基于模拟对比的水封液化气库地下结构设计参数研究

【摘要】：液化气是液化石油气的简称,也叫液态烃,是在气田或油田的开采及石油炼制过程中产生的一部分气态烃类,经液化后分离出干气而得到的可燃液体。它是一种清洁、高效、低成本的优质能源,除了作为化工原料、发电燃料以外,在工程领域也得到了广泛的应用。世界各国都已将液化石油气能源作为战略能源,随着世界各国工业进程的不断深入发展,各国对液化气能源的储备更加重视,在世界各地修建了许多各种类型的油气储库,而储气库的类型也慢慢由刚开始的地上储气库逐渐转为地下洞室储存。地下空间作为一种资源已经得到业界的广泛认可,在相关规划和调研的基础上,如何充分利用该资源类型来建设地下储库也得到大量研究,其中的一个主要利用方式就是利用已有的或者人工挖掘的空间,而其中应用最多的大型储库是油气储库。 液化石油气地下洞室存储目的可以分为国家战略储备、商业存储和个人存储。液化气的战略储备一般是国家直接投资或以其他方式拥有和控制一定数量的液化气,属于保障能源安全的一种重要手段,可以保证在发生战事、大规模禁运等非常时期,液化气的储备可应对国际液化气市场的剧烈动荡,从而减缓因此可能给国民经济带来的冲击。 地下水封液化气库是埋藏在一定的地下水位以下,依靠地下水的压力来封存液化气,一般建造在围岩条件较好的地区,洞室围岩在不做支护或者较少支护的条件下,裸洞储存液化石油气。目前,国内建设的地下水封液化气库数量不多,可供借鉴和参考的类似的设计和施工经验很少,尚处于试验摸索的阶段,还有许多技术问题须进行深人研究。由于液化气属于易燃易爆物品,对其进行封存,不仅要求洞室处于稳定的地下水位以下,还对地下洞室的结构设计有较高要求,要求科学合理的选择结构设计参数以保证洞室围岩的稳定和储气库的安全运行。因此研究水封液化气库地下结构设计参数具有重要的实践意义和工程应用价值。 烟台万华搬迁工程液化烃地下水封洞库项目是我国第一个大型地下水封液化气洞库,为保证地下水封液化气洞库的安全性、耐久性以及设计的合理性,需要对洞库的地下结构设计参数进行科学研究。论文以烟台万华老厂搬迁工程项目液化烃地下水封洞库的建设为工程背景,运用物理模型模拟试验及数值模拟试验,分别就洞室埋深、高跨比、间距等地下结构参数进行计算分析,为地下水封洞库工程设计提供可靠结构参数,为设计和施工提供理论指导。 地下水封液化气库的特点决定了必须要充分依靠和利用建库区的天然地质环境条件,才能保证其自身的安全与稳定。本文在研究地下水封液化气库储气基本理论和洞库物理模拟试验原理的基础上,以烟台万华地下水封液化气库项目为依托,以环氧树脂为材料制作了一批光弹试验模型,运用409-2型光弹仪进行光弹试验。由于原出厂的光弹仪存在一些缺陷,为此,对其进行了升级改造,运用改造后的设备进行洞室模型光弹试验研究,同时采用数值模拟试验的方法对水封液化气库地下结构设计参数进行了研究,通过物理模拟和数值模拟的结果综合分析得出比较合理的结构设计参数值,为该洞库的设计和施工提供依据和参考。 论文第二章从液化气的物理特性出发,对地下水封液化气库的基本理论进行了介绍和研究。介绍了液化气库的储存方式,阐述了水封液化气库的储存原理理论,对建设液化气库所必须具备的地质条件进行了论述,并对地下水封液化气库的优越性进行了说明,总结出地下油气储备库具有节约土地、投资省、污染小、保护环境、节省钢材、使用寿命长等特点,建设地下油气储备库是保障国家能源安全的重要措施,是确保安全平稳供气的最有效途径。 论文第三章对光弹试验的基本原理进行了研究。光弹性试验方法是一种迅速、准确,经济、有效的应力分析方法,该方法的主要特点是直观性强,可以获取全场信息,通过光弹性试验,可直接观测到模型受力后的应力分布情况,特别是对那些理论计算较为困难、形状及载荷复杂的构件,光弹性试验方法更能显示出其优越性。它能迅速、准确地确定构件的应力集中系数,为改进结构设计,提高结构性能提供试验依据。光弹性试验方法已有一百多年的历史,试验技术也日益成熟和完善。目前。光弹性试验分析方法已广泛应用于航空、造船、机械、石化、水利和土木建筑等部门。论文介绍了平面偏振光、圆偏振光、光的干涉、双折射等光学基本原理,论证了平面应力-光学定律和平面偏振光的光弹效应,对等差线和等倾线的原理进行了详细分析,叙述了白光下的等色线特征和等差线级数的读取方法。在介绍模型相似定理的基础上,分析了模型相似条件。 光弹性材料是光弹性应力分析中的一个关键问题。只有良好的材料才能充分显示出光弹性效应,才能据此分析各种力学问题。一个多世纪前,光弹性效应被发现,逐渐形成光弹性原理。