變工況下液化石油氣鋼瓶失效有限元分析

李 響* 趙升起

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 2.上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院）

0 引言

近年來(lái)，液化石油氣鋼瓶泄漏引發(fā)的爆炸事故屢見(jiàn)不鮮，引起社會(huì)廣泛關(guān)注。液化石油氣是由天然氣或石油經(jīng)過(guò)加壓降溫液化獲得的一種無(wú)色揮發(fā)性液體。當(dāng)液化氣泄漏后與空氣混合形成爆炸性氣體，遇到點(diǎn)火源后會(huì)引起液化氣爆燃。圖1 為常用液化石油氣瓶（型號(hào)：YSP4.7），液化氣瓶一般由底座、上下封頭、瓶閥等組成[1]。

圖1 液化石油氣鋼瓶結(jié)構(gòu)

夏季是液化石油氣瓶較容易發(fā)生爆炸的季節(jié)，液化氣瓶進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí)承受的壓力為2.1 MPa，而一般情況下液化氣瓶在的工作壓力為0.5～1.2 MPa，如果液化氣瓶?jī)?nèi)部的氣體裝得太滿，當(dāng)溫度升高后，內(nèi)部壓力會(huì)快速增大，無(wú)法承受該壓力的液化氣瓶就會(huì)發(fā)生爆炸。文獻(xiàn)表明[2]，20 ℃時(shí)，液化氣瓶?jī)?nèi)部壓力只有0.8 MPa，處在正常的壓力范圍內(nèi)，當(dāng)溫度升高到40 ℃時(shí)，液化氣瓶?jī)?nèi)部壓力增大到1.6 MPa。此外，液化氣瓶本身老化或破損，則無(wú)法繼續(xù)承受內(nèi)部正常壓力，當(dāng)液化氣瓶超期使用時(shí)，所能承受的壓力變低，液化氣瓶在搬運(yùn)過(guò)程中破損，也會(huì)導(dǎo)致其承受能力變?nèi)酢Ｒ虼耍疚耐ㄟ^(guò)有限元方法對(duì)受到交變載荷下的液化石油氣鋼瓶進(jìn)行仿真分析，研究氣瓶?jī)?nèi)部壓力變化對(duì)液化石油氣瓶失效情況的影響。

1 液化石油氣鋼瓶受力分析

液化石油氣鋼瓶屬于薄壁壓力容器（即內(nèi)外徑之比≤1.2），氣瓶瓶體一般由鋼板卷焊而成，鋼板的軋制方向與瓶體環(huán)向一致，受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用，圖2 為內(nèi)壓作用下的液化石油氣鋼瓶受力分析，鋼瓶受到均勻內(nèi)壓p，鋼瓶任意一點(diǎn)均受到軸向應(yīng)力σφ和切向應(yīng)力σθ作用，由于氣瓶壁厚較小，無(wú)法承受彎矩，因此薄壁壓力容器的徑向應(yīng)力為0。在內(nèi)壓p的作用下，液化氣鋼瓶的直徑將變大，鋼瓶筒體的σθ是σφ的2 倍，當(dāng)液化石油氣鋼瓶發(fā)生失效時(shí)，往往會(huì)沿著軸線開(kāi)裂，因此實(shí)際制造時(shí)鋼瓶的縱焊縫質(zhì)量遠(yuǎn)高于環(huán)焊縫。

圖2 內(nèi)壓作用下的液化石油氣鋼瓶受力分析

2 液化石油氣鋼瓶有限元分析

2.1 液化石油氣鋼瓶結(jié)構(gòu)

本文研究的液化石油氣鋼瓶結(jié)構(gòu)尺寸如圖3 a）所示，該液化氣鋼瓶上封頭為橢圓形封頭，下封頭為碟形封頭，其中蝶形封頭由球殼和過(guò)渡環(huán)殼組成，氣瓶的封頭由整塊鋼板制成。瓶體與封頭的內(nèi)徑都是200 mm，鋼瓶總長(zhǎng)度為500 mm，壁厚為10 mm，為了提高仿真軟件迭代收斂速度，根據(jù)液化石油氣鋼瓶的結(jié)構(gòu)尺寸，建立如圖3 b）所示的液化石油氣鋼瓶軸對(duì)稱有限元模型，氣瓶為可變形軸對(duì)稱模型，可以選取液化氣瓶的1/2 進(jìn)行分析，幾何圖元選擇為殼體。

