心是撬裝式加油裝置,撬裝式加油裝置是集地面防火防爆儲(chǔ)油罐、加油機(jī)、自動(dòng)滅火器于一體的地面加油系統(tǒng),具有防火防爆、安全環(huán)保、占地面積小、安裝靈活方便等特點(diǎn)[1-2]。傳統(tǒng)的儲(chǔ)油罐包括一個(gè)單層罐體,在罐體的下方豎向設(shè)置卸油管、加油管和油氣回收管,這些管道的上端穿過罐體底部的通孔后,伸到罐體內(nèi)[3]。由于泄油管、加油管和油氣回收管都設(shè)在罐體下方,這樣就導(dǎo)致儲(chǔ)油罐的整體高度較高、體積較大,且安裝要求較高,在狹小的空間無(wú)法安裝使用。同時(shí),傳統(tǒng)的汽油汽化爐內(nèi)裝有汽油,向內(nèi)充氣加壓后,空氣與汽油的蒸發(fā)氣體混合成可燃?xì)怏w,當(dāng)遇明火或靜電時(shí),罐內(nèi)的混合氣體就會(huì)燃燒,容易引起油罐爆炸。

1 普通油罐傳熱分析

利用ANSYS軟件建立儲(chǔ)油罐的有限元模型,進(jìn)行熱分析[4-5]。ANSYS幾何模型并劃分網(wǎng)格如圖1所示。

罐內(nèi)流體溫度為505.36 K,與罐壁的對(duì)流換熱系數(shù)為1 419.57 W/(m2·K),接管內(nèi)流體的溫度為310.92 K。接管與罐為同一種材料,它的熱物理性能如表1所示。

圖1 儲(chǔ)油罐幾何模型

表1 油管材料的熱物理性能

如圖2所示為普通油罐熱分析結(jié)果,從圖中可以看出,溫度升高速度快,罐內(nèi)油溫基本和外界溫度相同,當(dāng)外部遇到明火時(shí),容易發(fā)生爆炸。

圖2 ANSYS熱分析結(jié)果

2 防爆油罐的設(shè)計(jì)與有限元分析

2.1 防爆油罐的設(shè)計(jì)

防爆油罐包括罐體,安裝在罐體上的充氣嘴、壓力表、注油口和出油閥。罐體分為儲(chǔ)氣倉(cāng)和儲(chǔ)油倉(cāng),儲(chǔ)油倉(cāng)內(nèi)填充鋁合金抑爆材料,充氣嘴通過輸氣管與儲(chǔ)氣倉(cāng)相通,充氣嘴上安裝指示氣壓的壓力表。

圖3為設(shè)計(jì)的油罐主視圖和使用材料的剖面圖。

在圖主視圖中,罐體2的下部焊有底座1,罐體2被隔板3分成上、下兩部分,上部分為儲(chǔ)油倉(cāng)2.2,下部分為儲(chǔ)氣倉(cāng)2.1。在罐體2的頂蓋上安裝充氣咀8,充氣咀8通過輸氣管9與儲(chǔ)氣倉(cāng)2.1相通,充氣咀8附帶指示壓力的壓力表7。在罐體頂蓋上還安裝調(diào)壓閥1l,與儲(chǔ)油倉(cāng)2.2相通的油壓壓力表4、注油口10和出油閥5。充氣咀8還通過管路6依次連接調(diào)壓閥11和油壓壓力表4。儲(chǔ)油倉(cāng)2.2內(nèi)填充鋁合金抑爆材料。儲(chǔ)氣倉(cāng)2.1內(nèi)的氣體經(jīng)調(diào)壓閥11減壓后送入儲(chǔ)油倉(cāng)2.2,使其中的汽油從出油閥5流出。在使用材料圖中,儲(chǔ)油罐體使用材料,由內(nèi)到外分別為鋁合金、玻璃纖維、不銹鋼,其中鋁合金厚度為罐體壁厚的1/8,玻璃纖維厚度為罐體壁厚的1/2,不銹鋼材料厚度為罐體壁厚的3/8。

由于該罐儲(chǔ)油倉(cāng)內(nèi)充滿鋁合金抑爆材料,儲(chǔ)油倉(cāng)內(nèi)的大部分空間被抑爆材料分割成若干“蜂窩”小空間。當(dāng)空氣與油的蒸發(fā)氣體混合后,就會(huì)被“蜂窩”小空間所分隔,使可燃?xì)怏w的濃度達(dá)不到爆炸極限,因此可有效地防止爆炸事故發(fā)生。

