高压容器泄漏中发生的焦耳-汤姆逊效应研究

第 5 2卷第 4期 2 01 6 年 2 月 机械工程学报 J OURNAL OF MEC ： HANI CAL ENGI NEERI NG VO1 52 N O 4 F e b 201 6 DoI ： 1 O 3 90 1 JM E 20 1 6 0 4 09 7 高压容 器泄漏中发生的焦耳一 汤姆逊效应研究水 艾刚 刘应华 ( 清华大学航天航空学院北京1 0 0 0 8 4 ) 摘要：压缩天然气的海上运输技术由于其经济效益而即将走向商业化。在运输船上的压强高达 2 5 MP a的压力容器是其设计 的重点。破前漏准则是维护压力容器完整性的一个重要方法。然而，在压力容器泄漏中发生的焦耳 汤姆逊效应所导致的裂 纹周围金属温度的降温可能会影响到破前漏准则的有效性。对在压力容器的泄漏中发生的焦耳 汤姆逊效应做了相关的试验 研究。因氩气不易燃烧且具有与甲烷相似的焦耳 汤姆逊系数而被选作试验气体。设计一个全新的用于压力容器泄漏试验的 焦耳 汤姆逊测试系统。根据美国机械工程师学会( Ame ri c a n S o c i e t y o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ， AS ME ) 锅炉和压力容器规范设计 和加工一个试验用的压力容器。采用液氮断裂方法在一块测试板上制作一个与自然裂纹相似的贯穿裂纹。在 3 0的环境温 度和 9 1 MP a的最大内部压强下，测试板外表面沿裂纹方向测得的最低温度是 1 2 5，沿裂纹对角线方向测得的最低温度 是 7 9，裂纹出口处得到的氩气的温度是一 9 2 ；测试板内表面沿裂纹方向测得的最低温度是 l 5，容器内部裂纹附近 测得的氩气的温度是一 7 1。试验结果表明，在整个测试过程中，测试板 内外表面的温度沿裂纹不同方向的变化趋势基本 上一致。 关键词：压力容器；贯穿裂纹；液氮断裂方法；泄漏；焦耳 汤姆逊效应；压缩天然气；氩气 中图分类号：T H4 9 S t u d y o n t h e J o ul e - Th o ms o n Ef f e c t d ur i ng Le a k a g e i n Hi g h Pr e s s ur e Ve s s e l s AI Ga n g LI U Yi n g h u a ( S c h o o l o f Ae r o s p a c e E n g i n e e r i n g ， T s i n g h u a Un i v e r s i t y , B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ) Ab s t r a c t ： Du e t o i t s e c o n o mi c p r o fi t s ， t h e m a r i n e t r a n s p o r t a t i o n o f c o mp r e s s e d n a t u r a l g a s i s a b o u t t o e n t e r t h e c o mme r c i a l s t a g e T h e h i g h l y p r e s s u r i z e d c o n ta i n e r s ( u p t o 2 5 MP a ) o n v e s s e l s a r e i n the f o c u s o f t h e d e s i g n T h e k e y t o ma i n t a i n i n g t h e i n t e g r i t y o f t h e p r e s s u r e d p i p e s i s the p h i l o s o p h y o f l e a k - b e f o r e - b r e ak( L B B ) Ho we v e r , the t e mp e r a t u r e d r 叩 i n the v i c i n i ty o f a c r a c k c a u s e d b y J o u l e - T h o m s o n c o o l i n g e ffe c t d u r i n g l e ak a g e i n a p r e s s ure v e s s e l ma y i mp a c t o n the v a l i d a t i o n o f the L BB p ri n c i p l e E x p e rime n t s a r e c a r r i e d o u t t o s t u d y the J o u l e - Th o ms o n e ff e c t o c c u r r e d d u r i n g l e a k s t h r o u g h c r a c k s o n a p r e s s ure v e s s e 1 Ar g o n i s s e l e c t e d a s t h e g a s u s e d i n t h e e x p e rime n t d u e t o i t s i n c o mb u s t i b i l i ty and s i mi l a r J o u l e T h o ms o n c o e ffi c i e n t t o t h a t o f me tha n e A n e w J o u l e - T h o ms o n t e s t i n g f a c i l i ty wi t h a p r e s s u r e