不同网壳材料浮顶油罐雷击损伤分析*

毕晓蕾

(1.化学品安全全国重点实验室,山东青岛 266104 2. 中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

1 油罐网壳材料雷电损伤特性及改进方向

雷电是自然界频发的一种高强度电磁脉冲放电现象[1,2],统计表明,107例各类储罐火灾中有61%事故原因被确定为雷电[3],浮顶油罐的雷电防护是油储安全研究的重要方向之一[4]。其中,雷电直接击中金属油罐时,浮顶油罐网壳材料受到雷电电弧电、磁、热、力等多场耦合作用[5,6],雷击材料致灾现象包含电磁场变化、热量传递、气体击穿、粒子运动等物理过程[7-10],网壳材料损伤形式主要表现为局部熔融和气化、弧坑、裂纹、尖锐缺口等特征[11,12]。同时,伴随着局部火花放电和雷击附着点温度骤升等现象。

国内外学者对雷击材料损伤及其试验方法等开展了大量研究,刘亚坤,等[1,11,13,14]研究了铜丝引线直径、雷电流幅值与转移电荷量对雷击材料损伤的影响,发现引燃铜丝的直径仅影响金属损伤深度,金属损伤面积主要取决于雷电流幅值,损伤深度主要取决于转移电荷量。戴明秋,等[7]研究了不同雷电流波形对金属损伤特征的影响,表明雷电流的作用积分比转移电荷量对损伤面积有更直接的影响。王建国,等[15]研究了电弧极性对金属烧蚀效果的影响,表明正极性电弧烧蚀效果较负极性更为集中。夏海亮,等[16]研究了电极形状对金属烧蚀特性的影响,表明使用尖电极造成的金属损伤面积和损伤深度最大。孙晋茹,等[17,18]研究了阴极材料、电荷转移量对OPGW雷电损伤的影响,表明随着转移电荷量的增加,OPGW雷电损伤程度加剧。Kern,等[19]研究了短时雷电流作用下和长持续时间雷电流作用下金属的损伤面积和损伤深度。Metwally,等[20]研究了回击后长持续时间雷电流分量作用下和波形为1.2/50 μs的模拟雷电流作用下金属的损伤特性和背面温升。

总结发现,已有研究得到了雷击材料损伤试验的影响因素、材料损伤结果的影响参量以及不同雷电流波形下材料的损伤特征,同时,得到的材料损伤结果为材料雷击损伤建模提供了基础数据。肖慈恩,等[12]建立雷电流电弧作用下材料的电-磁-热-力多场耦合模型,孙晋茹,等[17]建立了OPGW的雷击损伤模型。基于雷电流金属损伤数值模拟分析手段,可研究油罐材料网壳参数对雷击损伤结果的影响,探索油罐材料雷击耐受能力提升的改进方向。

为此,以浮顶油罐网壳常用基础材料Q235B钢和3003铝合金为例,基于雷电流电弧的热等离子磁流体动力学理论,建立网壳材料雷击损伤的有限元分析模型,计算网壳材料遭受雷击时的电、热、力等多场特征。改变材料的电导率和热导率参数,对比不同参数对雷击材料损伤过程中洛伦兹力、电流密度等分布的影响,分析不同参数下材料的损伤深度与损伤面积。通过机理分析,摸索提升油罐材料耐受雷击能力的改进方向。

2 分析与讨论

仿真计算得到2种油罐网壳常用材料(Q235B钢合金和3003铝合金)在400 A、500 ms长持续时间雷电流作用下的温度分布如图1所示,同时对比试验研究得到的雷电材料损伤结果[14],仿真得到的损伤深度误差为7.7%。

对比图1(a)中Q235B钢合金和图1(b)中3003铝合金的温度分布可以发现,电弧的温度峰值和起始形态未发生明显变化。但是,因为阳极金属材料的改变(如电导率、热导率等改变),导致电弧-阳极接触界面区域的电场和热场分布发生了明显改变,从而影响了电弧-材料间的能量传递过程及其损伤结果。

为此,进一步研究不同油罐网壳材料的雷击材料损伤影响,通过改变材料的电导率与热导率,分析不同网壳材料表面的洛伦兹力和电流密度分布。

2.1 电导率影响

2.1.1 Q235B钢合金

在合金加工制造过程中,可通过添加、锻造等技术实现合金电导率和热导率的改变。因此,改变Q235B钢合金材料电导率(σ),讨论0.01σ、0.1σ、σ、10σ、100σ共5种情况,进行网壳材料电导率参数对雷击损伤结果影响的研究。

