立式多层长圆筒厚壁容器广泛应用于大型化工生产装置中,在生产过程中此类容器爆破事故时有发生,造成了巨大的财产损失和严重的人员伤亡。但是有些事故原因定性存在较大的争议,特别是平阴尿塔爆破事故就存在化学爆炸和物理爆炸的争议,不利于采取有效措施预防此类事故的再次发生。为了探索此类设备爆破的真实原因,作者针对立式多层长圆筒容器塔体爆破的相关问题进行了研究,主要包括下面两个问题：一是立式长圆筒容器气相区化学爆炸压力波传播过程,包括对化爆压力波传播过程影响因素的研究；二是多层包扎圆筒在压力载荷作用下的力学响应,包括完整壳体在动态载荷作用下的响应和缺陷壳体在静载下的力学性能分析。只有弄清这两个问题,才能为明确尿塔爆破原因和分析其他类似容器爆破原因提供参考,也才能为类似设备采取针对性的防爆措施提供研究依据。对典型立式长圆筒容器尿塔的结构和尿素生产工艺进行了分析,分析了尿塔中可燃气体化爆条件,总结了立式长圆筒容器气相空间化学爆炸的特点。研究表明,气相区内部容易聚集可燃气体和氧气,在静电火花等外界能量激励下存在发生化学爆炸的可能。尿塔类容器具有大长径比、空间密闭以及内部介质分为气相和液相等特点,使此类容器气相区化学爆炸具有空间密闭性、局部爆炸性和传播介质性质突变性等特点。对立式长圆筒容器中气相区化爆压力波传播进行了研究。首先探讨了可燃气体爆源物理模型与凝聚相炸药爆源物理模型的异同,对两种爆源进行了等效性分析。计算了爆炸能量,介绍了爆炸模型和运动方程,建立了立式长圆筒容器有限元模型。在此基础上,利用LS-DYNA软件对立式长圆筒容器气相区化学爆炸压力波传播过程进行了模拟,获得了内部介质分为气相区和液相区的立式长圆筒容器气相区化学爆炸压力场演变规律、不同时刻器壁爆炸压力变化规律和不同位置器壁压力时间演化规律。研究结果表明,不同时刻介质内的压力场和器壁压力变化规律以及不同位置器壁压力演化规律清晰地描述了化爆压力波传播过程。气相区介质内压力场演化主要是由气体运动形成的,具有持续性和不规律性；上封头器壁压力曲线的首峰值即为最大峰值；压力最大值出现在上封头顶部位置,接近400MPa,远高于其他位置器壁压力最大值。液相区内的压力波是气体运动激励气液界面时产生的,具有不稳定性和持续性,在传播过程中会重复发生“叠加”和“分离”；筒体壁面压力曲线首峰值在多数时间内不是最大值,而且压力最大值出现的时间不固定；压力波被下封头反射后会向上传播,并在整个液相区的筒体范围内与后续向下传播的压力波相遇,叠加后的波强度有所增加。对爆源位置、气相区体积变化、塔盘障碍物、爆炸能量和气相区形状等因素对立式长圆筒容器气相区化爆压力波传播过程的影响进行了研究分析。结果显示,整个筒体范围内的爆炸压力最大值出现在上封头顶部位置,是其他位置器壁压力最大值的5倍以上；液相区器壁压力最大值出现在靠近气液界面附近位置,比液相区其他位置器壁压力最大值高20MPa以上,出现的具体位置因变量不同稍有变化；液相区其他位置器壁压力最大值几乎相等。大多数情况下,上封头顶部位置压力比冲量曲线值在整个筒体范围内最大,只有爆源偏心设置时,靠近气液界面器壁压力“加强区”的比冲量曲线会超过上封头顶部位置比冲量曲线；随着与爆心距离的增加,不同位置比冲量曲线逐渐降低；设置塔盘后,塔盘上侧单元的比冲量曲线稍高于塔盘下侧相邻单元的比冲量曲线；气相区体积减小和爆炸能量增加时,不同位置比冲量曲线值增加,而气相区体积增加时比冲量曲线值减小。