由于当时材料不灵敏,模型难以加工,导致光弹试验发展缓慢。二十世纪环氧树脂材料出现以后,逐渐形成了以环氧树脂这种高分子聚合物为基础原料的光弹性材料,大大推动了光弹性法的发展。论文在对地下水封洞库建库原理和物理模拟试验原理进行研究后,第四章以烟台万华液化烃地下水封洞库为依托,采用环氧树脂材料制作了一批光弹试验模型用于物理模拟试验研究。对研究区的工程概况、研究区基本地质条件以及洞库区域地应力情况进行了详细介绍,为洞室物理模型加工制作和后期光弹试验奠定基础。在介绍模洞室模型选取原则的基础上,阐述了烟台万华液化烃地下水封洞库的模型选取方法和采用环氧树脂加工制作洞室模型的过程,共制作出单洞室模型6块,洞室群模型6块,共12块。 光弹试验是运用某些特殊透明材料的应力-光学效应,采用光学原理去测量模型的应力场的实验应力分析方法,是一种全场应力测量法,具有直观性强、可靠性高等特点,对分析复杂构件应力场和应力集中现象尤为有利,在土木工程、机械工程等领域应用十分广泛。本次研究物理模拟试验采用了409-2型光弹仪,由于原出厂的409-2型光弹仪主要用于教学演示实验,为了将其运用到洞室研究中,需要对该光弹仪的部分设备进行设计改造。论文第五章介绍了用于试验的409-2型光弹仪及该光弹仪的光路图,提出了实现研究目标设备所存在的缺陷。针对试验设备的缺陷,运用机械设计与制造相关理论对原出厂的409-2型光弹仪的加载部分进行升级改造,改造后的加载系统由加载架和液压传动两部分组成,改造完成后的设备可以进行洞室模型的物理模拟试验。 研究地下结构设计参数的方法很多,目前应用较多的有理论分析法、物理模拟法、数值模拟法、工程地质类比法、块体理论法等。物理模拟试验是建立在量纲分析原理和相似原理的基础之上的,一般是通过设计出与原型相似的模型,然后利用该模型来间接的研究原型的一种试验方法。物理模拟试验是人类改造和认识世界的基本方法,随着科学技术和生产力的发展而不断的发展。常用的物理模拟方法主要有模型试验(相似材料法)和光弹试验(光测弹性法)。第六章论文从洞室埋深,洞室高跨比和洞室间距等方面展开了研究,采用光学方法测量具有双折射性能的透明材料制作的受力摸型上各点应力状态,并在模型上施加外荷载,把承载的模型置于偏振光场中,观察与模型上各点应力状态有关的干涉条纹图,按照光弹性原理,确定受力模型各点的主应力差。针对烟台万华洞库,对其地下结构设计参数进行了定量分析。 水封液化气库的地下结构设计属于工程力学的范畴,工程力学中的许多问题可用数值分析法划归为大型线性方程组来求解,如微分方程、多未知量等问题。尤其是在近几年的发展中,数值分析法得到了快速的发展,其主要原因是因为计算机的迅速发展推动了数值分析方法的快速发展。针对烟台万华水封液化气库,论文第七章采用数值模拟试验研究水封液化气库的地下结构设计参数,运用FLAC软件分别对地下洞室的埋深、高跨比和洞室间距进行了研究。通过与光弹试验的结论相互比较,综合分析,得出了科学的地下结构设计参数,为该项目的设计与施工提供了依据和参考。 本论文主要有以下几个创新点： (1)通过物理模拟试验和数值模拟试验对比研究水封液化气库地下结构设计参数,得出科学可靠的洞室埋深、高跨比、间距等结构设计参数,为地下水封液化气库的结构设计和施工提供理论依据。 (2)运用机械设计与制造相关理论对原出厂的409-2型光弹仪的加载部分进行升级改造,改造完成后的设备可以进行洞室模型的物理模拟试验研究。 (3)运用光测弹性法对地下洞室的应力状态和变形特性进行分析,为准确获取地下结构设计参数提供理论支撑。 【关键词】：液化石油气 洞室群 光弹试验 数值模拟 地下结构
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE972.2
【目录】：

• 作者简介6-7
• 摘要7-10
• ABSTRACT10-17
• 第一章 绪论17-29
• §1.1 选题依据与研究意义17-18
• §1.2 国内外研究现状18-25
• 1.2.1 地下结构设计参数的研究现状18-21
• 1.2.2 地下结构设计参数研究方法现状21-25
• §1.3 主要研究内容及技术路线25-27
• 1.3.1 主要研究内容25-27
• 1.3.2 技术路线27
• §1.4 论文创新点27-29
• 第二章 地下水封液化气库理论研究29-39
• §2.1 液化气及其地下存储基本原理29-36
• 2.1.1 液化气特性29-31
• 2.1.2 油气储存的特殊要求31-32
• 2.1.3 储存方式32-34
• 2.1.4 储存原理34-36