圖3 液化石油氣鋼瓶結(jié)構(gòu)尺寸及有限元模型（單位：mm）

2.2 材料參數(shù)

液化石油氣鋼瓶主體材料一般采用電爐、平爐或者氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼，需具有良好的焊接和沖壓性能。液化石油氣鋼瓶的屈強(qiáng)比不得大于0.8，定義材料參數(shù)前，需要先選定截面，定義液化氣鋼瓶材料為彈性材料，楊氏模量為200 000，泊松比為0.3，定義鋼瓶材料為各向同性材料，截面屬性設(shè)定為均質(zhì)殼體，采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

2.3 邊界條件和載荷設(shè)置

邊界條件應(yīng)與實(shí)際情況相符，液化石油氣鋼瓶在出廠前需要進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，需要以每秒不超過(guò)0.5 MPa 的速率緩慢升壓到3.2 MPa，并保持1 min，且氣瓶不得出現(xiàn)宏觀變形和滲漏。建立有限元模型設(shè)置邊界條件和載荷前，需要?jiǎng)?chuàng)建分析步，分析時(shí)長(zhǎng)取660 s，設(shè)置最大迭代增量步數(shù)（即分析步數(shù)上限）為1 000。定義位移邊界條件時(shí)，防止模型在任意方向上移動(dòng)，在坐標(biāo)軸y方向設(shè)置位移約束固定法向，固定液化氣鋼瓶的下封頭，對(duì)下封頭底部施加端面載荷。

液化氣鋼瓶充氣后內(nèi)部壓強(qiáng)提高，所以對(duì)液化石油氣鋼瓶?jī)?nèi)部施加均勻分布?jí)毫d荷，為了模擬液化氣鋼瓶充裝液化石油氣的內(nèi)部壓強(qiáng)變化，對(duì)液化氣鋼瓶設(shè)置變壓力載荷，所設(shè)計(jì)的鋼瓶?jī)?nèi)部壓強(qiáng)隨邊界變化曲線如圖4 所示，由圖4 可知，液化氣鋼瓶先線性增壓1 min，當(dāng)鋼瓶?jī)?nèi)部壓力達(dá)到1.6 MPa 后，再保壓4 min，然后1 min 內(nèi)將氣瓶減壓至0.75 MPa，保壓4 min，最后氣瓶降壓至常壓。液化石油氣鋼瓶的邊界條件和施加的內(nèi)部載荷分布如圖5所示。

圖4 液化氣鋼瓶?jī)?nèi)部壓力-時(shí)間曲線

圖5 液化石油氣鋼瓶邊界條件和載荷圖

2.4 網(wǎng)格劃分及求解

有限元模型的網(wǎng)格劃分情況決定了分析的精度，首先對(duì)模型進(jìn)行分割，種子是區(qū)域邊界的標(biāo)記，在模型的圓角處共布置了6 個(gè)種子以控制網(wǎng)格的稀疏，并設(shè)置近似全局尺寸為2，因?yàn)椴輬D為二維模型且形狀簡(jiǎn)單，所以利用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù)，選用四邊形平面網(wǎng)格單元對(duì)有限元模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共劃分了1 585個(gè)網(wǎng)格單元，圖6 為液化石油氣鋼瓶網(wǎng)格劃分情況。

圖6 液化石油氣鋼瓶網(wǎng)格劃分示意圖

3 后處理分析

3.1 等效應(yīng)力分布

液化石油氣瓶的失效模式包括腐蝕失效、塑性斷裂失效、屈服失效等，當(dāng)氣瓶受到的最大應(yīng)力如果達(dá)到屈服點(diǎn)就會(huì)失效，因此，鋼瓶的最大應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力。液化石油氣鋼瓶?jī)?nèi)壁受到圖4 所示的內(nèi)壓變化載荷作用時(shí)，鋼瓶材料單元的y方向上的等效應(yīng)力分布情況如圖7 所示。從圖7 可以看出，液化石油氣鋼瓶上下封頭處的應(yīng)力較小，氣瓶瓶體的應(yīng)力分布較大，尤其是靠近上下封頭處連接處的瓶體的等效應(yīng)力值大于瓶體中部的等效應(yīng)力值，如圖7 a）所示，鋼瓶瓶體中部等效應(yīng)力值為3.91 MPa，瓶體靠近上部橢圓形封頭的等效應(yīng)力值為6.19 MPa。當(dāng)內(nèi)壓加載時(shí)間為0～60 s 時(shí)，計(jì)算步數(shù)從step1 至step11，鋼瓶受到的等效應(yīng)力逐漸增大，加載時(shí)間為60～300 s，計(jì)算步數(shù)從step11 至step40，鋼瓶受到的等效應(yīng)力保持不變，此時(shí)氣瓶的屈服強(qiáng)度較高，最大應(yīng)力值達(dá)到了21.48 MPa，從計(jì)算步數(shù)step41 開(kāi)始，等效應(yīng)力逐漸降低。

