一种用于评估冷藏球形氨储存罐一级热机械完整性（first-order thermo-mechanical integrity）的分析性筛选方法以及压力-温度操作映射技术

《Journal of Energy Storage》：An analytical screening methodology and pressure-temperature operational mapping for first-order thermo-mechanical integrity assessment of refrigerated spherical ammonia storage tanks

　　摘要
随着氨作为能源载体和氢运输介质的作用日益增强，对安全可靠的大规模氨储存系统的需求也在不断增长。由于结构效率高和应力分布均匀，冷藏球形储罐被广泛用于这一目的。然而，这些储罐需要承受压力和温度的联合载荷，这可能显著影响其结构完整性。本研究提出了一个基于分析和仿真的框架，用于评估在约-33°C下运行的冷藏球形氨储罐的热机械性能。所提出的方法将传统的壳体理论用于压力引起的应力分析，并结合热应力建模，以研究内部压力和低温温差的综合效应。虽然传统的壳体和热方程是基础，但本研究将它们结合起来，建立了一个计算效率高的无量纲筛选框架，从而在早期资产风险评估阶段避免进行资源密集型的数值模拟。通过参数模拟来评估压力、温度梯度和壁厚对应力分布和结构安全性的影响。结果表明，在典型操作条件下，由温差产生的热应力可能超过压力引起的应力，表明低温效应可能主导结构载荷和应力。综合热机械分析进一步表明，在高压和高温梯度下，应力水平可能接近材料的允许极限。因此，开发了一个压力-温度可靠性图，以确定安全操作条件和关键载荷区域。

引言
在向低碳能源系统过渡的过程中，氨作为能源载体和氢运输介质受到了越来越多的关注[1][2]。由于其相对较高的氢密度、成熟的生产基础设施以及现有的全球运输网络，氨被视为大规模氢储存和能源分配的有希望的候选者[1]。随着全球对基于氢的能源系统的兴趣持续增长，对安全可靠的氨储存设施的需求预计将显著增加。在工业设施、能源枢纽以及未来的氢出口和进口中心，需要大型储罐[3]。
氨通常储存在约-33°C的低温环境中，并处于中等压力下。这些储罐通常设计为大型圆柱形或球形容器，由低温碳钢或其他合适的低温材料制成[4]。尽管氨储存技术已在化工和化肥行业中广泛应用了几十年，但储存设施规模的扩大以及氨在新兴氢能源系统中的集成带来了与机械完整性、安全性和可靠性相关的新工程挑战[5]。
氨储存系统中的一个关键问题是机械载荷和热载荷对储罐结构完整性的综合影响。储罐壁受到储存的液态和气态相产生的内部压力载荷，而低温储存条件与周围环境之间的温差会在储罐结构中引起热应力。如果在设计和运行过程中不加以适当考虑，这些热机械效应可能会显著影响储罐壳体内的应力分布，并可能导致材料退化、疲劳或结构失效[6]。
除了机械载荷外，氨还因其毒性和在发生大规模泄漏时的潜在环境影响而带来重大安全挑战[7]。因此，确保氨储存罐的机械完整性和可靠性对于维持安全操作和防止灾难性故障事件至关重要。
储存液体产生的内部压力会在储罐壳体内产生膜应力[8]，而低温储存条件与周围环境之间的温差会在结构中引起热应力[9]。这些载荷条件之间的相互作用会显著影响氨储存罐的结构完整性和可靠性[10]。尽管氨储存具有重要的工业意义，但针对实际操作条件下大型冷藏氨储存罐的综合热机械行为的研究相对有限。
以往的研究已经探讨了氨储存安全的各个方面，包括泄漏检测、危险分析和材料兼容性[7][11][12]。然而，对于在压力和温度联合载荷条件下的大型低温氨储存罐的分析热机械完整性评估的关注相对较少。特别是，大型球形容器内部压力应力、热收缩效应和结构可靠性之间的相互作用仍是一个需要进一步研究的重要领域。
本研究的主要目标是开发一个用于评估受到内部压力和热载荷影响的冷藏球形氨储罐热机械完整性的分析框架。所提出的方法结合了传统的壳体应力分析、热应力评估和结构可靠性评估，以研究操作载荷条件对储罐性能的综合影响。
本研究的具体目标如下：
- 使用传统壳体理论分析球形氨储罐中的压力引起的应力；
- 评估由低温储存条件与周围环境之间的温差产生的热应力；
- 研究实际操作条件下储罐壁中的综合热机械应力状态；
- 评估不同压力和温度情景下储罐的结构安全系数和可靠性；
- 使用基于仿真的参数分析来说明所提出的分析框架。
本研究解决了以下研究问题：
- 联合压力和热载荷如何影响冷藏球形氨储罐的热机械完整性和结构可靠性？
本研究的主要贡献可总结如下：
- 开发了一个用于评估冷藏氨储存罐完整性的分析热机械框架；
- 将压力引起的应力分析和热应力建模结合用于球形容器结构；
- 基于仿真的不同操作条件下的应力分布和安全系数研究；
- 识别可能影响储罐可靠性的关键压力和温度组合。
本研究的结果提供了一种简化的分析方法，可以支持新兴能源系统中氨储存基础设施的工程设计、结构安全评估和风险评价。

章节片段
低温氨储存系统描述
大规模氨储存设施根据储存容量、操作要求和安全考虑因素，通常使用圆柱形或球形储罐[5]。如图1所示，球形储罐因其几何形状提供了均匀的应力分布和改进的结构效率而被广泛用于储存加压或冷藏的液化气体[13]。在球形储罐及其壳体中，膜应力是...

控制热机械方程
冷藏球形氨储存罐的结构完整性主要受内部压力和热载荷的综合影响。储存液体产生的内部压力会在储罐壁体内产生膜应力，而低温储存条件与周围环境之间的温差由于材料收缩会引起热应力[20]。为了评估储罐的热机械性能，本节...

仿真研究和热机械分析
为了评估冷藏球形氨储罐的热机械性能，基于第3节开发的分析方程进行了参数模拟研究。模拟分析的目的是研究内部压力、温差和壁厚变化对应力水平和结构安全性的影响。
分析考虑了一个具有第2节中定义的参数的代表性球形氨储罐...

热机械性能和结构响应
本研究中的热机械分析突出了冷藏球形氨储罐中内部压力载荷与热应力之间的复杂相互作用。仿真结果表明，压力引起的膜应力和温度引起的热应力都对储罐壳体内的整体应力状态有显著贡献。理解这些因素的综合影响对于确保结构完整性至关重要...

结论
本研究提出了一个基于分析和仿真的框架，用于评估在联合压力和热载荷条件下运行的冷藏球形氨储罐的热机械完整性。所提出的方法将传统的压力容器应力分析与热应力建模结合起来，以研究用于工业和能源基础设施中的大型氨储存系统的结构可靠性。
基于分析建模和参数...

术语表
符号 描述 单位
(P) 氨储存罐内的内部压力 Pa
(r) 球形储罐的内半径 Pa
(m) 储罐壳体的壁厚度 m
(m) 材料的杨氏模量 Pa
(??) 材料的热膨胀系数 K^-1
Δ?? 环境温度与储罐条件之间的温差 K
???????? 储罐周围的 ambient 温度 °C
?????????? 液氨的储存温度 °C
???? 由内部压力引起的膜应力 Pa
????? 由温差引起的热应力 Pa
C 作者贡献声明 K

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
Karan Sotoodeh
Baker Hughes，挪威奥斯陆