• §2.2 建库地质条件要求36-38
• 2.2.1 地形地貌条件36
• 2.2.2 地层岩性条件36-37
• 2.2.3 地质构造条件37
• 2.2.4 初始应力状态37
• 2.2.5 水文地质条件37-38
• §2.3 本章小结38-39
• 第三章 洞室光弹试验原理研究39-55
• §3.1 光学原理39-45
• 3.1.1 光的本性39-40
• 3.1.2 平面偏振光40-41
• 3.1.3 光波的干涉41-42
• 3.1.4 光的双折射现象42-44
• 3.1.5 圆偏振光44-45
• §3.2 应力-光学定律45-49
• 3.2.1 平面应力-光学定律45-46
• 3.2.2 平面偏振光光弹效应46-49
• §3.3 白光下的等差线49-51
• 3.3.1 等色线49-50
• 3.3.2 整数倍等差线50-51
• §3.4 物理模型试验基本原理51-54
• 3.4.1 模型试验相似定理51-52
• 3.4.2 模型试验相似条件52-54
• §3.5 本章小结54-55
• 第四章 地下液化气库物理模型制作理论与方法研究55-77
• §4.1 烟台地下液化气库工程地质特征55-63
• 4.1.1 洞库区基础地质条件55-56
• 4.1.2 洞库区域地应力状况56-57
• 4.1.3 洞库区结构面分析57-61
• 4.1.4 洞库空间布置及初步结构参数61-63
• §4.2 洞室物理模型制作理论及步骤63-76
• 4.2.1 洞室模型材料特性63-64
• 4.2.2 洞室模型选取原则64
• 4.2.3 洞库模型结构设计64-71
• 4.2.4 洞室模型加工制作71-76
• 4.2.5 环氧树脂初应力控制分析76
• §4.3 本章小结76-77
• 第五章 洞室光弹试验设备及加工改造研究77-90
• §5.1 光弹试验设备77-79
• 5.1.1 409-2型光弹仪77-78
• 5.1.2 光路图78-79
• 5.1.3 设备缺陷分析79
• §5.2 光弹仪加载系统设计及加工制作79-89
• 5.2.1 加载架部分79-82
• 5.2.2 液压传动部分82-84
• 5.2.3 加载系统主要元器件介绍84-88
• 5.2.4 改造后的设备88-89
• §5.3 本章小结89-90
• 第六章 液化气库地下结构设计参数光弹试验研究90-115
• §6.1 洞库光弹试验步骤90-91
• §6.2 洞库试验荷载91-93
• §6.3 洞库试验技术难点93-94
• §6.4 洞室埋深研究94-96
• 6.4.1 马蹄形模型试验94-95
• 6.4.2 鸡蛋形模型试验95-96
• 6.4.3 试验分析96
• §6.5 洞室高跨比研究96-100
• 6.5.1 马蹄形洞室模型试验96-98
• 6.5.2 鸡蛋形洞室模型试验98-100
• §6.6 洞室间距研究100-105
• 6.6.1 马蹄形洞室群模型试验100-102
• 6.6.2 鸡蛋形洞室群模型试验102-105
• §6.7 平面光弹应力计算研究105-114
• 6.7.1 光弹性条纹值的确定105-106
• 6.7.2 按应力求解问题的基本方程106-111
• 6.7.3 洞室模型内部应力测定111-114
• §6.8 本章小结114-115
• 第七章 液化气库地下结构设计参数数值试验研究115-137
• §7.1 洞室埋深数值试验研究115-122
• 7.1.1 马蹄形洞室模型数值试验115-118
• 7.1.2 鸡蛋形洞室模型数值试验118-121
• 7.1.3 结果对比分析121-122
• §7.2 洞室高跨比数值模拟研究122-129
• 7.2.1 马蹄形洞室模型数值试验122-125
• 7.2.2 鸡蛋形洞室模型数值试验125-128
• 7.2.3 结果对比分析128-129
• §7.3 洞室间距的数值模拟研究129-136
• 7.3.1 马蹄形洞室模型数值试验129-132
• 7.3.2 鸡蛋形洞室模型数值试验132-135
• 7.3.3 结果对比分析135-136
• §7.4 本章小结136-137
• 第八章 结论与展望137-140
• §8.1 结论137-138
• §8.2 展望138-140
• 致谢140-141
• 参考文献141-150

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