圖7 液化石油氣鋼瓶等效應(yīng)力分布云圖（單位：MPa）

從圖7 可以看出，整個(gè)過(guò)程中氣瓶的底端和頂端的都屈服強(qiáng)度比較低，說(shuō)明上下封頭能夠承載高內(nèi)壓，頂端和底端與瓶體圓弧過(guò)渡段的等效應(yīng)力高于其他位置的等效應(yīng)力，說(shuō)明氣瓶下部蝶形封頭與罐體的圓弧過(guò)渡段在受到較高壓力時(shí)，應(yīng)力較為集中，瓶體容易發(fā)生開(kāi)裂失效進(jìn)入屈服階段[3-4]，而上部橢圓形封頭受到內(nèi)壓作用仍處于彈性范圍，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)為降低加工難度往往采用橢圓形封頭和蝶形封頭。

3.2 等效應(yīng)變分布

液化石油氣鋼瓶為圓柱筒形薄壁殼體，可以認(rèn)為壓力在筒壁上均勻分布[5]。圖8 為液化石油氣鋼瓶等效應(yīng)變分布情況，可以看到液化石油氣鋼瓶大部分為彈性狀態(tài)，最大等效應(yīng)變區(qū)域均位于氣瓶底部蝶形封頭的環(huán)殼與球殼過(guò)渡處，計(jì)算步數(shù)從step1 至step11，鋼瓶的最大等效應(yīng)變值為12.82，蝶形封頭環(huán)殼兩邊的應(yīng)變值遠(yuǎn)低于氣瓶瓶體的應(yīng)變值，計(jì)算步數(shù)從step11 至step40，液化石油氣鋼瓶的最大應(yīng)變?yōu)?5.64 MPa，如圖8 所示，說(shuō)明該處受到持續(xù)的壓力作用，蝶形封頭的環(huán)殼處發(fā)生較大的變形。

圖8 液化石油氣鋼瓶等效塑性應(yīng)變分布云圖

圖9 為液化石油氣鋼瓶截面最大應(yīng)變分布云圖，從圖9 可知，液化石油氣鋼瓶發(fā)生應(yīng)變的具體位置為鋼瓶底部蝶形封頭圓弧過(guò)渡內(nèi)圓角和外圓角。進(jìn)一步分析后可知，蝶形封頭受到內(nèi)壓作用趨于球形，封頭球殼部分受到均勻分布的徑向應(yīng)力，封頭圓弧過(guò)渡段向內(nèi)壓縮，蝶形封頭球殼和過(guò)渡環(huán)殼連接處的等效應(yīng)力最大，沿著徑向至封頭底部逐漸減小[6]，因此，蝶形封頭的球殼和過(guò)渡環(huán)殼的過(guò)渡區(qū)域存在較高的周向壓縮應(yīng)力，根據(jù)彈性失穩(wěn)理論，蝶形封頭存在彈性范圍內(nèi)失效破壞的可能性。

圖9 液化石油氣鋼瓶截面最大應(yīng)變分布

4 結(jié)論

本文以液化石油氣鋼瓶為研究對(duì)象，利用有限元方法分析了液化石油氣瓶受變化內(nèi)壓作用變形過(guò)程，分析受到較高內(nèi)壓作用的液化石油氣瓶失效情況，得出以下結(jié)論：

（1）液化石油氣鋼瓶靠近上下封頭連接處的的瓶體的等效應(yīng)力較為集中；

（2）液化石油氣鋼瓶?jī)?nèi)壓異常升高時(shí)鋼瓶底部蝶形封頭環(huán)殼與球殼圓角處應(yīng)變急劇增加，存在彈性失穩(wěn)的可能性；

（3）液化石油氣鋼瓶應(yīng)合理使用，避免內(nèi)壓非正常升高導(dǎo)致鋼瓶失效。