高压储氢气瓶氢气循环试验用环境舱安全性验证计算.docx

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1、高压储氢气瓶氢气循环试验用环境舱安全性验证计算高压储氢气瓶氢气循环试验用环境舱安全性验证计算目录目录I1概述11.1 工况描述11.2 储氢气瓶试验参数11.3 环境舱几何参数21.4 拟解决的问题22储氢气瓶物理爆破能量及爆破强度计算32.1 爆破能量计算32.2 爆破强度计算53环境舱内冲击波超压及等效静态载荷计算63.1 最大入射冲击波超压计算63.2 最大反射冲击波超压计算83.3 最大等效静态载荷计算84环境舱强度安全性校核104.1 内筒体能否破裂核算114.2 外筒体强度安全性校核124.2.1 基于许用应力的强度校核124.2.2 基于屈服强度的强度校核134.2.3 外筒体能

2、否爆破核算144.3 外封头强度校核144.3.1 基于许用应力的强度校核144.3.2 基于屈服强度的强度校核154.3.3 外封头能否爆破核算164.4 环境舱螺栓强度校核164.4.1 基于最大等效静态载荷的螺栓强度校核164.4.2 基于封头处实际冲击波幅度的螺栓强度校核185储氢气瓶爆破后碎片穿透外壁面风险分析196结论19参考文献20附录A当爆源位于环境舱直径1/4处时的风险分析20-II-高压储氢气瓶氢气循环试验用环境舱安全性验证计算1概述1.1 工况描述如图1所示，为一高压储氢气瓶循环试验用环境舱示意图。储氢气瓶位于环境舱内，体积为V1,内部承装初始压力”(绝对压力，下同)、初

3、始温度71(K)的H2, H2摩尔数为摩尔质量为储氢气瓶外部环境舱的体积为V。，内部充N2作为保护气体。N2初始压力为po,初始温度为7b(K)o图1储氢气瓶与环境舱示意图1.2 储氢气瓶试验参数储氢气瓶的额定工作压力为70MPa,容积为不超过200L的111型和W型气瓶,其直径不超过400mm,长度不超过3000mmo在本文中，取储氢气瓶体积V=200 Lo储氢气瓶在试验时，主要有4种不同试验参数设置，见表1。其中编号A称为储氢气瓶设计工况；编号B称为储氢气瓶实际使用工况。表1储氢气瓶试验参数设置编号试验压力pi试验介质储氢气瓶与环境舱初始温度为、7bA105.1 MPah2室温(288 K

4、)B87.6 MPah2323 KC80.6 MPaH2328 KD56.1 MPaH2233 K1.3 环境舱几何参数环境舱为圆柱形容器，两侧配标准椭圆封头。内壁直径为2100mm,筒体长度为 5000mmo 内封头规格为 EHA 210012-Q245R + S31603(GBT25198)。外壁直径为2444mmo外封头规格为EHA 230060-Q345Ro环境舱壁面为外壁+保温层+内壁的多层结构，总厚度为172mm。内壁为Q245RS31603复合板，Q245R厚度为10mm, S31603厚度为2mm;外壁为Q345R,厚度为60mm;内壁与外壁中间为厚度100mm的聚氨酯保温层。

5、外壁内设置井字格式加强筋，材质Q345R,厚度为10mm,间距为500x500mm。环境舱壁面结构示意图见图2。00HS外壁 保温层内壁聚氨酯，100mmQ245R, 10mmS31603, 2mm图2环境舱多层结构壁面示意图环境舱封头与筒体通过设备法兰连接，采用64根M36x3x440规格的螺栓，材料为35CrMoAo经测量，该螺栓材料的实际屈服强度为915MPa,抗拉强度为 1065MPao1.4 拟解决的问题在对高压储氢气瓶开展氢气循环试验时，可能发生因储氢气瓶破裂导致气瓶物理爆破的场景，故需要验证此危险场景下环境舱安全性。本报告解决以下三个问题：(1)储氢气瓶发生物理爆破时的爆破能量及

6、爆破强度；(2)储氢气瓶发生物理爆破时，环境舱内的入射冲击波超压峰值、反射冲击波超压峰值以及等效静态载荷数值。(3)在等效静载压力下环境舱的整体结构安全性。安全性原则是环境舱可以承受气瓶破裂产生的能量，舱体内部可以损坏，但外部无破裂性损坏，舱体外人员不会受到伤害。2储氢气瓶物理爆破能量及爆破强度计算2.1爆破能量计算由于高压储氢气瓶内气体介质的物理爆破过程迅速，来不及与环境舱内介质交换能量，因此储氢气瓶的破裂过程可等效为初始压力P1、初始温度T1、体积W的H2,向环境舱内绝热膨胀的过程。环境舱为密闭空间，其初始压力为大气压。由于破裂过程迅速，破裂时环境舱内压力保持为大气压不变。因此储氢气瓶气体

7、物理爆破过程可等效为H2绝热膨胀至大气压力po=OlO13MPa的过程。该过程的爆破能量，等于气体介质膨胀所做的膨胀功以“。储氢气瓶内H2绝热膨胀初始及最终状态参数见表2。表2储氢气瓶内H2绝热膨胀初始及最终状态参数参数名称初始状态最终状态压力pip,=2o=O.lO13MPa温度TT体积V摩尔数mn摩尔质量MM过程方程pvr=const绝热过程储氢气瓶与外界不交换热量，故热量。二0。由热力学第一定律：Q=AU+E(1)得膨胀功E:E=-bU(2)视H2为理想气体，且比热容为定值，可近似得到膨胀功E为：E=- (=mcv(-)=m*Rg6T)= =nRgT(l-)hl式中：E为爆破能量，J;P