不同电导率下Q235B钢合金网壳材料表面洛伦兹力分布如图2所示。分析图2可知,在网壳材料表面,以电弧附着区域中心为坐标原点,不同电导率情况下阳极表面洛伦兹力的数值随着距电弧中心点的距离增大(即r轴坐标位置)均呈现出先上升再下降的分布(图2(a))。但是,洛伦兹力的峰值位置和大小发生了改变,表现为洛伦兹力的峰值大小随电导率的上升呈上升趋势,且峰值位置向左偏移(图2(b))。当电导率从0.01σ变为10σ时,洛伦兹力的峰值从3.27×105N/m3上升为4.54×105N/m3,变化38.8%;峰值位置从r=1.79 mm向左移动至r=1.65 mm,变化7.8%。Q235B钢合金电导率σ变化0.01～100倍时,材料表面洛伦兹力峰值变化-27.7%～0.5%,峰值位置相对电弧中心变化-8.5%～0。

图2 不同电导率下钢合金网壳材料表面洛伦兹力分布

进一步分析不同电导率下Q235B钢合金网壳材料表面电流密度分布情况,如图3所示。不同电导率下网壳材料表面电流密度的数值随着距电弧中心点的距离增大均呈现下降的分布(图3(a)),但电流密度的峰值大小随电导率的上升而上升。对电流密度进行积分运算,以90%电流值所在的位置判定电弧的半径。随着网壳材料电导率的增加,电流密度积分至90%值的位置向左偏移(图3(b))。电导率从0.01σ变为10σ,电流密度的峰值从2.93×107A/m2上升为4.03×107A/m2,变化37.5%;电流密度积分至90%电流值的位置从r=8.01 mm向左移动至r=7.67 mm,变化4.2%。Q235B钢合金电导率变化0.01～100倍时,材料电流密度峰值变化-27.2%～0.5%,峰值位置相对电弧中心变化-0.4%～4.4%。

图3 不同电导率下钢合金网壳材料表面电流密度分布

不同电导率下Q235B钢合金的雷击损伤结果如图4所示。分析图4可知,对于Q235B钢合金,网壳材料损伤深度随电导率的上升而增加,而损伤面积随电导率的上升而下降。结合网壳材料表面的电流密度和洛伦兹力分布分析可知:当Q235B钢合金阳极电导率发生变化时,电导率的增加改变了电流密度的分布和峰值,影响了电弧半径,从而影响了焦耳热致损的贡献。同时,电导率的改变会影响洛伦兹力的分布和峰值,影响电弧材料损伤中力学致损的贡献,最终导致了损伤深度的增加和损伤面积的减小。Q235B钢合金电导率变化0.01～100倍时,材料损伤深度和损伤面积分别变化-1.1%～0.2%和-0.3%～9.3%。

图4 不同电导率下Q235B钢合金雷击损伤结果

2.1.2 3003铝合金

以3003铝合金为基础,通过添加、锻造等技术改变合金的电导率和热导率,讨论电导率在0.01σ、0.1σ、σ、10σ、100σ共5种情况,研究网壳材料电导率参数对雷击损伤数值分析的影响。

不同电导率下3003铝合金网壳材料表面洛伦兹力分布如图5所示。分析图5可知,在网壳材料表面,以电弧附着区域中心为坐标原点,不同电导率情况下网壳材料表面洛伦兹力的数值随着距电弧中心点的距离增大均呈现出先上升再下降的分布(图5(a))。但洛伦兹力的峰值位置和大小并未发生明显改变,仅在较小的区间变化(图5(b)),且变化比例小于1.6%。

图5 不同电导率下铝合金网壳材料表面洛伦兹力分布

不同电导率下3003铝合金网壳材料表面电流密度分布如图6所示。分析图6可知,不同电导率下网壳材料表面电流密度的数值随着距电弧中心点的距离增大均呈现下降的分布(图6(a)),但电流密度的峰值大小与电流密度积分至90%值的位置并未发生明显改变(图6(b)),且变化比例小于2.0%。

图6 不同电导率下铝合金网壳材料表面电流密度分布

不同电导率下3003铝合金的雷击损伤结果如图7所示。分析图7可知,对于3003铝合金,网壳材料的损伤深度与损伤面积随电导率的变化并未发生明显改变,其变化程度并未超过0.3%。

图7 不同电导率下3003铝合金雷击损伤结果

结合阳极表面的洛伦兹力和电流密度分布分析可知:当3003铝合金网壳材料电导率发生变化时,由于网壳材料表面洛伦兹力与电流密度分布并未发生明显变化,导致网壳材料损伤深度与损伤面积同样仅产生微小变化。3003铝合金和Q235B钢合金两者电导率对损伤影响不同的原因为3003铝合金的热导率远高于Q235B钢合金,能够将产生的焦耳热更快地泄放到周围的环境中,使雷击产生的焦耳热不再对电弧-阳极材料表面的多场耦合过程产生过多影响所致。