v e s s e l i s d e s i g n e d t o p e r f o r m the l e ak t e s t T h e p r e s s ure v e s s e l i s d e s i gn e d a n d f a b ric a t e d a c c o r d i n g t o AS ME Bo i l i n g a n d P r e s s ure Ve s s e l Co d e L i q u i d n i t r o g e n c r a c k i n g me tho d i s e mp l o y e d t o f a b ric a t e a r e a l i s t i c t h r o u g h t h i c k n e s s c r a c k i n a t e s t p l a t e Un d e r t h e c o n d i t i o n o f a n a mb i e n t t e mp e r a t u r e o f 3 0 a n d ma x i mu m i n t e r n a l p r e s s ure o f 9 1 MP a the l o we s t t e mp e r a t u r e me a s u r e d a l o n g t h e c r a c k l i n e o n t h e o u t s i d e s u r f a c e o f t h e t e s t p l a t e i S 1 2 5 I t i S 1 5 a l o n g the c r a c k l i n e o n i t s i n s i d e s u r f a c e a n d一9 2 o f the e s c a p i n g a r g o n And i t i s 7 9 a l o n g the c r a c k d i a g o n a l l i n e o n i t s o u t s i d e s u r f a c e a n d- 7 1 o f t h e a r g o n i n s i d e the p r e s s ure v e s s e 1 I t s h o ws tha t the c h an g i n g t r e n d s o f t e mp e r a t ure i n t e s t p l a t e a l o n g d i ffe r e n t c r a c k d i r e c t i o n s a r e b a s i c a l l y i d e n t i c a l i n t h e wh o l e t e s t p r o c e s s Ke y wo r d s ： p r e s s u r e v e s s e l ； t hr o u g h t h i c kn e s s c r a c k； l i q u i d n i tro g e n c r a c k i n g me t h o d ； l e ak a g e ； J o u l e - Th o m s o n e ff e c t ； c o mp r e s s e d na t ur a l g as ； argo n 0 前言 随着开采技术的发展 ，天然气在能源供应方面 国家杰 出青年科学基金资助项 目( 1 1 3 2 5 2 1 1 ) 。2 0 1 5 0 3 0 5收到初稿 2 0 1 5 0 8 3 1 收到修改稿 起着越来越重要 的战略作用。 与其他化石燃料不同， 天然气在现代经济的许多方面扮演着重要 的角色 ， 比如发 电、工业 、商业和居住等，其价格和环境的 优势使得天然气成为最可接受的能源之一，被视为 走 向可再生能源的桥梁 。 然而，天然气的运输和储存方面的困难使它的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年 2月 艾刚等：高压容器泄漏中发生的焦耳 汤姆逊效应研究 1 0 l 压强差开始降低，J T效应的制冷作用也开始下降， 从而导致温度稍微有些升高 。试验结束时，在关闭 阀门之后，由于容器 内部压强的陡然下 降导致测试 板温度 的快速 降低 。随后，当压力容器 内部剩余的 气体慢慢泄漏完的过程中，测试板的温度也渐渐恢 复到室温。在试验过程中的环境温度是 3 O 。由 于供气瓶里面气体的容量 的限制 ， 导致焦耳 汤姆逊 制冷效应持续 的时间很短。 但是在实际工程情况下， 比如较大的储气罐 、很长 的输气管道等，由于气源 充足 ， 泄漏中发生的焦耳 汤姆逊效应将可能导致更 低的和持续 时间更长的降温。 在 图 1 2中， 。 是测试板外表面上沿裂纹 线方 向上热 电偶 的固定位置。从图 l 2中可以看到， 由焦 耳一 汤姆逊 效 应导 致 的测试 板 的最低 温度 是 1 2 5，总的温度 降低 l 7 5。在 图 1 3中，D1 D9是测试 板外表 面上沿裂纹线对角线方 向上热 电 偶的固定位置。从图 1 3中可以看到，由焦耳 汤姆 逊效应导致的测试板 的最低温度是 7 9，在裂纹 出 口处的氩气的温度 是一 9 2。在 图 l 4中， t t 9是测试板 内表面上沿裂纹线方 向上热 电偶 的固 定位置。从 图 1 4中可以看到，由焦耳一 汤姆逊效应 导致的测试板的最低温度是 1 5，在压力容器 内 部 的氩气的温度是一 7 1。 从上面 的试验结果 可 以证 明气 体在裂纹 中泄 漏所发生 的焦耳一 汤姆逊效应会导致裂纹周 围金属 温度的明显降低 。