8、为储氢气瓶气体初始压力，Pa;女为气体的绝热指数。对H2, *=1.412;V/为储氢气瓶体积，m3;p为储氢气瓶气体爆破后压力，Pa,其值等于大气压101325Pa0式(3)即为计算承装介质的储氢气瓶物理爆破能量的计算模型公式。通过该公式，可计算不同初始压力“、不同储氢气瓶体积口条件下，储氢气瓶爆破能量E的数值。由公式可知，储氢气瓶爆破能量仅与储氢气瓶初始压力、体积及介质种类有关，与其他因素无关。根据式(3),计算得到表1所示不同试验参数下的储气罐物理破裂时爆破能量结果见表3所示。表3不同试验参数下储气气瓶物理破裂时爆破能量结果(承装介质为H2)编号试验压力pMPa气瓶体积m3爆破能量E/k

9、JA105.10.244294B87.60.236613C80.60.233553D56.10.2229222.2爆破强度计算储氢气瓶为具有一定空间体积的结构，其真实爆炸过程为一个体积源的爆炸。但是，为了评估其爆炸强度，通常将其视为无体积的点源(如图3所示)，采用TNT当量法量化其爆破强度数值。已知储氢气瓶物理破裂的爆破能量已 可按式(4)计算等效TNT当量Wtnt:Wm=EQm式(4)中,0nt为TNT爆破热值,通常取4500kJkg图3等效TNT当量法示意图根据式(4),计算得到表1所示不同试验参数下储氢气瓶物理爆破的TNT当量Wtnt见表4。表4不同试验参数下储氢气瓶破裂爆破的TNT当量

10、编号初始压力pMPa气瓶体积m3爆破能量E/kJINkgA105.10.2442949.84B87.60.2366138.14C80.60.2335537.46D56.10.2229225.093环境舱内冲击波超压及等效静态载荷计算3.1 最大入射冲击波超压计算储氢气瓶发生物理爆破时，爆破能量向外释放，除了小部分以储氢气瓶残余变形能量的形式表现外，大部分能量绝热膨胀，猛烈推动环境舱内气体，导致气体的压力、温度、密度等物理性质发生跳跃式改变，形成冲击波。目前，研究人员主要用冲击波超压描述冲击波的传播规律及危害。由于TNT当量法来源于凝聚相炸药爆炸的点源爆炸，而真实储氢气瓶爆炸为体积源爆炸，故TN

11、T当量法对冲击波超压的预测结果与实际有所偏差。但由于采用TNT当量法预测出来的结果比实际值偏高，即在考虑安全评估时，其结果偏于保守，在使用上偏于安全，故本文仍基于等效TNT当量法评估气瓶爆破后环境舱内的入射冲击波超压数值。由等效TNT当量评估不同位置处的冲击波超压峰值较为复杂。目前研究人员通过各种类型实验，构建了多种爆炸冲击波超压预测的经验公式。其中，较为常用的公式为Henrich公式。该公式如下：1.379 0.543 0.035 0.006(0.05 Rg 0.3)Rt R0.032(0.3l)0.065 0.397 0.322Pm =5+-oRg啰鹿(1 W 10) + 7式中：Rg为对

12、比距离，是测点与爆源中心的距离r（m）与等效TNT当量Wtnt的立方根之比，即：显然，根据（5）、（6）可知，距离爆源越近，即/越小，冲击波超压pm越大。要计算环境舱内壁面的入射冲击波超压，必须确定内壁面与爆燃中心的距离小而厂与储氢气瓶在环境舱内的位置有关。如图4所示，为爆源（储氢气瓶）中心与环境舱内壁相对位置示意图。由于环境舱为柱形容器，显然，对于放置在固定位置（如0。的爆源来说，内壁面最大超压位于距离爆源最近的内壁处，即图中的Ai点，因为此点与爆源的距离门最小。其余点如B处的超压幅度均低于A点。因此，在评估入射冲击波超压，仅需考虑内壁A点处的入射冲击波超压即可。图4爆源与环境舱内壁位置示意

13、图另外，当爆源（储氢气瓶）中心放置在环境舱不同位置时，如图4中O（轴线）、02 （一侧）两点，内壁最大冲击波超压点Ai、A2处的超压数值也不同。从风险的角度看，当爆源中心置于环境舱轴线上时（如。），由于门9,故内壁最大冲击波超压Ai点的数值低于A2点，相对较为安全。因此，在本计算中，考虑爆源处于轴线上的情况，此时内壁最大冲击波超压点与爆燃的距离一为环境舱内径 D=2100mm 的 1/2,即 n=Di2=l050mmo将1050mm以及表4中列出的四种试验工况的等效TNT当量Wtnt带入公式（6）和公式（5）,即可得到不同试验工况下的环境舱内壁最大入射冲击波超压pm见表5o表5不同试验参数下储

14、氢气瓶爆破后环境舱最大入射冲击波超压pm编号初始压力pMPaNkgRg=rWNi最大入射冲击波超压PnJMPaA105.19.840.492.88B87.68.140.522.51C80.67.460.542.36D56.15.090.611.833.2 最大反射冲击波超压计算环境舱内壁为钢材，可视为刚性障碍物。在冲击波中气体质点被压缩并运动，当冲击波正入射到刚性障碍物上时，除了流体静超压外，将出现质点膨胀,反射冲击波超压将大于入射冲击波超压。研究人员通过实验，总结了多种反射冲击波超压Pn与入射冲击波超压pm的关系，较为常用的计算公式如下：pn = 2 pm H6 yn(7)日IHT 7p+p7n式中,Pa为大气压力,0.101325MPao将表5中不同试验参数下的入射冲击波超压pm带入式(7),得到不同