2.2 热导率影响

雷击材料损伤过程中网壳材料热导率的变化会影响电弧-材料作用过程中的热量传递,改变温度场参数,进而影响损伤结果。

2.2.1 Q235B钢合金

以Q235B钢合金热导率(κ)为基础,讨论0.01κ、0.1κ、κ、10κ、100κ共5种情况,进行热导率参数对雷电材料损伤的影响研究。

在热导率变化的情况下,网壳材料表面的洛伦兹力峰值随材料热导率的增加呈现出先减小后增加的特征,在κ-10κ位置洛伦兹力峰值相对较小(图8(a)),且洛伦兹力峰值位置随热导率的上升先向右偏移再向左偏移,在10κ位置出现变化拐点(图8(b))。电流密度的峰值随材料热导率的增加呈现上升的趋势,电流密度积分至90%值的位置随热导率的增加先向右偏移再向左偏移(图9(b))。Q235B钢合金热导率变化0.01～100倍时,材料表面洛伦兹力和电流密度峰值变化0.0%～111.0%和-28.9%～61.1%。峰值位置相对电弧中心变化-8.5%～17.0%和-11.0%～6.6%。

图8 不同热导率下钢合金网壳材料表面洛伦兹力分布

图9 不同热导率下钢合金网壳材料表面电流密度分布

不同热导率下Q235B钢合金的雷击损伤结果如图10所示。分析图10可知,阳极损伤深度随热导率的增加呈现出先增加后减小至零损伤深度的特征,而阳极损伤面积随热导率的增加而减小至零损伤面积。

图10 不同热导率下Q235B钢合金雷击损伤结果

2.2.2 3003铝合金

进一步分析阳极为3003铝合金的情况,以3003铝合金热导率(κ)为基础,讨论0.01κ、0.1κ、κ、10κ、100κ共5种情况,进行热导率参数对电弧特性数值分析的影响研究。

当3003铝合金阳极热导率增加时,网壳材料表面洛伦兹力峰值减小(图11(a)),但洛伦兹力峰值位置呈现出随热导率的上升先左移后右移的特征(图11(b))。网壳材料表面的电流密度峰值随热导率增加表现为先增加后降低,而电流密度积分至90%值的位置随热导率的增加则呈现出先向左偏移后向右偏移的特征(图12(b))。3003铝合金热导率变化0.01～100倍时,材料表面洛伦兹力和电流密度峰值变化0.0%～91.4%和-23.9%～0.0%,峰值位置变化-10.7%～2.7%和-0.7%～1.7%。

图11 不同热导率下铝合金网壳材料表面洛伦兹力分布

图12 不同热导率下铝合金网壳材料表面电流密度分布

不同热导率下3003铝合金的雷击损伤结果如图13所示。分析图13可知,网壳材料损伤深度随热导率的上升先增加而后减小,而网壳材料损伤面积随热导率的下降逐渐减小。

图13 不同热导率下3003铝合金雷击损伤结果

结合网壳材料表面的洛伦兹力和电流密度分布分析可知,在网壳材料热导率发生变化时,阴极-电弧-阳极结构下的洛伦兹力和电流密度均出现了明显的拐点现象。该现象可能是由于当金属材料阳极电导率发生变化时,网壳材料的损伤深度并未发生明显变化,而当阳极热导率发生变化时,热量传导过程发生了较大变化,使得网壳材料的损伤深度发生了明显变化,进而影响了耦合过程。因为放电电弧和阳极材料的电导率随温度变化是非线性关系,使得不同热导率对阴极-电弧-阳极结构的洛伦兹力和电流密度分布影响更为复杂。

3 结论

以油罐常用网壳材料为例,研究材料参数对雷电流作用下金属损伤的影响。基于热等离子体磁流体动力学理论,开展电弧的多场特性及其与材料的耦合分析,对比不同材料下洛伦兹力和电流密度等参数分布,得到:

a) Q235B钢合金电导率变化0.01～100倍时,材料表面洛伦兹力和电流密度峰值变化-27.7%～0.5%和-27.2%～0.5%,峰值位置相对电弧中心变化-8.5%～0.0%和-0.4%～4.4%。材料损伤深度和损伤面积分别变化-1.1%～0.2%和-0.3%～9.3%。3003铝合金电导率变化0.01～100倍时,材料表面洛伦兹力峰值和电流密度峰值变化小于1.6%和2%。材料损伤深度和损伤面积变化小于0.3%。

b) Q235B钢合金热导率变化0.01～100倍时,材料表面洛伦兹力和电流密度峰值变化0.0%～111.0%和-28.9%～61.1%。峰值位置相对电弧中心变化-8.5%～17.0%和-11.0%～6.6%。材料损伤深度随热导率的增加先增加后减小,损伤面积随热导率的增加而减小。3003铝合金热导率变化0.01～100倍时,材料表面洛伦兹力和电流密度峰值变化0.0%～91.4%和-23.9%～0.0%,峰值位置变化-10.7%～2.7%和-0.7%～1.7%。材料损伤深度随热导率的上升先增加后减小,损伤面积随热导率的下降逐渐减小。

c)获取的不同参数的网壳操作数据研究可为油罐网壳材料的雷击损伤数值分析和耐受能力改进提供参考,并为浮顶油罐的网壳设计和雷电防护提供理论和试验依据。