爆源位置变化影响上封头顶部压力最大值,对其他位置器壁压力最大值几乎无影响；气相区体积减小和爆源能量增加时,容器内压力场强度和器壁最大压力值变大；气相区体积增加时,压力场强度和器壁最大压力值减小；设置塔盘后,塔盘下侧器壁单元压力时间曲线趋于平缓。采用平封头结构时,器壁最大压力值分布和比冲量曲线变化规律与采用球封头时相似。利用LS-DYNA软件对带间隙多层包扎圆筒在动态载荷作用下的力学响应进行了研究,分析过程中充分考虑了不同加载压力曲线、层板间隙以及平面应力和平面应变的影响,其中加载压力波形包括单波峰和两种双波峰情况,层板间隙包括0.02mm、O.1mm、0.2mm、0.3mm和0.4mm五种情况。计算结果显示,层板等效应力变化过程分成振荡变化阶段、屈服发展阶段、同步快速增加阶段和应力降低阶段：振荡变化阶段,层板等效应力振荡变化；屈服发展阶段,层板从内向外逐层屈服,屈服后等效应力增长减缓；同步快速增加阶段,最外层板屈服后,层板等效应力同步快速增加；等效应力降低阶段,内部层板应力降低速度大于外部层板等效应力降低速度。在整个加载过程中,层板间应力分布不连续；层板内应力分布不均匀；内层板应力不保证一直大于外层板应力,其中加载压力恢复至平衡压力后,间隙为0.02mm时,外层板应力高于内层板应力；层板运动速度发生变化。层板位移随加载压力降低而有所减小,等效塑性应变不随加载压力降低而减小。不同波峰加载下,次波峰作用时层板应力变化以首波峰结束时状态为基础开始发展,对恢复平衡压力时的等效应力、等效塑性应变和位移影响较小。间隙增加后,等效应力振荡变化阶段缩短；内部层板等效应力、等效塑性应变和位移增加,而外部层板的相关参量减小：加载压力恢复至平衡压力后,间隙为O.1mm时,内外层板等效应力几乎相等,间隙为0.2mm、0.3mm和0.4mm时,内部层板等效应力高于外部层板等效应力。相同层板间隙时,平面应力状态下的层板应力、等效塑性应变和位移值高于平面应变状态下的计算值。对尿塔爆破机理进行了再分析。首先讨论了尿塔气相区化学爆炸引起塔体爆破的可能性,分析了尿塔中化爆压力波传播规律的原因,结果显示平阴尿塔的初始断裂并非由气相区化学爆炸引起。总结了尿塔中缺陷类型,分析了内层板上存在裂纹时对多层包扎圆筒产生的影响,结果显示,随着裂纹长度增加,内层板应力降低,外层板应力增加；外层板与裂纹自由边相接触的位置会出现应力“加强区”,会导致应力腐蚀裂纹优先在该位置产生。建立缺陷层板包扎圆筒结构的物理模型,提出考虑裂纹层板影响时其他层板应力和临界裂纹长度的计算方法。以平阴尿塔为算例,分析了考虑裂纹层板影响时其他层板应力和临界裂纹长度变化规律,结果显示,考虑内层板裂纹影响时,外层板应力增加,临界裂纹长度变短,增加了尿塔运行的危险性。总之,通过对立式多层长圆筒容器内气相空间化学爆炸压力波传播过程的模拟,直观形象地展示了尿塔气相区化学爆炸压力波在尿塔中的传播过程。通过对尿塔中气相区化学爆炸引起塔体爆破的分析以及与化学爆炸观点关于爆炸波传播过程描述的比较,否定了平阴尿塔塔体初始断裂是由气相区化学爆炸引起的可能。通过对间隙多层包扎圆筒在动态载荷下的响应模拟研究,获得了间隙层板结构在动态载荷作用下的力学响应,为此类结构设备的防爆设计提供了直接的参考。对缺陷多层包扎圆筒的研究,很好地解释了尿塔层板中应力腐蚀裂纹分布规律。通过作者在本文中的研究,对明确尿素合成塔爆破原因和分析其他类似容器爆破原因提供了参考,对于采取有针对性的预防措施,保障此类容器的安全运行,具有重要的意义。此外,由于立式多层长圆筒容器事故非常复杂,要想彻底对尿塔爆破原因进行溯源研究,尚需对本文中的模拟结果进行容器爆破性实验验证。