圖3 設(shè)計(jì)油罐主視圖及使用材料剖面圖

2.2 防爆油罐的傳熱分析

對(duì)于設(shè)計(jì)后和設(shè)計(jì)前的油罐傳熱情況用進(jìn)行熱分析,如圖4所示,從圖中可以看出,當(dāng)外界溫度達(dá)到699.8 K時(shí),單層儲(chǔ)油罐罐內(nèi)溫度達(dá)到678.97 K,而改進(jìn)設(shè)計(jì)后的儲(chǔ)油罐采用三層設(shè)計(jì),罐內(nèi)溫度只有454.86 K,有效的降低有罐內(nèi)溫度。

2.3 防爆油罐的有限元熱應(yīng)力分析

分析中簡(jiǎn)化儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)為圓筒形儲(chǔ)油罐,假設(shè)儲(chǔ)油罐的底面積半徑均為1.261 6 m,那么10 m3和20 m3儲(chǔ)油罐的高度分別為2 m和4 m,儲(chǔ)油罐的厚度設(shè)為10 mm。

分析中假設(shè)儲(chǔ)油罐遇火后受溫均勻,所受溫度為873 K,原始溫度為273 K,取熱傳導(dǎo)系數(shù)為定值60 W/(m·K-1),通過變換儲(chǔ)油罐的彈性模量和熱膨脹系數(shù),分別取9種不同的性能參數(shù)組合,進(jìn)行10 m3和20 m3不同容量下儲(chǔ)油罐遇熱應(yīng)力分析。

圖4 油罐傳熱溫度云圖

2.3.1 10 m3儲(chǔ)油罐熱應(yīng)力分析

通過圖5可以看出,儲(chǔ)油罐遇火后最大的熱應(yīng)力分布于儲(chǔ)油罐的上端面外側(cè),熱位移最大值分布于上端面中部。

圖5 10 m3儲(chǔ)油罐彈性模量為1.5×1011Pa、熱膨脹系數(shù)8×10-6下熱應(yīng)力分析

表2 九種材料性能組合下的熱應(yīng)力和熱位移分析數(shù)據(jù)

通過表2可知:

(1)在相同彈性模量和傳導(dǎo)率的條件下,熱膨脹系數(shù)對(duì)熱應(yīng)力影響不大,影響在1%以下。

(2)在相同熱膨脹系數(shù)和傳導(dǎo)率的條件下,彈性模量越大,熱應(yīng)力越大,但熱位移越小,這是由于彈性模量越大,剛度越大,材料越難變形,因此熱位移越小,熱應(yīng)力越大。

(3)若儲(chǔ)油罐的屈服強(qiáng)度為600 MPa,以上材料性能參數(shù)的10 m3儲(chǔ)油罐都能符合要求。

2.3.2 20 m3儲(chǔ)油罐熱應(yīng)力分析

同10 m3儲(chǔ)油罐相同,20 m3儲(chǔ)油罐遇火后最大的熱應(yīng)力分布于儲(chǔ)油罐的上端面外側(cè),熱位移最大值分布于上端面中部。

對(duì)比表2,由表3可以看出:

(1)在同種材料性能參數(shù)(彈性模量、熱膨脹系數(shù)、傳導(dǎo)率)條件下,10 m3油罐比20 m3油罐所產(chǎn)生的熱應(yīng)力要大,但熱位移小。

(2)若儲(chǔ)油罐的屈服強(qiáng)度為600 MPa,20 m3儲(chǔ)油罐強(qiáng)度符合要求。但同等材料性能參數(shù)下,20 m3儲(chǔ)油罐所產(chǎn)生的熱應(yīng)力更小,因此在材料選擇和加工工藝上具有更廣泛的優(yōu)勢(shì)。

表3 九種材料性能組合下的熱應(yīng)力和熱位移分析數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1)儲(chǔ)油罐遇火后最大的熱應(yīng)力分布于儲(chǔ)油罐的上端面外側(cè),熱位移最大值分布于上端面中部。

(2)在相同彈性模量和傳導(dǎo)率的條件下,熱膨脹系數(shù)對(duì)熱應(yīng)力影響不大,熱膨脹系數(shù)與熱位移成正比;在相同熱膨脹系數(shù)和傳導(dǎo)率的條件下,彈性模量與熱應(yīng)力成正比、與熱位移成反比。

(3)在同種材料性能參數(shù)條件下,20 m3油罐比10 m3油罐所產(chǎn)生的熱應(yīng)力要小,在材料選擇和加工工藝上具有更廣泛的優(yōu)勢(shì)。