金属温度 的降低将不可避免地导 致材料断裂韧度的退化 。当裂纹周 围材料的断裂韧 度降低到低于裂纹尖端的应力强度 因子 的时候 ，裂 纹的失稳扩展将随后发生。 然而， 应该注意到的是 ， J T效应是一个局部冷却的效应 。固体钢 的厚壁有一 个 比较高的热容充当热缓冲器，需要较长的时间才 能产生较大范围的降温，因此当失稳扩展到遇到较 高温度的因而具有较高断裂韧度 的材料 的时候 ，裂 纹扩展将被约束。但是，长时间的连续泄漏又会再 次冷却新扩展 的裂纹并且降低其断裂韧度，于是， 裂纹将再次扩展。因此，裂纹扩展将按照开始和停 止的循环方式发生。另外 ，由于不断地泄漏而导致 的气体的消耗和压力容器 内部压强的逐渐降低将降 低 J T效应的制冷性能，从而导致裂纹扩展的约束。 裂纹约束和 裂纹扩展 的循环将会 降低 裂纹扩展 的 速度 。 L B B 方法 是维护 压力容器 安全 性和避免整体 爆炸 的一个关键技术。L B B分析要求 ：裂纹在失稳 破坏 以前发生足够的流体泄漏 以保证能被及时监测 到，并且从发现泄漏到裂纹失稳之 间有足够的时间 以保证安全处理措施 的实现 。为了达到这一 目的， 最大的可探测到的或者允许的裂纹尺寸在失稳之前 一 定不能超过临界裂纹尺寸，并留有一定的裕度。 这个裕度能确保泄漏 的探测、系统的关闭和修补的 顺利进行。临界裂纹尺寸由在室温下或者设计温度 下 的材料的断裂韧度决定 ，因而 并没有考虑焦耳一 汤姆逊制冷效应 。因此，有必要对此现象进行更多 的、更加详细和深入 的研究。 6 结论 本文设计和加工了一个全新的试验装置，并对 在压力容器上 的泄漏 中发生的 J T 效应进行 了相关 的试验研究。通过液氮断裂方法制得类似于 自然裂 纹的人工贯穿裂纹。这个制作方法的优点是贯穿裂 纹的逼真和 自然的特点。与在容器壁上加工裂纹相 比，此脆性裂纹能够很容易在一块样板上面进行制 作。由于它的方便和灵活性，本文所提出的方法可 能成为在压力容器壁上加工裂纹 的方法的替代。 试验证明，由于受到 J T 效应的影响，在裂纹 周围会产生明显的温度降低 。当压力容器 内的压强 达到 9 1 MP a的时候，在裂纹出口处的氩气的温度 为一 9 2 ，测得的裂 纹周 围的金属 的最低温度为 7 9 。如果容器 内部的气体具有更高的压强，一 旦发生泄漏 ，将会导致更多的温度降低，从而会更 大程度地降低裂纹周围材料的力学性能，尤其是断 裂韧度 。这可能会导致先前稳定的裂纹扩展变成快 速的失稳扩展，从而影响到 L B B准则的有效性。因 此 ， 应该对在压力容器泄漏中所发生的 J T效应 引起 足够的重视 ，其研究发现将有助于改进压力容器的 完整性 。 参考文献 1 MAK OG ON Y F H OL DI T C H S A，MA KO GO N T Y Na t u r a l g a s h y d r a t e s - A p o t e n t i a l e n e r g y s o u r c e f o r t h e 2 1 s t c e n t u r y J J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ，2 0 0 7 ，5 6 ( 1 3 1 ：1 4 3 1 2 E C o N0 MI DE S M J ，wO OD D A T h e s t a t e o f n a t u r a l g a s J J o u r n a l o f Na tur a l G a s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 1 f 1 2 ) ： 1 - 1 3 3 1 KARAS ALI H0VI C D，MAUROVI C L，S UNJ ERGA S Na t u r a l g a s i n c r o a t i a S e n e r g y - f u t u r e J A p p l i e d E n e r g y ， 2 0 0 3 ，7 5 ( 1 2 1 ：9 - 2 2 4 】P E R R Y R H，G R E E N D W P e r r y S c h e mi c a l e n g i n e e r s h and b o o k M Ne w Y o r k Mc G r a w- H i l l B o o k C o mp any ， 1 9 8 4 5 】R O Y B NF u n d a me n t a l s o f c l a s s i c a l and s t a t i s t i c a l t h e r mo d y n am i c s M Ne w Y o r k ：Wi l e y ，2 0 0 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 2 机械工程学报 第 5 2卷第 4期 6 E D MI S T E R W C，L E E B I A p p l i e d h y d r o c a r b o n t h e r mo d y n a mi c s M 2 n d e d Ox f o r d ：G u l f P u b l i s h i n g ， 1 98 4 7 】A DAMS O N A W C h a p t e r 4 一 C h e mi c a l the r mo d y n a mi c s Th e fi r s t l a w o f the r mo d y n a mi c s， i n a t e x t b o o k o f p h y s i c a l c h e mi s t ry M Ma s s a c h u s e t t s ：Ac a d e mi c P r e s s ， l 97 3 8 】C AS T E L L A N G W C h a p t e r 7 - E n e r g y a n d t h e fi r s t l a w o f t h e r mo d 3 ， n a m i c s； T h e r mo c h e mi s t r y ， i n p h y s i c a l c h e mi s t r y M Ne w J e r s e y ：Ad d i s o n We s l e y ，1 9 7 1 9 R E I F F C h a p t e r 5 - S i mp l e a p p l i c a t i o n s o f ma c r o s c o p i c t h e r m o d y n a mi c s F u n d a me n t a l s o f s t a t i s t i c a l a n d t h e rm a l p h y s i c s M Ne w Y o r k ：Mc G r a w- H i l l ，1 9 6 5 1 0 】J A NS S E N M F r a c t u r e me c h a n i c s M 2 n d e d L o n d o n ： S p o n P r e s s ， 2 0 0 4 1 1 Z E H NDE RAT F r a c t u r e me c h a n i c s M B e r l i n ： S p ri n g e r Ne t h e r l a n d s 。 2 0 1 2 1 2 R E E P ME YE R O，L OT HE P ， V A L S G AR D S ，e t a 1 F u l l s c a l e g a s l e a k t e s t a t a l a r g e d i a me t e r X一 8 0 DS AW p i p e C C D P r o c e e d i n g s o f t h e AS ME I n t e rna t i o n a l 1 3 】 【 1 4 1 5 1 6 1 7 Pi pe l i ne Conf e r e nc e ， 20 06，Cal g a ry ， Al be r t a， Ca na d a B UR N E T T E S E x p e ri me n t a l s t u d y o f t h e j o u l e t h o ms o n e ff e c t i n c a r b o n d i o x i d e J P h y s i c a l R e v i e w， 1 9 2 3 ， 2 2 ( 6 1 ：5 9 0 6 1 6 R0EBUCK J R， OS T ERBE RG H Th e J o u l e T h o m s o n e ff e c t i n a r g o n J P h y s i c a l R e v i e w， 1 9 3 4 ， 4 6 ( 9 ) ： 7 8 5 7 9 0 ROEBUCK J R， oS T ERBE RG H Th e J o u l e T h o ms o n e ff e c t i n h e l i u m J P h y s i c a l Re v i e w， 1 9 3 3 ， 4 3 ( 1 ) ： 6 0 - 6 9 BI UDGE M AN O C Th e J o u l e Th o ms o n e ffe c t a n d h e a t c a p a c i t y a t c o n s t a n t p r e s s u r e f o r a i r J P h y s i c a l Re v i e w， 1 9 2 9 ， 3 4 ( 3 1 ： 5 2 7 5 3 3 P ER RY J H ， HE RRM ANN C V Th e J o u l e Th o ms o n e ff e c t o f me t h a n e ， n i t r o g e n ， a n d mi x t u r e s o f t h e s e g a s e s J J o u r n a l o f P h y s i c a l C h e mi s t r y ，1 9 3 5 ，3 9 ( 8 ) ：l 1 8 9 1 1 9 5 作者简介：艾刚，男，1 9 7 9年 出生，博士。主要从事焦耳 汤姆逊效应 对压力容器破前漏准则影响的研究 。 E - ma i l ：a i g a n g 2 0 0 0 g ma i l c o rn 刘应华( 通信作者) ，男，1 9 6 8 年出生，博士，教授，博士研究生导师。 主要从事塑性力学和计算固体力学的研究。 E ma i l ：y h l i u t s i n g h u a e d u c n ( 上接第 9 6页) J 1 N W e n x u， XU Li n g f e n g， ZHANG Re n b o， e t a 1 S i mu l a t i o n o f h o t r o l l i n g b e h a v i o r s i n W 1 3 0 0 n o n o r i e n t e d S i s t e e l J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e& E n g i n e e ri n g ，2 0 0 9 ，2